Le génome de tous les organismes cellulaires et de nombreux virus (surtout ceux dont le génome est de grande taille) est constitué d’ADN bicaténaire :

Chez les virus dont le génome est de petite taille, celui-ci est parfois constitué d'ADN monocaténaire, ou même d'ARN, mono- ou bicaténaire :

2.5 Certains génomes ne sont pas constitutés d’ADN bicaténaire

réplication semi-conservative

ADN bicaténaire

ADN monocaténaire

ARN monocaténaire

ARN bicaténaire

La réplication de ces génomes implique des polymérases particulières, en particulier chez les virus à ARN. Il existe même (chez les rétrovirus) une poly-mérase qui synthétise de l’ADN sur base d’un ARN matrice (transcriptase inverse).

Ex. de situation particulière : les réovirus, dont le génome est formé d’ARN bicaténaire

+-

La réplicase = ARN polymérase ARN mono-brin (+) dépendante

La transcriptase = ARN polymérase ARN double-brin dépendante (utilise le brin – comme modèle pour la polymérisation de brins +)

++

+

traductionProtéines dont une réplicase

Phase I de l'infection : expression des gènes

virauxtranscriptase du virus

réplicase du virus

+-+-

+

Les brins (-) d’ARN synthétisés restent

associés aux brins (+)

-

Phase II : réplication du génome

génome ARN double-brin

.. intimement lié au phénomène du vivant

.. et à sa capacité de reproduction

Le point commun entre tous les systèmes génétiques réplicatifs : l'appariement des bases azotées

“What is life?”

3. L’origine de la vie

information catalyse, structures cellulaires = fonction

Quelles sont les étapes du processus évolutif prébiologique qui ont conduit à l'apparition de ce système ?

ADNréplication ARN protéinetranscription traduction

code génétique

Ou comment les tout premiers systèmes génétiques sont-ils apparus sur Terre ? Une question à la fois difficile et fascinante ... pouvant aussi alimenter des réflexions plus philosophiques ? ;-)

La question reformulée :

- dans la "soupe prébiotique" : assemblage dans certaines conditions de polymères ou macromolécules, dont certains sont des catalyseurs, mais ces formes rares sont instables et ne peuvent donc se maintenir…

3.1 Un scénario plausible de l’apparition de la vie sur terre

mélange complexe de petites molécules organiques (apparues spontanément – cf. exp. de S. Miller)

- événement clé: apparition de catalyseurs auto-réplicatifs :

.. cad capables d’assurer la synthèse de copies d’eux-mêmes

® maintien plus probable® évolution de type darwinien :

par variation-sélection, la fonction d'auto-réplication devient immanquablement de plus en plus performante

_

+

+ + _

Principe de l’auto-réplication du ribozyme (1) primoridal :

synthèse préalable d'un ARN complémentaire (-) du ribozyme, que le ribozyme utilise ensuite comme matrice pour synthétiser des copies complémentaires (+), cad de lui-même, grâce à son activité ARN polymérase.

Hypothèse : ces catalyseurs primordiaux = ARNs ® hypothèse du monde des ARNs (" RNA world ")

Pq des ARNs ? Car ces macromolécules sont connues pour pouvoir à la fois servir desupport d'information génétique et réaliser la catalyse de réactions chimiques (1)

(1) ribozyme = ARN catalytique (enzyme)

Question: nature chimique de ces catalyseurs auto-réplicatifs initiaux ?

+ _

+ ++ ++_

ARN polymérase

Etape suivante : le ribozyme à activité ARN polymérase s’entoure d’ARNs supplémentaires, qu’il va répliquer, et qui favorisent son activité ARN polymérase (1)

Se développe ainsi un système coopératif auto-réplicatif comprenant de plus en plus d’ARNs, lesquels continuent d'évoluer selon les lois de variation et de sélection naturelle vers des capacités reproductives de plus en plus performantes

ribozyme ARN polase

(auto-réplicateur initial)

nouveau catalyseur répliqué par le catalyseur initial et favorisant l'activité de ce dernier (1)

chaque ARN favorise la synthèse des autres et de

lui-même

(1) ex. par la synthèse de NTPs, la stabilisation du ribozyme à activité ARN polymérase (protection contre l‘hydrolyse), la ligation d’oligonucléotides - ex. lors de l’assemblage de la matrice (-), ...

