L’ARN matériel génétique simple brin est surtout connu pour guider l’assemblage de protéines dans nos cellules et porter le code génétique de virus comme le SRAS-CoV-2 et le VIH. Mais il y a 40 ans, les scientifiques ont découvert un autre talent caché : il peut catalyser des réactions chimiques dans la cellule, notamment en coupant et en joignant des brins d’ARN. Cela a donné un nouvel élan à l’idée que l’ARN était la force motrice de l’évolution de grosses molécules qui ont finalement conduit à la vie.
Bien que les scientifiques aient beaucoup appris depuis lors, ils n’ont pas été en mesure d’obtenir des images 3D de molécules d’ARN nues à une résolution suffisamment élevée pour voir toutes les poches et plis et autres structures qui sont essentielles pour comprendre leur fonctionnement. Les molécules sont comme des enfants agités avec des bras souples qui ne resteront pas immobiles pour une photo à moins qu’elles ne fassent partie d’un complexe moléculaire plus large qui les fixe en place.
Des organismes unicellulaires appelés Tetrahymena, grossis 400 fois, sont observés dans les restes d’un copépode mort dans un échantillon d’eau collecté près de la Laguna de los Peces en Espagne. Le premier catalyseur d’ARN, ou ribozyme, a été découvert chez ces créatures il y a 40 ans. Maintenant, les scientifiques du SLAC et de Stanford ont résolu la structure 3D de ce ribozyme et d’autres molécules d’ARN uniquement avec une vitesse, une précision et une résolution sans précédent avec un système appelé Ribosolve qui combine un logiciel informatique avec la microscopie électronique cryogénique (cryo-EM.) Crédit d’image: Proyecto Agua, CC-BY-NC-SA 2.0
Un nouveau système développé à l’Université de Stanford et au SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l’Énergie résout ce problème. Il combine un logiciel informatique et une microscopie électronique cryogénique, ou cryo-EM, pour déterminer les structures 3D de molécules d’ARN uniquement avec une vitesse, une précision et une résolution sans précédent.
Dans deux nouvelles études, l’équipe de recherche dirigée par le professeur Wah Chiu du SLAC/Stanford et le professeur de Stanford Rhiju Das poussent la résolution de la technique jusqu’à 3,1 angströms – juste avant le point où les atomes individuels deviennent visibles – et l’appliquent à deux Des structures d’ARN qui intéressent profondément les scientifiques.
La première étude, Publié dans La nature aujourd’hui, révèle la première structure quasi-atomique complète d’un ARN catalytique, ou ribozyme, d’une créature unicellulaire appelée Tétrahymène qui vit dans l’écume des étangs. C’était le premier ribozyme jamais découvert et il a depuis servi comme une sorte de rat de laboratoire pour étudier les ribozymes.
La seconde, qui a été publié en tant que prépublication, révèle de minuscules poches dans un peu d’ARN du SRAS-CoV-2 appelé élément de stimulation par décalage de cadre, ou FSE. Il incite subtilement les cellules infectées à fabriquer des ensembles alternatifs de protéines virales et joue un rôle si important dans la capacité du virus à se répliquer qu’il reste le même même lorsque d’autres parties du virus mutent pour créer de nouvelles variantes. Cela en fait une bonne cible potentielle pour les médicaments destinés à traiter le COVID-19, ses variantes et peut-être même d’autres coronavirus, et un certain nombre de groupes de recherche ont exploré cette possibilité.
L’étude FSE a été réalisée en 2020, à un moment où le SLAC et Stanford étaient fermés en raison de la pandémie et seuls les travaux essentiels liés à la réponse au coronavirus étaient autorisés.
Guidés par les connaissances de leur structure 3D du FSE, l’équipe de Das et les collaborateurs du laboratoire du professeur Jeff Glenn à Stanford ont conçu des molécules d’ADN qui s’associent à une région stratégique du FSE et perturbent sa structure.
Alors que les chercheurs sont très loin de démontrer qu’une telle molécule pourrait contrecarrer l’infection virale chez l’homme, l’étude identifie une voie potentielle pour éventuellement développer un traitement, ont déclaré les scientifiques.
« Nous ne savons pas quel sera le prochain virus pandémique », a déclaré Das, « mais nous sommes assez confiants que ce sera un virus à ARN simple brin transmis des animaux aux humains, et il aura probablement quelques morceaux d’ARN qui résistent aux mutations. Avec ce système accéléré que nous avons développé, il semble désormais possible d’étudier les virus trouvés chez l’homme ou l’animal, de rechercher ces bits conservés, de déterminer rapidement leurs structures d’ARN 3D et de développer des antiviraux contre eux.
