Structural aspects of the ribosome evolution and function

En 2000, les structures à hautes résolutions des deux sous-unités ribosomiques ont finalement été mises à la disposition du public. L'année suivante, la structure aux rayons X de l'ensemble du ribosome bactérien a été publiée. Ces grandes réalisations ont ouvert une nouvelle ère dans l'étude des mécanismes de la synthèse des protéines. Dès lors, il est devenu possible de relier différents aspects de la fonction du ribosome à des éléments particuliers de sa structure tertiaire. L'établissement de la relation structure-fonction peut toutefois être problématique en raison de l'immense complexité de la structure du ribosome. En d'autres termes, pour que les données cristallographiques sur la structure tertiaire du ribosome soient vraiment utiles à la compréhension du fonctionnement du ribosome, ces données devraient elles-mêmes faire l'objet d'une analyse approfondie. Le travail, présenté ici, peut être vu comme une tentative de ce genre. En appliquant l’analyse systématique des structure cristallographiques du ribosome disponibles, nous avons essayé de résoudre deux problèmes fondamentaux de la biologie ribosomale concernant (1) la nature des réarrangements du ribosome qui ont lieu à différentes étapes de son cycle de fonctionnement et (2) la possibilité de reconstitution de l'évolution du ribosome du monde-à-ARN jusqu’à nos jours. Dans le premier projet, nous avons systématiquement comparé les structures du ribosome disponibles et de sa sous-unité afin d'identifier les domaines rigides, qui ont toujours la même conformation, et les régions flexibles dont la conformation peut varier d'une structure de ribosome à une autre. Il y a deux types de réarrangements structuraux connus dont nous voulions comprendre les mécanismes: le « ratchet-like movement » et la «fermeture de domaines ». Le premier a lieu au cours de la translocation du ribosome et est plus ou moins perçu comme une rotation d'une sous-unité par rapport à l'autre. Le deuxième se produit dans la petite sous-unité et est associé à la reconnaissance codon-anticodon au site A. La comparaison des conformations ribosomales disponibles a révélé les mécanismes spécifiques des deux réarrangements. Bien que la sélection de l'aminoacyl-ARNt appropriée au site A et la translocation du ribosome n'ont jamais été considérés comme ayant quelque chose en commun, nous démontrons ici que les réarrangements de la structure des ribosomes associés au premier processus répète les réarrangements associés au deuxième mais dans l’ordre inverse. En d'autres termes, pendant le cycle d'élongation, la fermeture de domaine et le « ratchet » peuvent ii être considérés comme un mouvement de va-et-vient, qui renvoie finalement le ribosome à sa conformation initiale. Dans le second projet, nous avons fait une tentative de reconstitution de l'évolution de l'ARNr 23S, du monde-à-ARN jusqu`à nos jours. Ici nous nous sommes basés sur la supposition que l'évolution de cette molécule a procédé par des insertions aléatoires des régions relativement courtes dans différentes parties de la chaîne poly-nucléotidique. Pour cela, nous avons élaboré des critères de l'intégrité de la structure ribosomale et présumé que lors de l'évolution, la structure du ribosome s’est toujours adaptée à ces standards. Nous avons examiné l'interaction de type A-mineur, un arrangement fréquent dans la structure de l’ARN ribosomique, constitué d'un empilement d’adénosines non-appariées, attachées à une double hélice. Nous avons supposé que dans toutes les interactions A-mineurs existantes dans le ribosome, la double hélice est apparue avant ou au moins simultanément avec la pile d’adénosines correspondantes. L'application systématique de ce principe à la structure tertiaire de l’ARN 23S a permis d'élucider de manière progressive l'ordre dans lequel les parties différentes de l’ARN 23S ont rejoint la structure. Pris ensemble, les deux projets démontrent l'efficacité de l'analyse systématique in-silico de la structure tertiaire du ribosome et ouvrent la voie à de futures découvertes. In the year 2000, the first high-resolution structures of the individual ribosomal subunits became available to the public. The following year, the X-ray structure of the complete bacterial ribosome was published. These major achievements opened a new era in studying the mechanisms of protein synthesis. From then on, it became possible to attribute different aspects of the ribosome function to particular elements of its tertiary structure. However, establishing the structure-function relationships is problematic due to the immense complexity of the ribosome structure. In other words, in order to make the crystallographic data on the ribosome tertiary structure really useful for understanding of how the ribosome functions, it must be thoroughly analyzed. Here, based on systematic analysis of the available X-ray conformations of the ribosome we have tried to resolve two fundamental problems of the ribosome biology: concerning (1) the nature of rearrangements in the ribosome that take place at different steps of its functional cycle, and (2) the reconstruction of the ribosome evolution from the RNA world to present time. In the first project, we systematically compared the available structures of the ribosome and its subunits to identify rigid domains, which always have the same conformation, and flexible regions, where the conformation can vary from one ribosome structure to another. There were two known types of structural rearrangements whose mechanisms we wanted to understand: the ratchet-like motion and the so-called domain closure. The ratchet-like motion takes place during the ribosomal translocation and is roughly seen as a rotation of one subunit with respect to the other. The domain closure occurs in the small subunit and is associated with the cognate codon-anticodon recognition in the A-site. Comparison of the available ribosome conformations revealed the detailed mechanisms of both rearrangements. Although the selection of the cognate amino-acyl-tRNA in the A-site and of the ribosomal translocation have never been thought to have anything in common, we demonstrate that the rearrangements in the ribosome structure associated with the first process repeat in reverse order the rearrangements associated with the second process. In other words, during the ribosome elongation cycle, the domain closure and the ratchet-like motion can be seen as a back-and-forth movement, which eventually returns the ribosome to the initial conformation. iv In the second project, we attempted to reconstruct the evolution of the 23S rRNA from the RNA world to present time based on the presumption that the evolutionary expansion of this molecule proceeded though random insertions of relatively short regions into different regions of the polynucleotide chain. We developed criteria for integrity of the ribosome structure and presumed that during the evolutionary expansion, the ribosome structure always matched to these standards. For this, we specifically considered the A-minor interaction, a frequent arrangement in the rRNA structure consisting of a stack of unpaired adenosines tightly attached to a double helix. We presumed that in all A-minor interactions present in the ribosome, the double helix emerged before or at least simultaneously with the corresponding adenosine stack. The systematic application of this principle to the known tertiary structure of the 23S rRNA allowed us to elucidate in a step-vise manner the order in which different part of the modern 23S rRNA joined the structure. Taken together, the two projects demonstrate the effectiveness of the systematic in-silico analysis of the ribosome tertiary structure and pave the way for future discoveries.

Keyphrases: Évolution, La structure du ribosome tertiaire, L'ARN ribosomal, Le mouvement de cliquet, La fermeture de la petite sous-unité, Evolution, Ribosome tertiary structure, Ribosomal RNA, Ratchet-like motion, Small subunit domain closure