Un ARN minuscule de 45 bases peut faire des copies de lui-même
De nombreuses questions restent sans réponse concernant l’origine de la vie sur Terre. Mais la communauté scientifique s’accorde largement sur le fait que l’une des étapes clés a été l’émergence d’une molécule d’ARN capable de se répliquer elle-même. L’ARN, comme son parent plus célèbre l’ADN, peut porter de l’information génétique. Mais il peut également se replier en structures tridimensionnelles qui agissent comme des catalyseurs. Ces deux caractéristiques ont conduit à l’hypothèse que la vie primitive était dépourvue de protéines, l’ARN gérant à la fois l’hérédité et catalysant un métabolisme simple.
Pour que cela fonctionne, l’une des réactions que les premiers ARN devraient catalyser est la copie de molécules d’ARN, sans laquelle toute forme d’héritabilité serait impossible. Bien que nous ayons trouvé un certain nombre d’ARN catalytiques capables de copier d’autres molécules, aucun n’a pu effectuer une réaction clé : faire une copie de lui-même. Maintenant, cependant, une équipe a trouvé un fragment d’ARN incroyablement court, de seulement 45 bases de long, qui peut faire une copie de lui-même.
Trouver une ARN polymérase
Nous avons identifié un grand nombre d’ARN catalytiques (appelés génériquement ribozymes, pour enzymes à base d’ARN), et certains d’entre eux peuvent catalyser des réactions impliquant d’autres ARN. Une poignée d’entre eux sont des ligases, qui relient ensemble deux molécules d’ARN. Dans certains cas, ils ont besoin que ces molécules soient maintenues ensemble par une troisième molécule d’ARN qui s’apparie avec les deux. Nous n’avons identifié que quelques-uns qui peuvent agir comme des polymérases, qui ajoutent des bases d’ARN à une molécule en croissance, une à la fois, chaque nouvel ajout s’appariant avec une molécule modèle.
Certaines ligases peuvent lier deux brins d’acides nucléiques, tandis que d’autres ne peuvent lier les brins que s’ils sont maintenus ensemble par appariement de bases avec un modèle. Une polymérase peut être considérée comme une ligase dépendante d’un modèle qui ajoute une base à la fois. Le ribozyme nouvellement découvert se situe quelque part entre une ligase dirigée par un modèle et une polymérase.
Évidemment, il existe un certain chevauchement fonctionnel entre elles, car on peut penser qu’une polymérase ligature une base à la fois. Et en fait, au niveau du ribozyme, il y a un certain chevauchement dans le monde réel, car certains ribozymes qui ont d’abord été identifiés comme des ligases ont été convertis en polymérases en sélectionnant cette nouvelle fonction.
Bien que ce soit fascinant, il y a quelques problèmes avec ces exemples connus de ribozymes polymérases. L’un d’eux est qu’ils sont longs. Si longs, en fait, qu’ils dépassent la longueur du type de molécules que nous avons observées se formant spontanément à partir d’un mélange de bases d’ARN individuelles. Cette longueur signifie également qu’ils sont largement incapables de faire des copies d’eux-mêmes : les réactions sont suffisamment lentes et inefficaces pour qu’elles s’arrêtent simplement avant de copier la molécule entière.
Un autre facteur lié à leur longueur est qu’ils ont tendance à former des structures très complexes, avec de nombreuses zones différentes de la molécule appariées les unes aux autres. Cela laisse très peu de la molécule sous forme simple brin, qui est nécessaire pour faire une copie.
Sur la base de succès passés, une équipe franco-britannique a décidé de commencer une recherche d’une polymérase en cherchant une ligase. Et ils ont limité cette recherche d’une manière importante : ils n’ont testé que des molécules courtes. Ils ont commencé avec des pools de molécules d’ARN, chacune avec une séquence aléatoire différente, allant de 40 à 80 bases. Dans l’ensemble, ils ont estimé avoir créé une population de 10 puissance 13 molécules sur la population totale possible de 10 puissance 24 séquences de ce type.
Ces molécules aléatoires ont reçu une collection d’ARN de trois bases de long, chacun lié à une étiquette chimique. L’idée était que si une molécule est capable de ligaturer l’un de ces courts fragments d’ARN à elle-même, elle pourrait être extraite en utilisant l’étiquette. Les mélanges ont ensuite été placés dans un mélange salé d’eau et de glace, car cela peut favoriser les réactions impliquant des ARN.
Après 11 cycles de réactions et de purification basée sur les étiquettes, les chercheurs ont obtenu trois molécules d’ARN différentes qui pouvaient chacune ligaturer des ARN de trois bases de long à des molécules existantes. Chacune de ces molécules a été soumise à une mutagenèse et à d’autres cycles de sélection. Cela a finalement laissé aux chercheurs une seule molécule de 51 bases de long qui pouvait ajouter des groupes de trois bases à un brin d’ARN en croissance, selon leur capacité à s’apparier avec un modèle d’ARN. Ils ont appelé cela « polymérase QT-51 », QT signifiant « quite tiny » (plutôt minuscule). Ils ont découvert plus tard qu’ils pouvaient raccourcir cela à QT-45 sans perdre une activité enzymatique significative.
