Les ribosomes sont des complexes ribonucléoprotéiques présents dans les cellules eucaryotes et procaryotes (Lebreton, 2006). Ils se trouvent dans le cytoplasme, soit libres, soit associés à la membrane du réticulum endoplasmique. Leur fonction est de réaliser la traduction des ARNm en protéines, en déchiffrant le code génétique à l’aide des ARNt. Ils sont constitués d’ARNr portant l’activité catalytique et de protéines ribosomiques.
1. Découverte des ribosomes
Les ribosomes ont tout d’abord été observés par Palade en 1953, sous le microscope électronique, comme des particules denses ou granules localisés dans le cytoplasme des cellules eucaryotes (Palade, 1955). Ces mêmes particules furent identifiées, quelques années plus tard, dans le cytoplasme des Procaryotes (Tissieres and Watson, 1958). Des expériences de fractionnement cellulaire ont permis de montrer que la fraction microsomale contenait des ribosomes liés à des fragments de membrane capables de catalyser l’incorporation d’acides aminés dans les protéines. Dans les années 60, des études plus poussées, après la découverte du rôle de l’ARNm et le déchiffrage du code génétique, ont montré que les ribosomes étaient les acteurs de la synthèse protéique. Cette avancée a permis de donner un sens physiologique aux polysomes (Warner et al., 1963). Observé par fractionnement d’extraits cellulaires sur des gradients de densité, un polysome est un ensemble de ribosomes reliés entre eux par un ARNm. La mesure de l’absorbance à 254 nm permet d’observer une série de pics. En analysant les pics des coefficients de sédimentation du plus faible au plus élevé, on peut distinguer : la sous-unité 40S, la sous-unité 60S, les ribosomes libres, les disomes puis des polysomes contenant à chaque fois un ribosome en plus (figure 22).
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Figure 22 : Observation des polysomes obtenus par fractionnement d'un extrait cellulaire de S.cerevisiae sur un gradient de sucrose. En mesurant l’absorbance à 254 nm du haut vers le bas du gradient, un grand pic est tout d'abord observé correspondant à des protéines monomériques ou oligomériques, puis deux pics (40S et 60S) correspondant respectivement à la petite et la grande sous-unité ribosomique. L’association de ces deux sous-unités sur un ARNm forme un ribosome (80S). Dans les polysomes, chaque pic correspond ensuite à l’addition d’un ribosome sur l’ARNm traduit par rapport au pic précédent (Lebreton, 2006).
2. Structure et fonction du ribosome
Ces complexes ribonucléoprotéiques sont composés d’une grande et d’une petite sous-unité qui s’assemblent sur les ARNm pour constituer un ribosome fonctionnel. Ces sous-sous-unités sont formées par la fixation des protéines ribosomiques autour d'un cœur compact d'ARNr. A l’interface entre ces deux sous-unités est situé le site catalytique du ribosome principalement constitué d’ARN (Figure 23).
Chez la levure S.cerevisiae, la grande sous-unité est constituée de trois molécules d'ARNr (5S, 5.8S et 25S), et de 49 protéines ribosomiques. Elle a une masse moléculaire de 2,8.106 Daltons (Da) et un coefficient de sédimentation de 60S. La petite sous-unité n'est constituée que d'une molécule d'ARNr (18S) et de trente-trois protéines ribosomiques. Elle a une masse moléculaire de 1,4.106 Da et un coefficient de sédimentation de 40S (Figure 23). Malgré la taille et la complexité de ces assemblages macromoléculaires, la structure a pu être résolue. À la fin des années 1970, une chercheuse israélienne, Ada Yonath, étudie la structure du ribosome par cristallographie aux rayons X. En tout et pour tout, il lui aura fallu dix ans pour fabriquer un cristal de ribosomes bactériens d'une qualité suffisante pour commencer à effectuer de la cristallographie... et dix ans de plus pour qu'elle et Venkatraman Ramakrishnan obtiennent une
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image tridimensionnelle de la petite sous-unité d'un ribosome bactérien. La même année, en 2000, Thomas Steitz de l'université Yale publiera la structure exacte de la grande sous-unité du ribosome. Aujourd'hui, nombre de chercheurs continuent à étudier la structure du ribosome. En 2009, ils ont été trois chercheurs à se partager les honneurs du prix Nobel de chimie pour avoir décrit la structure fine du ribosome : Venkatraman Ramakrishnan, Thomas Steitz et Ada Yonath. (Figure 23). Celle du ribosome humain, bien plus gros que celui des bactéries, n'a pour l'heure jamais été observée... Marat Yusupov et Harry Noller ont étudié le mouvement du ribosome lors de la traduction et ont proposé, dès 1999, une vue du ribosome en quatre dimensions, les trois de l'espace et celle du temps (Cate et al., 1999).
