L’acide ribonucléique ou ARN est au cœur de l’expression des gènes et à la base de tous les processus biologiques. La cellule eucaryote synthétise ainsi des milliers de molécules d’ARN, appartenant à plusieurs dizaines de classes distinctes, chacune porteuse de fonctions et de structures spécialisées. Parmi leurs nombreuses propriétés, les ARN ont deux caractéristiques majeures : (1) ils ne sont jamais synthétisés avec leurs extrémités matures et comprennent parfois des séquences internes non codantes (ce qui implique de nombreuses étapes de maturation et offre l’opportunité de réguler leur synthèse à un niveau post-transcriptionnel) et (2) ils sont associés à des protéines avec lesquelles ils fonctionnent de façon très étroite, sous la forme de particules ribonucléoprotéiques, dites RNP. Générer des ARN matures fonctionnels à partir de précurseurs nécessite donc de très nombreuses étapes de maturation, dont la plupart débutent de façon cotranscriptionnelle. Ainsi, on distingue des étapes de clivage, de modification covalente, d’assemblage, de transport, etc. Chacune de ces étapes est une source potentielle d’erreurs. Accumuler des RNP défectueuses est à éviter car cela s’avérerait délétère pour la cellule. Par exemple des ARNm avec des erreurs ou des ribosomes infidèles généreraient des protéines avec des fautes ou tronquées. La cellule a donc sélectionné au cours de l’évolution des systèmes de surveillance ou de contrôle de qualité très performants, et partiellement redondants, dans le but de rapidement reconnaître et dégrader les RNP défectueuses. Plusieurs mécanismes ont ainsi été mis à jour et plusieurs facteurs trans de cette surveillance ont été identifiés. Le plus souvent, il s’agit d’acteurs également connus pour leurs activités dans la synthèse des extrémités matures des ARN et la dégradation. Les mécanismes de reconnaissance des RNP défectueuses, en revanche, restent quasi entièrement à déterminer. Dans cet article, nous passons en revue les acteurs principaux et les mécanismes de contrôle de qualité récemment mis à jour pour les trois classes majeures d’ARN cellulaires : les ARNm, les ARNt et les ARNr.

La surveillance est l’ensemble des mécanismes de contrôle de qualité qui ont été sélectionnés au cours de l’évolution pour permettre à la cellule d’éliminer rapidement ses ARN aberrants et surnuméraires. Deux types d’erreurs peuvent être introduites : des altérations en cis dans la séquence de l’ARN, liées à des dysfonctionnements de l’ARN polymérase ou à des stress génotoxiques (tels que l’exposition aux rayonnements UV, l’oxydation, l’alkylation, etc.) et des erreurs en trans, liées à un défaut d’assemblage, à la perte d’un facteur de maturation ou d’une protéine constitutive de la RNP. La surveillance implique deux étapes : l’identification du substrat aberrant, c’est-à-dire sa « stigmatisation » (par exemple par la polyadénylation de l’extrémité 3’-terminale de son constituant ARN ou l’ubiquitinylation de certaines protéines qui lui sont associées, voir ci-dessous) et sa dégradation. La dégradation implique des endoRNases et/ou des exoRNases (RNase pour ribonucléase) et peut être réalisée après l’adressage de la RNP défectueuse vers un sous-compartiment cellulaire spécialisé, tels que les corps de maturation cytoplasmiques (P-bodies) ou la vacuole/lysosome, enrichis respectivement en facteurs de maturation de l’ARN et en hydrolases non spécifiques. La surveillance permet également à la cellule de se débarrasser de RNP en fin de vie ou dont l’abondance est devenue inappropriée à la suite de l’adaptation aux conditions environnementales toujours changeantes (par exemple suite à un stress nutritionnel).

Les ARNt constituent une des classes d’ARN les plus abondamment modifiées de la cellule, ce qui a des répercussions importantes sur leur structure et leur fonction. Ainsi, la voie majeure de la surveillance nucléaire, la voie dite TRAMP-exosome, a initialement été mise en évidence sur un précurseur d’ARNt (ARNt^MET initiateur) défectueux structuralement en raison de l’absence d’une seule de ses modifications [10, 15, 16] (Figure 2A). Dans cette voie, l’addition de courtes queues de poly(A) et/ou la liaison du complexe TRAMP à l’ARN condamnent véritablement les molécules aberrantes à la dégradation, à la fois en discriminant les ARN normaux des ARN anormaux et en stimulant l’activité de l’exosome à ARN [ 2]. Il s’est alors rapidement avéré que le complexe TRAMP joue un rôle assez universel dans ce que nous appelons la discrimination de la norme puisqu’il est susceptible d’envoyer vers la voie de dégradation les précurseurs de la majorité des classes d’ARN testés à ce jour, à savoir : hormis les précurseurs d’ARNt que nous venons d’aborder, ceux des ARNm et des ARNr (voir ci-dessous) (Figures 2B et C), des ARNsn (impliqués dans l’épissage des précurseurs d’ARNm), des ARNsno (impliqués dans la maturation et le clivage des précurseurs d’ARNr), des transcrits cryptiques instables Pol II (les CUT), des introns épissés d’ARNm, etc.

