Biologie cellulaire
Ribosomes : biogenèse
Assemblage et maturation des sous-unités ribosomiques

L'assemblage et la maturation des sous-unités ribosomiques couvrent les trois dernières étapes de la ribogenèse conduisant à la formation des sous-unités 40S et 60S fonctionnelles :

• l'assemblage des particules pré-ribosomiques et l'incorporation des protéines ribosomiques,
• l'export nucléaire des pré-sous-unités,
• la maturation cytoplasmique finale.

La ribogenèse avait commencé par les étapes :

• la transcription des précurseurs d'ARN ribosomiques,
• la maturation des pré-ARNr.

Assemblage des sous-unités pré-ribosomiques

Les pré-ARNr maturés ne s'assemblent pas spontanément en sous-unités ribosomiques 40S et 60S fonctionnelles.

Vue d'ensemble de l'assemblage

La transformation des pré-ARNr en ribosomes nécessite la formation de particules pré-ribosomiques transitoires au sein desquelles les pré-ARNr s'associent progressivement à de nombreuses protéines ribosomiques et à plusieurs centaines de facteurs d'assemblage qui coordonnent (Eukaryotic Ribosome Assembly 2024 et Mechanistic insight into eukaryotic 60S ribosomal subunit biogenesis by cryo-electron microscopy 2016) :

• le repliement des ARNr,
• l'organisation des particules en maturation,
• les remaniements structuraux successifs conduisant à la formation des pré-ribosomes.

1. La première particule pré-ribosomique majeure identifiée au cours de la biogenèse des ribosomes est la particule 90S, vaste complexe ribonucléoprotéique (RNP) contenant notamment le SSU processome (Small Subunit processome), impliqué dans la maturation précoce (Assembly and structure of the SSU processome - a nucleolar precursor of the small ribosomal subunit 2019).

Cette particule se forme de manière co-transcriptionnelle autour du pré-ARNr naissant et rassemble (Nucleolar maturation of the human small subunit processome 2021) :

• le précurseur 47S, qui après maturation donnera les ARNr 18S, 28S et 5.8S (maturation et clivage du pré-ARNr 47S)
• de nombreux snoARN (small nucleolar RNA),
• des protéines ribosomiques,
• un grand nombre de facteurs d’assemblage comme les UTP ou U three proteins (Proteins and RNA sequences required for the transition of the t-Utp complex into the SSU processome 2018).

2. Les clivages successifs du pré-ARNr marquent progressivement la séparation des voies de maturation des futures petites et grandes sous-unités ribosomiques et conduisent à l'apparition des premières particules pré-40S et pré-60S (Emergence of the primordial pre-60S from the 90S pre-ribosome 2022).

Ces particules évolueront ensuite selon des trajectoires distinctes tout en restant associées à de nombreux facteurs de biogenèse spécialisés jusqu'à la formation des futures sous-unités 40S et 60S.

Remarque : dans la figure ci-dessus, les facteurs d'assemblage transitoires Ytm1, Erb1 et Nsa1 participent à l'organisation et à la stabilisation des précurseurs de la sous-unité 60S.

• Les facteurs Utp12, Utp13, Utp22, Kre33, Rrp5 et Rrp7 appartiennent au SSU processome et contribuent à l'assemblage précoce de la future sous-unité 40S.
• Cette organisation transitoire permet l'incorporation progressive des protéines ribosomiques et la maturation coordonnée des futures sous-unités 40S et 60S.

Incorporation des protéines ribosomiques

L'incorporation des protéines ribosomiques constitue une étape essentielle de la biogenèse des ribosomes.

Chez les eucaryotes, les protéines ribosomiques sont synthétisées dans le cytoplasme, puis importées dans le noyau grâce à des importines et à différents facteurs chaperons spécialisés qui préviennent leur agrégation et leur assemblage prématuré (Dissecting the Nuclear Import of the Ribosomal Protein Rps2 (uS5) 2023).

1. Au-delà de leur rôle structural, de nombreuses protéines ribosomiques (Emergence of the primordial pre-60S from the 90S pre-ribosome 2022) :

• participent directement au repliement des ARNr,
• stabilisent certaines structures tridimensionnelles intermédiaires,
• servent de points d'ancrage à différents facteurs de maturation.

