The conserved β-hairpin of the SUI1 domain is a dual-function structural module governing translation initiation and ribosome recycling in yeast

Au cœur de chaque cellule vivante, une machine microscopique appelée ribosome lit les instructions génétiques pour construire des protéines, les moteurs qui maintiennent la vie en marche. Ce processus, connu sous le nom de traduction, n'est pas un événement continu unique, mais une série d'étapes précises. Une fois que le ribosome a fini de lire un bloc d'instructions spécifique, il doit lâcher le message et se réinitialiser pour recommencer. Dans la plupart des cas, le ribosome relâche ses composants et quitte entièrement le message. Cependant, certains messages génétiques contiennent de courtes instructions préliminaires avant l'instruction principale. Lorsque le ribosome termine ces courtes sections préliminaires, il reste parfois attaché au message et commence immédiatement à lire la partie suivante. Cette capacité de redémarrage sans quitter le message est appelée réinitiation, et c'est un moyen crucial pour les cellules de réguler la quantité de protéines qu'elles produisent. Si ce mécanisme de réinitialisation échoue, le ribosome pourrait rester bloqué ou commencer à lire au mauvais endroit, créant potentiellement des protéines nocives.

Les scientifiques savent depuis longtemps que des protéines auxiliaires spécifiques sont nécessaires pour gérer ce processus de réinitialisation. Chez la levure, un organisme simple souvent utilisé pour étudier la biologie humaine, une paire de protéines auxiliaires appelées Tma20p et T22p travaillent ensemble pour s'assurer que les ribosomes recyclent correctement. Ces protéines partagent une forme structurelle avec une autre protéine bien connue appelée eIF1, qui aide à démarrer la toute première étape de la lecture des instructions génétiques. Comme elles se ressemblent beaucoup, les chercheurs se sont demandé si la paire Tma20p et Tma22p se contentait de copier le travail de la protéine de démarrage ou si elle avait évolué pour un rôle unique de recyclage. Une nouvelle étude menée par Kseniya Zamyatnina et son équipe dans des instituts de recherche russes a maintenant répondu à cette question, révélant exactement comment ces protéines fonctionnent et ce qui se passe lorsque leurs parties spécifiques sont défectueuses.

Pour comprendre le travail de ces protéines, les chercheurs ont construit un système de test personnalisé à l'intérieur de cellules de levure. Ils ont créé des messages génétiques qui agissaient comme un rapport en deux parties. La première partie était une instruction courte et facile à lire que le ribosome terminerait rapidement. La seconde partie était une instruction plus longue que le ribosome ne lirait que s'il réussissait à se réinitialiser et à rester sur le message après avoir terminé la première partie. En mesurant la fréquence à laquelle le ribosome passait avec succès de la première partie à la seconde, l'équipe a pu calculer l'efficacité du processus de recyclage. Ils ont testé ce système dans des cellules de levure où ils avaient supprimé une ou plusieurs des protéines auxiliaires pour voir comment le processus de recyclage changeait.

L'équipe a d'abord comparé les rôles des différentes protéines auxiliaires disponibles dans la levure. Ils ont découvert que la paire de protéines, Tma20p et Tma22p, jouait le rôle dominant pour empêcher les ribosomes de redémarrer trop facilement. Lorsque toutes deux étaient absentes, les ribosomes redémarraient beaucoup trop souvent, indiquant un échec du processus de recyclage. Une troisième protéine auxiliaire, Tma64p, jouait également un rôle, mais son effet était beaucoup plus faible. Les chercheurs ont découvert que la paire Tma20p et Tma22p était bien plus importante que Tma64p pour contrôler ce processus, que le ribosome redémarrait après une instruction courte ou après une instruction longue.

L'étude s'est ensuite concentrée sur la forme spécifique de la protéine Tma22p. Cette protéine possède une structure distincte en forme de boucle composée de particules chargées, qui ressemble beaucoup à une partie de la protéine de démarrage eIF1. Les chercheurs ont créé des versions de la protéine Tma22p dans lesquelles ils ont supprimé ou modifié cette boucle spécifique. Lorsqu'ils ont modifié les particules chargées dans cette boucle, la protéine a totalement perdu sa capacité à aider au recyclage des ribosomes. Les ribosomes dans ces cellules se comportaient comme si la protéine auxiliaire était totalement absente, redémarrant trop fréquemment. Cela a prouvé que cette boucle spécifique est essentielle à la fonction de la protéine.

Étonnamment, lorsque les chercheurs ont supprimé l'intégralité de la structure de la boucle de la protéine, le résultat a été différent. Au lieu que la protéine échoue complètement, les cellules de levure étaient toujours capables de recycler les ribosomes assez bien. Cela suggérait qu'une autre protéine de la cellule, probablement la protéine de démarrage eIF1, pouvait intervenir et prendre le relais lorsque la protéine auxiliaire principale manquait de sa boucle. Pour tester cette idée, l'équipe a créé une protéine hybride. Ils ont pris la partie avant de l'auxiliaire Tma22p et y ont attaché la boucle de la protéine de démarrage eIF1. Lorsqu'ils ont introduit cette protéine hybride dans des cellules dépourvues de la Tma22p naturelle, elle a partiellement restauré la capacité de recycler les ribosomes. Cela a confirmé que la protéine de démarrage et la protéine auxiliaire de recyclage peuvent échanger des parties et fonctionner toujours, suggérant qu'elles ont évolué à partir d'un ancêtre commun pour accomplir des tâches différentes mais liées.

Les résultats clarifient un débat de longue date sur la manière dont ces protéines fonctionnent dans différents organismes. Chez la levure, la paire Tma20p et Tma22p agit principalement pour empêcher les ribosomes de redémarrer, garantissant qu'ils quittent le message pour être réutilisé ailleurs. Chez l'humain, des protéines similaires ont été supposées aider les ribosomes à redémarrer, mais cette étude suggère que le mécanisme fondamental utilisant une forme structurelle partagée pour gérer le mouvement des ribosomes est conservé. La recherche souligne que la boucle chargée sur la protéine Tma22p est l'interrupteur critique pour sa tâche. Sans elle, le processus de recyclage s'effondre, entraînant des erreurs dans la production de protéines. Cette analyse aide à expliquer comment les cellules maintiennent l'ordre lors de la synthèse des protéines et fournit une image plus claire de la façon dont les mutations génétiques dans ces régions pourraient mener à des maladies, car des protéines similaires chez l'homme sont liées à des troubles neurologiques. Ce travail démontre que, bien que l'évolution ait créé des outils spécialisés pour différentes étapes du processus, ils partagent toujours un schéma directeur commun qui peut être échangé et adapté sous les bonnes conditions.