La traduction, un processus qui exprime l’information génétique de l’ARN messager (ARNm) aux protéines, est vitale pour maintenir l’homéostasie des protéines cellulaires. Pour synthétiser des protéines fonctionnelles et éviter les produits de traduction toxiques, la reconnaissance du bon codon d’initiation (AUG) par la petite sous-unité ribosomale est cruciale.
Dans les années 1980, Marilyn Kozak a proposé la fameuse «règle du premier AUG», qui affirme que le triplet AUG le plus en amont (c’est-à-dire 5 ‘) est préférentiellement utilisé comme codon d’initiation primaire; l’insertion d’un triplet AUG supplémentaire en amont (uAUG) du triplet AUG annoté (aAUG) peut réduire considérablement l’initiation de la traduction au niveau de l’aAUG.
Sur la base de ces observations, le « modèle de balayage strictement unidirectionnel » a été évoqué et couramment introduit dans les manuels de biologie moléculaire. Ce modèle affirme que lors de l’initiation de la traduction eucaryote, la petite sous-unité ribosomale balaye exclusivement dans la direction 5′–3′; si un « balayage qui fuit » se produit, la traduction démarrera à partir de l’AUG suivant, et ainsi de suite.
Des chercheurs dirigés par le groupe du professeur Qian Wenfeng à l’Institut de génétique et de biologie du développement (IGDB) de l’Académie chinoise des sciences ont contesté la règle du premier AUG et le modèle de balayage strictement unidirectionnel. Leurs données ont révélé que les petites sous-unités ribosomiques utilisent des oscillations 5′–3′ et 3′–5′ de faible amplitude (quelques à une douzaine de bases) avec un mouvement net de 5′–3′ pour rechercher le codon AUG, et donc, concurrence existe entre des AUG rapprochés pour l’initiation de la traduction.
Les chercheurs ont d’abord observé que non seulement les uAUG, mais aussi les AUG en aval proximaux hors cadre (dAUG) peuvent inhiber l’initiation de la traduction de l’aAUG.
Afin d’étudier systématiquement le rôle des dAUG, ils ont construit une double bibliothèque de rapporteurs ATG contenant 13 437 variants de levure, dont chacun a créé un triplet ATG à une position aléatoire dans la région en aval de 30 nt de l’aATG d’un gène rapporteur, le vert protéine fluorescente (GFP). Ils ont ensuite obtenu le niveau de GFP correspondant pour chaque variante en utilisant une approche à haut débit.
Les résultats ont montré que les dAUG hors cadre pouvaient inhiber l’initiation de la traduction au niveau de l’aAUG, mais avec une force décroissante sur une distance croissante entre aAUG et dAUG, indétectable au-delà de ~ 17 nt. Ces observations suggèrent que les ribosomes scannent fréquemment dans la direction 3′–5′ puisque les ribosomes qui auraient pu initier la traduction à aAUG semblaient retenus par un dAUG.
Conformément à la prédiction du modèle de balayage bidirectionnel, les chercheurs ont également observé que l’effet inhibiteur de uAUG dépend de la position : les intensités de GFP ont augmenté avec la diminution de la distance uAUG-aAUG.
Les chercheurs ont en outre simulé le processus de numérisation à l’aide d’un modèle de marche aléatoire modifié basé sur les données massives d’intensité de GFP obtenues dans les expériences à haut débit, et ont estimé les paramètres de mouvement du modèle de numérisation à l’aide d’un algorithme Markov Chain Monte Carlo.
Les résultats ont montré que chaque triplet était en moyenne scanné environ dix fois par le ribosome, ce qui entraînait un taux de fuite net de 8 % pour un triplet AUG, bien que le taux de fuite moyen de chaque scan pour un triplet AUG soit de 77 %.
La présence de dATG proximal hors cadre peut entraîner une réduction de l’efficacité de la traduction des protéines fonctionnelles et une synthèse accrue de peptides potentiellement cytotoxiques, un effet qui devrait à son tour affecter l’évolution des séquences en aval de l’aATG.
Les chercheurs ont ensuite observé que le nombre de dATG hors cadre augmentait progressivement avec la distance de l’aATG dans les génomes de levure et humains, ce qui implique que le processus de balayage bidirectionnel est un mécanisme général à l’origine de l’évolution des génomes eucaryotes.
Plus d’information:
Ke Li et al, l’inhibition dépendante de la distance de l’initiation de la traduction par les AUG hors cadre en aval est cohérente avec un processus de cliquet brownien de balayage des ribosomes, Biologie du génome (2022). DOI : 10.1186/s13059-022-02829-1