Les molécules d'ARN messager contiennent des informations génétiques et contrôlent ainsi la synthèse des protéines dans les cellules vivantes. Des biochimistes de l'Université de Bayreuth et de l'Université de Bonn ont maintenant découvert un moyen de réguler ce processus qui est au cœur de l'expression des gènes :certaines actinobactéries contiennent une protéine qui lie les molécules d'ARN sous lumière bleue et peut ainsi les désactiver. En principe, il est ainsi possible d'activer et de désactiver la synthèse protéique contrôlée par l'ARN via la lumière, non seulement dans les bactéries mais aussi dans les cellules de mammifères et même humaines. Les conclusions publiées dans Nature Chimie Biologie sont à la base d'un nouveau domaine de recherche :l'optoribogénétique.

Depuis quelque temps maintenant, des signaux lumineux ont été utilisés pour modifier la transcription de l'information génétique - et par conséquent la synthèse des protéines dirigée par des molécules d'ARN (acide ribonucléique) - au niveau de l'ADN. Cette approche fait partie de l'optogénétique et est maintenant une méthode bien établie de biologie moléculaire et cellulaire. Cependant, la nouvelle étude montre maintenant pour la première fois un mécanisme par lequel l'interaction entre l'ARN et des protéines spécifiques peut être influencée par la lumière. L'expression des gènes dans les bactéries peut ainsi être contrôlée directement au niveau des molécules d'ARN.

Les chercheurs dirigés par le Prof. Dr. Andreas Möglich à Bayreuth et le Prof. Dr. Günter Mayer à Bonn ont démontré que ce mécanisme peut être transféré aux cellules de mammifères. « Au cours des prochaines années, nous étendrons la régulation contrôlée par la lumière à divers processus cellulaires impliquant l'ARN. Les outils qui en résultent, qui n'étaient pas disponibles à ce jour, fera considérablement progresser l'étude des processus cellulaires centraux. La pierre angulaire de l'optobogénétique, un nouveau complément à l'optogénétique, est maintenant posé, " déclare le Prof. Dr. Andreas Möglich.

Recherche d'une protéine candidate réagissant à la lumière

Le point de départ des travaux de recherche a été la recherche d'une protéine photoréceptrice bactérienne capable de modifier son propre comportement de liaison vis-à-vis de l'ARN sous l'influence de la lumière. Les scientifiques ont effectué des recherches dans les bases de données de séquences existantes et ont trouvé ce qu'ils cherchaient. Les bactéries de l'espèce Nakamurella multipartita contiennent une protéine avec une architecture tripartite bien visible :trois sections ou « domaines » différents appelés « PAS, " "ANTAR" et "LOV, " sont disposés les uns après les autres dans un ordre inhabituel.

Comme cela a pu être démontré en coopération avec le groupe de recherche du Prof. Dr. Robert Bittl à la Freie Universität Berlin, le domaine du photocapteur LOV réagit à la lumière bleue et transmet les signaux au domaine ANTAR. Le domaine ANTAR change alors de structure pour que les molécules d'ARN soient liées et ainsi rendues inaccessibles :elles ne sont plus disponibles pour l'expression des gènes et l'information génétique qu'elles contiennent n'est plus utilisée pour la synthèse des protéines.

Ce n'est que lorsque l'irradiation de lumière bleue cesse, et le domaine ANTAR revient à sa structure normale, l'interaction avec l'ARN s'arrête-t-elle. Maintenant, l'ARN redevient actif. Les chercheurs ont d'abord établi et démontré ce processus en utilisant des aptamères d'ARN. Ce sont de petites molécules d'ARN avec une structure en épingle à cheveux qui peuvent entrer dans la structure du domaine ANTAR, qui s'ouvre sous la lumière bleue, et y sont liés. Mayer :« Les Aptamers fonctionnent de manière modulaire :ils peuvent être reliés à d'autres unités comme un système de blocs de construction.

Les scientifiques ont également testé leur nouvelle approche de recherche sur des cellules eucaryotes dans lesquelles ils avaient préalablement introduit la protéine bactérienne et les aptamères d'ARN. Dans ces cellules, trop, les changements structurels déclenchés par la lumière bleue conduisent à des molécules d'ARN messager se liant à la protéine et, dans cet état, suspendre l'expression des gènes. "Nous avons maintenant un interrupteur avec lequel l'activité cellulaire de différentes molécules d'ARN peut être spécifiquement activée et désactivée, " explique le professeur Dr. Günter Mayer de l'institut LIMES de l'université de Bonn.

Son collègue de Bayreuth, Prof. Dr. Andreas Möglich, ajoute :« L'approche du contrôle régulé par la lumière peut en principe être transférée à de nombreux autres processus basés sur l'ARN, tels que le traitement des micro-ARN et le phénomène associé de silençage génique. » Dans des études ultérieures, les deux scientifiques et leurs groupes de recherche espèrent étudier dans quelle mesure le mécanisme nouvellement découvert peut être utilisé dans des organismes modèles pour contrôler l'expression des gènes et d'autres processus.