Dans le cytoplasme, les ARNt hypomodifiés sont également rapidement éliminés par un processus dénommé RTD pour Rapid tRNA Decay. Ici, la dégradation débute par l’extrémité 5’ des ARNt par les exoRNases Rat1 et Xrn1 [ 17] (Figure 2A).

Dans le noyau, les ARNm naissants sont assemblés cotranscriptionnellement avec de multiples protéines qui vont véritablement sceller leur destin et refléter leur histoire. Ainsi, les pré-ARNm s’associent avec le complexe TREX (transport-export) qui couple leur synthèse, leur maturation et leur export [ 18]. Des défauts de maturation ou d’assemblage des pré-ARNm entraînent leur rétention et leur accumulation dans des foci nucléaires, à proximité des sites de transcription, ou leur dégradation rapide par l’exosome et son coactivateur TRAMP [ 19, 20]. Par ailleurs, plusieurs protéines associées au pore nucléaire ont été impliquées dans la rétention nucléaire de précurseurs d’ARNm, notamment de ceux qui n’ont pas été correctement épissés [ 21, 22]. Enfin, l’existence d’un tel contrôle de qualité, dit périnucléaire, des pré-ARNm est renforcée par la découverte récente de la présence transitoire au pore d’une endoRNase à domaine PIN (la protéine Swt1), qui y cliverait les ARN défectueux, ainsi que par l’observation de l’association persistante aux pores de nombreux gènes dans des mutants du complexe TREX [ 23, 24].

Il est important de noter à ce stade que la courte queue de poly(A) ajoutée par TRAMP à l’extrémité 3’ des précurseurs aberrants d’ARN joue le rôle d’une étiquette déstabilisatrice, alors que la longue queue canonique des ARNm est, elle, importante pour l’export, la traduction et la stabilité du messager. Chez les bactéries, la polyadénylation joue également un rôle déstabilisateur pour les ARN. Pour cette raison, il a été proposé que la polyadénylation réalisée par TRAMP soit d’origine ancestrale.

Lorsqu’ils sont activement traduits, les ARNm sont circularisés par des interactions entre des protéines qui se lient de part et d’autre de la molécule ; à savoir sur la coiffe monométhylée 5’-terminale et la queue de poly(A). La dégradation d’un ARNm implique majoritairement un raccourcissement de la queue de poly(A) (par des complexes de déadénylation tels que Ccr4-Not et Pan2/Pan3) jusqu’à ce que celle-ci atteigne une taille critique qui ne permette plus la circularisation exposant dès lors la coiffe à la dégradation (par le complexe de décoiffage Dcp1/Dcp2). Le corps du messager est alors rapidement dégradé dans une direction 5’->3’ par Xrn1. Une alternative, qui représente une voie mineure, est que la déadénylation est suivie d’une dégradation 3’->5’ par l’exosome.

Dans le cytoplasme, trois grands mécanismes de surveillance des ARNm ont été décrits : le NMD (nonsense-mediated decay), qui détruit les ARNm contenant un codon stop dans un contexte peu favorable à la terminaison de la traduction ; le NSD (nonstop mRNA decay), qui élimine les ARNm dépourvus de codon stop et le NGD (no-go decay) qui dégrade les ARNm qui induisent des pauses traductionnelles [ 25– 27]. Ces mécanismes ont fait l’objet d’une revue récente dans Médecine/Sciences [ 28] et ne sont donc que brièvement évoqués dans la légende de la Figure 2.

Dans certains cas, la dégradation des ARNm est spatialement et fonctionnellement liée à des organites cellulaires spécialisés : les corps de maturation cytoplasmiques (P-bodies). Il s’agit de granules cytoplasmiques à ARN et à protéines, conservés à travers l’évolution et constitués d’ARNm traductionnellement silencieux, en complexe avec un ensemble de répresseurs traductionnels, la machinerie de décoiffage et Xrn1 [ 29].

Le ribosome est une RNP de grande taille constituée de deux sous-unités porteuses de fonctions spécialisées dans la traduction : la petite sous-unité 40S, qui est responsable du décodage du messager, et la grande sous-unité 60S, qui prend en charge la formation du lien peptidique ; gardons à l’esprit que le ribosome est un ribozyme [ 30]. Chaque ribosome est constitué d’une petite centaine de pièces, soit 4 ARNr et environ 80 protéines ribosomiques, et il ne faut pas moins de 200 facteurs de synthèse de nature protéique et autant de ARNsno pour les assembler en sous-unités fonctionnelles. Fabriquer les sous-unités ribosomiques implique de nombreuses étapes dont la plupart sont initiées dans le nucléole [ 31]. Ainsi, on dénombre des réactions de synthèse des composants ARN et protéiques, de clivages et de modifications covalentes (méthylation de sucres et de bases, pseudo-uridylation) des ARN précurseurs, de modifications des protéines (phosphorylation, sumoylation, ubiquitinylation, etc.), ainsi que le remodelage constant de la structure tridimensionnelle des particules préribosomiques en cours de maturation et des étapes de transport (intranucléaire et nucléocytoplasmique) [ 32, 33]. Le remodelage de la structure des préribosomes et les échanges dynamiques de facteurs de synthèse en leur sein impliquent de nombreuses hélicases à ARN, des ATPases de type AAA et des GTPases [ 34, 35]. Chacune de ces nombreuses étapes est soumise à un taux d’erreurs avec pour conséquence la production de ribosomes imparfaits, potentiellement infidèles dans le processus de traduction. Par ailleurs, au vu du coût énergétique gargantuesque qu’implique la production de ribosomes, il est indispensable dans certaines conditions, telles que des carences nutritionnelles, non seulement d’interrompre leur synthèse mais également d’entreprendre activement leur dégradation afin de recycler des « blocs de construction » indispensables pour faire face aux conditions environnementales devenues défavorables.

Nos connaissances actuelles pointent essentiellement sur deux mécanismes possibles. Dans le noyau, c’est la dynamique d’assemblage, c’est-à-dire la cinétique, qui serait contrôlée. Ainsi, chaque réaction disposerait d’une fenêtre d’opportunité très précise pour se réaliser ; fenêtre au-delà de laquelle la particule en cours de maturation serait détournée vers une voie de dégradation (notamment suite à la polyadénylation des ARN par TRAMP). Le mode précis de reconnaissance des substrats à dégrader par TRAMP est actuellement inconnu. Dans le cytoplasme, c’est plutôt la fonction des particules RNP qui serait vérifiée ; ceci est bien illustré par les mécanismes du NGD et du NRD dans lesquels c’est le ralentissement de la progression du ribosome sur le messager qui enclenche la surveillance (Figure 2).

La dégradation des ARN cellulaires a deux fonctions : elle permet d’éliminer ce qui est non fonctionnel, à la suite d’un défaut de synthèse ou d’une altération, et ce qui est devenu inutile ou surnuméraire, à la suite de conditions de croissance altérées ou devenues restrictives. Plusieurs observations illustrent que la surveillance est indispensable au maintien de l’homéostasie cellulaire. Ainsi, il est possible, en inactivant la surveillance nucléaire, de forcer l’accumulation de précurseurs de ribosomes partiellement mal assemblés. Toutefois des cellules porteuses de tels ribosomes ne sont pas viables, ce qui suggère qu’ils auraient bel et bien dû être éliminés car ils ne sont pas fonctionnels [37]. Chez la levure toujours, des cellules défectueuses pour la ribophagie ont une durée de vie réduite et sont incapables de faire face à des stress nutritionnels [43]. Enfin, chez l’humain, l’accumulation de ribosomes altérés par oxydation a été corrélée avec des maladies dégénératives sévères telles que les maladies d’Alzheimer et de Parkinson, ainsi que dans la formation de la plaque athérosclérotique, indiquant qu’une surveillance défectueuse pourrait jouer un rôle prépondérant dans l’étiologie, et peut-être même dans la progression, de certaines maladies [ 45, 46].

Dans ces quelques pages, nous espérons avoir donné un aperçu global des mécanismes de la surveillance des ARN. Les principes fondateurs de cette surveillance sont, d’une part, qu’elle est active à toutes les étapes de vie d’un ARN, et ce depuis son site de synthèse jusqu’à son site de fonction, et d’autre part qu’elle se fonde sur le recrutement par des cofacteurs spécifiques de facteurs généraux (dont l’exosome à ARN est l’exemple canonique). Les enjeux de la recherche sur la surveillance des ARN résident dans la compréhension détaillée de l’expression régulée de nos gènes. Un des défis pour le futur est d’établir précisément les mécanismes moléculaires de discrimination de la norme et d’établir à quel point ils sont spécifiques d’un substrat.

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