Biologie cellulaire
Ribosomes : biogenèse
Transcription et maturation des ARNr

La ribogenèse ou production des ribosomes constitue l’un des processus biosynthétiques les plus complexes de la cellule eucaryote.

1. Elle mobilise plusieurs centaines de protéines et de nombreux ARN auxiliaires coordonnés au sein :

• du nucléole,
• du nucléoplasme,
• du cytoplasme

2. Cette production repose sur une succession d'étapes étroitement coordonnées comprenant :

• la transcription des précurseurs d'ARN ribosomiques,
• la maturation des pré-ARNr,
• l'assemblage des particules pré-ribosomiques et l'incorporation des protéines ribosomiques,
• l'export nucléaire des pré-sous-unités,
• la maturation cytoplasmique finale conduisant à la formation des sous-unités 40S et 60S fonctionnelles.

Transcription des précurseurs d'ARN ribosomiques

Transcription des ADNr 47S par l’ARN polymérase I

La synthèse du pré-ARNr 47S est assurée dans le nucléole par l’ARN polymérase I, une polymérase spécialisée dans la transcription des gènes ribosomiques (ADNr) organisés en répétitions tandem au niveau des régions organisatrices nucléolaires (NOR).

Initiation de la transcription

1. L’initiation de cette transcription nécessite le recrutement coordonné de plusieurs facteurs de transcription spécialisés qui reconnaissent le promoteur des ADNr et permettent l’assemblage du complexe de pré-initiation de l’ARN polymérase I (Targeting the RNA Polymerase I Transcription for Cancer Therapy Comes of Age 2020).

• UBF (Upstream Binding Factor), facteur de transcription qui se fixe sur les régions promotrices des ADNrr, notamment l'élément de contrôle en amont UCE (Upstream Control Element), et contribue au recrutement de l'ARN polymérase I tout en maintenant une conformation chromatinienne favorable à la transcription (euchromatine),
• SL1/TIF-IB (Selectivity Factor 1/Transcription Initiation Factor IB), complexe contenant notamment la protéine TBP (TATA-binding protein) et plusieurs facteurs associés TAF^I (TBP-associated factors spécifiques de l'ARN polymérase I), qui reconnaît le promoteur central CORE (core promoter) et assure le recrutement spécifique de l’ARN polymérase I,
• TIF-IA/RRN3 (Transcription Initiation Factor IA), facteur d’initiation qui assure l’interaction entre l’ARN polymérase I et le complexe SL1/TIF-IB, permettant le recrutement de la polymérase au niveau du promoteur des ADNr et le démarrage de la transcription.

Son activité contribue également à coupler la transcription des gènes d’ADNr aux signaux de croissance cellulaire.

Des topoisomérases, notamment TOP1 et TOP2, contribuent également à limiter les contraintes topologiques générées par l'intense activité transcriptionnelle des gènes d'ADNr (contraintes topologiques et rôle des topoisomérases).

2. L’assemblage de ces facteurs permet le recrutement de l’ARN polymérase I au niveau du promoteur et le démarrage de la transcription du pré-ARNr 45S ( initiation de la transcription).

Contrôle épigénétique de la transcription

Certaines copies d'ADNr sont maintenues dans un état transcriptionnel inactif grâce à des mécanismes épigénétiques.

1. Les principaux concernent les pRNA (promoter-associated RNA), petits ARN non codants de 150 à 250 nucléotides transcrits à partir des régions intergéniques (IGS) des ADNr (The Functions of Non-coding RNAs in rRNA Regulation 2019).

Ces ARN participent au recrutement de différents complexes responsables de l'établissement et du maintien d'une chromatine répressive.

a. Une structure spécifique en tige-boucle (stem-loop) des pRNA permet leur interaction avec TIP5 (BAZ2A), la sous-unité régulatrice du complexe de remodelage nucléolaire NoRC (Nucleolar Remodeling Complex), dont l'ATPase SNF2H (SMARCA5), appartenant à la famille ISWI.

Une structure spécifique tige-boucle (stem-loop) des pRNA permet le recrutement du complexe de remodelage nucléolaire NoRC ou Nucleolar Remodeling Complex (The structure of NoRC-associated RNA is crucial for targeting the chromatin remodelling complex NoRC to the nucleolus 2008).

• NoRC repositionne les nucléosomes et recrute des enzymes qui modifient les histones et méthylent l'ADN (Chromatin Targeting Signals, Nucleosome Positioning Mechanism and Non-Coding RNA-Mediated Regulation of the Chromatin Remodeling Complex NoRC 2014).
• Ces modifications favorisent progressivement l'établissement d'une chromatine répressive et la mise sous silence de certaines copies d'ADNr (Reversible acetylation of the chromatin remodelling complex NoRC is required for non-coding RNA-dependent silencing 2009).

b. Le complexe pRNA–NoRC est recruté au promoteur des ADNr grâce au facteur de terminaison TTF-I (Transcription Termination Factor 1), fixé sur son site de liaison.

Le pRNA favorise ensuite le recrutement de plusieurs enzymes épigénétiques, notamment l'ADN méthyltransférase DNMT3B, responsable de la méthylation des sites CpG du promoteur des ADNr, renforçant ainsi leur répression transcriptionnelle (Interaction of noncoding RNA with the rDNA promoter mediates recruitment of DNMT3b and silencing of rRNA genes 2010).

c. L'ensemble de ces mécanismes permet de moduler le nombre de copies d'ADNr transcriptionnellement actives en fonction des besoins de la cellule en production de ribosomes.

2. D'autres protéines participent également à la régulation épigénétique des ADNr, comme des histones déméthylases nucléolaires PHF8 et KDM2B, qui contribuent au maintien ou au remodelage des modifications des histones associées aux gènes ribosomiques (PHF8 activates transcription of rRNA genes through H3K4me3 binding and H3K9me1/2 demethylation 2010).

Remarque : la dominance nucléolaire est un phénomène épigénétique observé principalement chez certains hybrides interspécifiques végétaux, et décrit plus occasionnellement chez quelques animaux (notamment certains insectes, amphibiens et poissons), dans lequel les gènes d'ADNr 47S hérités d'un seul progéniteur sont exprimés, tandis que ceux de l'autre sont mis sous silence (The epigenetics of nucleolar dominance 2000 et Nucleolar dominance: a model for rRNA gene silencing 2006).

• Ce phénomène constitue un modèle d'étude de la régulation épigénétique des gènes ribosomiques, impliquant notamment des modifications de la chromatine, la méthylation de l'ADN et, selon les espèces, des mécanismes d'interférence par l'ARN (RNAi) faisant intervenir des siRNA (Nucleolar dominance and ribosomal RNA gene silencing 2010).

Transcription de l'ADNr 5S par l’ARN polymérase III

La transcription de l’ADNr 5S est assurée par l’ARN polymérase III, qui reconnaît un promoteur interne localisé à l’intérieur même du gène 5S.

Ce promoteur de type 1 est constitué de plusieurs éléments de contrôle internes, notamment les régions A-box, IE (Intermediate Element) et C-box (RNA Polymerase III Transcriptomes in Human Embryonic Stem Cells and Induced Pluripotent Stem Cells, and Relationships with Pluripotency Transcription Factors 2014).

1. L’assemblage du complexe de pré-initiation repose sur le recrutement séquentiel de plusieurs facteurs de transcription spécialisés (RNA polymerase III transcription and cancer: A tale of two RPC7 subunits 2023) :

• TFIIIA, qui reconnaît la région de contrôle interne du gène 5S, notamment la région C-box, et initie l’assemblage du complexe transcriptionnel,
• TFIIIC, recruté par TFIIIA, qui sert de plateforme d’assemblage pour les facteurs suivants,
• TFIIIB, complexe contenant notamment TBP, BRF1 et BDP1, qui positionne l’ARN polymérase III au niveau du site d’initiation de la transcription.

2. L’assemblage de ces facteurs permet le recrutement de l’ARN polymérase III et l’initiation de la transcription du gène 5S.

L’ARNr 5S produit sera ensuite intégré aux particules pré-ribosomiques au cours des étapes ultérieures de la ribogenèse (maturation nucléaire de la particule pré-60S).

Maturation des pré-ARN ribosomiques

La maturation des pré-ARNr comprend :

• une succession de clivages,
• des modifications post-transcriptionnelles.

Cependant, ces événements ne se déroulent pas de manière isolée et dès leur transcription, les précurseurs ribosomiques s'associent à de nombreux facteurs de maturation, protéines ribosomiques et complexes ribonucléoprotéiques (RNP) qui ( assemblage et maturation des particules pré-ribosomiques) :

• assurent leur repliement progressif,
• organisent les différentes étapes de maturation,
• préparent la formation des futures particules pré-ribosomiques.

Maturation et clivage du pré-ARNr 47S

La maturation du pré-ARNr 47S se déroule principalement dans le composant fibrillaire dense du nucléole (DFC), au sein de particules pré-ribosomiques précoces associant le pré-ARNr à de nombreux facteurs de maturation, protéines ribosomiques et complexes snoRNP.

1. Le transcrit primaire, synthétisé par l’ARN polymérase I et correspondant au pré-ARNr 47S, contient (Pre-Ribosomal RNA Processing in Human Cells: From Mechanisms to Congenital Diseases 2018) :

• les séquences destinées à devenir les futurs ARNr 18S, 28S et 5.8S,
• plusieurs espaces transcrits externes (ETS) et internes (ITS) qui seront éliminés au cours de la maturation.

L'organisation générale du pré-ARNr 47S comprend successivement :

• un espace transcrit externe 5' (5' ETS),
• la séquence du futur ARNr 18S,
• un espace transcrit interne ITS1 (Internal Transcribed Spacer 1),
• la séquence du futur ARNr 5.8S,
• un espace transcrit interne ITS2 (Internal Transcribed Spacer 2),
• la séquence du futur ARNr 28S, un espace transcrit externe 3' (3' ETS).

2. Le pré-ARNr 47S est d'abord converti en pré-ARNr 45S par des clivages précoces réalisés dans les espaces transcrits externes 5' ETS et 3' ETS, respectivement aux sites A′ et 02.

3. À partir du pré-ARNr 45S, plusieurs voies de maturation peuvent être empruntées.

• Le clivage au site 2 sépare directement les précurseurs destinés à la future petite sous-unité 40S et à la future grande sous-unité 60S.
• Une voie alternative passe par le précurseur 41S après clivage au site A0.

a. Les clivages du pré-ARNr sont réalisés par plusieurs endoribonucléases spécialisées agissant à différentes étapes de la maturation, dont :

• UTP24, impliquée dans plusieurs clivages précoces du pré-ARNr ,
• la RNase MRP (RMRP), intervenant notamment au niveau du site 2 lors de la séparation des précurseurs destinés aux futures sous-unités ribosomiques 40S et 60S.

b. Au cours de la maturation du futur ARNr 18S, plusieurs clivages successifs interviennent :

• notamment aux sites A0, 1, 2 et E,
• au site 3 à la fin par NOB1 pour générer l'extrémité 3' mature de l'ARNr 18S.

c. LAS1 intervient dans le traitement de la région ITS2 et participe à la séparation des futurs ARNr 5.8S et 28S au cours de la maturation de la pré-sous-unité 60S.

4. Les fragments générés par ces clivages sont simultanément pris en charge par plusieurs exoribonucléases nucléaires qui assurent la maturation progressive des extrémités des futurs ARNr et l'élimination des fragments ETS et ITS.

• Le complexe de l'exosome nucléaire (non visible sur la figure) associé à l'hélicase MTR4, assure l'élimination de nombreux fragments ETS et ITS libérés lors des clivages grâce à ses sous-unités exoribonucléases DIS3 et EXOSC10/RRP6, et participe à la maturation des extrémités des pré-ARNr ainsi qu'à la dégradation de certains intermédiaires de maturation aberrants.
• L'exoribonucléase XRN2 (5' → 3') participe à la dégradation de plusieurs fragments issus du pré-ARNr et contribue à la maturation de certains intermédiaires ribosomiques.
• D'autres exoribonucléases de la famille DEDD, interviennent également dans des étapes spécifiques de maturation, notamment PARN dans la voie du futur ARNr 18S et ISG20L2 dans le traitement de plusieurs intermédiaires pré-ribosomiques.

L'action coordonnée de ces différents complexes conduit progressivement à la formation des ARNr 18S, 5.8S et 28S et prépare les étapes ultérieures de modification des ARNr et d'assemblage des sous-unités ribosomiques.

Maturation de l'ARNr 5S

Contrairement aux ARNr 18S, 28S et 5.8S issus du pré-ARNr 47S, l'ARNr 5S est transcrit indépendamment par l'ARN polymérase III sous une forme proche de sa taille définitive.

Il ne subit donc pas les nombreuses étapes de clivage qui caractérisent la maturation du pré-ARNr 47S et suit une voie de maturation distincte au sein du noyau.

Après sa transcription, l'ARNr 5S s'associe à différentes protéines de liaison qui participent à sa stabilisation, à son transport intranucléaire et à sa préparation pour les étapes ultérieures d'assemblage ribosomique.

Il s'associe notamment aux protéines ribosomiques uL5 et uL18 pour former le complexe 5S RNP, qui sera ensuite incorporé aux particules pré-60S au cours de l'assemblage des sous-unités ribosomiques (maturation nucléaire des particules pré-40S et pré-60S).

Modifications post-transcriptionnelles des ARNr

Les clivages du pré-ARNr ne constituent qu'une partie de la maturation des ARNr.

Au cours de ce processus, les futurs ARNr subissent également de nombreuses modifications chimiques qui contribuent à leur repliement, à leur stabilité et au fonctionnement des futurs ribosomes.

Vue d'ensemble des modifications

1. Chez l'humain, la grande majorité des modifications post-transcriptionnelles des ARNr, environ 200, correspondent aux :

• 2'-O-méthylations guidées par les snoRNP C/D,
• pseudouridylations guidées par les snoRNP H/ACA.

Ces modifications concernent principalement les ARNr 18S, 28S et 5.8S issus du pré-ARNr 47S et sont concentrées dans des régions fonctionnelles importantes des futures sous-unités ribosomiques.

2. Toutefois, les ARNr contiennent également quelques modifications plus rares réalisées par des enzymes spécifiques qui ne dépendent pas directement d'un snoARN (small nucleolar RNA) guide, par exemple :

• certaines méthylations de bases, comme la N6-diméthyladénosine (m⁶₂A) de l'ARNr 18S catalysée par DIMT1L, qui participe à la maturation et à la fidélité de la traduction,
• certaines acétylations, comme l'acétylation de cytidines de l'ARNr 18S réalisée par NAT10, qui contribue à la stabilité structurale du ribosome et à son activité fonctionnelle,
• quelques modifications complexes de nucléotides particulières, l'hypermodification m¹acp³Ψ présente dans l'ARNr 18S, qui participe au maintien de la structure du centre de décodage et à la précision de la lecture des codons lors de la traduction.

L'ARNr 5S suit une voie distincte et contient beaucoup moins de modifications post-transcriptionnelles que les autres ARNr ribosomiques.

snoRNP (small nucleolar ribonucleoprotein particle)

Vue d'ensemble des snoRNP

1. Les principales modifications des ARNr sont réalisées par des complexes ribonucléoprotéiques nucléolaires appelés snoRNP, constitués par :

• un snoARN (small nucleolar RNA),
• plusieurs protéines spécifiques associées.

a. Au sein de ces complexes, le snoARN, jouant principalement un rôle de guidage, contient (structure et classification des snoARN) :

• des séquences conservées appelées boîtes C/D et H/ACA qui permettent l'assemblage du complexe avec les protéines associées,
• des régions appelées séquences guides capables de reconnaître des régions spécifiques du pré-ARNr par complémentarité de bases.

b. Les protéines associées au snoARN assurent quant à elles la stabilité structurale du complexe et portent les activités enzymatiques responsables des modifications chimiques des ARNr.

c. Les 2'-O-méthylations et les pseudouridylations qui en découlent contribuent :

• à la stabilisation structurale des ARNr,
• à leur repliement correct,
• au fonctionnement des régions catalytiques et fonctionnelles du futur ribosome.

Cette organisation permet d'utiliser un même principe de guidage moléculaire pour modifier un très grand nombre de nucléotides répartis dans les futurs ARNr 18S, 28S et 5.8S.

2. Chez les eucaryotes, plusieurs centaines de snoRNP différents participent à la maturation des précurseurs ribosomiques et contribuent à l'établissement progressif de l'architecture tridimensionnelle fonctionnelle des futures sous-unités ribosomiques.

Remarque : parfois, les snoRNAs participent aussi à la modification d’autres ARN nucléaires, comme les snARN (small nuclear RNA).

3. La maturation correcte des ARNr est essentielle à la formation de ribosomes fonctionnels et donc à la synthèse des protéines.

Des altérations affectant les snoARN, les snoRNP ou les enzymes associées peuvent perturber la biogenèse ribosomique et sont impliquées dans diverses pathologies humaines (SnoRNAs: Exploring Their Implication in Human Diseases 2024).

Remarque : les scaRNP (small Cajal body-specific ribonucleoprotein particle), localisés dans les corps de Cajal, contiennent des protéines homologues à celles des snoRNP, notamment la fibrillarine ou la dyskérine pour catalyser respectivement les 2'-O-méthylations et les pseudouridylations des snARN spliceosomaux, contribuant ainsi à la maturation et à la fonctionnalité des snRNP du spliceosome.

snoRNP C/D et 2'-O-méthylations des ARNr

1. Les snoRNP C/D constituent la principale famille de snoRNP impliquée dans la maturation des ARNr et sont responsables du guidage de la majorité des 2'-O-méthylations observées au sein des futurs ARNr ribosomiques (Emerging Data on the Diversity of Molecular Mechanisms Involving C/D snoRNAs 2021).

