La traduction est un processus qui implique la synthèse d’une chaîne d’acides aminés à partir d’un plan d’ARNm. Ces chaînes polypeptidiques se replient en protéines fonctionnelles. La traduction se produit à l’extérieur du noyau une fois que le traitement nucléaire du pré-ARNm est terminé et que les molécules d’ARNm ont été transportées dans le cytoplasme via les pores nucléaires. La traduction est principalement facilitée par les ribosomes situés sur le réticulum endoplasmique rugueux, sur la surface externe de l’enveloppe nucléaire, ou dans le cytoplasme.
- Initiation
- Elongation
- Termination
- Recyclage
Un certain nombre de composants moléculaires jouent un rôle dans la traduction, le plus important étant le ribosome. Ce complexe macromoléculaire est composé de plusieurs protéines et de molécules d’ARNr. Tous les ribosomes comportent une petite et une grande sous-unité, mais la composition de ces sous-unités diffère considérablement selon les espèces. Chez l’homme, par exemple, la petite sous-unité 40S est composée de 33 protéines et d’une seule molécule d’ARNr 18S tandis que la grande sous-unité 60S est composée de 47 protéines et de trois ARNr (5S, 5,8S et 28S) .
Malgré l’identification de 80 protéines associées au ribosome humain, seules 34 sont retrouvées chez d’autres eucaryotes ou procaryotes . Alors que des fonctions générales ont été proposées aux protéines associées au ribosome, telles que la stabilisation du complexe et la régulation de la traduction, certaines ont également été attribuées à la modification co-traductionnelle des protéines nouvellement synthétisées (revue dans ).
Élongation
Contrairement aux étapes d’initiation, de terminaison et de recyclage des ribosomes de la traduction, les mécanismes qui conduisent l’élongation sont hautement conservés entre les eucaryotes et les bactéries (revue dans ).
La reconnaissance des codons
L’élongation se déroule en plusieurs étapes bien définies, en commençant par la reconnaissance des codons de l’ARNm par leur aminoacyl-ARNt correspondant. L’association avec l’ARNm se fait via le site A ribosomal et est influencée par divers facteurs d’élongation. Par exemple, la GTPase eEF1A délivre les aminoacyl-tRNA au site A après avoir été activée par eEF1B, un facteur d’échange de nucléotides de guanine (GEF) qui accélère la dissociation du GDP de eEF1A .
Formation de la liaison peptidique
Après la reconnaissance du codon de l’ARNm, une liaison peptidique est créée entre l’ARNt aminoacyle et l’ARNt peptidyle (qui est situé dans le site P ribosomal). Cette réaction est facilitée par la peptidyl transférase, qui n’est pas une protéine, mais un ARN ribosomal hautement conservé. Le mécanisme de formation de la liaison peptidique implique des changements de conformation au niveau du site actif plutôt qu’une catalyse chimique par les groupes ribosomiques et est entraîné par un changement d’entropie favorable .
Translocation de l’ARNm et des ARNt à travers le ribosome
Une fois la liaison peptidique formée, le site A est rendu vacant lorsque l’ARNt peptidique qui l’occupe se déplace dans le site P de la grande sous-unité ribosomique, remplaçant concomitamment un ARNt désacylé existant qui se déplace vers le site E avant de sortir du ribosome . Au fur et à mesure que la chaîne d’acides aminés se développe et que les sites A et P sont occupés transitoirement par de nouveaux ARNt aminoacylés et peptidylés respectivement, une translocation de l’ARNm à travers le ribosome se produit.
Deux mécanismes, qui se caractérisent par des changements de conformation des sous-unités ribosomiques, facilitent la translocation des ARNm et des ARNt. Ils sont connus sous le nom de « cliquet » et de « pivotement ».
Le ratcheting est observé à tous les stades de la traduction, et voit la petite sous-unité ribosomale subir une légère rotation, d’environ ~8° par rapport à la grande sous-unité (revue dans ). Ce phénomène est différent du pivotement qui implique un mouvement du domaine de tête (30S) de la petite sous-unité. Fait important, le pivotement joue un rôle dans l’activité hélicase intrinsèque du ribosome, qui est importante pour le déroulement des structures secondaires de l’ARNm .
Ces mécanismes garantissent en fin de compte que l’ARNt se déplace de manière séquentielle (site A vers site P vers site E), et permettent la formation des états intermédiaires qui sont connus pour exister pendant la translocation ARNm-ARNt. Ces états, également appelés états hybrides, peuvent être décrits en utilisant le modèle eucaryote comme exemple. Ici, les extrémités 3′ de l’ARNt occupant les sites A et P se déplacent pour occuper les sites P et E dans la sous-unité 60S, tandis que les extrémités 5′, qui sont associées à l’ARNm, restent ancrées aux sites A et P de la sous-unité 40S respectivement .