Le système coopératif d’ARNs pourra se maintenir plus facilement s'il est confiné :

apparition à un certain stade de membra-nes lipidiques ?

Des études récentes montrent qu'une synthèse de phospholipides est possible dans des conditions chimiques particulières, à haute t° :

dihydrogénophosphated’ammonium

NH4H2PO4 (1 eq.)+ urée (H2N)2CO (10 eq.)

100°C, 24h

3 CO + H2O

ê

2 CO2 + -CH2-

alcanoles

Synthèse ensuite assurée par des ribozymes ? A noter, cette membrane doit pouvoir établir des échanges avec le milieu extérieur (ce qui dans les systèmes actuels implique des protéines).

+

Autre étape clé -> évolution vers un système d'ARNs coopératifs devenant capable de synthétiser un nouveau type de macromo-lécule, les protéines (1) , ce qui sera couplé à l'apparition d'un code génétique :

Apparition de "cofacteurs " formés de l’association covalente entre un petit ARN et un acide aminé

1ère étape :(2)

(3)

(2)

(3)Ribozyme à activité de type aminoacyl-ARNt synthétaseARN de type aminoacyl-ARNt

(1) A noter : les ARNs sont LES acteurs dela synthèse protéique dans les systèmes actuels

ribozyme

ribozyme-cofacteur(s) plus performant (par apport d'un aa)

hybridationcomplémentaire

1 ou >1

lien ester

Apparition du code génétique (étape clé !) : stabilisation des relations codon – acide aminé, grâce aux propriétés des différents ribozymes de type aminoacyl-ARNt-synthétases, qui associent un acide aminé donné à un (ou plusieurs) cofacteur(s) donné(s) liant chacun un codon

(1)(2)

anticodon

(1)

(2)

Ribozyme à activité de type aminoacyl-ARNt synthétase

ARN de type aminoacyl-ARNt

Appariement de plusieurs cofacteurs ARN-aa sur une matrice d’ARN (4), suivi de la formation de liens peptidiques entre les aa (3) ®synthèse des premiers polypeptides

(3)

(4)Ribozyme à activité peptidyl-transférase (comme dans les ribosomes actuels !)Ancêtre des ARNm

(3)

(4)

2de étape :

Suite du processus évolutif :

Le système coopératif d'ARNs maintenant capable d'assembler des protéines continue d'évoluer dans le sens d'une reproduction plus efficace.

Ceci va amener les protéines, des catalyseurs plus performants que les ribozymes, à prendre progressivement le pas sur les ribozymes pour la catalyse des réactions. Le rôle des ARNs tend alors à se réduire de plus en plus au stockage (ARNm) et au décodage (ARNt, ARNr, ..) de l’information nécessaire à l’assemblage des protéines

… le nombre d’ARNm augmente considérablement, ils stockent l'information pour la synthèse des protéines

réplication ARN protéinetraduction

code génétique

Protocellule

Une autré étape clé du processus évolutif : vers une nouvelle forme de stockage de l'information génétique (pour la synthèse des protéines et des ARNs) : ADN (bicaténaire) ® mieux adapté au stockage d’une information qui se complexifie de plus en plus … car l'ADN est formé de 2 brins complémentaires, l’information n’est donc pas perdue si un des brins est endommagé (cf. chap. 2)

rem.: en accord avec l'hypothèse que l'ADN serait apparu après l'ARN, dans les cellules actuelles, les précurseurs de l’ADN (dNDP et dNTP) sont synthétisés à partir des ribonucléosides diphosphates (NDP), les précurseurs de l’ARN :

