vignette|redresse=2|alt=microARN| Représentation synthétique de la biosynthèse et du fonctionnement des micro-ARN.
Les micro-ARN (abréviation : miARN ou miR) constituent une catégorie de simple brin, non codants et propres aux cellules eucaryotes . Ils ont une longueur moyenne de 22 nucléotides (21 à 24 en général), nettement moins que la plupart des autres ARN (au moins une centaine).
Les miARN sont des régulateurs post-transcriptionnels capables d’extinction de l’expression d’un gène ; leur appariement à un ARN messager (ARNm) cible peut conduire à l'inhibition de sa traduction ou à sa dégradation, selon le degré de complémentarité entre la séquence du miARN et celle de son ARNm cible. Parce qu’ils affectent l’expression de nombreux gènes, les miARN interviennent dans la plupart des processus biologiques, allant du développement à la formation de tumeurs .
Le génome humain contiendrait environ à l’origine de la transcription de miARNHomo sapiens miRNAs in the miRBase at Manchester University qui cibleraient environ 60 % des gènes . Il a été mis en évidence que les miARN peuvent être exprimés différentiellement d’un tissu ou d’un type cellulaire à l’autre. Ils sont abondants dans plusieurs types cellulaires chez l'humain.
L’expression aberrante de certains miARN est associée à de nombreuses pathologies. Des thérapies fondées sur une correction de leur abondance sont actuellement à l’étude.
Historique
Le premier miARN, , a été caractérisé au début des années 1990 chez le nématode Caenorhabditis elegans Cette publication décrit la découverte de lin-4, le premier miRNA découvert chez C.elegans.. Les auteurs de cette étude ont découvert que ce petit ARN s'exprimait à la fin du premier stade du développement larvaire. Il se fixait alors à l'ARNm de la protéine LIN-14, inhibait sa synthèse et, ce faisant, induisait la transition entre les deux premières phases larvaires. lin-4 jouait donc un rôle essentiel dans le contrôle de la séquence des phases du développement.
Il a fallu attendre le début des années 2000 et la découverte de chez C. elegans, ainsi que celle d'autres miARN chez différentes espèces, pour qu'un mécanisme de régulation post-transcriptionnel par les miARN puisse être généralisable.
En 2024, le prix Nobel de médecine est décerné aux Américains Victor Ambros et Gary Ruvkun pour leurs découvertes sur les micro-ARN[/www.nobelprize.org/uploads/2024/10/press-medicineprize2024.pdf].
Biosynthèse
vignette|redresse=1.5|Figure 1. Biosynthèse des miARN chez l'animal. Les miARN sont obtenus dans le noyau par transcription ou par épissage à partir d'un intron.
Origine et évolution Les miARN sont bien conservés chez les organismes eucaryotes et seraient une composante ancestrale et indispensable de la régulation de l’expression des gènes. La voie des miARN, chez les animaux et chez les plantes, pourrait avoir une origine différente et être apparue de manière indépendante. La voie des miARN dériverait d'un système plus ancestral, l'interférence par ARN. Les enzymes Dicer sont notamment responsables de la production de petits ARN interférents (pARNi) à partir de longs ARN double brinCette publication discute des processus où sont impliqués les siRNAs et les microARN, dans le contexte de deux articles publiés dans le journal Science. . Ce processus, décrit chez la plante, agit comme défense antivirale.
Traitement nucléaire Les miARN sont transcrits, de manière canonique, par une ARN polymérase de type II sous la forme de longs précurseurs tige-boucle appelés miARN primaires (pri-miARN) (figure 1, gauche). Ces pri-miARN sont ensuite clivés par un complexe protéique hétérotrimérique nommé , formé, notamment, d'une molécule de la ribonucléase III et deux molécules de son partenaire ( - appelé Pasha chez la drosophile et le nématode). Un produit intermédiaire appelé miARN précurseur (pré-miARN) est ainsi produit.
Un certain nombre de miARN échappent au traitement par Drosha. Dans certains cas, les pré-miARN sont produits à partir d'introns par le splicéosome lors de l'épissage, et alors appelés « miRtrons » (figure 1, droite). Dans d'autres cas, les pré-miARN sont produits à partir d'ARNt ou de petits ARN nucléolaires (snoRNA pour small nucleolar RNAs).
