Au cours du temps, les régions 5’ UTR de certains ARNm ont évolué afin de devenir de véritables senseurs de l’état métabolique de la cellule. Ces régions 5’ UTR, communément appelées « riboswitch », sont capable de fixer des toutes sortes métabolites (Magnésium, lysine, guanine, etc.) sans l’aide d’un quelconque cofacteur [219]. Ils existent également les T-box qui, quant à elle, sont des senseurs des ARNt et vont moduler l’expression des aminoacyl-ARNt synthétases [220]. Les thermosenseurs sont le troisième membre de cette famille. Ces derniers sont capables de détecter les variations de température et d’ajuster l’expression des gènes qu’ils régulent afin d’optimiser leurs expressions [221].
Les riboswitchs 4.2.1)
Le riboswitch ou riborégulateur est une région structurée de l’ARN, retrouvé dans les régions 5’ UTR de certains ARNm. Ces éléments permettent la régulation de l’expression des gènes en aval suite à la liaison d’un ligand spécifique [222-226]. Dans la majorité des cas, un
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riboswitch est composé de deux éléments : un domaine aptamère extrêmement structuré qui permet la reconnaissance du ligand et un domaine régulateur nommé plateforme d’expression impliqué dans la régulation de l’expression de l’ARNm. La fixation du ligand sur l’aptamère entraine une modification de la conformation du domaine régulateur et amène une régulation positive ou négative de l’expression du gène en aval du riboswitch [227]. De manière générale, le ligand reconnu par le riboswitch est directement relié au métabolisme des gènes sous le contrôle de du riboswitch [227].
Afin de mieux expliquer ce mécanisme, nous allons prendre en exemple la régulation de l’initiation de la traduction du gène lysC, gène codant pour l’aspartokinase III intervenant dans la voie de synthèse de la lysine (Figure 16). L’ARNm de lysC contient dans sa région 5’UTR un riboswitch sensible à la présence de lysine [23]. En absence de ce métabolite, le riboswitch a une structure permettant aux ribosomes de se lier au RBS et d’initier la traduction du gène lysC. À l’inverse, en présence de lysine, le riboswitch se lie à ce métabolite et ceci entraine un changement de conformation de la plateforme d’expression. Cette modification de la structure de ce domaine entraine la formation d’une structure en tige- boucle masquant le RBS et inhibant ainsi la traduction de lysC. De plus, ces changements de
Figure 16 :Régulation de l’ARNm lysC par un riboswitch d’après [23].
En absence de lysine, la structure de la région 5’ UTR du gène lysC adopte une conformation dite tige acceptrice. Cette configuration permet la fixation des ribosomes et la traduction de l’ARNm. En présence de lysine, cette dernière se lie à la région 5’ UTR de l’ARNm et entraine une modification de la conformation de cette région. Ceci permet des interactions entre la tige acceptrice et la région P1 de l’ARNm formant alors une tige inhibitrice qui va masquer le RBS dans une structure en tige-boucle. Cela conduit à une inhibition de la traduction de l’ARNm lysC.
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conformation de la région 5’UTR permettent le recrutement de la RNase E et induisent la dégradation de l’ARNm [23].
Les thermosenseurs 4.2.2)
Dans la majorité des cas, les thermosenseurs sont des activateurs traductionnels dont le mécanisme est basé sur une dénaturation progressive de la région 5’ UTR de l’ARNm en fonction de la température [228]. En effet, le RBS est souvent piégé dans une structure secondaire stable à basse température. Lorsque la température augmente, la structure en tige- boucle devient instable ce qui entraine la libération du RBS. À ce moment, la sous-unité 30S du ribosome reconnait le RBS et initie la traduction de l’ARNm.
La régulation du gène cspA (Cold-Shock Protein) chez E. coli est un exemple de régulation par un thermosenseur (Figure 17) [22]. CspA est une protéine chaperonne d’ARN, très fortement induite lors d’un choc thermique entrainant une diminution de la température [229].
Figure 17 :Régulation de l’ARNm cspA par un thermosenseur d’après [22]. À une température de 37°C, la conformation de la région 5’ UTR forme une structure en tige boucle au niveau de la séquence SD de l’ARNm cspA. Ceci entraine une inhibition de la fixation des ribosomes et donc une inhibition de la traduction de l’ARNm. En cas de choc thermique entrainant une diminution de la température, la région 5’ UTR va changer de conformation et ainsi modifier ces structures secondaires. Cela est le cas notamment de la structure en tige boucle masquant la séquence SD. Ce changement de conformation entraine la libération de la séquence SD permettant ainsi aux ribosomes d’initier la traduction de l’ARNm cspA.
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À 37°C, la région 5’UTR de l’ARNm cspA est composée d’une structure en tige- boucle d’une centaine de nucléotides résultant d’interactions longues distances entre la région 5’ UTR et la région codante. La région initiatrice de la traduction se retrouve emprisonnée dans une structure secondaire entrainant une inhibition de la traduction. Ces structures secondaires forment de nombreuses régions d’ARN double brin reconnu par les RNases et entraine une instabilité de l’ARNm. Lorsque la synthèse de l’ARNm cspA est réalisée à une température inférieure à 20°C, la région 5’ UTR s’ordonne dans des structures secondaires thermodynamiquement moins stables qu’à 37°C. Elle se replie en une structure ramifiée formée par plusieurs boucles de tige de longueur limitée générée par l'interaction de nucléotides contigus. Ces réarrangements positionnent le RBS dans des structures secondaires favorisant la traduction. De plus, l’ARNm est fortement stabilisé dans ces conditions par l’intermédiaire de différents mécanismes dont l’inactivation de la machinerie de dégradation des ARN et la protection de l’ARNm par les ribosomes [22].