Vérification de sa fonction
La caractérisation de base de QT-45 a montré qu’il possède des propriétés très impressionnantes pour une molécule qui, selon les normes des acides nucléiques, est en effet plutôt minuscule. Bien qu’il ait été sélectionné pour lier des collections de molécules de trois bases de long, il pouvait également lier des ARN plus longs, travailler sur des molécules plus courtes de deux bases, ou même ajouter une seule base à la fois, bien que cela soit moins efficace. Bien qu’il fonctionne lentement, la demi-vie active de la molécule était bien supérieure à 100 jours, il avait donc beaucoup de temps pour accomplir son travail avant de se dégrader.
Il n’avait pas non plus besoin d’interagir avec des séquences d’ARN spécifiques pour fonctionner, ce qui suggère qu’il avait une affinité générale pour les molécules d’ARN. Par conséquent, il n’était pas particulièrement difficile sur les séquences qu’il pouvait copier.
Comme on pourrait s’y attendre d’une molécule si petite, QT-45 ne tolérait pas très bien les changements de sa propre séquence : presque toute la molécule était importante d’une manière ou d’une autre. Des tests impliquant de changer chaque base individuelle une à la fois ont montré que presque tous les changements réduisaient l’activité du ribozyme. Il y avait, cependant, une poignée de changements qui amélioraient les choses, suggérant qu’une sélection supplémentaire pourrait potentiellement donner des améliorations supplémentaires. Et l’impact des mutations près du centre de la séquence était beaucoup plus grave, suggérant que cette région est critique pour l’activité enzymatique de QT-45.
L’équipe a ensuite commencé à tester sa capacité à synthétiser des copies d’autres molécules d’ARN lorsqu’elle recevait un mélange de toutes les séquences possibles de trois bases. L’un des tests comprenait une grande portion dans laquelle une extrémité de la séquence s’appariait avec l’autre. Pour copier cela, ces paires de bases doivent être séparées d’une manière ou d’une autre. Mais QT-45 a pu faire une copie, ce qui signifie qu’il a synthétisé un brin qui était capable de s’apparier avec l’original.
Il a également pu faire une copie d’un brin modèle qui s’apparierait avec un petit ribozyme. Cette copie a produit un ribozyme actif.
Mais la découverte clé était qu’il pouvait synthétiser une séquence qui s’apparie avec lui-même, puis se synthétiser en copiant cette séquence. C’était horriblement inefficace et a pris des mois, mais c’est arrivé.
Tout au long de ces expériences, la fidélité était en moyenne d’environ 95 pour cent, ce qui signifie qu’en se copiant, il ferait en moyenne deux à trois erreurs. Bien que cela signifie qu’un bon nombre de ses copies ne seraient pas fonctionnelles, cela signifie également que les matières premières pour une sélection évolutive pour une fonction améliorée, les mutations aléatoires, seraient présentes.
Ce que cela signifie
Il vaut la peine de prendre un moment pour considérer l’utilisation de fragments d’ARN de trois bases par cette enzyme. En surface, cela peut sembler un peu comme de la triche, puisque les ARN polymérases actuelles ajoutent la séquence une base à la fois. Mais en réalité, tout environnement chimique qui pourrait assembler spontanément une molécule d’ARN de 45 bases de long produira de nombreux fragments plus courts que cela. Donc, à bien des égards, cela pourrait être un modèle plus réaliste des conditions dans lesquelles la vie a émergé.
Les auteurs notent que ces fragments plus courts peuvent être essentiels à l’activité de QT-45. Le court ribozyme n’a probablement pas la capacité de séparer enzymatiquement des brins d’ARN appariés pour les copier. Mais dans un mélange de nombreux petits fragments, il est probable qu’il y ait un équilibre, avec certaines séquences appariées s’ouvrant spontanément et s’appariant temporairement avec un fragment plus court. Travailler avec ces fragments appariés est probablement essentiel à l’activité globale du ribozyme.
Actuellement, QT-45 n’est pas une enzyme impressionnante. Mais les chercheurs soulignent qu’il n’a subi que 18 cycles de sélection, ce qui n’est pas beaucoup. Les ribozymes polymérases les plus efficaces que nous avons actuellement ont été travaillés par plusieurs laboratoires pendant des années. Je m’attends à ce que QT-45 reçoive une attention similaire et s’améliore considérablement avec le temps.
Il est également notable que l’équipe ait trouvé trois ligases différentes dans un test d’un petit sous-ensemble de la population totale d’ARN possible de cette taille. Si cette fréquence se maintient, il y a de l’ordre de 10 puissance 11 ribozymes ligaturants parmi les séquences de cette taille. Ce qui soulève la possibilité que nous puissions en trouver beaucoup plus si nous faisons une recherche exhaustive. Cela suggère que le premier ARN auto-copiant pourrait ne pas être aussi improbable qu’il n’y paraît au premier abord.
