3. L’origine de la vie

information catalyse, structures cellulaires = fonction

Quelles sont les étapes du processus évolutif prébiologique qui ont conduit à l'apparition de ce système ?

ADN réplication ARN protéine transcription traduction

code génétique

Ou comment les tout premiers systèmes génétiques sont-ils apparus sur Terre ? Une question à la fois difficile et passionnante

... pouvant aussi alimenter des réflexions plus philosophiques ? ;-)

La question reformulée :

- dans la "soupe prébiotique" : assemblage aléatoire, dans certaines conditions, de polymères ou macromolé-cules, dont certains sont des cataly-seurs, mais ces formes rares sont instables et ne peuvent donc se maintenir…

3.1 Un scénario plausible de l’apparition de la vie sur terre

mélange complexe de petites molécules organiques (apparues spontanément – cf. exp. de S. Miller)

- événement clé: apparition de catalyseurs auto-réplicatifs :

.. cad capables d’assurer la synthèse de copies d’eux-mêmes → maintien plus probable → évolution de type darwinien : par variation-sélection, la fonction d'auto-réplication devient immanquablement de plus en plus performante

_

+

+ + _

Principe de l’auto-réplication du ribozyme (1) primoridal :

Un ARN réplicateur (+) apparaît de manière aléatoire. Sur cet ARN viennent se lier des courtes séquences complémentaires d’ARN, et celles-ci sont reliées pour former un ARN (-). Après disso-ciation des 2 ARNs complémen-taires, l’ARN (+) à activité ARN polymérase utilise l’ARN (-) comme matrice pour synthétiser un ARN (+), cad une copie de lui-même. La répétition du processus conduit à de nombreux ARN (+).

Hypothèse : ces catalyseurs primordiaux = ARNs → hypothèse du monde des ARNs (" RNA world ") Pq des ARNs ? Car ces macromolécules sont connues pour pouvoir à la fois servir de support d'information génétique et réaliser la catalyse de réactions chimiques (1)

(1) ribozyme = ARN catalytique (enzyme)

Question: nature chimique de ces catalyseurs auto-réplicatifs initiaux ?

+ _

+ + + + + _

ARN polymérase

Etape suivante : le ribozyme à activité ARN polymérase s’entoure d’ARNs supplémentaires, qu’il va répliquer, et qui favorisent son activité ARN polymérase (1) Se développe ainsi un système coopératif auto-réplicatif comprenant de plus en plus d’ARNs, lesquels continuent d'évoluer selon les lois de variation et de sélection naturelle vers des capacités reproductives de plus en plus performantes

ribozyme ARN polase (auto-réplicateur

initial)

nouveau catalyseur répliqué par le catalyseur initial et favorisant l'activité de ce dernier (1)

chaque ARN favorise la synthèse des autres et de

lui-même

(1) ex. par la synthèse de NTPs, la stabilisation du ribozyme à activité ARN polymérase (protection contre l‘hydrolyse), la ligation d’oligonucléotides - ex. lors de l’assemblage de la matrice (-), ...

Le système coopératif d’ARNs pourra se maintenir plus facilement s'il est confiné :

apparition à un certain stade de membra-nes lipidiques ?

Des études récentes montrent qu'une synthèse de phospholipides est possible dans des conditions chimiques particulières, à haute t° :

dihydrogénophosphate d’ammonium

NH4H2PO4 (1 eq.) + urée (H2N)2CO (10 eq.)

100°C, 24h

3 CO + H2O ê

2 CO2 + -CH2-

alcanoles

Synthèse ensuite assurée par des ribozymes ? A noter, cette membrane doit pouvoir établir des échanges avec le milieu extérieur (ce qui dans les systèmes actuels implique des protéines).

+

Autre étape clé -> évolution vers un système d'ARNs coopératifs devenant capable de synthétiser un nouveau type de macromo-lécule, les protéines (1) , ce qui sera couplé à l'apparition d'un code génétique :

Apparition de "cofacteurs " formés de l’association covalente entre un petit ARN et un acide aminé

1ère étape : (2)

(3)

(2)

(3) Ribozyme à activité de type aminoacyl-ARNt synthétase ARN de type aminoacyl-ARNt

(1) A noter : les ARNs sont LES acteurs clés de la synthèse protéique dans les systèmes actuels

ribozyme

ribozyme-cofacteur(s) plus performant

(par l’apport d'un aa)

hybridation complémentaire

1 ou >1

lien ester

Apparition du code génétique (étape clé !) : stabilisation des relations codon – acide aminé, grâce aux propriétés des différents ribozymes de type aminoacyl-ARNt-synthétases, qui associent un acide aminé donné à un (ou plusieurs) cofacteur(s) donné(s) liant chacun un codon

(1) (2)

anticodon

(1)

(2)

Ribozyme à activité de type aminoacyl-ARNt synthétase

ARN de type aminoacyl-ARNt

Appariement de plusieurs cofacteurs ARN-aa sur une matrice d’ARN (4), suivi de la formation de liens peptidiques entre les aa (3) → synthèse des premiers polypeptides

(3)

(4) Ribozyme à activité peptidyl-transférase (comme dans les ribosomes actuels !) Ancêtre des ARNm

(3)

(4)

2de étape :

