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Les étonnants voyages des petits ARN
Dans la plupart des organismes, de petits morceaux d'ARN jouent un rôle clé dans la régulation des gènes en réduisant au silence l'expression des gènes. Ils le font en ciblant et en se fixant sur des séquences complémentaires de transcriptions de gènes (également des molécules d'ARN), ce qui empêche la machinerie cellulaire de les utiliser pour fabriquer des protéines. Ce mécanisme, appelé interférence ARN (ARNi), est d'une importance capitale en biologie.
Il est remarquable que le phénomène de l'ARNi ne se limite pas nécessairement à des cellules isolées ; il peut également se manifester dans d'autres tissus et organes éloignés de la cellule d'origine. Les chercheurs et chercheuses ont pu l'observer surtout chez les plantes, mais aussi chez des animaux «inférieurs» comme le ver nématode C. elegans.
Protéines et ADN exclus
Pourtant, une question clé était restée sans réponse jusqu'à présent : quelle substance messagère traverse les cellules et les tissus ? «Nous avons pu exclure les protéines il y a 20 ans, lorsqu'on a découvert que l'ARNi pouvait voyager dans les plantes», explique Olivier Voinnet, professeur de biologie de l'ARN à l'ETH Zurich. L'ARNi exige que le messager s'arrime à une séquence complémentaire du transcript du gène pour être rendu silencieux. «Les protéines seules n'ont pas cette capacité. Il est également peu probable que l'ADN quitte le noyau de la cellule», poursuit Olivier Voinnet. «Le candidat le plus probable a toujours été une molécule d'ARN.» Ce qui n'a pas été clair jusqu'à présent, c'est le type et la forme précise de l'ARN - long, court, simple ou double brin, lié ou non à des protéines.
Les fragments à double brin voyagent loin
Mais aujourd'hui, les chercheurs et chercheuses de l'ETH Zurich font la lumière sur ce processus dans une nouvelle étude. Ils et elles sont les premier·es à démontrer sans équivoque que ces messagers lointains dans les plantes sont de courtes molécules d'ARN double brin. Celles-ci sont constituées de paires (ou doubles brins) de seulement 21 à 24 nucléotides (les éléments constitutifs de l'ARN) appelés petits ARN interférents, ou siARN en abrégé. L'article de l'équipe a récemment été publié dans la revue Nature Plants.
Les ARNi émergent généralement sous la forme de populations importantes et complexes à partir des génomes des virus qui ont infecté une cellule. Mais les propres gènes d'une cellule peuvent également servir de modèle pour ces molécules. Ainsi, les cellules peuvent utiliser les ARNi pour faire taire non seulement les virus envahisseurs mais aussi leurs propres gènes.
Parce que l'ARNi se déplace, les plantes ont l'étonnante capacité de moduler l'expression des gènes à distance. Cela pourrait être particulièrement important pour qu'elles puissent adapter constamment leur nouvelle croissance, permettant ainsi ce que l'on appelle la plasticité phénotypique.
Se déplacer ou pas
Dans leur nouvelle étude, les chercheurs et chercheuses ont exclu la possibilité que d'autres types d'acides nucléiques ou de complexes composés d'ARN et de protéines se déplacent à travers les cellules végétales. «Nous pouvons définitivement montrer que les siRNA double brin sont nécessaires et suffisants pour induire l'ARNi dans des cellules et des tissus de plantes éloignés», déclare Olivier Voinnet.
Les chercheurs et chercheuses de l'ETH Zurich n'ont pas seulement identifié les insaisissables messagers à longue distance, ils et elles ont également montré, dans leur étude, comment les siRNAs se déplacent et remplissent leur fonction. Ils et elles ont découvert que, tant qu'une molécule de siRNA existe en tant que double brin libre, elle est mobile car elle ne peut pas se lier à une transcription d'ARN correspondante. Pour se lier, elle doit d'abord être «téléchargée» vers une protéine effectrice spécifique d'argonaute (AGO). Ce n'est qu'une fois lié à la bonne protéine AGO que l'ARNsi peut faire taire la transcription cible ; le processus finit par détruire le fragment lui-même. La plante modèle utilisée pour l'étude possède dix protéines AGO différentes, dont plusieurs reconnaissent des fragments d'ARNsi correspondants avec des signatures spécifiques ; ces signatures ne sont pas homogènes parmi les grandes cohortes d'ARNsi mobiles produites par les virus ou les propres gènes de la plante.
Les protéines AGO déterminent les modèles de mouvement de l'ARNi
Les différentes protéines AGO sont présentes dans des cellules et des tissus distincts. Les chercheurs et chercheuses de l'ETH Zurich ont découvert que dans le cadre du processus de chargement, les protéines AGO correspondantes «consomment» une fraction des siRNA dans la cellule d'origine, mais que la fraction non chargée peut sortir de la cellule.
Selon la présence ou l'absence de certaines protéines AGO dans les cellules traversées par les siRNA mobiles, les molécules, là encore, seront consommées ou non. Par exemple, s'il y a une pléthore de protéines AGO, elles vont piéger de nombreux siRNAs ayant des signatures différentes, ce qui a pour effet d'arrêter le mouvement. En revanche, si une cellule ne contient pratiquement pas d'AGO, la plupart des siRNAs partiront et voyageront sur de plus grandes distances. Enfin, si une cellule contient de grandes quantités d'une seule AGO spécifique, seuls les siRNAs ayant la signature correspondante seront consommés, tandis que les autres se déplaceront. En d'autres termes, les siRNA sont filtrés de manière sélective et consommés au fur et à mesure qu'ils se déplacent dans le tissu végétal.
Jusqu'à présent, la communauté des ARNi végétaux pensait que l'ARNi se déplaçait le long de gradients linéaires. Cependant, cela ne tient pas compte du fait que les protéines AGO utilisent sélectivement certains ARNi - mais pas d'autres - lorsqu'elles se déplacent. La nouvelle étude souligne que ce processus de consommation est, en fait, tout sauf linéaire.
D'innombrables modèles de mouvement
«La quantité et la diversité des protéines AGO dans les cellules traversées, couplées aux signatures intrinsèques de l'ARNsi, fonctionnent ensemble comme une sorte de tamis moléculaire, dont la forme peut varier d'un type de cellule à l'autre le long du trajet de l'ARNsi. En fonction de la configuration spatiale de ce tamis, une grande variété de modèles de mouvement du siRNA peut être produite», explique Olivier Voinnet. Il ajoute : «Plus intéressant encore, certains AGO peuvent être induits par un stress ou des signaux de développement de sorte que la forme spatiale du tamis peut changer et évoluer à tout moment».
Les innombrables modèles de mouvement confèrent ainsi au système d'ARNi mobile une flexibilité et une polyvalence presque illimitées pour modeler l'expression des gènes sur des distances. Maintenant qu'elle a compris le processus, l'équipe de recherche tente de mettre au point des tamis artificiels dans les plantes afin de contrôler, avec une grande précision, quand et où des ARNi spécifiques peuvent se déplacer, une méthode qui pourrait avoir des applications en agriculture.