CDP -> dCDP -> dCTPUDP -> dUDP ->->-> dTTPGDP -> dGDP -> dGTPADP -> dADP -> dATP

ADNréplication ARN protéinetranscription traduction

…vers le dernier ancêtre commun universel (LUCA) :

code génétique

3.2 Exemples de recherches en soutien de ce scénario

3.2.1 Synthèse de nucléotides à partir de quelques composés chimiques simples

cyanamide

glycéraldéhydeglycoaldéhyde

cyanoacétylène

ion phosphate

Se produit dans des conditions compatibles avec les conditions géochimiques primitives

CMP-2,3-phosphate cyclique

copi

é en

ADN

(par

tran

scrip

tase

inve

rse)

en

réal

isan

t des

err

eurs

(mut

atio

ns)

3.2.2 Evolution in vitro de molécules d’ARN

Ex : isolement d'un ARN à activité kinase (capable de s'autophosphoryler)

A permis d'isoler des ribozymes étonnamment variés

Principe de l'expérience :

1. Synthèse chimique de molécules d'ADN monobrin de séquences aléatoires et copie du brin complémentaire > ADN double-brin

2. Copie par une ARN polymérase des ADNs en ARNs

3. Incubation des ARNs en présence d'ATPγS (un oxygène est remplacé par un soufre) : un ARN kinase (rare, peu actif) fixe un groupement -HP02S (autophosphorylation, typique des kinases)

4. Purification sur colonne des ARNs porteur d'un S

5. Les ARNs purifiés sont copiés par la transcriptase inverse en ADNs complémentaires (cDNA) dans des conditions favorisant des erreurs de copie -> nombreux variants de l’ARN kinase, qui sont amplifiés par PCR

6. Copie des ADNs obtenus en ARNs (comme à l'étape 2)

7. Incubation en présence d'ATPγS (dans des conditions moins favorables, ex. temps plus court de réaction, plus faible conc. d'ATPγS, ..) -> répétition des étapes 4, 5, 6, 7 .. jusqu'à obtention d'un ARN kinase génétiquement optimisé

Ex. de réactions biochimiques catalysées par des ribozymes naturels ou artificiels :

Activité Origine

- Formation de liens peptidiques ARN ribosomique (23S bactérien, 28S (peptidyl-transférase) chez les eucaryotes; grande s.u. du ribosome)

- Clivage et ligation d'ARNs ARNs introniques à activité "self-splicing"ARNs isolés par évolution in vitro

- "Self-ligation" en 5' d'un ARN (1) ARNs isolés par évolution in vitro- Aminoacylation d'ARN ARNs isolés par évolution in vitro- Formation de lien glycosidique ARNs isolés par évolution in vitro- Phosphorylation d'ADN ou d'ARN ARNs isolés par évolution in vitro- Clivage de lien amide (peptidique) ARNs isolés par évolution in vitro

(1) Ex : ribozyme ligase de classe 1 : isolée à partir d'un pool de 1015 ARNs de 220 nt de long

ligation en 5'

5' 3'

Des exp. d'évolution in vitro ont aussi permis d'isoler, à partir d'un ARN ligase de classe 1, un ARN à activité ARN polymérase, appelé "R18", capable de se lier à un ARN matrice et de synthétiser un ARN complémentaire !! :

R18 a lui-même été "amélioré", par évolution in-vitro et par ingénierie, pour donner le variant tC19Z, nettement plus performant que R18 en tant qu'ARN polymérase. Par ex., tC19Z est capable de "copier" un autre ribozyme (à activité nucléase).

Longueur des ARNs synthétisés et influence de l'ARN matrice :

R18 : ARNs courts, sur certains ARNs matrices seulement

tC19 : ARNs longs, sur certains ARNs matrices seulement

Z : ARNs courts, sur toutes les matrices

tC19Z : ARNs longs, sur toutes les matrices

3.3 La théorie des gènes égoïstes (selfish gene)

.. l'information au service de la fonction (vision classique)

ou ..

.. la fonction au service de l'information (R. Dawkins)

Deux manières de considérer un être vivant comme E. coli: