ARN agissant par complémentarité imparfaite de séquence

Les ARN régulateurs codés en trans jouent un rôle majeur dans les circuits de régulation. En effet, plusieurs exemples montrent qu’un petit ARN de ce type peut réguler plusieurs gènes issus de la même voie physiologique.

Ces ARN de 50 à 300 nts souvent très structurés sont généralement localisés dans les régions non codantes et conservées entre espèces bactériennes proches. Contrairement aux antisens, ils ne partagent qu’une complémentarité limitée avec leur ARNm cible ce qui laisse la possibilité à chaque ARN régulateur d’avoir plusieurs cibles et inversement qu’un ARNm puisse être ciblé par différents petits ARN.

En général, la région d’appariement couvre entre 10 et 25 nts mais seuls quelques nucléotides sont critiques pour la régulation. Par exemple, le petit ARN SgrS s’apparie avec l’ARNm ptsG permettant la régulation de l’import des sucres dans la cellule (Kawamoto, Koide et al. 2006). La région d’interaction s’étend sur 32 nts avec 23 nts appariés, pourtant seulement quatre mutations uniques dans sgrS affectent la régulation qu’il effectue sur ptsG.

La fixation de l’ARN régulateur à sa cible ARNm peut avoir diverses conséquences. Cette fixation peut soit inhiber, soit activer la traduction du messager. En effet, en fonction de la structure secondaire initiale du messager, et donc de l’emplacement du RBS la régulation peut être relativement différente. A la place ou en complément de ces régulations, il peut y avoir stabilisation du messager ou à l’inverse dégradation du messager en même temps que l’ARN régulateur (figure

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81 46). Il est intéressant de préciser que la dégradation peut provenir uniquement de l’effet de blocage traductionnel.

Figure 46 : Mécanismes de régulation des ARN agissant par complémentarité imparfaite de séquence. D’après (Waters and Storz 2009).

1.3.1.4.1. Effet sur la traduction

De manière classique, les ARN régulateurs peuvent se fixer à proximité du site de fixation du ribosome entrant directement en compétition avec celui-ci. Les ARN pouvant ainsi perturber directement la fixation du ribosome sur son site interagiront dans la région – 30 à +20 (Huttenhofer and Noller 1994). Cependant, il a déjà été rapporté que des ARN se fixant dans la séquence codante ou relativement loin dans la séquence 5’ non traduite pouvaient avoir comme conséquence d’inhiber la fixation du ribosome. En effet, chez B. subtilis, l’ARN SR1 interagit à de multiples sites dans la phase codante du messager ahrC dont le premier se situe entre +81 et +87 nts après l’ATG (Heidrich, Moll et al. 2007). Il a donc été proposé que la fixation de SR1 induise un changement conformationnel aboutissant à une modification de la fixation du ribosome. Un second exemple montre qu’une fixation dans la séquence codante peut avoir un effet sur la fixation du ribosome mais cette fois en empêchant la formation d’une tige-boucle activatrice (Jagodnik et al. en révision). Au laboratoire, il a en effet été montré que le messager fepA d’E. coli possédait une tige-boucle aidant le ribosome à se fixer au niveau du RBS et permettant ainsi une traduction efficace du messager. En inhibant la formation de cette tige-boucle, les petits ARN OmrA et OmrB sont ainsi capables de réprimer la traduction de fepA. Le 5’ UTR lointain peut également être ciblé par les petits ARN. En effet, chez E. coli, GcvB se fixe relativement loin dans la région 5’ non traduite des cibles argT et gltI respectivement entre -57 et -42 et entre -57 et -45 (Sharma, Darfeuille et al. 2007). GcvB agit selon un mécanisme assez original puisqu’il masque des

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séquences riches en C/A s’avérant activatrices en absence de cet ARN. De plus, l’ajout de ces séquences en amont d’un gène non régulé par GcvB en condition sauvage aboutit à un contrôle de ce gène par GcvB. De même, la destruction de ces séquences fait perdre le contrôle par GcvB (Yang, Figueroa-Bossi et al. 2014).

Les ARN régulateurs peuvent également activer la traduction en se fixant dans la région 5’ non traduite. Par exemple, les ARN ciblant rpoS que sont RprA, DsrA et ArcZ possèdent un site de fixation dans la région -119 à -95 (Mandin and Gottesman 2010). Leur fixation entraine une modification structurale du messager et libèrent le site de fixation du ribosome préalablement séquestré dans une tige boucle (figure 46).

