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14.7: Types d'ARN
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Types of RNA
 
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14.7: Types of RNA

14.7: Types d'ARN

Overview

Three main types of RNA are involved in protein synthesis: messenger RNA (mRNA), transfer RNA (tRNA), and ribosomal RNA (rRNA). These RNAs perform diverse functions and can be broadly classified as protein-coding or non-coding RNA. Non-coding RNAs play important roles in the regulation of gene expression in response to developmental and environmental changes. Non-coding RNAs in prokaryotes can be manipulated to develop more effective antibacterial drugs for human or animal use.

RNA Performs Diverse but Cooperative Functions During Protein Synthesis

The central dogma of molecular biology states that DNA contains the information that encodes proteins and RNA uses this information to direct protein synthesis. Different types of RNA are involved in protein synthesis. Based on whether or not they encode proteins, RNA is broadly classified as protein-coding or non-coding RNA.

Messenger RNA (mRNA) is the protein-coding RNA. It consists of codons—sequences of three nucleotides that encode a specific amino acid. Transfer RNA (tRNA) and ribosomal RNA (rRNA) are non-coding RNA. tRNA acts as an adaptor molecule that reads the mRNA sequence and places amino acids in the correct order in the growing polypeptide chain. rRNA and other proteins make up the ribosome—the seat of protein synthesis in the cell. During translation, ribosomes move along an mRNA strand where they stabilize the binding of tRNA molecules and catalyze the formation of peptide bonds between amino acids. Thus, different types of RNA perform specific but complementary functions during protein synthesis.

Non-coding RNAs in Eukaryotes Regulate Gene Expression

Non-coding RNAs other than tRNA and rRNA were initially considered to be “genomic junk” since they did not encode proteins. However, their roles in regulating gene expression were discovered over the past few decades and continue to be extensively researched. Based on their length, non-coding RNAs may be classified as small regulatory RNAs (< 100 nucleotides) or long non-coding RNAs (> 200 nucleotides).

Both small regulatory RNAs and long non-coding RNAs regulate gene expression by altering various stages of transcription and translation. Non-coding RNAs affect mRNA splicing—removal of protein non-coding segments and joining the protein coding sequences. In this manner, they control the formation of different protein variants from a single gene. Small regulatory RNAs such as microRNAs (miRNAs) and small interfering RNAs (siRNAs) bind to complementary sequences on mRNA and inhibit protein synthesis either by blocking the access of the translation machinery to the mRNA or by degrading the mRNA itself. Long non-coding RNAs interact with and recruit enzymes that chemically modify DNA and histones — proteins that help package DNA into the nucleus — to either activate or repress transcription.

Non-coding RNAs in Prokaryotes Act as Environmental Sensors

RNA-mediated regulation of gene expression is widespread in bacteria. Regulatory sequences in mRNA—called riboswitches—act as environmental sensors by detecting changes in temperature and nutrient levels.

Riboswitch-based regulation depends on the formation of two mutually exclusive and stable conformations of the RNA secondary structure. The secondary structure switches between the two conformations to turn gene expression on or off in response to environmental changes. For example, when the bacteria Listeria monocytogenes infects a host, the higher body temperature of the host breaks down the secondary structure in the 5’ untranslated region of the bacterial mRNA. This exposes a ribosome-binding site on the mRNA and initiates protein translation, enabling the bacteria to live and grow within the host organism.

Riboswitches Can Be Manipulated to Develop Effective Antibacterials

Some riboswitches detect end products of metabolic pathways and serve as feedback controls for transcription or translation. For instance, the thiamine pyrophosphate riboswitch regulates thiamine biosynthesis in bacteria. When an adequate concentration of thiamine has been synthesized, it binds to the riboswitch and changes its conformation. This change in conformation blocks the translation initiation site and stops protein synthesis.

Compounds that closely resemble thiamine in structure are being studied as potential antibacterial agents. These drugs are intended to bind the riboswitch in the absence of thiamine and cause a conformational change that blocks translation of proteins required for thiamine biosynthesis. Since the bacteria will be unable to produce this nutrient, it will stop growing and eventually die. As riboswitches are more commonly found in prokaryotes than eukaryotes, riboswitch-targeting antibacterials would have minimal adverse effects on mammalian hosts.

Aperçu

Trois principaux types d’ARN sont impliqués dans la synthèse des protéines : l’ARN messager (ARNm), l’ARN de transfert (ARnt) et l’ARN ribosomal (ARN). Ces ARN remplissent diverses fonctions et peuvent être largement classés comme arn de codage protéique ou non codant. Les ARN non codants jouent un rôle important dans la régulation de l’expression des gènes en réponse aux changements développementaux et environnementaux. Les ARN non codants dans les procaryotes peuvent être manipulés pour développer des médicaments antibactériens plus efficaces à usage humain ou animal.