Une poursuite passionnée de l’ARN
Les deux scientifiques ont commencé à collaborer en 2017 après que Das a entendu Chiu donner une conférence sur l’utilisation de la cryo-EM pour résoudre la structure des molécules d’ARN.
« Cela m’a époustouflé », se souvient Das. « J’étais tombé amoureux de l’ARN en 2001. Je pensais que c’était la molécule la plus importante de la vie. La première molécule d’ARN que j’ai regardée était celle-ci Tétrahymène ribozyme. Beaucoup, beaucoup de gens avaient travaillé dessus – c’était un peu une molécule culte – et j’ai passé cinq ans de mon travail de doctorat à essayer de comprendre comment elle se plie. Donc, après avoir entendu le discours de Wah, j’ai suggéré que nous travaillions ensemble pour déterminer sa structure.
Pour autant que les scientifiques puissent le dire, le ribozyme n’a aucune fonction biologique dans Tétrahymène, Das a déclaré: « C’est une molécule sans importance dans ce que certains pourraient considérer comme un organisme sans importance. » Mais il y a 40 ans, lorsque Thomas Cech a découvert que ce petit morceau d’ARN pouvait se couper d’un Tétrahymène Brin d’ARN, collez les deux extrémités libres ensemble et flottez, « c’était cette chose magique que personne ne s’attendait à ce qu’un brin d’ARN fasse tout seul », a déclaré Das. « Ils ont immédiatement réalisé que ce morceau d’ARN devait être une petite machine à plusieurs étapes – un catalyseur. » Cech a partagé le 1989 Prix Nobel de chimie pour la découverte.
Chiu avait commencé une histoire d’amour similaire avec cryo-EM en tant qu’étudiant diplômé à l’Université de Californie à Berkeley dans les années 1970. Désormais co-directeur fondateur des installations Cryo-EM de Stanford-SLAC, où l’imagerie pour ces études a été réalisée, il a consacré sa carrière à perfectionner la technique et à l’utiliser pour examiner les cellules et les machines moléculaires à l’intérieur de plus en plus fines. détail – pas seulement pour voir des choses plus petites, mais pour comprendre comment elles fonctionnent et interagissent les unes avec les autres.
« C’est un de mes rêves d’utiliser la cryo-EM pour étudier l’ARN sous toutes ses formes », a déclaré Chiu. « Je considère que l’obtention de ces structures d’ARN est l’une de mes meilleures réalisations. Si nous pouvons le faire avec une molécule, en théorie, nous pouvons le faire avec beaucoup d’autres.
Développement d’un pipeline d’ARN
Le travail de Das et Chiu s’appuie sur Ribosolve, un pipeline que leurs groupes ont développé au cours des deux années précédant la pandémie qui leur permet de résoudre rapidement les structures des ARN les unes après les autres, de manière plus fiable et beaucoup plus détaillée qu’auparavant. Il combine des outils de calcul développés par Kalli Kappel, doctorant à Stanford, avec des outils de cartographie chimique du laboratoire Das et les avancées en imagerie cryo-EM des chercheurs postdoctoraux Kaiming Zhang et Zhaoming Su.
Dans un journal en Méthodes naturelles l’année dernière, l’équipe a signalé en utilisant la nouvelle approche pour déterminer les structures 3D du Tétrahymène ribozyme et 10 autres molécules d’ARN avec une résolution supérieure à 10 angströms.
« Chacune de ces 11 nouvelles structures s’est avérée fournir des informations biologiques ou biochimiques », a écrit Jane S. Richardson, professeur de biochimie à l’Université Duke, dans un commentaire qui accompagnait le rapport. Elle a qualifié l’approche de « nouvelle méthode révolutionnaire » qui produit des structures rapides et fiables de molécules d’ARN uniquement qui n’étaient pas considérées comme faisables auparavant, et a ajouté qu’augmenter la résolution à 2 à 4 angströms serait une démonstration souhaitable de son utilité pour l’ARN. et les protéines.
Dans leur nouveau La nature papier, l’équipe rapporte qu’elle a maintenant atteint cette résolution plus élevée pour le Tétrahymène ribozyme et espère pousser vers lui pour FSE, dans le but ultime de produire des structures à résolution atomique pour ces ARN et potentiellement des milliers d’autres.
« Je pense que le pipeline Ribosolve a le potentiel de transformer notre compréhension de ces molécules, et peut-être aussi notre capacité à développer des médicaments », a déclaré Das. « Cela n’aurait pas pu arriver ailleurs. Avoir accès à des instruments cryo-EM de classe mondiale était essentiel, ainsi que rencontrer quelqu’un comme Wah qui partageait notre intuition que cela pourrait être important. »
La source: Université de Stanford