Figure 23 : Structure et composition des sous-unités ribosomiques eucaryotes. Les
ARNr sont représentés en orange, les protéines de la petite sous-unité sont en violet et celle de la grosse sous-unité sont en rose. Des différences entre les eucaryotes supérieurs et inférieurs sont indiquées : Euc.inf/Euc. sup. Les structures tridimensionnelles sont issues du site internet : http://www.ulysse.u-bordeaux.fr/atelier/ikramer/biocell_diffusion/gbb.cel.fa.106.b3/content/images/12_ribosome_proteine_e t_ARN_30_50S_xl.jpg. Abréviations : nts, nucléotides; PM, Poids moléculaire
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Le ribosome est une véritable machine moléculaire chargée de décrypter le code génétique porté par l’ARN messager et de synthétiser les protéines correspondantes. Il permet d’ajouter un acide aminé supplémentaire à une chaîne peptidique en cours de synthèse. La vitesse d’allongement d’une chaîne polypeptidique d’un ribosome eucaryote est comprise entre trois et cinq acides aminés par seconde. Le ribosome assure le positionnement correct des aminoacyl-ARNt sur les codons respectifs et catalyse la réaction de transfert de l’aminoacyl de l’aminoacyl-ARNt donneur à la chaîne peptidique. Cette activité peptidyltransférase nécessite le positionnement de l’ARNt portant la chaîne peptidique et l’aminoacyl-ARNt, respectivement, dans les sites P et A du ribosome.
Ce processus de traduction peut être divisé en trois étapes : l’initiation, l’élongation et la terminaison (Figure 24). La première étape correspond à la formation du complexe de pré-initiation (43S) composé de la sous-unité 40S, de l’ARNt initiateur portant la méthionine et de plusieurs facteurs d’initiation. En parallèle, un complexe protéique se fixe à l’extrémité 5’ de l’ARNm (reconnaissance de la coiffe m7Gppp). La fixation du complexe de pré-initiation sur ce dernier conduit à la formation du complexe d’initiation 48S. Celui-ci glisserait ensuite le long de l’ARNm dans le sens 5’ vers 3’ jusqu’à la reconnaissance du codon d’initiation. Ce modèle, le plus répandu, est dit le « scanning ». La grande sous-unité vient alors s’associer pour former un ribosome 80S fonctionnel. L’ARNt initiateur occupe le site P du ribosome qui est prêt pour l’élongation. Le ribosome se déplace alors de codon en codon au niveau de l'ARNm, et associe chaque codon à un ARNt lui correspondant, apportant le bon acide aminé au bon endroit. Un cycle d'élongation permet d'ajouter un acide aminé. Ce nouvel acide aminé est relié au peptide en cours d'élongation grâce à une liaison peptidique créée par un ribozyme qui est ici l'ARNr 25S appartenant à la grande sous-unité ribosomique. Les ARNt déchargés de leur acide aminé sont libérés au fur et à mesure par le site E. La terminaison de la traduction est déterminée par l’apparition dans la séquence de l’ARNm d’un codon stop. Trois triplets de ce type existent (UAG, UAA et UGA) pour lesquels la cellule ne dispose pas d’ARNt spécifique. Le ribosome marque une pause, un facteur de terminaison mimant un ARNt vient occuper le site A et déclenche le clivage du peptidyl-ARNt au site P. La traduction simultanée d’un même ARNm par plusieurs ribosomes et le recyclage rapide des sous-unités augmente l’efficacité de ce mécanisme.
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Figure 24 : Etapes de la traduction d'un ARNm en protéine chez les Eucaryotes. Elle se déroule dans le cytoplasme en 5 étapes principales : la liaison du ribosome à l'ARNm, l'initiation, l'élongation, la terminaison et le recyclage des sous-unités. Adapté d’une représentation du cycle ribosomial sur le site http://pst.chez-alice.fr/1s3.htm.