L’ARN remplit des fonctions diverses mais coopératives pendant la synthèse des protéines

Le dogme central de la biologie moléculaire affirme que l’ADN contient l’information qui code les protéines et l’ARN utilise cette information pour diriger la synthèse des protéines. Différents types d’ARN sont impliqués dans la synthèse des protéines. Selon qu’ils codent ou non des protéines, l’ARN est largement classé comme ADN codant ou non codant.

L’ARN messager (ARNm) est l’ARN codant les protéines. Il se compose de codons— séquences de trois nucléotides qui codent un acide aminé spécifique. L’ARN de transfert (ARnt t) et l’ARN ribosomal (ARR) sont des ARN non codants. tRNA agit comme une molécule d’adaptateur qui lit la séquence d’ARNm et place les acides aminés dans l’ordre correct dans la chaîne de polypeptide en croissance. rRNA et d’autres protéines composent le ribosome, le siège de la synthèse des protéines dans la cellule. Pendant la traduction, les ribosomes se déplacent le long d’un brin d’ARNm où ils stabilisent la liaison des molécules d’ARnt et catalysent la formation de liaisons peptides entre les acides aminés. Ainsi, différents types d’ARN remplissent des fonctions spécifiques mais complémentaires lors de la synthèse des protéines.

Les ARN non codants dans les Eucaryotes régulent l’expression génique

Les ARN non codants autres que l’ARN t et l’ARN rr ont été initialement considérés comme des « déchets génomiques » puisqu’ils n’encodent pas les protéines. Cependant, leurs rôles dans la régulation de l’expression des gènes ont été découverts au cours des dernières décennies et continuent d’être largement étudiés. En fonction de leur longueur, les ARN non codants peuvent être classés comme de petits ARN réglementaires (< 100 nucléotides) ou de longs ARN non codants (> 200 nucléotides).

Les petits ARN réglementaires et les ARN non codants à long terme régulent l’expression des gènes en modifiant diverses étapes de la transcription et de la traduction. Les ARN non codants affectent l’épissage de l’ARNm — suppression des segments non codants des protéines et joint les séquences de codage protéique. De cette façon, ils contrôlent la formation de différentes variantes protéiques à partir d’un seul gène. Les petits ARN régulateurs tels que les microARN (miARN) et les petits ARN interférants (siARN) se lient à des séquences complémentaires sur l’ARNm et inhibent la synthèse des protéines soit en bloquant l’accès des machines de traduction à l’ARNm, soit en dégradant l’ARNm lui-même. De longs ARN non codants interagissent avec et recrutent des enzymes qui modifient chimiquement l’ADN et les histones — protéines qui aident à emballer l’ADN dans le noyau — pour activer ou réprimer la transcription.

Les ARN non codants dans procaryotes Act en tant que capteurs environnementaux

La régulation de l’expression des gènes par l’ARN est répandue chez les bactéries. Les séquences réglementaires en ARNm — appelées riboswitches — agissent comme capteurs environnementaux en détectant les changements de température et de niveaux d’éléments nutritifs.

La régulation basée sur le riboswitch dépend de la formation de deux conformations mutuellement exclusives et stables de la structure secondaire de l’ARN. La structure secondaire bascule entre les deux conformations pour activer ou désactiver l’expression des gènes en réponse aux changements environnementaux. Par exemple, lorsque la bactérie Listeria monocytogenes infecte un hôte, la température corporelle plus élevée de l’hôte décompose la structure secondaire dans la région non traduite de 5' de l’ARNm bactérienne. Cela expose un site de liaison ribosome sur l’ARNm et initie la traduction des protéines, permettant aux bactéries de vivre et de croître dans l’organisme hôte.

Les riboswitches peuvent être manipulés pour développer des antibactériens efficaces

Certains riboswitches détectent les produits finaux des voies métaboliques et servent de contrôles de rétroaction pour la transcription ou la traduction. Par exemple, le riboswitch pyrophosphate de thiamine régule la biosynthèse de la thiamine chez les bactéries. Lorsqu’une concentration adéquate de thiamine a été synthétisée, elle se lie au riboswitch et modifie sa conformation. Ce changement de conformation bloque le site d’initiation à la traduction et arrête la synthèse des protéines.

Les composés qui ressemblent étroitement à la thiamine dans la structure sont étudiés comme des agents antibactériens potentiels. Ces médicaments sont destinés à lier le riboswitch en l’absence de thiamine et provoquer un changement conformationnel qui bloque la traduction des protéines nécessaires à la biosynthèse de la thiamine. Puisque les bactéries seront incapables de produire ce nutriment, il cessera de croître et finira par mourir. Comme les riboswitches sont plus couramment présents chez les procaryotes que les eucaryotes, les antibactériens ciblant les riboswitchs auraient des effets néfastes minimes sur les hôtes de mammifères.


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