Nucléosides
Structure et classification

Structure générale des nucléosides

1. Les nucléosides sont composés :

a. d'une base hétérocyclique azotée (nucléobase), responsable des propriétés d’appariement et de reconnaissance moléculaire dans les acides nucléiques :

• soit une base purique, l'adénine (A) ou la guanine (G) principalement,
• soit une base pyrimidique, la cytosine (C), la thymine (T) spécifique à l'ADN, ou l'uracile (U) spécifique à l'ARN.

b. d'un pentose, ose à 5 carbones,

• ribose pour les ribonucléotides,
• désoxyribose pour les désoxyribonucléotides.

2. Le carbone 1' du pentose est lié à la base azotée par une liaison β-N-glycosidique :

• N9 des bases puriques,
• N1 des bases pyrimidiques.

3. La liaison β-N-glycosidique permet une rotation autour de l’axe reliant la base à l'ose, ce qui conduit à deux conformations principales (Conformation of Nucleic Acid Components).

a. Dans la conformation dite anti, la base est orientée à l’opposé de l'ose, i.e. à l'intérieur, ce qui minimise les interactions stériques entre la base et le pentose.

• C’est la conformation la plus stable et la plus fréquente dans l’ADN B et l’ARN double brin.
• Elle permet un empilement optimal des bases et un appariement canonique correct.

b. Dans la conformation dite syn, la base est au-dessus du sucre, ce qui entraîne des contraintes stériques plus importantes.

• Cette conformation rare est observée dans l'ADN Z ou dans certaines structures secondaires d’ARN comme les motifs de tige-boucle ou les ribozymes.
• Elle peut permettre des appariements non canoniques ou des interactions spécifiques avec des protéines.

Nucléosides les plus courants

Les nucléosides les plus courants sont les suivants.

Nucléosides pyrimidiques

À base de cytosine

1. Les nucléosides à base de cytosine sont :

• la cytidine (C) dans l'ARN,
• la désoxycytidine (dC) dans l'ADN,

2. La cytidine peut subir différentes méthylations portant :

• soit sur la base azotée,
• soit sur le groupement hydroxyle 2′-OH du ribose ( 2'-O-méthylations des ARN), guidé par les sno-RNP à boite C/DP dans les ARN ribosomiques (ARNr) ou les sca-RNP à boite C/D dans les snARN (small nuclear RNA).

Type de méthylation de la cytidine	Localisation	Rôle principal
5-méthylcytidine (m5C)	ADN, forme la plus courante (épigénétique) Certains ARN (ARNt, ARNr et ARNm)	Régulation épigénétique Stabilité des ARN Régulation épitranscriptomique des ARNm
3-méthylcytidine (m3C)	ARNt, ARNr	Structure et fonction des ARN
N4-méthylcytidine (m4C)	ARNr	Structure et protection
2'-O-méthylcytidine (Cm)	Tous types d'ARN	Stabilité, protection, reconnaissance
5-hydroxyméthylcytidine (hm5C)	ADN (épigénétique, déméthylation) Certains ARN (rare)	Régulation fine de l'expression Intermédiaire de déméthylation de l’ADN

Remarque : mⁿX correspond à l'ajout d'un groupe méthyle ($\ce{-CH3}$) sur la base azotée en position n.

Dans cette notation, la nature de l’atome n’est pas indiquée, mais elle est connue à partir de numérotation standard des atomes de la base azotée (cf. figure au-dessus).

• m3C correspond à une méthylation sur l’atome N3 de la cytosine,
• m5C correspond à une méthylation sur l’atome C5 de la cytosine.

La notation 2'-O correspond à une méthylation du groupement hydroxyle 2'-OH du ribose, et non de la base azotée.

3. La cytidine peut également être acétylée en N⁴-acétylcytidine (ac⁴C), présente notamment dans certains ARN messagers ( épitranscriptome).

À base d'uracile

Les nucléosides à base d'uracile sont les suivants.

1. L'uridine (U) dans l'ARN remplace la thymidine lors de la phase de transcription de l'ADN en ARN messager (ARNm).

2. La désoxyuridine (dU), bien qu’absente à l’état normal de l’ADN, peut apparaître à la suite d’une désamination spontanée de la désoxycytidine (dC).

Cette modification correspond à l’introduction d’uracile dans l’ADN par la désamination spontanée de la cytosine et est normalement corrigée par des mécanismes de réparation par excision de base (BER).

3. La dihydrouridine est principalement retrouvée dans les ARN de transfert (ARNt)

• Il s'agit d'un nucléoside dérivé de l’uridine, dans laquelle la double liaison entre les carbones 5 et 6 du cycle pyrimidinique est saturée, ce qui confère à la molécule une conformation plus flexible.
• Dans les ARN de transfert (ARNt), la dihydrouridine est typiquement localisée dans la boucle D (ou boucle de la dihydrouridine), où elle joue un rôle important dans la souplesse structurale de la molécule, facilitant son repliement tridimensionnel nécessaire à sa fonction lors de la traduction.