2. L'incorporation des protéines ribosomiques s'effectue de manière progressive tout au long de la maturation des pré-ribosomes.

Certaines protéines sont recrutées très précocement lors de la formation de la particule 90S alors que d'autres ne sont incorporées qu'au cours des étapes nucléaires ou cytoplasmiques plus tardives.

3. Les protéines ribosomiques possèdent des propriétés biochimiques qui rendent nécessaire leur prise en charge par des facteurs spécialisés.

De nombreuses protéines présentent de longues régions basiques riches en lysine et arginine qui favorisent leur interaction avec les ARN ribosomiques mais les rendent également particulièrement sensibles :

• à l'agrégation,
• aux interactions non spécifiques avec d'autres acides nucléiques,
• à leur dégradation lorsqu'elles ne sont pas incorporées dans un pré-ribosome.

4. Plusieurs protéines nucléolaires participent également à l'organisation et à l'assemblage des particules pré-ribosomiques.

• La nucléophosmine (NPM1) intervient comme protéine chaperonne en favorisant l'assemblage, la stabilité et l'export des pré-sous-unités ribosomiques, principalement des pré-60S.
• La nucléoline (NCL) participe au repliement des pré-ARNr, au recrutement de plusieurs facteurs de maturation et à l'organisation structurale du nucléole, contribuant ainsi à la coordination des différentes étapes de la ribogenèse.

Remarque : dans la figure ci-dessus, les états Pre-A1, Pre-A1*, Post-A1, Dis-A, Dis-B et Dis-C correspondent à différents intermédiaires successifs du SSU processome et des particules pré-40S observés au cours de la maturation du pré-ARNr 18S.

Ces étapes s'accompagnent du recrutement et de l'élimination progressive de nombreux facteurs d'assemblage, de l'incorporation des protéines ribosomiques et de réarrangements structuraux conduisant à la formation d'une sous-unité 40S mature après export nucléaire.

5. Des mécanismes spécialisés assurent ainsi leur stabilisation, leur transport nucléaire et leur assemblage au moment approprié au sein des particules pré-ribosomiques (Dedicated chaperones coordinate co-translational regulation of ribosomal protein production with ribosome assembly to preserve proteostasis 2022 et Dedicated chaperones mediate assembly of ribosomal proteins into eukaryotic ribosomes 2018).

Parmi les mieux caractérisés figurent notamment (Tsr4 and Nap1, two novel members of the ribosomal protein chaperOME 2019) :

• Acl4 impliqué dans l'assemblage de uL4,
• Yar1 associé à uS3,
• Sqt1 impliqué dans le recrutement de uL16,
• Syo1 qui coordonne l'import nucléaire des protéines uL5 et uL18 associées au 5S ARNr.

Maturation nucléaire des particules pré-40S et pré-60S

1. Les particules pré-40S contiennent le futur ARNr 18S associé à un ensemble croissant de protéines de la petite sous-unité ainsi qu'à différents facteurs de maturation transitoires impliqués dans (Conformational switches control early maturation of the eukaryotic small ribosomal subunit 2019 et figure-ci-dessus) :

• le repliement de la particule,
• la maturation du futur ARNr 18S,
• l'inhibition de certaines interactions prématurées avec la grande sous-unité ribosomique 60S,
• les étapes préparatoires à la maturation cytoplasmique.

2. Les particules pré-60S subissent des remaniements structuraux particulièrement complexes en raison de la taille importante de la grande sous-unité ribosomique (Visualizing the nucleoplasmic maturation of human pre-60S ribosomal particles 2023).

Les particules pré-60S contiennent les futurs ARN 28S et 5.8S ainsi qu'un grand nombre de protéines ribosomiques et de facteurs d'assemblage spécialisés qui coordonnent les remaniements structuraux conduisant à la maturation progressive de la grande sous-unité ( cf. figure 3 de Eukaryotic Ribosome Assembly 2018 et Eukaryotic Ribosome Biogenesis: The 60S Subunit 2022).

