Le ribosome est la particule universelle qui décode l’information génétique transcrite en ARN messager (ARNm) pour synthétiser les protéines qui assurent les fonctions essentielles des cellules. Chaque bactérie contient environ 30 000 ribosomes et, dans les bactéries en pleine croissance, ceux-ci représentent près du quart du poids sec de la bactérie. Le ribosome est une particule particulièrement dynamique : par exemple un ribosome de la bactérie Escherichia coli synthétise en moyenne un polypeptide de 100 acides aminés en 5 secondes à 37°C. Les ribosomes bactériens contiennent deux sous-unités, chacune est composée d’un assemblage complexe de protéines et d’ARN. La petite sous-unité 30S est constituée de l’ARN ribosomique 16S (ARNr) et de 21 protéines alors que la grande sous-unité 50S contient deux ARNr (5S et 23S) et 33 protéines. Ainsi le ribosome représente environ 270 000 atomes. Déterminer la structure de cette machinerie complexe était un défi considérable. Certes, la découverte de la structure du ribosome a été précédée par de nombreux travaux issus d’équipes en Europe (Russie, France, Allemagne, Italie, Israël) et aux États-Unis qui ont étudié le rôle du ribosome dans la traduction pendant des décennies. L’analyse des séquences des ARNr 16S a été à l’origine de la découverte du règne des archaea par Carl Woese et de la subdivision de l’arbre phylogénétique en trois règnes fondamentaux (archaea, bacteria, eukarya) [ 1]. Il était aussi déjà bien établi que chacune des sous-unités portait des fonctions essentielles et complémentaires, la sous-unité 30S contient le site de décodage garantissant la fidélité du transfert d’information alors que la sous-unité 50S possède l’activité catalytique de formation de la liaison peptidique (PTC ou peptidyl-transferase center).

Ada Yonath, de l’Institut Weizmann (Rehovot, Israël) a été l’une des premières dans les années 1980, avec le soutien de HG Wittmann (Max Planck Institute, Berlin, Allemagne) à obtenir des cristaux des sous-unités 50S de Bacillus stearothermophilus [ 2], puis du ribosome entier [ 3] et enfin des sous-unités 30S [ 4]. Malgré bien des échecs, Ada Yonath a persévéré et a constamment amélioré la qualité des cristaux en utilisant des ribosomes extraits de bactéries thermophiles et halophiles (extraites de la mer Morte), et grâce à différentes avancées technologiques en cristallographie (comme l’utilisation de la cryo-cristallographie pour éviter les dommages liés à l’irradiation des cristaux). Elle a ainsi obtenu des cristaux de la sous-unité 50S de Halobacterirum marismortui qui diffractaient tout d’abord à 6 Å en 1987 [2], puis à 3,1 Å quatre années plus tard [ 5]. On imagine la joie qu’elle a dû ressentir en découvrant les structures obtenues par cristallographie des sous-unités 30S de T. thermophilus à 4,5 Å en 1999 [ 6], ainsi que celle de la sous-unité 50S de Deinococcus radiodurans à 3,1 Å en 2001 [ 7]. Ada Yonath a ainsi été la première à convaincre la communauté scientifique de la faisabilité et des immenses possibilités du projet. À cette même période, Peter Moore (Université de Yale, États-Unis) établissait la cartographie des protéines ribosomiques sur la petite sous-unité 30S par diffusion des neutrons. Ce travail fastidieux avait nécessité la reconstitution in vitro de la sous-unité 30S avec les protéines isolées et marquées au deutérium [ 8]. Tom Steitz (Université de Yale, États-unis), cristallographe de renommée internationale, s’est associé à Peter Moore, et ils ont résolu la structure cristallographique de la sous-unité 50S tout d’abord à 9 Å en 1998 [ 9], puis à 5 Å [ 10] et à 2,4 Å deux ans plus tard [ 11]. C’est alors que Venki Ramakrishnan (Université de l’Utah, États-Unis puis MRC Cambridge, Royaume-Uni) a relevé le défi d’élucider la structure de la sous-unité 30S à haute résolution. Celui-ci avait participé, dans l’équipe de Peter Moore, à la localisation des protéines ribosomiques sur la sous-unité 30S [8, 12] et avait résolu la structure cristallographique de plusieurs protéines ribosomiques isolées [ 13]. Il publia la structure cristallographique de la particule 30S à 5,5 Å en 1999 [ 14] puis à 3 Å un an plus tard [ 15]. Cette dernière structure a donné une vue détaillée des contacts entre l’ARNt et l’ARNr 16S dans le site de décodage, donnant une explication moléculaire de l’importance des nombreux nucléotides conservés de l’ARNr 16S. Toutes ces équipes ont travaillé sur des cristaux des sous-unités ribosomiques dont les conditions d’obtention avaient été initialement mises au point par l’équipe d’Ada Yonath pour les sous-unités 50S [2] mais aussi par l’équipe d’Alexander Spirin pour les sous-unités 30S de T. thermophilus [ 16– 19].

