Le voyage miraculeux de petits morceaux d'ARN

Dans la plupart des organismes vivants, de petits morceaux d'ARN jouent un r?le important dans la régulation des gènes en les rendant muets. Ils le font en se fixant de manière très spécifique sur certaines séquences de transcrits génétiques, c'est-à-dire également sur des molécules d'ARN. Elles empêchent ainsi la machinerie cellulaire de fabriquer des protéines à partir de ces molécules d'ARN. Ce mécanisme, appelé interférence ARN (ARNi), est extrêmement important en biologie.

Le phénomène de l'ARNi ne se manifeste toutefois pas uniquement dans une cellule. Il peut aussi se manifester loin de la cellule de départ, dans d'autres tissus et organes. Les chercheurs l'ont constaté surtout chez les plantes, mais aussi chez des animaux inférieurs comme le nématode. C. elegans pouvoir démontrer.

Les protéines et l'ADN sont exclus

Mais jusqu'à présent, la question de savoir quel messager est capable de voyager à travers les cellules et les tissus restait sans réponse. "Nous avons pu exclure les protéines il y a 20 ans déjà, lorsqu'on a découvert que l'ARNi était transmissible dans les plantes", explique Olivier Voinnet, professeur de biologie de l'ARN à l'ETH Zurich. L'ARNi exige qu'un messager puisse se fixer de manière spécifique à la séquence sur le transcrit du gène à mettre sous silence. Les protéines n'ont pas cette capacité. Il est également peu probable que l'ADN sorte du noyau cellulaire. "Le candidat le plus probable a toujours été une molécule d'ARN", explique Voinnet. Mais jusqu'à présent, on ne savait pas quel type et quelles formes d'ARN - qu'il soit long ou court, simple ou double brin, lié ou non aux protéines - provoquaient l'ARNi chez les plantes.

Les bribes de double brin voyagent loin

Mais maintenant, le professeur de l'ETH et son équipe lèvent le voile. Pour la première fois, les chercheurs de l'ETH peuvent démontrer clairement que de courts morceaux d'ARN double brin sont ces messagers. Ils sont constitués de paires de seulement 21 à 24 éléments de base d'ARN et sont appelés "small interfering RNAs" (siRNA). La nouvelle étude vient d'être publiée dans la revue spécialisée "Nature Plants".

Différents siRNA sont généralement produits en très grand nombre à partir du patrimoine génétique de virus qui ont infecté une cellule. Mais des gènes ou des séquences de gènes propres à la cellule servent également de mode d'emploi pour la construction de ces molécules messagères. Ainsi, les cellules peuvent, par la voie de l'ARNi, non seulement mettre en sourdine les virus envahisseurs, mais aussi leurs propres gènes. Et c'est justement parce que l'ARNi est mobile que les plantes ont l'étonnante capacité de pouvoir réguler à distance les gènes et leur transformation en protéines dans toutes les cellules. Cela pourrait être particulièrement important pour les plantes, en tant qu'êtres vivants liés à un lieu, afin d'adapter continuellement leur croissance, ce que l'on appelle la "plasticité phénotypique".

Migrer ou ne pas migrer

Dans leur nouvelle étude, les chercheurs ont également exclu la possibilité que d'autres types d'acides nucléiques ou de complexes d'ARN et de protéines se déplacent à travers les cellules végétales. "Nous pouvons définitivement prouver que les siRNA double brin sont nécessaires et suffisants pour provoquer l'ARNi dans des cellules et des tissus éloignés des plantes", conclut Voinnet.

Mais les chercheurs de l'ETH ne se sont pas contentés de déterminer les insaisissables coursiers de siRNA. Dans leur étude, ils montrent également comment le siRNA se déplace et comment il peut exercer sa fonction : Tant qu'une molécule de siRNA se présente sous forme de double brin libre, elle est mobile, car sous cette forme, elle ne peut pas se lier à un transcrit d'ARN complémentaire approprié. Pour ce faire, le siRNA doit d'abord être "chargé" dans une protéine effectrice d'argonautes (AGO) spécifique. Seule la combinaison correcte de la bonne protéine AGO et du siRNA correspondant peut rendre muet le transcrit cible, le siRNA correspondant étant alors détruit.

La plante modèle utilisée pour l'étude possède dix protéines AGO différentes, dont certaines ne reconnaissent chacune que des fragments de siRNA sélectionnés à l'aide de signatures spécifiques.

Protéines AGO Modèles de déplacement des siRNA

Cela a une autre conséquence. Différentes protéines AGO sont présentes dans différentes cellules et tissus. Les chercheurs de l'ETH ont découvert que les protéines AGO appropriées se chargent déjà d'une partie du siRNA dans la cellule d'origine et le consomment. La partie non chargée des molécules de siRNA peut quitter la cellule.

En fonction de la présence ou de l'absence de certaines protéines AGO au sein des cellules traversées par les siRNA mobiles, les molécules sont donc consommées ou non. Par exemple, s'il y a une abondance de protéines AGO, elles capturent de nombreux siRNA avec différentes signatures - et arrêtent leur voyage. Mais si une cellule ne contient pratiquement pas d'AGO, la plupart des siRNA quitteront la cellule et parcourront de plus grandes distances dans l'organisme.

Si une cellule contient finalement de grandes quantités d'un seul AGO spécifique, seuls les siRNA avec la signature appropriée sont consommés, tandis que les autres continuent à migrer. En d'autres termes, les molécules de siARN sont filtrées et consommées de manière sélective lors de leur passage dans les tissus végétaux.

Polyvalence sans limites de l'ARNi mobile

"La quantité et la diversité des protéines AGO dans les cellules traversées constituent une sorte de tamis moléculaire pour les siRNA. La forme de ce tamis peut varier d'un type de cellule à l'autre le long du trajet des molécules de siRNA, et selon la fa?on dont les tamis sont configurés, des modèles de mouvement de siRNA très différents peuvent être générés", explique Voinnet. Ce qui est encore plus intéressant, c'est que le stress ou les signaux de développement déclenchent la formation de certains AGO, de sorte que la configuration spatiale du crible peut changer et évoluer à tout moment.

Les innombrables modèles de mouvement confèrent au système de l'ARNi mobile au sein de la plante une flexibilité et une polyvalence presque illimitées dans l'organisation de l'expression génétique, c'est-à-dire la lecture des gènes et la traduction du transcrit en protéines.

Les chercheurs espèrent maintenant pouvoir utiliser ces nouvelles connaissances pour des applications pratiques. Ils sont ainsi en train de développer des tamis moléculaires artificiels basés sur les AGO pour les cellules végétales. Cela permettrait de régler précisément quand et où quelles molécules de siRNA peuvent se déplacer. Il est envisageable que cette méthode puisse un jour être utilisée dans l'économie rurale.