Le complexe ribonucléoprotéique 5S RNP, constitué de l'ARNr 5S associé aux protéines uL5 et uL18, est incorporé au cours de cette maturation et participe à l'organisation de la future protubérance centrale (CP ou central protuberance) de la sous-unité 60S.

3. À l'issue de ces étapes d'assemblage nucléaire, les particules pré-40S et pré-60S possèdent déjà l'essentiel de leur architecture générale mais demeurent encore associées à de nombreux facteurs de maturation.

Ces pré-sous-unités ne sont pas encore compétentes pour la traduction et doivent subir plusieurs étapes supplémentaires de maturation avant d'acquérir leurs propriétés fonctionnelles définitives.

Cette maturation se poursuit lors de leur export vers le cytoplasme.

Export nucléaire et maturation cytoplasmique

Les particules pré-40S et pré-60S, assemblées dans le nucléole, puis maturées dans le nucléoplasme, doivent ensuite être exportées vers le cytoplasme afin d'achever leur maturation (Dynamics of nuclear export of pre-ribosomal subunits revealed by high-speed single-molecule microscopy in live cells 2023).

1. L'export nucléaire s'effectue à travers les complexes de pores nucléaires et nécessite le recrutement transitoire de facteurs spécialisés capables d'assurer l'interaction des pré-sous-unités avec la machinerie d'export nucléaire dépendante de Ran-GTP (Dynamics of nuclear export of pre-ribosomal subunits revealed by high-speed single-molecule microscopy in live cells 2023).

a. La particule pré-40S et la particule pré-60S recrutent différents facteurs d'export permettant leur interaction avec l'exportine-1 Crm1/Xpo1.

Dans le cas des pré-60S, le facteur Nmd3 joue notamment le rôle d'adaptateur entre la sous-unité en maturation et la machinerie d'export nucléaire.

b. L'assemblage préalable d'un nombre suffisant de protéines ribosomiques et la dissociation de plusieurs facteurs nucléolaires de maturation constituent des étapes nécessaires qui garantissent que seules des particules suffisamment assemblées puissent quitter le noyau et poursuivre leur maturation dans le cytoplasme.

2. Après leur arrivée dans le cytoplasme, les pré-sous-unités ribosomiques subissent une série de remaniements structuraux finaux conduisant à l'élimination progressive des facteurs d'assemblage recrutés au cours de leur biogenèse.

De nombreuses ATPases, GTPases, kinases et hélicases participent à ces étapes terminales en favorisant la dissociation ordonnée des facteurs transitoires qui avaient assuré l'assemblage et la maturation des particules pré-ribosomiques.

a. La maturation cytoplasmique de la sous-unité 40S s'achève notamment par les dernières étapes de maturation du futur ARNr 18S.

La nucléase Nob1 réalise le clivage terminal de l'extrémité 3' du pré-ARNr 18S tandis que les derniers facteurs de maturation associés à la particule sont progressivement éliminés.

b. La maturation cytoplasmique de la sous-unité 60S conduit également à l'élimination progressive de nombreux facteurs d'assemblage nucléaires et à l'acquisition des propriétés fonctionnelles de la grande sous-unité ribosomique.

Plusieurs remaniements structuraux et étapes de contrôle contribuent notamment à l'établissement de l'organisation fonctionnelle du centre peptidyl-transférase (PTC), du centre GTPasique (GAC) et des différentes interfaces impliquées dans l'interaction avec les facteurs de traduction.

3. À l'issue de ces étapes de maturation cytoplasmique, les sous-unités 40S et 60S acquièrent leurs propriétés fonctionnelles définitives et deviennent aptes à participer à la traduction des ARNm.

Contrôle qualité et surveillance

La biogenèse des ribosomes est soumise à de nombreux mécanismes de contrôle qualité et de surveillance qui interviennent tout au long (Quality control and signaling pathways at stalled ribosomes 2026) :

• de l'assemblage,
• de l'export nucléaire,
• de la maturation cytoplasmique des sous-unités ribosomiques.

Les particules présentant des défauts de maturation, des anomalies structurales ou des erreurs d'incorporation des protéines ribosomiques peuvent être retenues, remodelées ou dirigées vers différentes voies de dégradation avant leur intégration dans le pool ribosomique actif.

Ribosomes et traduction des ARN messagers