Aminoacyl-ARNt synthétase

Glutaminyl-ARNt synthétase d'E. coli complexée avec un ARNtGln (PDB 1QRS[1]).

Les aminoacyl-ARNt synthétases (abréviation aaRS) forment une famille de ligases (EC 6.1.1.-) qui catalysent l'estérification des acides aminés protéinogènes (abréviation aa) sur l'extrémité 3' des ARN de transfert (abréviation ARNt). Cette étape est essentielle à la traduction des ARN messagers en protéines, les acides aminés ainsi ajoutés à l'extrémité des ARNt étant incorporés par les ribosomes dans la chaîne polypeptidique en cours de synthèse. Ce sont des protéines essentielles, conservées chez tous les êtres vivants.

Chez la plupart des organismes, il existe une aminoacyl-ARNt synthétase pour chacun des acides aminés protéinogènes, hormis pour la sélénocystéine, liée à son ARN de transfert par un mécanisme indirect passant par la sérine. Chacune de ces enzymes reconnaît un acide aminé et un ou plusieurs ARNt isoaccepteurs. Leur fonction est essentielle à la fidélité de la traduction du code génétique, car c'est elles qui garantissent que l'acide aminé qui est ainsi estérifié à l'extrémité de l'ARNt correspond bien au bon anticodon. Aucune vérification n'est ensuite effectuée au niveau du ribosome.

Mécanisme

Les aminoacyl-ARNt synthétases catalysent la réaction d'aminoacylation en deux étapes[2], elles activent d'abord l'acide aminé en formant un aminoacyl-adénylate avec l'ATP, avec libération de pyrophosphate. L'acide aminé ainsi activé reste lié à l'enzyme et est transféré sur la fonction 2'-OH ou 3'-OH du ribose de l'adénosine située à l'extrémité 3' de l'ARNt :

  1. acide aminé + ATP → aminoacyl-AMP + pyrophosphate ;
  2. aminoacyl-AMP + ARNt → aminoacyl-ARNt + AMP.

La plupart des aminoacyl-ARNt synthétases peuvent réaliser la première de ces deux réactions en l'absence de l'ARNt, mais la glutamyl-ARNt synthétase, la glutaminyl-ARNt synthétase, l'arginyl-ARNt synthétase et la lysyl-ARNt synthétase I, en sont incapables si l'ARNt est absent. On dit que l'activation de ces acides aminés (glutamate, glutamine, lysine, arginine) est ARNt-dépendante.

Sur le plan de la nomenclature des enzymes, les aminoacyl-ARNt synthétases sont des ligases et sont classées EC 6.1.1.-. Elles se déclinent suivant la nature de l'acide aminé dont elles sont spécifiques : alanyl-ARNt synthétase pour l'alanine, méthionyl-ARNt synthétase pour la méthionine, etc.

Chez la bactérie Escherichia coli et la levure Saccharomyces cerevisiae (un eucaryote), il existe bien 20 aminoacyl-ARNt synthétases, une pour chaque acide aminé standard[3].

