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Afin de comprendre comment les êtres vivants fonctionnent au niveau moléculaire, la science s'intéresse depuis des décennies à l'étude de l'ADN (et à son rôle en tant que vecteur du matériel génétique, des gènes) et des protéines (et à leur rôle en tant que biocomposants et biocatalyseurs). Les acides ribonucléiques - en abrégé ARN - ont été négligés pendant longtemps.
Pendant longtemps, l'ARN n'a été considéré que comme une simple "molécule messagère", une copie mobile de l'ADN. Bien que cela soit nécessaire pour produire des protéines selon la séquence génétique définie par l'ADN, cela conduit aussi à une existence plutôt ennuyeuse dans la cellule. Aujourd'hui, notre vision de l'ARN a complètement changé : D'innombrables résultats de recherche ont permis d'attribuer à l'ARN un rôle central dans un grand nombre de processus cellulaires importants. Bien sûr, le rôle de messager de l'ARN reste important. Cependant, les molécules d'ARN assument une foule d'autres fonctions vitales dans la cellule. Elles se présentent sous différentes formes et longueurs. Elles servent de messagers, de plans, d'échafaudages pour la construction de structures complexes, d'interprètes et de biocatalyseurs pour les réactions chimiques. Dans de nombreux virus, l'ARN remplit même la fonction que nous attribuons normalement à l'ADN, c'est-à-dire que l'ARN porte le génome viral. L'ARN est un polyvalent en raison de son énorme flexibilité et de ses propriétés chimiques spécifiques. Et la nature, riche de son ingéniosité, en a profité pour mettre au point des molécules d'ARN pour une multitude de tâches biologiques.
Nous pouvons également utiliser les propriétés de ce polyvalent, comme outil de recherche ou comme médicament thérapeutique en médecine. Un exemple de son application en tant qu'outil est le "ciseau à gènes" CRISPR, qui permet la modification ciblée de sections du génome. Les médicaments à base d'ARN en sont encore à leurs balbutiements, mais - comme nous et beaucoup d'autres le pensons - ils ont un grand avenir devant eux. Citons par exemple Spinraza®, un médicament à base d'ARN récemment approuvé en Suisse, qui est utilisé pour traiter un type rare d'atrophie musculaire appelé dystrophie musculaire spinale.
L'ARN comme messager, plan de construction et interprète
Depuis plus d'un demi-siècle, on sait que les cellules produisent des ARN messagers (ARNm) comme "copies mobiles" de certaines sections d'ADN - les gènes. Ces ARNm servent de modèles pour la production de protéines. Pour pouvoir lire ce plan, les cellules utilisent une machine moléculaire très compliquée appelée "ribosome". Les ribosomes sont également constitués de molécules d'ARN spéciales et de nombreuses protéines (nous en parlerons dans la section suivante). Les ribosomes fonctionnent comme des "usines de protéines moléculaires" en lisant la séquence d'acides nucléiques des ARNm et en la traduisant dans le langage des protéines. Dans cette traduction, un type spécial d'ARN (les ARN de transfert, en abrégé ARNt) sert d'interprète. Les ARNt comprennent à la fois le langage des acides ribonucléiques et celui des protéines. Ils ont une structure très caractéristique et reconnaissent le langage génétique très précisément sur l'ARN messager et trouvent les éléments constitutifs protéiques appropriés (ces éléments constitutifs sont appelés acides aminés en jargon technique). Pour en savoir plus sur le fonctionnement de ce processus complexe, cliquez ici : Synthèse de protéines
Les ARN jouent un rôle important à la fois comme molécules messagères et comme plans de construction et interprètes dans la récupération et la traduction de toute l'information stockée dans le génome sous forme de gènes. D'ailleurs, les ARN messagers ne représentent qu'environ 5 % de l'ARN total d'une cellule. Environ 15 % de tous les ARN présents dans une cellule sont des ARNt.
L’ARN comme biocatalyseur
Les ARN peuvent catalyser des réactions chimiques - cela a été observé pour la première fois au début des années 1980 et constituait une véritable révolution à l'époque. On a supposé que les réactions catalytiques dans la cellule ne pouvaient être effectuées que par certaines protéines, les enzymes. Les ARN qui catalysent les réactions chimiques sont appelés "ribozymes". Ce mot vient d'une combinaison des deux mots acide ribonucléique et enzyme. De nombreuses ribozymes sont maintenant connues, et nous savons que sans eux, de nombreux processus au sein de la cellule s'arrêteraient. Les ribosomes mentionnés ci-dessus en sont un exemple. Ils consistent en une combinaison de protéines et d'ARN ribosomal (ARNr). Il est intéressant de noter que ce sont principalement les ARNr qui effectuent les tâches catalytiques. Par exemple, ce que l'on appelle l'"ARNr 28S" du ribosome catalyse l'assemblage des différents composants protéiques (c'est-à-dire les acides aminés) dans la chaîne protéique pendant le processus de traduction. Une cellule typique peut contenir plusieurs millions de ribosomes, dont chacun contient à son tour plusieurs molécules d'ARNr. Il n'est donc pas surprenant que les ARN ribosomiques constituent la majorité de l'ARN d'une cellule, environ 80%.