Suite du processus évolutif : Le système coopératif d'ARNs maintenant capable d'assembler des protéines continue d'évoluer dans le sens d'une reproduction plus efficace. Ceci va amener les protéines, des catalyseurs plus performants que les ribozymes, à prendre progressivement le pas sur les ribozymes pour la catalyse des réactions. Le rôle des ARNs tend alors à se réduire de plus en plus au stockage (ARNm) et au décodage (ARNt, ARNr, ..) de l’information nécessaire à l’assemblage des protéines … le nombre d’ARNm augmente considérablement, ils stockent l'information pour la synthèse des protéines

réplication ARN protéine traduction

code génétique

Protocellule

Une autré étape clé du processus évolutif : vers une nouvelle forme de stockage de l'information génétique (pour la synthèse des protéines et des ARNs) : ADN (bicaténaire) → mieux adapté au stockage d’une information qui se complexifie de plus en plus … car l'ADN est formé de 2 brins complémentaires, l’information n’est donc pas perdue si un des brins est endommagé (cf. chap. 2)

rem.: en accord avec l'hypothèse que l'ADN serait apparu après l'ARN, dans les cellules actuelles, les précurseurs de l’ADN (dNDP et dNTP) sont synthétisés à partir des ribonucléosides diphosphates (NDP), les précurseurs de l’ARN : CDP -> dCDP -> dCTP

UDP -> dUDP ->->-> dTTP GDP -> dGDP -> dGTP ADP -> dADP -> dATP

ADN réplication ARN protéine transcription traduction

…vers le dernier ancêtre commun universel (LUCA) :

code génétique

3.2 Exemples de recherches en soutien de ce scénario hypothétique

3.2.1 Synthèse de nucléotides à partir de quelques composés chimiques simples

cyanamide

glycéraldéhyde glycoaldéhyde

cyanoacétylène

ion phosphate

Se produit dans des conditions compatibles avec les conditions géochimiques primitives

CMP-2,3-phosphate cyclique

Activité Origine - Formation de liens peptidiques ARN ribosomique (23S bactérien, 28S (peptidyl-transférase) chez les eucaryotes; grande s.u. du ribosome)

- Clivage et ligation d'ARNs ARNs introniques à activité "self-splicing"

ARNs artificiels isolés par évolution in vitro - "Self-ligation" en 5' d'un ARN (1) ARNs artificiels isolés par évolution in vitro - Aminoacylation d'ARN idem - Phosphorylation d'ADN ou d'ARN idem - Clivage de lien amide (peptidique) idem

(1) Ex : ribozyme ligase de classe 1 : isolée à partir d'un pool de 1015 ARNs de 220 nt de long

ligation en 5'

5' 3'

3.2.2 Identification de ribozymes naturels et isolement de ribozymes artificiels

-> illustre bien le potentiel enzymatique des ARNs

Quand le Saint Graal est découvert ... Des expériences récentes ont conduit à l’isolement en laboratoire d’un ribozyme artificiel pourvu d’une activité ARN polymérase !!

+

+ _

tC19Z + NTPs

Synthèse d’un brin ARN (-) complémentaire

copi

é en

AD

N (p

ar tr

ansc

ripta

se in

vers

e)

en ré

alis

ant d

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rreu

rs (m

utat

ions

)

Comment isoler en laboratoire un ribozyme artificiel ?

Ex : isolement d'un ARN à activité kinase (capable de s'autophosphoryler)

-> par un procédé d’évolution in vitro

Principe de l'expérience : 1. Synthèse chimique de molécules d'ADN monobrin de séquences aléatoires et copie in vitro du brin complémentaire > ADN double-brin 2. Copie par une ARN polymérase des ADNs aléatoires en ARNs 3. Incubation des ARNs en présence d'ATPγS (un oxygène est remplacé par un soufre) : un ARN kinase (rare, peu actif) fixe un groupement -HP02S (autophosphorylation, typique des kinases) 4. Purification sur colonne des ARNs porteur d'un S (-> sélection) 5. Les ARNs purifiés sont copiés par la transcriptase inverse en ADNs complémentaires (cDNA) dans des conditions favorisant des erreurs de copie -> nombreux variants de l’ARN kinase, qui sont amplifiés par PCR 6. Copie des ADNs obtenus en ARNs (comme à l'étape 2) 7. Incubation en présence d'ATPγS (dans des conditions moins favorables, ex. temps plus court de réaction, plus faible conc. d'ATPγS, ..) -> répétition des étapes 4, 5, 6, 7 .. jusqu'à obtention d'un ARN kinase génétiquement optimisé

3.3 La théorie des gènes égoïstes (selfish gene)

.. l'information au service de la fonction (vision classique)

ou ..

.. la fonction au service de l'information (R. Dawkins)

Deux manières de considérer un être vivant comme E. coli:

Ne peut-on pas considérer une bactérie avant tout comme une molécule d’ADN, descendante des tout premiers acides nucléiques auto-réplicatifs, qui au cours de l’évolution a mis en place autour d’elle une biochimie ultra complexe, adaptée à l’environnement, dont la seule finalité serait de réaliser des copies d’elle-même ? Cette vision ne peut-elle pas s’appliquer aux autres formes de vie plus complexes qui sont apparues au cours de l’évolution, comme les eucaryotes unicellulaires et ensuite les pluricellulaires ?