Acide aminé Enzyme Abréviation N° EC Classe[4] ARNt substrat
Alanine A Ala Alanyl-ARNt synthétase AlaRS EC 6.1.1.7 IId ARNtAla
Arginine R Arg Arginyl-ARNt synthétase ArgRS EC 6.1.1.19 Ie ARNtArg
Asparagine N Asn Asparaginyl-ARNt synthétase AsnRS EC 6.1.1.22 IIb ARNtAsn
Aspartate D Asp Aspartyl-ARNt synthétase AspRS EC 6.1.1.23 IIb ARNtAsp
Cystéine C Cys Cystéinyl-ARNt synthétase CysRS EC 6.1.1.13 Ia ARNtCys
Glutamate E Glu Glutamyl-ARNt synthétase GluRS EC 6.1.1.17 Ib ARNtGlu
Glutamine Q Gln Glutaminyl-ARNt synthétase GlnRS EC 6.1.1.18 Ib ARNtGln
Glycine G Gly Glycyl-ARNt synthétase GlyRS EC 6.1.1.14 IIa[5]-d[4] ARNtGly
Histidine H His Histidyl-ARNt synthétase HisRS EC 6.1.1.21 IIc ARNtHis
Isoleucine I Ile Isoleucyl-ARNt synthétase IleRS EC 6.1.1.5 Ia ARNtIle
Leucine L Leu Leucyl-ARNt synthétase LeuRS EC 6.1.1.4 Ia ARNtLeu
Lysine K Lys Lysyl-ARNt synthétase LysRS EC 6.1.1.6 Id / IIb ARNtLys
Méthionine M Met Méthionyl-ARNt synthétase MetRS EC 6.1.1.10 Ia ARNtMeti (initiateur), ARNtMete (élongateur)
Phénylalanine F Phe Phénylalanyl-ARNt synthétase PheRS EC 6.1.1.20 IIc ARNtPhe
O-Phosphosérine - Sep O-Phosphoséryl-ARNt synthétase SepRS EC 6.1.1.27 IIc ARNtCys
Proline P Pro Prolyl-ARNt synthétase ProRS EC 6.1.1.15 IIa ARNtPro
Pyrrolysine O Pyl Pyrrolysyl-ARNt synthétase PylRS EC 6.1.1.26 IIe ARNtPyl
Sérine S Ser Séryl-ARNt synthétase SerRS EC 6.1.1.11 IIa ARNtSer, ARNtSec
Thréonine T Thr Thréonyl-ARNt synthétase ThrRS EC 6.1.1.3 IIa ARNtThr
Tryptophane W Trp Tryptophanyl-ARNt synthétase TrpRS EC 6.1.1.2 Ic ARNtTrp
Tyrosine Y Tyr Tyrosyl-ARNt synthétase TyrRS EC 6.1.1.1 Ic ARNtTyr
Valine V Val Valyl-ARNt synthétase ValRS EC 6.1.1.9 Ia ARNtVal

Bien que ces organismes modèles possèdent toutes les aminoacyl-ARNt synthétases, ce n'est pas le cas de tous les organismes. En effet, il n'est pas rare que la glutaminyl-ARNt synthétase (GlnRS) soit absente, notamment chez 90 % des bactéries, et chez toutes les archées. Il a par ailleurs été mis en évidence le fait que les mitochondries sont également dépourvues de cette enzyme. Chez la bactéries et les archées, l'asparaginyl-ARNt synthétase peut également être absente. Dans tous les cas (et comme la synthèse des deux aminoacyl-ARNt, l'Asn-ARNt(Asn) et le Gln-ARNt(Gln), est essentielle), les organismes utilisent une voie alternative, qui implique deux étapes enzymatiques successives[6].

Classes d'aminoacyl-ARNt synthétases

Il existe deux classes d'aminoacyl-ARNt synthétases (aaRS), appelées classe I et classe II, de propriétés structurales et fonctionnelles très distinctes. Les aminoacyl-ARNt synthétases de classe I estérifient l'acide aminé sur le 2'-OH de l'adénosine terminale de l'ARNt, et se lient à ce dernier par le petit sillon du bras accepteur. Leur structure est organisée autour d'un domaine constitué d'un feuillet bêta composé de quatre brins parallèles, entouré d'hélices alpha appelé pli Rossmann et commun à de nombreuses enzymes utilisant un cofacteur nucléotidique (ATP, NAD+) ainsi que de deux motifs conservés: "HIGH" et "KMSKS"[7].

Les aminoacyl-ARNt synthétases de classe II estérifient l'acide aminé sur le 3'-OH de l'adénosine terminale de l'ARNt (à l'exception de la phénylalanyl-ARNt synthétase[7]) et se lient par le grand sillon de son bras accepteur. Elles possèdent une structure construite autour d'un feuillet bêta à 6 brins antiparallèles[8],[9],[10]. La classe II est divisée en trois sous-classes (a, b ou c) selon leur homologie de séquence[7]. Les enzymes de classe II sont presque toutes des homo- ou hétérodimères[7].

À l'exception de la lysyl-ARNt synthétase, pour laquelle il existe des formes de classe I ou de classe II, suivant les espèces, pour tous les autres acides aminés, on ne trouve systématiquement qu'une forme d'enzyme, soit de classe I, soit de classe II. Ces deux classes d'enzymes structurellement distinctes semblent être le résultat d'un processus d'évolution convergente.

Parmi les enzymes de classe I, on trouve la leucyl-ARNt synthétase (LeuRS), l'isoleucyl-ARNt synthétase (IleRS), la valyl-ARNt synthétase (ValRS), la cystéinyl-ARNt synthétase (CysRS), la méthionyl-ARNt synthétase (MetRS), l'arginyl-ARNt synthétase (ArgRS), la glutamyl-ARNt synthétase (GluRS), la glutaminyl-ARNt synthétase (GlnRS), la lysyl-ARNt synthétase de type I (LysRSI), la tyrosyl-ARNt synthétase (TyrRS) et la tryptophanyl-ARNt synthétase (TrpRS).

Les enzymes de classe II comprennent les séryl-ARNt synthétase (SerRS), thréonyl-ARNt synthétase (ThrRS), histidyl-ARNt synthétase (HisRS), prolyl-ARNt synthétase (ProRS), glycyl-ARNt synthétase (GlyRS), alanyl-ARNt synthétase (AlaRS), aspartyl-ARNt synthétase (AspRS), asparaginyl-ARNt synthétase (AsnRS), lysyl-ARNt synthétase de type II (LysRSII), phénylalanyl-ARNt synthétase (PheRS), pyrrolysyl-ARNt synthétase (PylRS) et O-phosphoséryl-ARNt synthétase (SepRS).

Structures

Les deux classes d'aminoacyl-ARNt synthétases sont des protéines multidomaines. Elles sont généralement constituées d'un domaine catalytique et d'un domaine de liaison à l'anticodon. Certaines d'entre elles possèdent également un autre domaine de liaison à l'ARN qui assure une fonction de relecture en clivant la liaison avec les acides aminés qui ne correspondent pas à l'ARN de transfert.

Le domaine catalytique de toutes les aminoacyl-ARNt synthétases sont homologues les uns avec les autres alors que les enzymes de classe I et de classe II ne sont pas apparentées. Celles de classe I possèdent le pli Rossmann ainsi qu'une architecture à brins β parallèles tandis que celles de classe II présentent un repliement particulier avec des brins β antiparallèles.

Le domaine en hélices α de liaison à l'anticodon des arginyl-, glycyl- et cystéinyl-ARNt synthétases est appelé domaine DALR en raison des acides aminés conservés (Asp, Ala, Leu et Arg) qui lui sont caractéristiques[11].

Domaine de liaison à l'anticodon
Description de cette image, également commentée ci-après
Leucyl-ARNt synthétase de Thermus thermophilus (en) HB27 (PDB 1OBC)
Domaine protéique
Pfam PF08264
InterPro IPR013155
SCOP 1ivs
SUPERFAMILY 1ivs
Domaine DALR de liaison à l'anticodon 1
Description de cette image, également commentée ci-après
Arginyl-ARNt synthétase de Thermus thermophilus (en) (PDB 1IQ0)
Domaine protéique
Pfam PF05746
Clan Pfam CL0258
InterPro IPR008909
SCOP 1bs2
SUPERFAMILY 1bs2
Domaine DALR de liaison à l'anticodon 2
Description de cette image, également commentée ci-après
Cystéinyl-ARNt synthase d'E. coli complexée avec l'ARNtCys (PDB 1U0B)
Domaine protéique
Pfam PF09190
Clan Pfam CL0258
InterPro IPR015273

Relecture

L'incorporation d'acides aminés incorrects lors de la synthèse de protéine peut mener à la formation de protéines inactives ou malformées dont l'accumulation peut causer de nombreuses pathologies[12]. Ainsi, les activités de relecture, ou de correction, sont des mécanismes enzymatiques qui permettent d'augmenter la fidélité de la traduction du message génétique.

Certaines aminoacyl-ARNt synthétases ont à discriminer des acides aminés structurellement très proches, comme l'isoleucyl-ARNt synthétase qui doit distinguer l'isoleucine de la valine, lesquelles ne diffèrent que par un groupe méthyle –CH3. La différence d'affinité entre le substrat naturel, l'isoleucine, et un substrat incorrect, en l'occurrence la valine, est insuffisante pour éviter que, parfois, la valine ne soit estérifiée sur l'ARNtIle par cette enzyme. Si cet évènement se produisait trop fréquemment, cela conduirait à l'incorporation fréquente de valine à la place d'isoleucine au niveau du ribosome, et donc à la synthèse de protéines anormales.

Ces aminocyl-ARNt-synthétases possèdent donc en général un mécanisme de relecture (en anglais : proofreading ou editing), qui permet à l'enzyme de vérifier, après la réaction, que l'acide aminé estérifié à l'extrémité de l'ARNt est bien l'acide aminé correct. Il existe sur l'enzyme un deuxième site de contrôle de l'acide aminé estérifié à l'ARNt. Si une erreur a été commise, la liaison ester formée est hydrolysée, ce qui permet d'effectuer une correction[13]. Cette correction d'un aminoacyl-ARNt incorrect correspond à un mécanisme dit post-transfert, tout simplement parce que l'acide aminé incorrect a été transféré sur l'ARNt. Il existe également un autre type de correction, appelé pré-transfert, et qui intervient lorsque l'acide aminé incorrect est activé en aminoacyl-adénylate. Ce dernier est alors hydrolysé avant son transfert sur l'ARNt[14].

L'activité de relecture n'est pas requise pour toutes les aaRS car bien souvent la sélectivité du site catalytique suffit pour éviter l'incorporation d'un acide aminé incorrect. Ainsi, seule la moitié des synthétases possède cette capacité. Cela peut dépendre de l'organisme mais aussi du gène considéré. Par exemple, chez l'Homme, la Phénylalanyl-ARNt synthétase cytosolique possède une activité de relecture alors que celle-ci est absente chez son équivalent mitochondrial[12].

Il est existe également des protéines indépendantes des aaRS capable d'hydrolyser des ARNt incorrectement chargés. Par exemple, chez Haemophilus influenzae, la protéine YbaK peut hydrolyser un ARNtPro chargé par une cystéine[15].

Notes et références

  1. ↑ (en) John G. Arnez et Thomas A. Steitz, « Crystal Structures of Three Misacylating Mutants of Escherichia coli Glutaminyl-tRNA Synthetase Complexed with tRNAGln and ATP », Biochemistry, vol. 35, no 47,‎ , p. 14725-14733 (PMID 8942633, DOI 10.1021/bi961532o, lire en ligne)
  2. ↑ (en) P. Berg et E.J. Offengand, « An Enzymatic Mechanism for Linking Amino Acids to RNA », Proc. Natl. Acad. Sci. USA, vol. 44,‎ , p. 78-86 (PMID 16590176)
  3. ↑ (en) Daniel Kern, André Dietrich, Franco Fasiolo, Michel Renaud, Richard Giegé et Jean-Pierre Ebel, « The yeast aminoacyl-tRNA synthetases: Methodology for their complete or partial purification and comparison of their relative activities under various extraction conditions », Biochimie, vol. 59, nos 5-6,‎ , p. 453-462 (PMID 329894, DOI 10.1016/S0300-9084(77)80050-3, lire en ligne)
  4. ↑ a et b (en) Jordan Douglas, Haissi Cui, John J. Perona et Oscar Vargas‐Rodriguez, « AARS Online: A collaborative database on the structure, function, and evolution of the aminoacyl‐ tRNA synthetases », IUBMB Life,‎ (ISSN 1521-6543 et 1521-6551, DOI 10.1002/iub.2911, lire en ligne, consulté le )
  5. ↑ (en) Ju, Y., Han, L., Chen, B., Luo, Z., Gu, Q., Xu, J., Yang, X.L., Schimmel, P. & Zhou, H., « X-shaped structure of bacterial heterotetrameric tRNA synthetase suggests cryptic prokaryote functions and a rationale for synthetase classifications », Nucleic Acids Research, vol. 49, no 17,‎ , p. 10106-10119 (DOI 10.1093/nar/gkab707).
  6. ↑ (en) Kelly Sheppard, Jing Yuan, Michael J. Hohn, Brian Jester, Kevin M. Devine et Dieter Söll, « From one amino acid to another: tRNA-dependent amino acid biosynthesis », Nucleic Acids Research, vol. 36, no 6,‎ , p. 1813-1825 (PMID 18252769, PMCID 2330236, DOI 10.1093/nar/gkn015, lire en ligne)
  7. ↑ a b c et d (en) Cusack, S., « Eleven down and nine to go », Nature Structural Biology, vol. 2, no 10,‎ , p. 824-831 (DOI 10.1038/nsb1095-824).
  8. ↑ (en) Richard Giégé, « The early history of tRNA recognition by aminoacyl-tRNA synthetases », J. Biosci., vol. 31,‎ , p. 477-488 (PMID 17206068)
  9. ↑ (en) O'Donoghue, P. et Luthey-Schulten, Z., « On the Evolution of Structure in Aminoacyl-tRNA Synthetases », Microbiology and Molecular Biology Reviews, vol. 67, no 4,‎ , p. 550-573 (PMID 14665676, PMCID 309052, DOI 10.1128/MMBR.67.4.550-573.2003, lire en ligne)
  10. ↑ (en) Michael Ibba et Dieter Söll, « Aminoacyl-tRNA Synthesis », Annual Review of Biochemistry, vol. 69,‎ , p. 617-650 (PMID 10966471, DOI 10.1146/annurev.biochem.69.1.617, lire en ligne)
  11. ↑ (en) Yuri I. Wolf, L. Aravind, Nick V. Grishin et Eugene V. Koonin, « Evolution of Aminoacyl-tRNA Synthetases—Analysis of Unique Domain Architectures and Phylogenetic Trees Reveals a Complex History of Horizontal Gene Transfer Events », Genome Research, vol. 8, no 9,‎ , p. 689-710 (PMID 10447505, DOI 10.1101/gr.9.8.689, lire en ligne)
  12. ↑ a et b (en) Gomez, M.A.R. et Ibba, M., « Aminoacyl-tRNA synthetases », RNA, vol. 26, no 8,‎ , p. 910-936 (DOI 10.1261/rna.071720.119).
  13. ↑ (en) M. Ibba et D. Söll, « Aminoacyl-tRNA synthesis », Annu. Rev. Biochem., vol. 69,‎ , p. 617-650 (PMID 10966471)
  14. ↑ (en) Jiqiang Ling, Noah Reynolds et Michael Ibba, « Aminoacyl-tRNA Synthesis and Translational Quality Control », Annual Review of Microbiology, vol. 63,‎ , p. 61-78 (PMID 19379069, DOI 10.1146/annurev.micro.091208.073210, lire en ligne)
  15. ↑ (en) An, S. et Musier-Forsyth, K., « Trans-editing of Cys-tRNAPro by Haemophilus influenzae YbaK protein », Journal of Biological Chemistry, vol. 279, no 41,‎ , p. 42359-42362 (DOI 10.1074/jbc.C400304200).

Voir aussi

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