Comment la vie est-elle apparue sur Terre? Une question à la fois difficile et fascinante

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1 3. L origine de la vie Comment la vie est-elle apparue sur Terre? Une question à la fois difficile et fascinante... pouvant aussi alimenter des réflexions plus philosophiques? ;-) La question reformulée : code génétique réplication ADN transcription ARN traduction protéine information catalyse, structures cellulaires = fonction Quelles sont les étapes du processus évolutif prébiologique qui ont conduit à l'apparition de ce système?

2 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) - dans la "soupe prébiotique" : assemblage dans certaines conditions de polymères ou macromolécules, dont certains sont des catalyseurs, mais ces formes rares sont instables et ne peuvent donc se maintenir - événement clé: apparition de catalyseurs auto-réplicatifs : évolution de type darwinien : par variation-sélection, la fonction d'auto-réplication est de plus en plus performante

3 Question: nature chimique de ces catalyseurs auto-réplicatifs initiaux? Hypothèse : ces catalyseurs primordiaux = ARNs hypothèse du monde des ARNs (" RNA world ") Pq des ARNs? Car les propriétés de catalyse et de support d'information peuvent être contenues dans la même molécule Ribozyme (1) auto-réplicatif : + + _ + _ + ARN polymérase synthèse préalable d'un ARN complémentaire (-) du ribozyme, que le ribozyme utilise ensuite comme matrice pour synthétiser des copies complémentaires (+), cad de lui-même, grâce à son activité ARN polymérase. (1) ribozyme = ARN catalytique (enzyme)

4 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 nouveau catalyseur répliqué par le catalyseur initial et favorisant l'activité de ce dernier (1) ribozyme ARN pol ase (auto-réplicateur initial) 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 (-),...

5 Le système coopératif d ARNs pourra se maintenir plus facilement s'il est confiné : apparition à un certain stade de membranes lipidiques? + Des études récentes montrent qu'une synthèse de phospholipides est possible dans des conditions chimiques particulières, à haute t : 3 CO + H 2 O ê 2 CO 2 + -CH 2 - alcanoles dihydrogénophosphate d ammonium NH 4 H 2 PO 4 (1 eq.) + urée (H 2 N) 2 CO (10 eq.) 100 C, 24h 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).

6 Autre étape clé -> évolution vers un système d'arns coopératifs devenant capable de synthétiser un nouveau type de macromolécule, les protéines (1), ce qui sera couplé à l'apparition d'un code génétique : 1 ère étape : (2) (3) Apparition de "cofacteurs " formés de l association covalente entre un petit ARN et un acide aminé hybridation complémentaire ribozyme 1 ou >1 ribozyme-cofacteur(s) plus performant (par apport d'un aa) (1) A noter : les ARNs sont LES acteurs de la synthèse protéique dans les systèmes actuels (2) (3) Ribozyme à activité de type aminoacyl-arnt synthétase ARN de type aminoacyl-arnt

7 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 2 de étape : (3) (4) 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

8 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 code génétique réplication ARN traduction protéine Protocellule

9 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 vers le dernier ancêtre commun universel (LUCA) : code génétique réplication ADN transcription ARN traduction protéine

10 3.2 Exemples de recherches en soutien de ce scénario Synthèse de nucléotides à partir de quelques composés chimiques simples glycoaldéhyde glycéraldéhyde ion phosphate cyanoacétylène cyanamide CMP-2,3-phosphate cyclique Se produit dans des conditions compatibles avec les conditions géochimiques primitives

11 3.2.2 Evolution in vitro de molécules d ARN A permis d'isoler des ribozymes étonnamment variés copié en ADN (par transcriptase inverse) en réalisant des erreurs (mutations) Ex : isolement d'un ARN à activité kinase (capable de s'autophosphoryler) Principe de l'expérience : 1. Synthèse chimique de molécules d'adn monobrin de séquences aléatoires et copie du brin complémentaire > ADN double-brin 2. Copie par une ARN polymérase des ADNs 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 - HP0 2 S 4. Purification sur colonne des ARNs porteur d'un S 5. Les ARNs purifiés sont copiés par la transcriptase inverse en ADNs complémentaires (cdna) dans des conditions favorisant des erreurs de copie -> nombreux variants, 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

12 Ex. de réactions biochimiques catalysées par des ribozymes naturels ou artificiels : 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 isolés par évolution in vitro - "Self-ligation" en 5' d'un ARN (1) ARNs isolés par évolution in vitro - Aminoacylation d'arn ARNs isolés par évolution in vitro - Formation de lien glycosidique ARNs isolés par évolution in vitro - Phosphorylation d'adn ou d'arn ARNs isolés par évolution in vitro - Clivage de lien amide (peptidique) ARNs isolés par évolution in vitro (1) Ex : ribozyme ligase de classe 1 : isolée à partir d'un pool de ARNs de 220 nt de long 5' 3' ligation en 5'

13 Des exp. d'évolution in vitro ont aussi permis d'isoler, à partir d'un ARN ligase de classe 1, un ARN à activité ARN polymérase, appelé "R18", capable de se lier à un ARN matrice et de synthétiser un ARN complémentaire!! : Longueur des ARNs synthétisés et influence de l'arn matrice : R18 : ARNs courts, sur certains ARNs matrices seulement tc19 : ARNs longs, sur certains ARNs matrices seulement Z : ARNs courts, sur toutes les matrices tc19z : ARNs longs, sur toutes les matrices R18 a lui-même été "amélioré", par évolution in-vitro et par ingénierie, pour donner le variant tc19z, nettement plus performant que R18 en tant qu'arn polymérase. Par ex., tc19z est capable de "copier" un autre ribozyme à activité nucléase.

14 3.3 La théorie des gènes égoïstes (selfish DNA) Deux manières de considérer un être vivant comme E. coli:.. l'information au service de la fonction (vision classique) ou.... la fonction au service de l'information (R. Dawkins)

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