Figure illustrant la structure atomique du ribosome obtenue par cristallographie des rayons X, découverte qui a été primée par le Prix Nobel de Chimie 2009. De nombreuses années d’efforts ont conduit à l’obtention de cristaux des particules isolées et du ribosome capables de diffracter à haute résolution. Il s’est écoulé près de 20 ans entre les premiers clichés de diffraction où apparaissaient quelques dizaines de taches de diffraction à plus d’un million aujourd’hui, conduisant à la résolution des structures atomiques de cette nanomachine essentielle à la vie. La structure de la sous-unité 30S est représentée à gauche et celle de la sous-unité 50S à droite. Un détail de la vue atomique du site de décodage (site A) de la sous-unité 30S est représenté : l’ARNt est de couleur bleu cyan ; l’ARNm est en orange ; le site de décodage est en rouge ; l’ARNr 16S est en gris et la protéine S12 est en vert [15]. La figure montre divers cristaux obtenus à partir des particules isolées [2, 3] et du ribosome entier (provenant de M. Yusupov).

Figure illustrant la structure atomique du ribosome obtenue par cristallographie des rayons X, découverte qui a été primée par le Prix Nobel de Chimie 2009. De nombreuses années d’efforts ont conduit à l’obtention de cristaux des particules isolées et du ribosome capables de diffracter à haute résolution. Il s’est écoulé près de 20 ans entre les premiers clichés de diffraction où apparaissaient quelques dizaines de taches de diffraction à plus d’un million aujourd’hui, conduisant à la résolution des structures atomiques de cette nanomachine essentielle à la vie. La structure de la sous-unité 30S est représentée à gauche et celle de la sous-unité 50S à droite. Un détail de la vue atomique du site de décodage (site A) de la sous-unité 30S est représenté : l’ARNt est de couleur bleu cyan ; l’ARNm est en orange ; le site de décodage est en rouge ; l’ARNr 16S est en gris et la protéine S12 est en vert [15]. La figure montre divers cristaux obtenus à partir des particules isolées [2, 3] et du ribosome entier (provenant de M. Yusupov).

En effet, parallèlement à l’équipe d’Ada Yonath, dans les années 1980, l’équipe d’Alexander Spirin (Protein Research Institute, Puschino, Russie) dont faisaient partie Marat Yusupov et Gula Yusupova, avait démarré la cristallisation du ribosome 70S entier et des sous-unités 30S de T. thermophilus. Les premiers cristaux ont été obtenus en 1987 [ 18, 19] et les premières analyses cristallographiques ont été réalisées lors d’un court séjour à l’IBMC (Institut de biologie moléculaire et cellulaire) à Strasbourg dans l’équipe de Dino Moras [ 20, 21]. Ces deux chercheurs ont ensuite rejoint Harry Noller (University of California, États-Unis), l’un des visionnaires et précurseurs du mode de fonctionnement du ribosome. Utilisant la cartographie en solution, Harry Noller et ses collaborateurs avaient en outre identifié les sites d’interaction des protéines ribosomiques à l’ARNr 16S [ 22], délimité les sites d’interaction des ARNt localisés dans les sites A, P et E [ 23], et montré pour la première fois que les antibiotiques interagissaient directement avec l’ARNr [ 24]. Il avait précisé que l’ARNr 23S participait activement à l’activité catalytique et ce, probablement sans l’aide de protéines [ 25]. Dans l’équipe de Harry Noller, Marat Yusupov et Gula Yusupova ont alors redémarré ce qu’ils avaient initié en Russie tout en améliorant la qualité des cristaux du ribosome 70S. Leur but était de cristalliser des complexes fonctionnels contenant l’ARNm et les ARNt. Avec la venue de Jamie Cate, qui avait précédemment déterminé la structure cristallographique du domaine P4-P6 de l’intron autocalytique de groupe I [ 26], leur rêve est devenu réalité… La structure cristallographique du ribosome 70S a été déterminée pour la première fois à 7,8 Å en 1999 [ 27] puis à 5,5 Å en 2001 [ 28, 29], révélant l’interface et les contacts entre les deux sous-unités, le cheminement pris par l’ARNm, et la position des ARNt.

Toutes ces structures ont révélé que les sites de décodage et le site catalytique de la peptidyl-transférase étaient essentiellement constitués par de l’ARN ribosomique suggérant le rôle essentiel de l’ARNr dans tous les processus critiques, reconnaissance de l’ARNm et des ARNt, fidélité et catalyse de la traduction [ 30, 31]. Ainsi, le ribosome devenait un ribozyme, une enzyme où l’ARN est le moteur catalytique. Ces découvertes confortaient les hypothèses du monde de l’ARN et de l’ancienneté de l’ARN au plus profond des origines de la vie il y a environ 3,8 milliards d’années.

Il ne faut pas oublier que, parallèlement à l’analyse cristallographique, les équipes de Joachim Frank (Université de l’Illinois, Urbana, États-Unis) [ 32, 33] et de Marteen Van Heel (Imperial College of Science, Londres, Royaume-Uni) [ 34, 35] ont réalisé des développements méthodologiques impressionnants en cryomicroscopie électronique. Ces équipes ont révélé les premières structures du ribosome à basse résolution (20 Å) et le positionnement des ARNt.

Après avoir réussi à obtenir des cristaux stables et capables de diffracter à haute résolution, ce qui a demandé des années de travail, les cristallographes ont dû trouver des stratégies adéquates pour déterminer la phase, problème difficile à résoudre du fait que les sous-unités isolées et le ribosome sont des objets asymétriques. On ne peut pas s’imaginer combien de préparations de ribosomes, de cristaux, de voyages effectués au synchrotron ont été nécessaires pour aboutir aux clichés de diffraction qui nous permettent aujourd’hui d’accéder à la structure atomique du ribosome. Pour les particules 30S, les structures ont été résolues par la méthode de remplacement isomorphe multiple en utilisant des clusters à base de tantale et de tungstène ainsi que la diffusion anomale dans un cas [14], et des oligomères modifiés par des clusters de métaux ciblés sur des régions spécifiques du ribosome dans l’autre cas [6]. Pour la particule 50S, le problème cristallographique a été amplifié par le fait que les cristaux étaient maclés^1,. Cependant, grâce à la perspicacité de Nenad Ban, alors chercheur post-doctoral dans le laboratoire de Tom Steitz, la phase à basse résolution a tout d’abord été définie par remplacement moléculaire utilisant la carte obtenue à 20 Å par cryo-EM (electron microscopy) suivie de la localisation de trois dérivés lourds [9]. Par la suite, il a été possible de stabiliser la croissance cristalline pour éviter le problème de macle, améliorant de manière drastique la résolution de la structure [11]. Pour le ribosome entier, il a fallu utiliser une combinaison d’approches expérimentale et théorique incluant le remplacement moléculaire et la dispersion anomale pour localiser les clusters de dérivés lourds [27]. La comparaison de plusieurs structures du ribosome avec des ARNm portant ou non des motifs structuraux, les ARNt ou divers analogues ont aussi apporté une garantie supplémentaire de la fiabilité des structures [29, 36, 37]. Dans tous les cas, un travail fastidieux a été réalisé pour modéliser la structure des ARNr et positionner les protéines ribosomiques ainsi que les ligands du ribosome. Ceci a été facilité par les données existantes sur les structures des protéines ribosomiques, les cartes obtenues par la cryo-EM à basse résolution, mais aussi sur la plupart des données fonctionnelles. Depuis ces découvertes, la résolution de la structure cristallographique du ribosome 70S de T. thermophilus a été grandement améliorée [36, 38– 40] à partir de la même forme cristalline décrite initialement par M. Yusupov et ses collègues [19]. La structure du ribosome 70S de la bactérie modèle E. coli a finalement été obtenue par l’équipe de Jamie Cate [ 41]. En parallèle, la cryomicroscopie électronique (cryo-EM) a fait des progrès étonnants en résolution et en qualité des cartes de densité. Elle a par exemple conduit à la localisation de nombreux facteurs de traduction [ 42– 45] et à la structure de complexes ribosomiques régulateurs [ 46– 48].

Ces structures cristallographiques couronnent des années de travail expérimental et ouvrent la voie à de nombreuses perspectives en recherche fondamentale et appliquée. Au plan structural, le ribosome représente une mine d’or de motifs structuraux et d’interactions ARN-ARN à longue distance. L’analyse de ces motifs devrait à terme permettre de déduire les règles qui relient la séquence à la structure d’un ARN, ainsi que celles qui gouvernent les interactions spécifiques entre ARN et protéines. Les prouesses méthodologiques en cristallographie et en cryo-EM permettent maintenant d’obtenir une image instantanée de la structure du ribosome à différentes étapes de la traduction, de localiser avec précision le positionnement des facteurs d’initiation, d’élongation et de terminaison, d’analyser des complexes de traduction impliquant des ARNm structurés et régulés, etc. On peut ainsi espérer obtenir une vision dynamique de la synthèse protéique et de son contrôle dans un proche avenir. Sur le plan de la recherche appliquée, le ribosome bactérien représente une cible privilégiée des antibiotiques [ 49]. En effet, près de la moitié des antibiotiques connus ont comme cible le ribosome bactérien [ 50]. Ces antibiotiques interagissent souvent avec les sites fonctionnels du ribosome et inhibent la synthèse protéique en interagissant directement avec l’ARNr de l’une des sous-unités. Sur la sous-unité 50S, certains antibiotiques se fixent au niveau du site catalytique PTC et inhibent la formation du lien peptidique (chloramphénicol), d’autres empêchent la sortie du polypeptide au travers du tunnel de la sous-unité 50S (macrolides). Sur la sous-unité 30S, plusieurs antibiotiques de la famille des aminoglycosides perturbent le mécanisme de décodage. La connaissance des sites des antibiotiques sur le ribosome a permis récemment d’améliorer le spectre d’activité et la puissance de composés dérivés de l’oxazolidone [ 51]. Ces données structurales devraient aider à guider une conception rationnelle de nouveaux antibiotiques [ 52] pour contrecarrer l’apparition des multirésistances aux antibiotiques développées par les bactéries pathogènes, et ainsi mieux traiter les infections nosocomiales et communautaires qui représentent un enjeu de santé publique.

Vingt ans après l’obtention des premiers cristaux des sous-unités isolées et du ribosome bactérien, ce prix Nobel de Chimie reconnaît l’exploit des trois scientifiques récompensés et à travers eux celui de tous leurs collaborateurs mais aussi de tous les chercheurs qui ont contribué à la compréhension du mode du fonctionnement de cette nanomachine moléculaire remarquable qui sera encore, sans nul doute, source de multiples découvertes.

Les auteurs déclarent n’avoir aucun conflit d’intérêts concernant les données publiées dans cet article.

Nous remercions Marat Yusupov et Gulnara Yusupova (IGBMC, Strasbourg) pour leurs conseils.