4. La pseudouridine (Ψ) est un nucléoside modifié dérivé de l’uridine, résultant de l’isomérisation de l’uracile en pseudouracile ( cf. plus bas).

Remarque : l'uridine peut aussi être méthylée sur le groupement hydroxyle 2′-OH du ribose ( 2'-O-méthylations des ARN), guidé par les sno-RNP à boite C/DP dans les ARN ribosomiques (ARNr) ou les sca-RNP à boite C/D dans les snARN (small nuclear RNA).

À base de thymine

Les nucléosides à base de thymine sont les suivants.

1. La thymidine (T) est retrouvée dans l'ADN.

2. La ribothymidine ou 5-méthyluridine (rT) est retrouvée dans les ARN de transfert (ARNt).

Elle est formée par un dérivé méthylé de l’uridine, dans lequel un groupement méthyle est ajouté en position 5 du cycle pyrimidique, ce qui correspond à une base chimiquement identique à la thymine de l’ADN, mais associée ici à un ribose et non à un désoxyribose.

• Cette modification se trouve classiquement en position 54 de la boucle " TΨC " de l’ARNt, i.e. thymidine, pseudouridine et cytidine, une région hautement conservée impliquée dans la stabilisation de la structure tertiaire de la molécule.
• La présence de la ribothymidine, souvent associée à la pseudouridine (Ψ) dans cette même boucle, contribue à la reconnaissance correcte de l’ARNt par les aminoacyl-ARNt synthétases et à la stabilité de l’interaction avec le ribosome durant la traduction.

Nucléosides puriques

À base d'adénine

Les nucléosides à base d'adénine sont les suivants.

1. L'adénosine (A) est le nucléoside présent dans l'ARN.

• Elle constitue également le noyau de nombreux composés " riches en énergie " comme l'ATP.
• Elle intervient dans plusieurs mécanismes de signalisation, notamment dans la transduction des signaux cellulaires ( récepteurs purinergiques),

2. La désoxyadénosine (dA) est le nucléoside correspondant dans l’ADN.

3. La N¹-méthyladénosine (m¹A) est un nucléoside modifié dans lequel un groupe méthyle ($\ce{-CH3}$) est ajouté sur l’atome d’azote en position 1 (N1) de l’adénine.

a. Par exemple, la 1-méthyladénosine nucléosidase (EC 3.2.2.13) hydrolyse la liaison N-glycosidique du nucléoside, libérant la base modifiée et le sucre selon la réaction :

$\ce{1-méthyladénosine + H2O}$ $\leftrightharpoons$ $\ce{1-méthyladénine + D-ribose}$

b. Dans les ARN de transfert (ARNt), m¹A contribue principalement à la stabilisation de la structure tridimensionnelle essentielle au bon fonctionnement de la molécule.

• Elle est également présente dans certains ARN ribosomiques (ARNr), où elle participe à la stabilité de domaines structuraux impliqués dans le fonctionnement du ribosome.
• La m¹A est également présente, plus rarement, dans les ARN messagers (ARNm)

c. La N¹-méthyladénosine (m¹A) illustre l'importance des modifications chimiques des ARN dans la biologie cellulaire et participe, avec de nombreuses autres marques, à l'épitranscriptome pris dans son sens le plus large.

4. La N6-méthyladénosine (m⁶A) correspond à une adénosine méthylée en position N6 de la base purique, largement distribuée dans les ARN eucaryotes comme :

• les ARN messagers (ARNm),
• de nombreux ARN longs non codants (lncRNA), comme Xist, un gène impliqué dans l’inactivation du chromosome X chez les mammifères placentaires,
• certains ARN circulaires (circRNA), , dans lesquels elle peut favoriser une traduction indépendante de la coiffe 5′ (cap-independent translation).

Remarque : l'adénosine peut aussi être méthylée sur le groupement hydroxyle 2′-OH du ribose ( 2'-O-méthylations des ARN), guidé par les sno-RNP à boite C/DP dans les ARN ribosomiques (ARNr) ou les sca-RNP à boite C/D dans les snARN (small nuclear RNA).

À base de guanine

1. Les nucléosides à base de guanine sont les suivants :

• la guanosine (G) dans l'ARN,
• la désoxyguanosine (dG) dans l'ADN.

2. La guanosine peut subir différentes modifications chimiques, notamment des méthylations, qui contribuent à la diversité structurale et fonctionnelle des ARN.

a. La N²-N²-diméthylguanosine (m^2,2G), dans laquelle deux groupes méthyle sont ajoutés sur l’atome d’azote en position 2 (N2), participe à la stabilité et la fonction des ARN de transfert (ARNt) et des ARN ribosomiques (ARNr).

b. La 7-méthylguanosine (m⁷G), obtenue par méthylation de la guanosine sur l'atome d'azote en position 7 (N7), est présente dans les ARN messagers (ARNm) sous deux formes distinctes :

• sous forme de coiffe en 5′ ( maturation des ARNm),
• plus rarement, comme modification interne de certains ARNm ( épitranscriptome),
• dans certains ARN de transfert (ARNt), où elle contribue à la stabilité de leur structure tridimensionnelle ( modifications des ARNt et des ARNr).

c. La N²-méthylguanosine (m²G), obtenue par méthylation de la guanosine sur l'atome d'azote en position 2 (N2), est présente dans certains ARN ribosomiques (ARNr), où elle participe au repliement et à la stabilité locale de la molécule

c. La queuosine (Q) est un nucléoside dérivé de la guanosine dans lequel la guanine est remplacée par une base hypermodifiée appartenant à la famille des 7-déazaguanines.

• Présente dans certains ARN de transfert (ARNt), au niveau de la première base de l'anticodon (position 34), elle améliore la fidélité de la traduction en favorisant une reconnaissance plus précise des codons se terminant par U ou C ( modifications de s ARNt et des ARNr).

Remarque : la guanine peut aussi être méthylée sur le groupement hydroxyle 2′-OH du ribose ( 2'-O-méthylations des ARN), guidé par les sno-RNP à boite C/DP dans les ARN ribosomiques (ARNr) ou les sca-RNP à boite C/D dans les snARN (small nuclear RNA).

À base de xanthine

La xanthosine est un intermédiaire dans le métabolisme des purines.

• Elle peut être formée par désamination de la guanosine ou par la dégradation de l’inosine ( désamination des bases puriques).
• Elle est également impliquée dans les voies de sauvetage des bases puriques ( voie de sauvetage des bases puriques).

Nucléosides modifiés

D'autres nucléosides naturels modifiés sont présents dans certains ARN non codants, en particulier dans les ARN de transfert (ARNt) ou les ARN ribosomiques (ARNr).

Ils résultent de modifications chimiques des bases ou du ribose et contribuent à la structure et à la fonction des ARN.

Pseudouridine (Ψ)

La pseudouridine (Ψ) est un nucléoside résultant de la liaison entre l'uracile et le ribose, qui, au lieu d'être N-glycosidique (N1-C1'), est C-glycosidique (C5-C1'), i.e. pseudouracile ( liaison glycosidique).

1. Contrairement aux autres nucléosides, la pseudouridine n'est pas incorporée lors du processus de transcription, mais résulte d'une modification post-transcriptionnelle de certains résidus d'uridine.

C'est la modification nucléosidique la plus fréquente dans les ARN et elle est retrouvée chez l'ensemble des organismes vivants.

2. L'une des boucles des ARN de transfert (ARNt) porte systématiquement ce résidu de pseudouridine conservé impliqué dans la stabilisation de leur structure tertiaire.

Cette région des ARNt contient une séquence conservée composée de thymidine, pseudouridine et cytidine, ce qui explique l’appellation de boucle " TΨC ".

La pseudouridine diffère de l’uridine par une liaison β-C-glycosidique entre C5 de la base et C1′ du ribose, ce qui laisse N1 protoné (N1-H) et capable de former une liaison hydrogène supplémentaire.

Cette liaison renforce le réseau d’interactions hydrogène avec le squelette ribose-phosphate et améliore l’empilement des bases, contribuant ainsi à la stabilisation des structures secondaires et tertiaires des ARN.

3. La pseudouridine est synthétisée par des pseudouridine synthases spécifiques (PUS) et peut influencer :

• l'appariement codon-anticodon dans les ARN de transfert (ARNt),
• les interactions entre les ARN et les ribosomes.

4. Chez les eucaryotes, la pseudouridylation des ARN ribosomiques (ARNr) et de certains snARN est dirigée par des petits ARN guides appartenant aux familles des snoARN et des scaARN, associés à des complexes ribonucléoprotéiques contenant la dyskérine.

Remarque : dans certains vaccins contre la COVID-19 (Coronavirus disease 2019), l'uridine est remplacée par la pseudouridine ou la N1-méthyl-pseudouridine (m¹Ψ).

• Cet ARNm est peu reconnu par le système immunitaire, ce qui évite sa dégradation rapide et le blocage de la synthèse protéique.

• 

  La cellule produit alors la protéine Spike, protéine qui déclenche une réponse immunitaire ciblée et une mémoire immunitaire durable, sans inflammation excessive.

Inosine

L'inosine est un nucléoside purique qui se forme lorsque l'hypoxanthine, base azotée purique, est attachée à un ribose par une liaison β-N-glycosidique.

1. Dans l'ARN, l'inosine est formée :

• soit par désamination directe de l'adénosine, catalysée par des adénosine désaminases (ADAR) agissant sur l’ARN (édition A → I de l'ARN),
• soit par la désamination de l'adénosine monophosphate (AMP) en inosine monophosphate (IMP), réaction impliquée dans le métabolisme des purines (formation de l'AMP à partir de l'IMP).

2. L’inosine, présente dans certains ARN de transfert (ARNt), participe à la lecture du code génétique grâce au phénomène d’appariement wobble (appariement wobble).

Nucléotides