Deux biopolymères sont venus dominer la machinerie enzymatique et codante de la vie contemporaine : les polypeptides et les polynucléotides. Ces molécules présentent toutes deux des caractéristiques d’auto-assemblage extrêmement bien adaptées, bien qu’utilisant des stratégies d’auto-assemblage orthogonales. Dans la vie contemporaine, le ribosome permet la circulation d’informations entre ces deux biopolymères divergents mais corrélés. Cette revue traite de la relation entre ces deux biopolymères, en mettant l’accent sur l’évolution précoce du ribosome.

Charles Darwin a observé que « fromdepuis un début si simple, les formes infinies les plus belles et les plus merveilleuses ont été et sont en train d’évoluer ». Nous savons maintenant que la biodiversité sur terre diminue et diminue. Les formes évoluent et les formes s’éteignent, mais pas à l’état stable. L’explosion cambrienne, il y a environ 540 millions d’années, a marqué une augmentation relativement rapide de la diversité. Les cataclysmes, en particulier les extinctions Permien–Trias (251 Mya) et Crétacé–Paléogène (65 Mya), ont diminué la diversité.

La vie est simple. Si l’on regarde les molécules, l’étendue de la diversité de Darwin est considérée comme illusoire. Les formes ne sont pas infinies, et elles sont restées essentiellement constantes au cours des derniers milliards d’années d’évolution. La biologie précoce a réduit la diversité des molécules, plutôt que de l’intensifier. La complexité chimique, intégrée à tous les systèmes biologiques sur terre, est inférieure à la diversité même d’un petit système abiotique confiné tel qu’une météorite chondritique ou l’une des expériences de décharge d’étincelles de Stanley Miller. Au niveau des biopolymères, la diversité est encore plus flétrie. Seulement deux dorsales polymères, le polynucléotide (ADN / ARN) et le polypeptide (protéine), dominent la vie et lui sont universelles. Les propriétés d’auto-assemblage inégalées des polynucléotides et des polypeptides ont chassé les polymères concurrents de la biosphère.

Pourquoi deux dorsales en polymère? Pourquoi pas un ou trois ? Quelles sont les caractéristiques distinctives de nos biopolymères? Ces deux forment un Yin et un Yang de structure biomoléculaire (Figure 1). Le schéma d’assemblage utilisé par les polynucléotides est l’inverse direct du schéma utilisé par les polypeptides. Les polynucléotides sont des polypeptides à travers le miroir, et vice versa.

Les polynucléotides s’assemblent par des interactions de liaison hydrogène entre les chaînes latérales (c’est-à-dire entre les bases, figure 2). L’épine dorsale est auto-répulsive et se trouve à l’extérieur du noyau de la chaîne latérale, exposée à l’environnement aqueux (figure 3). Dans l’appariement Watson-Crick entre bases, la disposition spatiale des donneurs/ accepteurs de liaison hydrogène de la cytosine est complémentaire de celle de la guanine. L’adénine est complémentaire de la thymine/ uracile. Les planarités des bases nucléotidiques sont également essentielles à leur assemblage. Base – l’empilement de la base (figure 3) est au moins aussi important pour la stabilité que l’appariement de la base. L’ARN est plus complexe que l’ADN, avec de nombreuses paires de bases « non canoniques ».

Les polypeptides s’assemblent par des interactions de liaison hydrogène entre les atomes du squelette (Figure 4). Le squelette polypeptidique est auto-complémentaire et cohésif, avec des donneurs et des accepteurs de liaison hydrogène espacés de manière appropriée. L’auto-complémentarité du polypeptide s’applique à la fois aux hélices α et aux feuilles β, qui sont les éléments d’assemblage dominants des protéines pliées. Pour les hélices α et les feuilles β, tous les donneurs et accepteurs de liaison hydrogène sont satisfaits et les chaînes latérales sont dirigées vers l’extérieur, loin du noyau de la colonne vertébrale. Par conséquent, le squelette polypeptidique contient un commutateur inhérent: les hélices et les feuilles peuvent s’interconvertir.

Nous pouvons nous demander si la biologie telle que nous la connaissons nécessite exactement deux types inverses de biopolymères dominants, un Yin et un Yang d’auto-assemblage (Figure 1). Je dirais oui. Le polypeptide fonctionnel et le polynucléotide informationnel ont donné naissance l’un à l’autre dans une danse extravagante de co-évolution. Il n’y avait pas de Monde d’ARN, tel que décrit classiquement, à mon avis. Ces polymères opposés polaires sont interconnectés et interdépendants dans leurs racines évolutives les plus profondes. Les fonctions distinctives et nécessaires des deux polymères dominants de la biologie sont directement indiquées par leurs schémas d’auto-assemblage. Comme l’ont exprimé Watson et Crick, « l’appariement spécifique que nous avons postulé suggère immédiatement un mécanisme de copie possible pour le matériel génétique. »Les structures repliées des protéines fibreuses et globulaires, composées principalement d’hélices α et de feuilles β, signalent de la même manière leurs fonctions.

Traduction et le ribosome. En traduction, l’information est transduite du polynucléotide au polypeptide. Lors de la traduction, le Yin de la biologie se connecte directement au Yang. Étant donné que les principes d’assemblage de ces deux polymères sont inverses l’un de l’autre (sidechain-sidechain versus backbone-backbone), un processus élaboré de modélisation indirecte est nécessaire pour le processus de transduction. Les assemblages macromoléculaires de traduction, composés à la fois de polynucléotide et de polypeptide, accomplissent cette tâche et, ce faisant, définissent la vie et distinguent la vie de la non-vie.

Le ribosome est composé d’une petite sous-unité (SSU) qui décode le message et d’une grande sous-unité (LSU) qui catalyse le transfert peptidylique. Le ribosome et la traduction sont quelques-uns de nos liens les plus directs avec le passé évolutif profond et avec l’origine de la vie. Cette coterie de macromolécules et d’ions est la mieux conservée des anciennes machines moléculaires de la vie, et elle est composée de dorsales, de séquences et d’assemblages de polymères congelés primordiaux.

Le Modèle de Cooptation de l’Évolution ribosomique. Le modèle d’évolution ribosomique le plus largement accepté est le « modèle de cooptation ». Dans ce modèle, (a) les ancêtres de la SSU et de la LSU sont nés et ont évolué indépendamment l’un de l’autre, avec des fonctionnalités autonomes, (b) un ancêtre de la LSU, incompétent pour l’assemblage avec la SSU, contenait la PTC (Peptidyl Transférase Center), et catalysait la production non codée d’oligomères hétérogènes de peptides, esters, thioesters et potentiellement d’autres polymères, © un ancêtre de la SSU avait une fonction plus provisoire mais pouvait impliquer une polymérisation de l’ARN, (d) certains des produits oligomères non codés de la PTC lié à la LSU naissante, conférant un avantage, (e) ancestral Les fonctions LSU et SSU liées, dans un processus de cooptation, permettant la synthèse de protéines codées, et (f) les oligomères non codés de polymères synthétisés associés au LSU ancestral fossilisés dans les queues de protéines ribosomiques qui pénètrent profondément dans le LSU existant. Dans le modèle de cooptation et d’autres modèles d’évolution ribosomique, les changements au cours de l’évolution sont limités à ceux qui maintiennent la structure et la fonction de PTC et de décodage. Le noyau catalytique de la LSU et le centre de décodage de la SSU sont des assemblages gelés antérieurs à la relation de coopération entre la LSU et la SSU.

Une ancienne « Enzyme. »La machine de traduction catalyse la condensation, l’une des transformations chimiques les plus anciennes et les plus durables de la biologie. Deux acides aminés sont réunis, formant une liaison peptidique et libérant une molécule d’eau, dans une ancienne transformation chimique antérieure à la biologie. Si l’on enlève ou remplace des composants de traduction plus modernes tels que les aminoacyl ARNt synthétases et la petite sous-unité ribosomique, le noyau catalytique du ribosome, le PTC, est considéré comme présentant toutes les caractéristiques d’une ancienne enzyme. Ici, le mot « enzyme » est destiné à désigner un catalyseur biologique et n’implique pas qu’il était constitué de protéines. Le PTC existant conserve une capacité de condensation non spécifique. C’est un piège à entropie brut qui, contrairement aux enzymes modernes, est incapable de stabiliser spécifiquement un état de transition. Le PTC a conservé la capacité de former une grande variété de produits de condensation, y compris des peptides, des esters, des thioesters, etc. . Le PTC ancestral était un « fabricant de saucisses », produisant un mélange non codé d’oligomères hétérogènes courts par condensation.

Résister au changement. La vie, à son essence biochimique, est le système chimique le plus résistant et le plus robuste de l’univers connu. Les métabolites de petites molécules, les dorsales polymères, les transformations chimiques et les systèmes biochimiques complexes que nous observons aujourd’hui dans le monde biologique sont traçables aux systèmes chimiques biotiques et même prébiotiques précoces. Beaucoup de molécules et de processus de la vie sont profondément gelés et sont restés invariants sur de vastes échelles de temps. Sur le plan chimique, le monde biologique qui nous entoure contient des « fossiles vivants » qui ont facilement plus de 3 milliards d’années. Nous les partitionnons conceptuellement en fossiles moléculaires (acides aminés, polypeptides, paires de bases, nucléosides, phosphates, polynucléotides, centres fer-soufre et certaines séquences de polymères) et en fossiles de processus (condensation, hydrolyse, phosphorylation, traduction et gluconéogenèse).

La vie existante nous permet de déduire des molécules, des voies, des structures et des assemblages de la vie ancienne. La vie conserve sa propre histoire et peut nous apprendre cette histoire. L’extraction des fossiles moléculaires et de processus de la vie est l’une de nos meilleures approches pour comprendre la biologie ancienne et l’origine de la vie.

Une Machine à Remonter Le Temps Moléculaire. Des informations importantes sur le ribosome ont été révélées par des structures tridimensionnelles à haute résolution provenant de régions disparates de l’arbre évolutif. Nous avons créé une machine temporelle moléculaire en découpant par calcul le LSU en un oignon (Figure 5), avec le PTC au cœur. Nous approchons le processus d’évolution ribosomique comme l’accrétion des coquilles de l’oignon. On peut marcher en arrière ou en avant dans le temps, en se déplaçant de coquille en coquille dans l’oignon. La partie la plus ancienne de l’oignon ribosomique est le centre (le PTC).

L’oignon ribosomique fournit une histoire détaillée et auto-cohérente des transitions biologiques anciennes. La densité des protéines ribosomiques est faible au centre de l’oignon et élevée dans les coquilles externes (figure 6A). Ainsi, le ribosome contient un enregistrement de l’introduction et de l’incorporation de protéines codées dans la biologie, et du développement du monde ADN / ARN / Protéine. Les segments de protéines ribosomiques près du centre de l’oignon sont dans des conformations inhabituelles « non canoniques », mais dans les coquilles externes de l’oignon sont pliés en formes globulaires classiques composées d’hélices α et de feuilles β (Figure 6B). Le ribosome a enregistré l’histoire du repliement des protéines.

Le ribosome en tant qu’oignon est un dispositif permettant de collecter et d’interpréter une quantité massive d’informations détaillées sur la biochimie ancienne. Nous avons ici abordé l’introduction des polypeptides à la biologie et le développement de protéines repliées. Le ribosome est un riche référentiel d’informations diverses pour ceux qui s’intéressent aux processus évolutifs anciens et à l’origine de la vie.

Résumé. La biochimie est généralement enseignée comme des faits, des structures et des réactions isolés, sortis de leur contexte explicatif. Une compréhension raisonnable des questions les plus profondes et les plus larges de la biologie nécessite une approche intégrée. La structure protéique ne peut être comprise que dans le contexte de la structure ADN / ARN, et vice versa. La relation inverse entre le polypeptide et l’assemblage polynucléotidique n’est claire qu’en comparaison et informe directement notre compréhension de la forme, de la fonction et de l’évolution. Le mauvais état actuel de l’intégration en biochimie est illustré dans les manuels modernes, qui continuent généralement à propager le schéma d’organisation du premier manuel de biochimie de Lehninger (1975). La structure des protéines est enseignée comme non pertinente et complètement déconnectée de la structure de l’acide nucléique.

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