L’édition pour les ARNt Pro 1 L’édition dans les ProRS

De nombreuses ProRS utilisent un mécanisme d'édition pré-transfert pour exclure l'alanine (Hati et al., 2006). Cela a été démontré dans le cas de ProRS bactériennes (E. coli), archéennes (M. jannaschii) ou eucaryotes (S. cerevisiae). La réaction se fait selon la voie 1 présentée à la figure 7, c'est-à-dire par un départ de l'enzyme de l'alanyl-adénylate, qui est ensuite hydrolysé spontanément en solution.

De plus, un grand nombre de ProRS bactériennes possèdent une activité d’édition post-transfert qui contribue à écarter l’alanine (Ahel et al., 2002 ; Beuning and Musier-Forsyth, 2000). Un domaine (INS) d’environ 180 acides aminés, identifié par mutagenèse dirigée, inséré entre les motifs 2 et 3 de l’enzyme est, en effet, capable d’hydrolyser l’Ala-ARNtPro (Wong et al., 2002 ; Wong et al., 2003).

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69 Les ProRS de certains eucaryotes inférieurs possèdent un domaine analogue à INS mais situé à l’extrémité N-terminale de la protéine. Ces domaines présentent des séquences assez variables d'un organisme à l'autre. Dans certains cas, comme chez Plasmodium falciparum, ce domaine confère à la ProRS, une activité d'hydrolyse de l’Ala-ARNtPro_{. Dans d'autres cas, comme chez S.}

cerevisiae, la ProRS ne semble pas posséder cette activité malgré la présence de

ce domaine d’insertion (SternJohn et al., 2007). Les ProRS des archées et du cytoplasme des eucaryotes supérieurs ne possèdent ni ce domaine d’insertion ni cette activité d’édition. Ce domaine INS est aussi assez fréquemment absent dans les ProRS bactériennes puisque certaines bactéries (Bacteroidetes, groupe

Thermus-Deinococcus, Mollicutes, certains spirochètes, certaines protéobactéries

δ, …) expriment une ProRS de type archéen, dépourvue de domaine INS, et que quelques bactéries (protéobactéries α, protéobactérie ε Sulfurimonas denitrificans) expriment une ProRS de type bactérien, mais sans domaine INS. Enfin, on peut noter que certaines bactéries (par exemple Chloroflexus aurantiacus et

Clostridium botulinum) expriment à la fois une ProRS de type bactérien avec un

domaine INS et une ProRS de type archéen sans domaine INS.

Dans la ProRS d’E. coli, des expériences de mutagenèse dirigée ont permis d’identifier plusieurs résidus jouant un rôle important dans l’activité d’édition post-transfert de l’Ala-ARNtPro. Ainsi, la mutation de la lysine 279 en alanine engendre une perte de 95% de l’activité d’hydrolyse de l’Ala-ARNtPro par cette enzyme (Wong et al., 2002). Les mutations T257A, D350A et H369A ont aussi un effet important (environ 80% de perte d’activité). Par ailleurs, l’histidine 369 semble en partie responsable de la spécificité du site d’édition, en empêchant probablement la proline de s’y fixer. En effet, les mutants H369A et H369C possèdent une forte activité d’hydrolyse du Pro-ARNtPro.

2.3.1.2 Edition en trans

Dans les trois domaines du vivant, les ProRS activent la cystéine et la transfèrent sur l’ARNtPro avec une efficacité catalytique in vitro proche de celle obtenue avec la proline. Cependant, les ProRS ne semblent pas posséder d’activité permettant l’édition spécifique du Cys-ARNtPro (Ahel et al., 2002 ; An and Musier-Forsyth, 2004 ; Beuning and Musier-Forsyth, 2001).

L'absence d’activité d’édition des ProRS, envers la cystéine pourrait donc poser un problème de fidélité, s’il n’existait pas d’autres mécanismes évitant la mésincorporation de cystéine. D'autre part, comme on vient de le voir, seulement certaines ProRS possèdent une activité d'édition post-transfert vis-à-vis de l'alanine. Or de nombreux organismes expriment des protéines homologues au domaine INS des ProRS bactériennes. La question s'est donc posée de savoir si ces protéines indépendantes n'avaient pas une activité d'édition leur permettant d'hydrolyser Cys-ARNtPro et/ou les Ala-ARNtPro (Zhang et al., 2000).

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2.3.1.3 ProX

Ainsi la bactérie Clostridium sticklandii exprime une ProRS de type archéen, sans domaine INS, et une protéine indépendante appelée ProX (ou PrdX), homologue au domaine INS. Il a été montré in vitro que cette protéine ProX était capable d’hydrolyser l’Ala-ARNtPro mais pas le Cys-ARNtPro (Ahel et

al., 2003). On peut donc imaginer que la présence de la protéine ProX permet de

compenser l’absence d’activité post-transfert de la ProRS de C. sticklandii vis-à- vis de l'Ala-ARNtPro, ce qui ferait de ProX un exemple de protéine autonome capable d’édition en trans.