La matière noire du génome
Le génome d'un ver et celui d'un être humain possèdent à peu près le même nombre de gènes pour stocker les plans de protéines. Les chercheurs supposent qu'il y a un peu plus de 20 000 gènes. Cependant, le génome total - c'est-à-dire la quantité totale de séquence d'ADN sur les chromosomes par noyau - est environ 33 fois plus grand chez les humains que chez les vers ! Aujourd'hui, nous savons que la majorité du génome humain (environ 98% !) ne contient aucune information sur la production de protéines. En d'autres termes, en principe, seulement 2 % environ du matériel génétique est nécessaire pour stocker les plans des protéines. Alors pourquoi avons-nous encore un ADN aussi long dans chaque cellule ? Pourquoi la nature se donne-t-elle la peine de transmettre autant (et à première vue "inutile") d'ADN de génération en génération ? Copier une molécule d'ADN de 2 mètres de long à chaque division cellulaire est un effort considérable et on peut supposer que cela ne se fera pas sans raison pendant des milliers d'années ! Eh bien, selon diverses études, la proportion d'ADN dit non codant augmente avec le stade de développement (complexité) de l'organisme, par exemple d'une simple cellule de levure (peu d'ADN non codant) au ver mentionné ci-dessus et aux humains et autres mammifères (beaucoup d’ADN non codant). Nous savons maintenant qu’effectivement seulement une petite partie de l'ADN humain est transcrite dans les messagers et ensuite traduits en protéines comme décrit ci-dessus. Cependant, une grande partie de l'ADN restant est également convertie en copies d'ARN sans que des protéines soient produites. Les fonctions de beaucoup de ces ARN dits "non codants" (ARNnc) restent encore aujourd'hui un mystère. La diversité des ARNnc semble presque illimitée, tant par leur longueur et leur structure que par leurs fonctions. Par exemple, les ARNnc peuvent être très courts - parfois seulement quelques nucléotides - mais souvent plusieurs milliers de nucléotides. Ils peuvent se présenter sous forme de brins simples, de brins doubles et dans de nombreuses autres structures complexes. À l'intérieur de la cellule, il existe de tels ARNnc qui restent dans le noyau après leur production, tandis que d'autres sont spécifiquement transportés dans le cytoplasme ou vers d'autres organites. Des exemples d'ARNnc ayant des fonctions connues sont les ARNr et les ARNt déjà mentionnés. Une autre famille importante d'ARNnc est celle des "petits ARNnc". Il s'agit d'un groupe de molécules d'ARN, qui ont toutes une longueur d'environ 20 à 30 nucléotides et jouent un rôle important dans le contrôle de la stabilité des ARNm. La recherche sur les ARNnc est actuellement menée très activement par de nombreux laboratoires dans le monde. Ces dernières années, cela a conduit à la découverte d'innombrables autres ARNnc dits "longs" (ARNlnc). Bien que la fonction de la plupart des ARNlnc n'ait pas encore été déchiffrée, il existe des cas isolés dans lesquels un rôle dans le développement embryonnaire ou dans le développement du cancer a été déchiffré.
L’ARN comme génome
Dans toutes les cellules que nous connaissons, le stockage permanent de l'information génétique se fait sur l'ADN. Cela peut être différent pour les virus. Les virus ne sont pas des êtres vivants au sens classique du terme parce qu'ils ne sont pas des cellules indépendantes mais dépendent toujours d'une cellule hôte pour leur multiplication. Néanmoins, les virus ont aussi un plan de construction sous forme d'acides nucléiques, qui est nécessaire à leur prolifération dans la cellule hôte. Il est intéressant de noter que la majorité des virus utilisent l'ARN pour le stockage des données. Ces virus sont appelés virus à ARN. Dans notre vie quotidienne, nous rencontrons des milliers et des milliers de virus à ARN. Des maladies comme la grippe, la rougeole, l'hépatite C, Ebola, la rage ou la polio sont toutes causées et transmises par des virus à ARN.