Ces états hybrides sont momentanément stabilisés par la liaison de eEF2-GTP (EF-G – GTP chez les procaryotes) au site A ribosomal. Cependant, l’hydrolyse du GTP, qui est médiée par l’activité GTPase de l’EF-G ou de l’homologue eEF2 des eucaryotes, permet au mécanisme de cliquet de se poursuivre et entraîne le déplacement de l’ARNm et des extrémités 5′ de l’ARNt des sites A et P vers les sites P et E respectivement. Une fois que la conformation canonique A/A, P/P, E/E (60S/40S) est restaurée, l’EF-G – GDP se dissocie du ribosome, laissant le site A ouvert pour recevoir une nouvelle molécule d’aminoacyl-ARNt .
L’hydrolyse du GTP par l’EF-G / eEF2, et le pivotement ultérieur du domaine de tête aident en outre à la translocation de l’ARNt en empêchant tout mouvement spontané vers l’arrière de l’ARNt .
Initiation de la traduction
La première étape de la traduction est appelée initiation. Ici, les grandes (60S) et petites (40S) unités ribosomiques sont assemblées en un ribosome 80S entièrement fonctionnel. Celui-ci est positionné au niveau du codon de départ (AUG) du brin d’ARNm à traduire (revue dans ).
L’initiation est considérée comme l’étape limitant la vitesse du processus global et est principalement régulée, et coordonnée, par un groupe de protéines connues sous le nom de facteurs d’initiation eucaryotes (eIFs) . Ces facteurs varient en taille et en complexité, de la simple sous-unité eIF1 de 113 kDa au complexe eIF3 de 700 kDa. Chez l’homme, au moins 12 eIFs fonctionnent de concert pour réguler l’initiation, chacun jouant un rôle distinct, qui a été examiné en détail dans .
L’initiation commence par la formation d’un complexe ternaire qui comprend eIF2, GTP et l’ARNt initiateur (Met-tRNAi). Le rôle principal du complexe ternaire est de délivrer l’initiateur à la sous-unité 40S qui établit ensuite un complexe 43S, également appelé PIC (complexe de pré-initiation). Avec l’aide de eIF4G et eIF3, le PIC se lie à l’extrémité 5′ de l’ARNm ou à proximité. Cette liaison est marquée par un capuchon de 7-méthylguanosine (m7-G-cap). Une fois lié, le PIC scanne la région 5′ non traduite pour localiser le codon d’initiation .
La séquence leader de l’extrémité 5′-terminale est maintenue dans un état déroulé par l’activité hélicase de plusieurs eIFs (notamment eIF4F, eIF4G, eIF4A, eIF4B, eIF3). Une fois que la sous-unité 40S est positionnée au niveau du codon d’initiation, la sous-unité 60S est recrutée pour former un ribosome 80S compétent pour l’élongation. A ce stade, le codon d’initiation de l’ARNm est localisé dans le site P ribosomal, et l’ensemble du complexe d’initiation est prêt à entrer dans la phase d’élongation .
Il est important de noter que la sous-unité 40S peut se lier à l’ARNm indépendamment du capuchon m7-G. L’exemple le plus marquant de ce phénomène, qui se produirait dans 5 à 10 % des ARNm cellulaires, implique la liaison de la sous-unité 40S à un site d’entrée interne du ribosome (IRES) . D’autres voies d’initiation indépendantes de m7-G-cap comprennent le shuntage , le tethering , les exhausteurs de traduction , un élément TISU , et un leader poly-adénylate dans le 5′-terminus .
Recyclage du ribosome
La dernière étape de la traduction est le recyclage du ribosome, qui voit le ribosome se diviser en ses plus petites parties de sous-unité et se préparer pour un autre cycle de traduction. Chez les eucaryotes, cela signifie que le ribosome 80S se divise en ses sous-unités 40S et 60S. Bien que cette étape marque la fin du processus de traduction, elle peut également se produire pour diverses autres raisons, notamment lorsque la synthèse de la chaîne polypeptidique échoue, lorsque l’ARNm est endommagé ou à la suite de l’assemblage de ribosomes vides. En outre, cette étape est souvent décrite comme le début de l’initiation, la protéine clé qui facilite la division des ribosomes, s’associant également à plusieurs facteurs d’initiation (il a été démontré que ABCE1 s’associe à eIF2, eIF3 et eIF5 dans des modèles de levure ).
Chez les eucaryotes, le recyclage des ribosomes est principalement facilité par ABCE1 (Rli1 chez la levure), qui est un membre de la superfamille ABC des ATPases. Cette protéine, qui possède deux domaines de liaison aux nucléotides et un domaine unique de cluster FeS1, se lie au complexe de post-termination une fois que le RF3-GDP s’est dissocié du ribosome. Cette association se forme par l’interaction entre le cluster FeS et eRF1. Il est important de noter que l’ACBE1 contient également de nombreux sites de liaison qui permettent des interactions entre les sous-unités ribosomiques et diverses protéines ribosomiques. Par exemple, il a été démontré qu’un motif HLH dans le premier domaine de liaison nucléotidique se lie à l’ARNr 18S ainsi qu’à rpS24-A . Bien que le mécanisme exact qui conduit à la scission ribosomale reste flou, il est proposé que chez les eucaryotes, il résulte d’un changement de conformation d’ABCE1 induit par l’hydrolyse de l’ATP.
Comme mentionné précédemment, la libération des peptides n’est pas une condition préalable à la dissociation des sous-unités ribosomiques ou à la liaison d’ABCE1 . Ceci est important lorsque le recyclage des ribosomes est induit en réponse à des dommages à l’ARNm ou à l’assemblage de ribosomes vacants, car aucun codon d’arrêt ne sera détecté pour initier la terminaison et la libération des peptides. Pour surmonter ce problème, ABCE1 est capable de faciliter la libération du peptide d’une manière similaire au complexe ternaire eRF1-eRF3-GTP, et il a été démontré que cela se produit indépendamment de l’hydrolyse de l’ATP. Ici, l’hydrolyse de l’ATP induit un changement conformationnel dans eRF1 qui favorise l’hydrolyse du peptidyl-tRNA .
Important, eRF1 et eRF3 peuvent être suffisants pour initier la dissociation des sous-unités ; cependant, cette est se produira à une vitesse plus lente .
Les mécanismes de recyclage chez les procaryotes sont distincts de ceux des eucaryotes, la principale différence étant la présence d’un facteur spécialisé de recyclage des ribosomes (RRF) qui agit conjointement avec EF-G pour séparer les sous-unités ribosomiques chez les bactéries .
Termination de la traduction
L’étape suivante du processus de traduction est la terminaison. Dans cette étape, un codon stop de l’ARNm indique qu’aucun acide aminé supplémentaire ne doit être ajouté à la protéine en croissance. La terminaison chez les eucaryotes est facilitée par seulement deux facteurs (eRF1 et eRF3) et diffère considérablement du processus chez les procaryotes, qui implique trois facteurs (RF1, RF2 et RF3) . Chez les eucaryotes, deux processus distincts doivent se produire pour que l’élongation peptidique se termine avec succès : la libération du peptide et l’établissement du complexe de post-termination. Dans certains cas, lorsque la traduction doit se terminer avant la détection d’un codon stop, l’étape de terminaison peut être sautée et le recyclage des ribosomes initié de manière précoce. Dans ce cas, la libération des peptides sera facilitée par ABCE1 .
La terminaison est déclenchée par l’entrée d’un codon stop (UAA, UGA ou UAG) dans le site A ribosomal. Ce codon est reconnu par un facteur de libération de classe 1 (RF1). Chez les eucaryotes, ce facteur (eRF1) se lie au ribosome dans le cadre d’un complexe ternaire pré-assemblé comprenant eRF1, eRF3 et GTP . Le stop-codon est reconnu par un motif conservé situé à l’extrémité amino-terminale de la protéine, tel que le motif NIKS .
eRF1 aide également à l’hydrolyse du peptidyl-tRNA et à la libération du peptide du centre peptidyl transférase (PTC). Cela se produit à la suite de l’hydrolyse du GTP par eRF3, qui induit un changement de conformation de eRF1 permettant à son motif Gly-Gly-Gln (GGQ), qui est situé dans le domaine » moyen » (M), de pénétrer dans le PTC ribosomal et de faciliter l’hydrolyse du peptidyl-tRNA. Ce mécanisme diffère chez les procaryotes, où la libération du peptide est requise pour, et donc précède, l’hydrolyse du GTP par RF3 .
Après l’hydrolyse du GTP et la libération du peptide, le RF3-GDP se dissocie de la protéine, laissant derrière lui le RF1, qui reste lié au ribosome dans ce qu’on appelle le complexe post-terminaison . Cela amorce essentiellement le ribosome pour le recyclage ribosomal.