Le pré-miARN a une longueur d'environ 60 nucléotides, replié en tige-boucle imparfaite par complémentarité de bases entre la première moitié et la deuxième moitié de sa séquence.
Les pré-miARN sont transportés de manière active, dépendante du GTP, depuis le noyau vers le cytosol par l'.
Traitement cytoplasmique Le pré-miARN est clivé par un complexe enzymatique comprenant un membre de la famille de la ribonucléase III Dicer et son partenaire protéique TRBP (appelé Loquatious chez la drosophile). La protéine Dicer reconnaît les deux nucléotides de l'extrémité 3' cohésive en utilisant ses domaines protéiques plateforme et PAZ. Dicer agit comme une règle en mesurant 22 nucléotides à partir de l'extrémité 5' ou 3' déterminant ainsi le site de clivage du pré-miARN . Les pré-miARN possédant une extrémité 5' relativement instable (mésappariements, paires G-U ou A-U) s’insèrent dans la poche 5' du domaine plateforme de Dicer. Le site de clivage est alors déterminé à partir de l'extrémité 5', on parle de règle de comptage 5' (5' counting rule). Lorsque l'extrémité 5' est stable (paire G-C), c'est l’extrémité 3' du pré-miARN qui interagit avec la poche 3' de Dicer localisée dans le domaine PAZ ; dans ce cas, le site de clivage est localisé à 22 nucléotides de l'extrémité 3' (règle de comptage 3'). Dicer permet l'hydrolyse de la structure boucle du pré-miARN et libère un miARN mature, aux extrémités 3' cohésives, appelé « duplex miARN/miARN* (lire miARN étoile) » - ou miARNdb (db pour double brin) - avec un brin guide et un brin passager (figure 1).
Il existe au moins une exception à la maturation des miARN par Dicer, c'est le cas de , un miARN spécifique des vertébrés et impliqué dans l’érythropoïèse. Dans ce cas, c'est la protéine AGO2 (de la famille Argonaute) qui clive la structure tige-boucle au milieu du bras 3' . Une ribonucléase (PARN) rogne ensuite dans le sens 3' vers 5' pour générer le brin guide de miR-451 .
Mode d'action
vignette|redresse=2|alt=Interaction miARN:ARNm| Figure 2. Représentation schématique d'une interaction canonique entre un miARN et sa cible, dans ce cas un ARNm. L'ARNm possède généralement une coiffe, un cadre de lecture ouvert (ORF), une région 3'-UTR et une queue poly(A). Le miARN interagit avec un domaine de la région 3'UTR de l'ARNm, appelé élément de réponse au miARN, principalement grâce une région « graine ».
Un brin du duplex miARN/miARN* interagit avec une protéine de la famille Argonaute (AGO1 à 4) pour former un complexe RISC (RNA-induced silencing complex) parfois appelé « miRISC » (figure 3). Les protéines de la famille Argonaute possèdent un domaine PAZ et un domaine PIWI. Chez les mammifères, les miARN semblent chargés indifféremment par l'un des quatre membres de la famille Ago. Ce n'est pas le cas chez la mouche où il n'existe que deux Ago et où les miARN sont préférentiellement orientés vers AGO1.
Le complexe RISC, d'environ 160 kDa, a été décrit comme suffisant à l'activité de gene silencing des miARN, cependant d'autres protéines tel que la géminine peuvent s'y associer pour former des complexes allant jusqu'à 550 kDa. Le complexe RISC s'associe à d'autres partenaires comme les protéines de la famille GW182 qui recrute à son tour d'autres effecteurs impliqués, notamment, dans la destruction de la queue poly(A), l'élimination de la coiffe 5' ou l'interférence avec l'initiation de la traduction de l'ARNm cible.
vignette|redresse=2|alt=|gauche| Figure 3. Représentation schématique des deux voies de régulations post-transcriptionnelles de l'expression des gènes par les miARN. En fonction du degré de complémentarité entre le miARN et sa cible, le miRISC induit : soit une inhibition de la traduction soit une dégradation de l'ARNm.
