Des chercheurs de Yale reçoivent une subvention Pfizer pour de nouvelles informations sur le cycle de vie et la fonction de l’ARNm

Des chercheurs du laboratoire Gilbert de Yale ont publié des recherches sur les modifications des nucléotides de l’ARNm et le recrutement des ribosomes, remportant une subvention de 1,7 million de dollars de Pfizer.

Selin Nalbantoglu et Elizabeth Watson

23h53, 26 janvier 2022

Journalistes du personnel

Sophia Zhao

Un laboratoire de recherche à Yale dirigé par Wendy Gilbert, professeur agrégé de biophysique moléculaire et de biochimie, a publié deux articles illustrant des informations cruciales sur les propriétés et les comportements de l’ARNm.

Dans le premier article, publié dans le numéro du 17 janvier de la revue Cell Systems, les chercheurs se sont concentrés sur les affinités des différentes séquences d’ARNm pour les ribosomes, les macromolécules qui synthétisent les protéines à partir des brins d’ARNm. Une fois que l’ARNm est dans le cytoplasme d’une cellule, un ribosome se fixe à la molécule d’ARNm et synthétise une protéine basée sur la séquence génétique contenue dans l’ARNm. Le deuxième article, publié dans Molecular Cell le 19 janvier, décrit les effets des pseudouridine synthases, qui sont des enzymes altérant les acides aminés, sur les ARNm. Une fois ces travaux publiés, Pfizer a accordé 1,7 million de dollars au laboratoire Gilbert pour continuer à étudier les propriétés de l’ARNm et leurs implications dans le développement de thérapies.

« Nous découvrons encore de nouvelles façons de modifier l’ARN et l’ARN messager afin de modifier la production finale de protéines et les fonctions cellulaires », a déclaré Nicole Martinez, ancienne chercheuse postdoctorale au laboratoire Gilbert qui a dirigé l’une des études et est maintenant professeur adjoint à Stanford. « Je pense que c’est vraiment excitant que nous trouvions encore de nouveaux mécanismes fondamentaux de contrôle de l’expression des gènes dans la biologie normale. »

Cependant, certaines séquences d’ARNm sont meilleures que d’autres lorsqu’il s’agit de recruter des ribosomes pour la synthèse des protéines, selon Gilbert. Elle attribue cette variation au besoin de la cellule de maintenir différents niveaux de protéines. Les protéines nécessaires aux fonctions de la cellule sont codées par des ARNm qui recrutent efficacement des ribosomes, tandis que les protéines nécessaires en petites quantités sont codées par des ARNm qui recrutent rarement des ribosomes, ce qui leur confère une affinité réduite pour le recrutement ribosomal.

« Une idée dans le domaine sur la raison pour laquelle vous pourriez fabriquer des ARN capables de recruter des ribosomes, mais à un faible niveau, est de lisser la production de protéines. » dit Gilbert. « Si vous voulez juste faire un peu de la protéine, vous ne pouvez pas faire moins d’une molécule d’ARNm. Vous commencez et vous réussissez ou vous ne réussissez pas. Si vous souhaitez obtenir un niveau bas constant, transcrire fréquemment l’ADN pour créer un ARNm qui recrutera lentement quelques ribosomes est peut-être un bon moyen de le faire.

Rachel Niederer, boursière postdoctorale K99 au laboratoire Gilbert, a dirigé l’équipe pour cet article. Son travail s’est concentré sur la région 5′ non traduite, ou 5′ UTR, une zone de l’ARNm qui sert de « plate-forme d’atterrissage » pour l’initiation de la traduction. C’est le point du processus où il est déterminé quels ARNm spécifiques seront traduits.

En tant qu’étape limitant la vitesse, les ajustements à l’initiation de la traduction peuvent avoir un impact immense sur les quantités de protéines finalement produites. Même les modifications apportées à une seule sous-unité peuvent influencer considérablement la production de protéines. L’équipe a développé une technique appelée analyse directe du ciblage des ribosomes, ou DART, afin d’examiner la relation entre le 5′ UTR et l’initiation de la traduction.

Selon Gilbert, DART utilise un système de notation qui peut quantifier la capacité des 5′ UTR sur divers ARNm à recruter des ribosomes et à initier la traduction.

« Nous pourrions mesurer les scores d’initiation de la traduction sur des milliers d’ARN en parallèle », a déclaré Niederer. « Cela a donc été une approche vraiment puissante. Nous pouvons obtenir ces scores d’initiation à la fois sur les ARNm endogènes que la cellule utilise naturellement, mais nous pouvons également concevoir des fonctionnalités supplémentaires pour tester les hypothèses que nous avons sur les éléments où nous avons peut-être déjà une attente sur ce qu’ils pourraient faire. C’est une très belle combinaison de la capacité de découvrir de nouvelles choses que nous n’avions pas vues auparavant, mais aussi de tester des idées que nous avons sur d’anciennes choses.

Selon Martinez, l’ARN a des modifications chimiques, y compris celles des quatre nucléotides canoniques qui composent l’alphabet génétique. Le laboratoire de Gilbert a étudié une modification particulière appelée pseudouridine, qui est une modification chimique d’une plus petite sous-unité d’ARN appelée uridine qui est ajoutée par la pseudouridine synthase.

Gilbert a ajouté que les pseudo-uridine synthases sont des protéines biochimiquement simples et, par conséquent, leurs différentes fonctions biologiques sont attribuées à leurs cibles spécifiques. Plus précisément, chaque type de pseudouridine a une cible parmi les différents types d’ARN.

« Au niveau biochimique, la pseudouridine affecte certaines des propriétés fondamentales de l’ARN », a déclaré Gilbert. « En particulier, changer une uridine en pseudouridine stabilise les duplex d’ARN – l’appariement de bases entre deux brins d’ARN – et pour cette raison, il est logique que la pseudouridine soit très répandue dans les ARN structurés d’une cellule. »

Selon Martinez, il était essentiel de déterminer le point auquel la pseudouridine devient répandue dans l’ARN messager afin de comprendre la fonction de la pseudouridine.

Pour ce faire, l’équipe a purifié des molécules d’ARNm attachées à la matrice d’ADN, appelées pré-ARNm. Ensuite, ils ont recherché la pseudouridine dans le pré-ARNm purifié en utilisant ses propriétés chimiques et ses techniques de séquençage. Enfin, ils ont pu produire une carte de la pseudouridine dans l’ARNm purifié. L’équipe a découvert que la pseudouridine émerge très tôt dans la production d’ARNm et joue un rôle important dans l’épissage des informations qui aboutissent aux protéines.

« Il influence les toutes premières étapes de l’expression génique et de la production d’ARNm, et les enzymes qui mettent ces décorations sur le pré-ARNm sont impliquées dans un certain nombre de maladies, y compris les troubles neurodéveloppementaux », a déclaré Martinez. «Alors maintenant, nous comprenons vraiment que cette modification est installée dans cette classe de cibles d’ARN. Comprendre où ils se trouvent et ce que font ces modifications est vraiment important pour comprendre comment ces enzymes sont régulées dans la maladie et pourquoi le processus est important.

Une meilleure compréhension de l’ARNm pourrait jeter les bases du développement de nouvelles techniques basées sur l’ARNm pour les thérapies et les vaccins à l’avenir. Cela pourrait également conduire à une meilleure compréhension de la façon dont la dérégulation du traitement de l’ARN pourrait affecter les maladies.

Le laboratoire de Gilbert a déménagé du MIT à Yale en 2017.