Les snoARN C/D possèdent des séquences conservées appelées boîtes C (RUGAUGA) et D (CUGA) qui participent à l'assemblage du complexe snoRNP et à l'organisation des régions guides impliquées dans la reconnaissance des ARNr cibles par complémentarité de bases.

• Après l'appariement entre la région guide du snoARN et l'ARNr cible, le nucléotide qui sera modifié est généralement positionné cinq nucléotides en amont de la boîte D du snoARN, ou de la boîte D′ lorsqu'un second site guide est présent.
• Le coeur protéique des snoRNP C/D comprend notamment SNU13/15.5K, NOP56, NOP58 et la fibrillarine/FBL, qui assurent l’assemblage, la stabilité et l’activité méthyltransférase du complexe (High-resolution structure of eukaryotic Fibrillarin interacting with Nop56 amino-terminal domain 2021).

2. La fibrillarine (FBL chez les mammifères) est la méthyltransférase catalytique des snoRNP C/D responsable de la formation des 2'-O-méthylations au cours de la maturation des ARNr (Advances in the structure and function of the nucleolar protein fibrillarin 2024).

a. Contrairement à de nombreuses enzymes modifiant les ARN, la fibrillarine ne reconnaît généralement pas directement la séquence de l'ARNr à modifier, qui est déterminée par le snoARN guide qui positionne avec précision le nucléotide cible au sein du complexe.

b. Après l'appariement du snoARN guide avec le pré-ARNr, le nucléotide cible est positionné dans le centre catalytique de la fibrillarine grâce à l'organisation tridimensionnelle du complexe snoRNP C/D.

• La fibrillarine utilise alors la S-adénosylméthionine (SAM) comme donneur universel de groupe méthyle (-CH3).
• La réaction catalysée correspond au transfert d'un groupe méthyle sur l'oxygène hydroxyle porté par le carbone 2' du ribose du nucléotide cible, générant une 2'-O-méthylation et produisant simultanément de la S-adénosylhomocystéine (SAH ou AdoHcy).

snoRNP H/ACA et pseudouridylations des ARNr

1. Les snoRNP H/ACA constituent la seconde grande famille de snoRNP impliquée dans la maturation des ARNr et sont responsables du guidage de la majorité des pseudouridylations observées au sein des futurs ARNr ribosomiques (RNA pseudouridylation: new insights into an old modification 2013).

Les snoARN H/ACA possèdent des séquences conservées appelées boîte H (ANANNA) et boîte ACA qui participent à l'assemblage du complexe snoRNP et à l'organisation des régions guides impliquées dans la reconnaissance des ARNr cibles par complémentarité de bases.

• Après l'appariement entre la région guide du snoARN et l'ARNr cible, l'uridine qui sera modifiée est positionnée dans une poche structurale formée par les tiges-boucles du snoARN H/ACA, où elle devient accessible à l'enzyme catalytique du complexe.
• Le coeur protéique des snoRNP C/H/ACA comprend la dyskérine/DKC1, NOP10, NHP2 et GAR1, qui assurent l’assemblage, la stabilité et l’activité de pseudouridylation du complexe.

2. La dyskérine (DKC1 chez les mammifères) est l'enzyme catalytique des snoRNP H/ACA responsable de la formation des pseudouridines au cours de la maturation des ARNr (Dyskerin: an essential pseudouridine synthase with multifaceted roles in ribosome biogenesis, splicing, and telomere maintenance 2021).

a. Comme pour la fibrillarine, la spécificité de la modification est principalement déterminée par le snoARN guide associé au snoRNP H/ACA, qui reconnaît l'ARNr cible et positionne l'uridine à modifier au sein du complexe.

b. La dyskérine catalyse alors l'isomérisation de l'uridine en pseudouridine (Ψ), réaction durant laquelle la liaison entre la base uracile et le ribose est réorganisée sans modifier la composition chimique globale du nucléotide.

La pseudouridine possède des propriétés de liaison et d'interaction moléculaire particulières qui renforcent localement la stabilité du repliement des ARNr et favorisent l'établissement de structures tridimensionnelles fonctionnelles.

Assemblage et maturation des sous-unités pré-ribosomiques