L’action des ARN régulateurs sur leur messager cible entraine généralement une dégradation de ce dernier et comme nous le verrons dans certains cas il peut s’agir aussi du mécanisme primaire de régulation.

1.3.1.4.2. Effet sur la dégradation

Un des premiers petits ARN régulateurs Hfq-dépendant pour lequel l’effet sur la dégradation d’un messager a été étudié en détail est RyhB qui participe à la coordination de la réponse de la cellule à une carence en fer. Il a été montré que RyhB induisait une dégradation rapide de ses cibles et était dégradé stochiométriquement avec celles-ci (Massé, Escorcia et al. 2003) ce qui suggère que les ARN régulateurs ne soient pas recyclés. Ainsi ce type de régulation peut présenter l’avantage d’une levée rapide de la régulation des cibles notamment lorsque les conditions environnementales sont modifiées soudainement (ex : sortie de stress). Plus généralement, une analyse par puce à ADN a mis en évidence que RyhB induisait une diminution du niveau d’au moins 18 ARNm codant des protéines utilisant du fer afin de rediriger celui-ci vers les processus cellulaires essentiels (Massé, Vanderpool et al. 2005). Ce mécanisme de dégradation rapide a par la suite été étudié pour un certain nombre de petits ARN et est une propriété qui a souvent été utilisée pour étudier les cibles d’ARN régulateurs.

Bien souvent, la dégradation est sans doute un effet secondaire du blocage traductionnel occasionné par les petits ARN. En effet, les ribosomes étant moins recrutés sur le messager, ce dernier se trouve « dénudé » et donc potentiellement vulnérable à la dégradation. Néanmoins, la formation du duplex ARN régulateur/ARNm peut, de manière plus directe, entrainer la

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83 dégradation de l’ARNm en recrutant une ou plusieurs RNases en particulier la RNase E et la RNase III (Bandyra, Said et al. 2012). Par exemple, chez Salmonella, la fixation de MicC environ 70 nts en aval du codon de démarrage d’ompD, n’a aucun effet sur la traduction (Pfeiffer, Papenfort et al. 2009). En revanche, sa fixation promeut un clivage par la RNase E initiant la dégradation du messager.

Une combinaison de ces deux mécanismes a également été suggérée. Il a notamment été montré que la fixation de RyhB sur l’ARNm sodB provoquait en plus d’un blocage traductionnel une dégradation par la RNase E indépendante de l’inhibition traductionnelle (Prevost, Desnoyers et al. 2011).

Pour les ARN Hfq-dépendant, un modèle où Hfq aurait pour rôle de recruter la RNase E, facilitant ainsi la dégradation du duplex a été proposé. En effet, Hfq a la capacité d’interagir avec l’extrémité C-terminale de la RNase E (Morita, Maki et al. 2005). Hfq fixerait donc cette région de la RNase E puis, en condition d’induction du petit ARN, fixerait l’ARN régulateur. Ce complexe interagirait avec l’ARNm cible favorisant sa dégradation (figure 47).

Figure 47 : Modèle de coopération entre petit ARN régulateur, Hfq et la RNAse E pour la dégradation d’un messager. Issue de (Morita and Aiba 2011).

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De façon intéressante, il a été proposé que la formation du duplex ARNm/ARN régulateur pourrait également stimuler activement la RNase E en plus de favoriser son recrutement (Bandyra, Said et al. 2012). L’interaction entre l’extrémité 5’ monophosphate du petit ARN au niveau d’une « poche » en surface de la RNase E stimulerait l’activité catalytique de celle-ci.

Bien que moins fréquent, la fixation d’un ARN régulateur peut également stabiliser un ARNm limitant ainsi sa dégradation. Par exemple, l’isoforme longue de l’ARNm cfa de Salmonella est stabilisée par la fixation en aval du RBS de l’ARN régulateur RydC associé à Hfq interférant ainsi avec la RNase E qui dégrade normalement ce messager (Frohlich, Papenfort et al. 2013). Autre exemple, chez Streptococcus pyogenes, l’ARN régulateur FasX est capable de stabiliser sa cible ARNm (Ramirez-Pena, Trevino et al. 2010). En effet, en absence de FasX, le messager ska codant un facteur de virulence est rapidement dégradé. FasX en se fixant à l’extrémité 5’ de ska génère une tige-boucle qui protègera l’ARNm d’une attaque par une RNase.