La spécificité de la protéine ProX semble due, comme celle du domaine INS des ProRS bactériennes, à la présence d’une histidine conservée qui restreint l’accès du site actif aux petits acides aminés comme l’alanine. Cette histidine n’est pas alignée avec celle des domaines INS, mais une analyse structurale comparative entre le domaine INS de la ProRS d’Enterococcus faecalis et la protéine ProX de Caulobacter crescentus (Crepin et al., 2006) montre que les deux histidines occupent des positions identiques dans les deux sites actifs, au voisinage de la lysine catalytique.

2.3.1.4 YbaK

Dans différentes bactéries et archées, il existe des protéines homologues au domaine INS, mais qui ne possèdent pas l’histidine conservée évoquée ci-dessus. La première protéine de cette famille à avoir été caractérisée est la protéine Ybak d’Haemophilus influenzae (Wong et al., 2003). A l’origine, cette protéine a été décrite comme une hydrolase capable de désacyler l’Ala-ARNtPro _{in vitro, mais}

pas le Pro-ARNtPro. Plus tard, il a été montré que la protéine Ybak d’H. influenzae hydrolysait le Cys-ARNtPro environ 100 fois plus efficacement que l’Ala-ARNtPro (An and Musier-Forsyth, 2004). Mais les concentrations de protéine mises en jeu pour détecter de l’hydrolyse du Cys-ARNtPro in vitro restaient élevées (~1 μM) et la spécificité de la protéine semblait faible puisque tous les Cys-ARNt testés, y compris le Cys-ARNtCys (an2005 ruan2005), sont hydrolysés par YbaK in vitro (An and Musier-Forsyth, 2005 ; Ruan and Söll, 2005). Il n'était donc pas certain que Ybak intervienne bien in vivo pour hydrolyser le Cys-ARNtPro.

Le rôle d’Ybak in vivo a pu être confirmé chez E. coli, grâce à l’utilisation d’une souche portant une mutation faux-sens Cys -> Pro dans le gène de la thymidylate synthase. Cette mutation affecte une cystéine essentielle de la protéine et rend donc la souche auxotrophe pour la thymine. Dans ce contexte génétique, l’inactivation du gène ybaK permet une croissance en absence de thymine, ce qui suggère qu’il y a alors insertion de cystéine en réponse à un codon proline et donc, en fin de compte, que YbaK est bien une Cys-ARNtPro désacylase

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71 Une autre expérience explique peut-être pourquoi la protéine semble peu spécifique in vitro alors que son rôle in vivo pourrait être d'hydrolyser spécifiquement les Cys-ARNtPro. En effet, il a été montré que la protéine YbaK formait un complexe d’assez haute affinité avec la ProRS (Kd de 550 nM en

absence d'ARNtPro _{et de 45 nM en présence d'ARNt}Pro_{) (An and Musier-Forsyth,}

2005). Il se pourrait donc qu’in vivo, YbaK agisse sous une forme complexée à la ProRS, ce qui lui permettrait, d’une part, d’hydrolyser préférentiellement le Cys- ARNtPro et, d’autre part, d’intervenir avant que cet ARN mésaminoacylé n’ait été pris en charge par EF-Tu.

Structuralement très proche du domaine INS des ProRS bactériennes, Ybak est une protéine d’environ 180 résidus, contenant un feuillet bêta de 7 brins entouré par six petites hélices alpha (Zhang et al., 2000). On retrouve une lysine (Lys46) fortement conservée, à une position équivalente à celle de la Lys279 de la ProRS d’E. coli (Wong et al., 2002), dans une poche comprenant un trou oxyanion similaire à celui des protéases à sérine. Cette lysine est indispensable à l’activité d'hydrolyse du Cys-ARNtPro et de l’Ala-ARNtPro (An and Musier- Forsyth, 2004).

2.3.1.5 Différentes stratégies d’édition pour les ARNtPro

De manière surprenante, il n'existe pas de corrélation entre l'absence de domaine INS dans la ProRS d'un organisme donné et la présence de protéines du type ProX-YbaK. Même dans les bactéries phylogénétiquement proches, on rencontre des situations très diverses. Ainsi, parmi les actinobactéries (bactéries à Gram positif, à forte teneur en GC), on trouve des espèces qui expriment une ProRS avec un domaine INS et une (ou plusieurs) protéine(s) du type ProX-YbaK (par exemple, Mycobacterium tuberculosis), des espèces qui expriment une ProRS avec domaine INS et aucune protéine de type ProX-YbaK (par exemple

Mycobacterium avium), des espèces qui expriment une ProRS sans domaine INS

et une (ou plusieurs) protéine(s) du type ProX-YbaK (par exemple, Rubrobacter

xylanophilus), et des espèces qui expriment une ProRS sans domaine INS et

aucune protéine de type ProX-YbaK (par exemple Frankia sp. EAN1pec). Il reste donc des organismes où aucune protéine susceptible d'hydrolyser le Cys-ARNtPro et/ou l’Ala-ARNtPro n'est connue.

Il est possible que les concentrations intracellulaires de cystéine, d'alanine et de proline fassent que la mésaminoacylation de l'ARNtPro reste faible et qu’un mécanisme d’édition soit inutile dans ces organismes. Ou alors, il existe d'autres protéines, encore inconnues, qui empêchent la formation de Cys-ARNtPro et/ou d’Ala-ARNtPro, ou qui catalysent l'hydrolyse de tels ARNt mésaminoacylés.

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