thumb|right|300 px|Structure 3D d'un ARN régulateur (riboswitch)
La structure de l'ARN décrit l'arrangement des paires de bases et de la conformation de l'ARN en trois dimensions. L'ARN étant trouvé le plus souvent sous forme de simple-brin dans la cellule, il se replie en effet sur lui-même en formant des appariements Watson-Crick intramoléculaires. Ceci conduit à la formation de régions localement en hélice et de régions en boucle où les bases ne sont pas appariées. Cette topologie des appariements constitue ce qu'on appelle la structure secondaire de l'ARN. En plus de ces appariements standard, l'ARN peut former des interactions non canoniques et des interactions à longue distance qui contribuent à donner un repliement 3D à certains ARN structurés, comme les ARNt ou les ARN ribosomiques, on parle alors de la structure tertiaire des ARN.
L'existence de structures secondaires et tertiaires bien définies dans les ARN est un des éléments importants de la fonction d'un certain nombre d'entre eux. Ces structures leur permettent de former des sites de liaison pour des ligands sélectifs, petites molécules ou protéines, et, pour les ribozymes, elles leur permettent d'assurer des fonctions catalytiques. La formation ou la fusion de ces structures en réponse à une variation de l'environnement peut-être aussi être un signal déclenchant une réponse cellulaire.
L'analyse et la prédiction de la structure des ARN, et en particulier de leur structure secondaire, est un champ de recherche très actif, à la fois dans le domaine de la biologie moléculaire et de la bio-informatique. En particulier, l'existence de règles plus formalisées que pour la structure des protéines (dans les paires Watson-Crick, A s'apparie avec U, et G avec C) est une des raisons du succès de ces méthodes prédictives.
Structure secondaire thumb|right|Structure en tige et boucle formée par une séquence répétée inversée sur l'ARN La structure secondaire d'un ARN est la description de l'ensemble des appariements internes au sein d'une molécule simple brin. Cet ensemble d'appariements induit une topologie particulière, composée de régions en hélice (tiges) et de régions non appariées (boucles). Par extension, la structure secondaire recouvre également la description de cette topologie.
L'élément moteur de la formation de structures secondaires au sein d'un ARN simple-brin est l'existence de régions contenant des séquences répétées inversées, qui peuvent s'apparier pour former localement une structure en double hélice. Par exemple, si l'ARN contient les deux séquences suivantes : --GUGCCACG----CGUGGCAC--, celles-ci forment un motif répété inversé, les nucléotides du second segment étant les complémentaires de ceux du premier, après inversion de leur sens de lecture. Ces deux segments peuvent donc s'apparier de manière antiparallèle pour former une région localement en duplex. La région entre les deux segments forme alors une boucle reliant les deux brins du duplex. On parle alors de structure en tige et boucle ou en épingle à cheveux. thumb|right|Topologie des différentes structures secondaires rencontrées dans l'ARN Dans des ARN de longueur plus importante, il peut exister des structures plus complexes, qui résultent de l'appariement de plusieurs régions complémentaires ou séquences répétées inversées. En fonction de la manière dont sont « emboîtées » ces différentes régions, on obtient des éléments topologiques variés, avec des tiges ou régions appariées, et divers types de boucles :
les boucles terminales, situées à l'extrémité d'une tige ; les boucles internes, qui connectent deux tiges ; les boucles multiples, qui connectent trois tiges ou plus et constituent des points de branchement de la structure ; les hernies (en anglais bulge) ou boucles latérales qui sont sur un seul des deux brins d'une hélice. La continuité de l'hélice n'est en général pas affectée et l'ensemble des bases reste empilé de manière coaxiale, de part et d'autre de la hernie.
Il n'existe pas toujours une structure unique stable pour une séquence donnée et il arrive que certains ARN puissent adopter plusieurs conformations alternatives en fonction de la liaison d'un ligand (protéine, petite molécule…) ou des conditions physico-chimiques (force ionique, pH).
Déterminants de stabilité La stabilité de la structure des ARN est principalement déterminée par trois types d'interactions : une contribution électrostatique liée à la formation des liaisons hydrogène entre les bases ; l'empilement des plateaux des paires de bases (stacking) qui donne naissance à des interactions de van der Waals ; l'interaction avec le solvant aqueux et les ions de la solution. En particulier, la présence de cations divalents comme le magnésium, Mg2+, est souvent nécessaire pour neutraliser la charge des groupements phosphate du squelette de l'ARN. Le repliement et la formation d'une structure tridimensionnelle par l'ARN implique en particulier le rapprochement de ces groupements phosphate, ce qui serait électrostatiquement défavorable en l'absence de contre-ions.
Le groupement 2'-hydroxyle (-OH) porté spécifiquement par les riboses de l'ARN (mais absent dans l'ADN) joue parfois également un rôle dans la stabilité et la formation de la structure, en formant des liaisons hydrogène avec les bases.
Paramètres thermodynamiques
L'étude de la stabilité des ARN est basée sur la mesure de courbes de fusion par spectrophotométrie, en suivant l'effet hyperchrome dont on peut extraire les paramètres thermodynamiques de la formation des paires de bases. On utilise en général des courts oligonucléotides de 10 à de long, ce qui permet d'avoir des températures de fusion comprises entre 30 et .
Dans l'exemple simplifié d'un oligonucléotide de séquence palindromique, qui est donc son propre brin complémentaire, cela revient à étudier l'équilibre :
La résolution des équations d'équilibre permet de calculer la température de fusion, en fonction des valeurs standards des fonctions d'état (enthalpie et entropie). On trouve :
Avec R, la constante des gaz parfaits et , la concentration totale de brins d'ARN (appariés ou non) dans la solution.
En mesurant expérimentalement la température de fusion pour plusieurs valeurs de concentration de l'oligonucléotide, il est possible, par ajustement de l'expression ci-dessus, de déterminer les valeurs de l'entropie et de l'enthalpie standard ( et ) et donc de l'enthalpie libre à la température souhaitée.
En mesurant cette valeur pour un ensemble suffisamment important et diversifié de courts duplex d'ARN, il est possible de définir des règles permettant de calculer a priori l'enthalpie libre standard associée à la formation de chaque paire de base. Dans la pratique, pour tenir compte des interactions d'empilement entre bases consécutives, on estime empiriquement la variation d'entalphie libre standard () obtenue lorsqu'on empile une paire de base X-Y en 3' d'une paire de base V-W. Cette variation d'enthalpie libre combine la contribution liée à la formation des liaisons hydrogène entre les deux bases de l'appariement additionnel et la contribution d'empilement, qui dépend de la nature des paires X-Y et V-W.
Ces paramètres ont été tabulés pour différentes conditions de tampon et peuvent être utilisées pour calculer l'enthalpie libre standard associée à la formation d'une hélice d'ARN, avec une marge d'incertitude de l'ordre de 10 %. La table suivante donne les valeurs obtenues à , en présence d'une concentration de 1M NaCl (règles de Freier-Turner). À ces valeurs, il faut ajouter un coût de nucléation, d'origine entropique, de +3,4 kcal/mol.
+Enthalpie libre standard associée aux appariements de bases (1 M NaCl, ) séquence5'AA3' 3'UU5'5'AU3' 3'UA5'5'UA3' 3'AU5' 5'CA3' 3'GU5'5'CU3' 3'GA5'5'GA3' 3'CU5'5'GU3' 3'CA5'5'CG3' 3'GC5'5'GC3' 3'CG5'5'GG3' 3'CC5' kcal/mol -0,9 -0,9 -1,1 -1,8 -1,7 -2,3 -2,1 -2,0 -3,4 -2,9
On peut ainsi calculer a priori l'enthalpie libre standard associé à la formation d'une hélice d'ARN, en additionnant tous les d'empilement. Par exemple, pour le duplex de sept paires de bases suivant, il faut additionner les six d'empilement et le coût de nucléation. 5'-AGGCUUC-3' 3'-UCCGAAG-5' En prenant les valeurs de la table ci-dessus, on trouve = - 1,7 - 2,9 - 3,4 - 1,7 - 0,9 - 2,3 + 3,4nuc = -9,5 kcal/mol
Des règles ont également été déterminées pour les différents types de boucles, en fonction de leur longueur. Ces calculs d'enthalpie libre sur les boucles sont toutefois d'une précision moindre, en particulier parce que certaines boucles peuvent adopter des conformations stables particulières qui ne sont pas prises en compte dans ce modèle simplifié. Cet ensemble de règles empiriques est exhaustif, il permet faire un calcul prédictif de l'enthalpie libre associée à n'importe quelle structure secondaire.
Analyse et prédiction de structure secondaire Un ARN de longueur suffisante peut en principe adopter un grand nombre de conformations différentes, correspondant à un grand nombre de structures secondaires alternatives différentes. En théorie, la configuration la plus stable est celle qui correspond à l'enthalpie libre standard minimale. Les calculs thermodynamiques décrits ci-dessus permettent de calculer théoriquement cette enthalpie, pour toute configuration de structure secondaire d'un ARN donné. Le problème qui est posé est trouver la structure d'énergie minimale parmi toutes les configurations possibles. Le nombre de combinaisons possibles est cependant très grand, pour une structure de longueur 2 n, il croit comme le nombre de Catalan :
De plus, l'imprécision sur les calculs empiriques d'énergie rend la prédiction difficile. Pour résoudre ce problème, on associe en général des méthodes expérimentales, comparatives et bio-informatiques. Les approches combinées permettent ainsi d'obtenir des analyses fiables, où la prédiction est corroborée par des arguments expérimentaux et évolutifs.
Méthodes expérimentales Il est possible d'analyser la structure secondaire des ARN au moyen de méthodes chimiques et enzymatiques. Cette technique est basée sur la réactivité différentielle de l'ARN, en fonction de son état de structuration. Par exemple, certaines ribonucléases, comme la nucléase S1, ne clivent l'ARN que dans les régions qui sont simple brin, tandis que d'autres, à l'inverse, ne coupent que dans les régions en double-brin. On traite l'ARN étudié par l'une ou l'autre de ces enzymes dans des conditions de digestion très partielle, où il ne se produit que zéro ou une coupure par molécule d'ARN. En analysant par électrophorèse les fragments d'ARN ainsi produits, on peut localiser les sites de coupure et donc les régions qui sont en duplex ou bien non appariées.
L'utilisation de sondes chimiques permet d'avoir une information encore plus précise, en localisant quelles positions de chaque base sont accessibles au réactif. On utilise par exemple du sulfate de diméthyle (DMS) qui réagit avec la position N3 de la cytidine et la position N7 de la guanine. La première, le N3 dans les C, est impliquée dans une liaison hydrogène avec le G dans des appariements Watson-Crick et n'est réactive que si le C correspondant n'est pas apparié.
Méthodes phylogénétiques thumb|220 px|right|Exemple de covariations (en jaune) d'appariements de bases dans la structure secondaire d'un même ARN chez deux espèces.