Le code PPR

Les répétitions PPR lient l’ARN selon un mécanisme de reconnaissance modulaire, qui diffère de ceux précédemment décrits pour des interactions protéine-ARN et qui suggère l’existence chez les plantes d’une bibliothèque naturelle de partenaires protéine-ARN spécifiques d’une taille et d’une diversité sans précédent. De plus, la plasticité évolutive de ces protéines suggère que les motifs PPR sont particulièrement adaptés, du fait de cette reconnaissance modulaire, au développement de nouvelles spécificités de fonctions (Barkan et al., 2012).

Le modèle de reconnaissance séquence-spécifique des ARNs par les répétitions PPR, suggéré pour la première fois par Fujii et al. en 2011, a été développé à partir la protéine PPR10 du maïs, pour laquelle les sites de liaison et mécanismes moléculaires étaient particulièrement bien connus (Pfalz et al., 2009; Prikryl et al., 2011; Barkan et al., 2012). Il s’agit d’une protéine ayant 19 répétitions PPR, localisée dans le chloroplaste et liant deux ARNm différents ayant une similarité de séquence importante (Barkan et al., 2012).

Pour déterminer le mode de liaison d’une protéine PPR sur son ARNm cible, Barkan et ses collaborateurs sont partis du principe que chaque motif PPR entrait en contact avec une base ARN. Ces suppositions étaient basées sur la similarité entre le nombre de répétitions PPR d’une protéine et le nombre de nucléotides des sites de liaison respectifs (Prikryl et al., 2011; Barkan et al., 2012; Okuda & Shikanai, 2012). Ces corrélations ont par la suite été confirmées par d’autres protéines PPR telles que HCF152 et CRP1 (Barkan et al., 2012). Chaque répétition PPR interagit avec un nucléotide de son ARN cible au travers de liaisons hydrogènes spécifiques, ce qui explique pourquoi les protéines PPR sont incapables de lier des ARNs double brins. Par exemple, le couple d’acides aminés ND lie préférentiellement l’uracile, le couple NS la cytosine, le couple SN l’adénine et le couple TD la guanine (Figure 21) (Shen et al., 2016).

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Figure 21 – Bases structurales de la reconnaissance des nucléotides par les répétitions PPR (Shen et al., 2016)

Les acides aminés ciblent sélectivement les nucléotides en formant des liaisons hydrogène directes ou indirectes avec les nucléotides cibles. Les liaisons engagées dans la reconnaissance spécifiques des bases U (a), C (b), A (c) et G (d) par les répétitions PPR sont schématisées. Les chaînes latérales des résidus 5 et 35 de chaque répétition PPR sont représentées en jaune. Les bases sont colorées selon le type d'atome (carbone : vert, oxygène : rouge, azote : bleu). Les liaisons hydrogène sont représentées par des lignes pointillées rouges. Les abréviations à une lettre pour les acides aminés et les nucléotides sont les suivantes : D, Asp ; N, Asn ; S, Ser ; T, Thr ; A, Adénine ; C, Cytosine ; G, Guanine et U, Uracile.

Les motifs PPR lient l’ARN dans une orientation parallèle via un mécanisme de reconnaissance modulaire. La spécificité du nucléotide lié dépendant des acides aminés présents à la position 6 d’une répétition et la position 1 de la répétition suivante (appelée 1’), ceci pour chaque répétition. La modification des acides aminés en position 6 et 1’ de deux répétitions PPR adjacentes est suffisante pour modifier la spécificité de liaison, ce qui suggère que les acides aminés présents aux autres positions ne contribuent que très faiblement à la spécificité de reconnaissance (Barkan et al., 2012; Yagi et al., 2013; Takenaka et al., 2013; Shen et al., 2016).

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De plus, le code PPR est dégénéré dans la mesure où de multiples combinaisons d’acides aminés aux positions 6 et 1’ peuvent lier le même nucléotide, et que la même combinaison d’acides aminés à ces positions peut lier plusieurs nucléotides, même si certaines associations sont privilégiées (Barkan & Small, 2014; Yagi et al., 2013; Barkan et al., 2012; Cheng et al., 2016; Shen et al., 2016) (Barkan et al., 2012; Yagi et al., 2013; Barkan & Small, 2014; Cheng et al., 2016; Shen et al., 2016).

Depuis leur découverte en 2000, plusieurs matrices d’identification des motifs PPR ont été développées. Selon les auteurs, le premier résidu définissant l’origine du motif PPR n’est pas positionné au même endroit, impliquant des décalages de quelques acides aminés entre les prédictions. Sur la base de la structure résolue des motifs PPR, Cheng et al. ont récemment proposé en 2016 d’uniformiser les prédictions en se basant sur l’étude de Yin et al., datant de 2013, où le motif PPR démarre au premier acide aminé de la première hélice (Figure 22). Ce choix est justifié sur les plans fonctionnels et structurels. Tout d'abord, il présente l'avantage pratique que les deux acides aminés principalement impliqués dans la reconnaissance des nucléotides ARN soient ainsi définis au sein du même motif PPR (en l’occurrence le cinquième résidu dans la première hélice et le dernier résidu de la boucle interconnectant les motifs adjacents, soit les acides aminés présents aux positions 5 et 35) (Cheng et al., 2016; Yin et al., 2013). Deuxièmement, dans le cas des protéines PPR de type P, le résidu proline conservé présent deux résidus avant la première hélice (Gully et al., 2015) est impliqué dans des interactions inter-motifs et pourrait donc être attribué au motif précédent ou au motif suivant. Ainsi, il a été choisi d’utiliser la notation de Yin et al. faisant commencer les motifs au premier résidu de la première hélice (Cheng et al., 2016).

Figure 22 – Définition des motifs PPR par différentes équipes de recherche (Cheng et al., 2016)

Le motif PPR issu de (Gully et al., 2015) est représenté ainsi que les hélices correspondant aux cylindres bleus. Les acides aminés impliqués dans la reconnaissance de l’ARN sont encadrés en noir. Les

trois systèmes de définition des motifs PPR les plus utilisés sont représentés : Yin/this work fait

référence à (Yin et al., 2013) et (Cheng et al., 2016), Barkan à (Barkan et al., 2012) et Yagi à (Yagi et al., 2013).

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1.6. L’expression du génome mitochondrial chez les