Au cours de la formation du miRISC, il y a passage d'un miARNdb à un miARNsb (sb=simple brin). La sélection du brin associé au miRISC s'effectue selon deux règles principales, avec en général une voie majeure pouvant coexister avec une voie mineure. Au sein de la protéine Ago, le domaine MID joue un rôle central dans l'interaction avec l'extrémité 5' du brin guide. La sélection du brin par Ago repose sur l'instabilité de l'extrémité 5' du miARN le rendant plus accessible au domaine MID de la protéine . D'autre part, Ago favorise la présence d'un nucléotide A ou U à l'extrémité 5' . Une fois le miARN chargé, la protéine AGO présente vers l'extérieur de la molécule les nucléotides 2 à 8 du brin guide.
L'ARNm cible est ensuite chargé au sein du complexe miRISC selon la règle de complémentarité des bases avec le miARN. L’hybridation des miARN à leur cible est cependant déterminée préférentiellement par une région restreinte du miARN s’étendant des nucléotides 2 à 7 et appelée « graine » (figure 2). Un miARN peut donc cibler plusieurs sites sur un même ARNm ou cibler plusieurs ARNm ayant une séquence de reconnaissance similaire, appelée élément de réponse aux miARN (MRE, pour miRNA Response Elements) (figure 2). Chez les métazoaires, le site d’hybridation se trouve majoritairement dans la région 3’ non traduite (3’UTR).
Deux voies de « silencing » sont alors possibles, soit un clivage endonucléolytique de l'ARNm cible si la complémentarité avec le miARN est importante, soit une répression de la traduction, associée à une dégradation exonucléolytique des ARNm, dans le cas où la complémentarité entre miARN et ARNm est imparfaite (figure 3). La dégradation des ARNm semble cependant dominer sur l'inhibition de la traduction.
Chez les plantes
vignette|redresse=1.5| Figure 4. Structure secondaire du précurseur d'un miARN. La séquence de MIR319c appartient au chou commun (Brassica oleracea) et a été modélisée par le programme RNAfold.
Il existe certaines différences entre la biosynthèse et le mode d'action des miARN chez les plantes et chez les métazoaires. Chez les plantes, le nombre de miARN serait plus restreint et il n'y aurait pas d'intermédiaires pri-miARN (figure 4). La formation du duplex miARN/miARN* par (Dicer-like 1, un homologue de Dicer) a lieu dans le noyau ; le duplex mature est ensuite transporté dans le cytoplasme par l'exportine HASTY. De plus, la répression post-transcriptionnelle implique généralement une hybridation parfaite ou quasi parfaite entre le miARN et son ARNm cible, elle va induire une coupure de l'ARNm au milieu du site d'hybridation du miARN. Enfin, chez les plantes, si le site d’hybridation avec le miARN peut se trouver dans la région 3’UTR de l'ARNm, il se situe le plus souvent dans la séquence codante.
Dans certains cas, comme chez la mousse Physcomitrella patens, l'accumulation de duplex miARN:ARN cible pourrait participer à la formation d'un complexe appelé « » (RNA-induced initiation of transcriptional gene silencing) qui, s'associant directement à l'ADN induirait sa méthylation conduisant à une de cibles des miARN. Il n'est pas exclu qu'un tel processus existe chez l'animal.
Régulations Les miARN sont régulés transcriptionnellement comme les gènes codant des protéines. Les miRtrons sont pour leur part régulés transcriptionnellement de la même manière que leur gènes hôtes.
Fonctions Les miARN sont impliqués dans un grand nombre de fonctions physiologiques essentielles telles que : la croissance et la différenciation cellulaire ; l'apoptose ; le métabolismePour revue, voir : .
Apprentissage et mémoire Contexte La mémoire à long terme dépend de l'expression génique, protéique et de modifications structurales des neurones. Par ailleurs, elle repose sur des mécanismes de plasticité synaptique au niveau d'un nombre restreint de synapses spécifiquement impliquées dans la modification du comportement mémorisé..