Impact of the conformational shifts on the hairpin ribozyme reactivity

Impact des changements conformationnels sur la réactivité du ribozyme à épingle à cheveux L'hypothèse du monde à ARN place l'ARN comme une molécule centrale dans l'émergence prébiotique de la vie, capable à la fois de stocker des informations génétiques et de catalyser des réactions chimiques. Les ribozymes, séquences d'ARN aux propriétés catalytiques, pourraient ainsi avoir joué un rôle fondamental, notamment dans la formation de réseaux auto-réplicatifs en conditions abiotiques, en l'absence d'enzymes protéiques. Pourtant, les ligases à ARN typiques sont trop complexes pour s'être formées spontanément, et les petits ribozymes tendent à favoriser le clivage des liaisons phosphodiester plutôt que leur ligation. Pour explorer le lien entre la longueur des séquences et leurs propriétés catalytiques, nous considérons le ribozyme en épingle à cheveux comme système modèle. Catalysant, sans assistance ionique, la ligation de l'une de ses liaisons phosphodiester, ce petit ribozyme présente une cinétique de catalyse dépendante à la longueur de sa séquence, avec une ligation accélérée chez sa version complète (113 nucléotides) comparée à sa version tronquée (61 nucléotides). Le mécanisme réactionnel demeure non élucidé à ce jour, l'observation expérimentale directe étant impossible de par la nature auto-réactive du ribozyme. Au moyen de simulations de dynamique moléculaire (MD) combinées à des techniques d'échantillonnage avancées, nous visons ici à pallier ces limitations expérimentales en observant, à l'échelle atomistique, la dynamique du ribozyme en épingle à cheveux fonctionnel, nous permettant d'appréhender les facteurs structuraux et énergétiques sous-jacents à son comportement catalytique. Nos simulations révèlent un paysage conformationnel inattendu : la conformation privilégiée dans le cas du mécanisme dianionique est métastable, appuyant l'hypothèse du mécanisme monoanionique en ligne. Nous avons poursuivi en échantillonnant les différents états de protonation, des états clivés aux états liés, fournissant des structures réactives et produits pour une future procédure QM/MM comparée des deux options mécanistiques. Nos travaux soulignent la nécessité d'utiliser des méthodes d'échantillonnage avancées pour garantir une exploration conformationnelle fiable, au-delà des simulations classiques. Si la version complète du ribozyme en épingle à cheveux présente le même comportement que sa version tronquée en ce qui concerne ses états de protonation, suggérant un mécanisme catalytique commun, elle présente une plus grande accessibilité aux états réactifs. Notre analyse, écartant au passage l'hypothèse d'un effet de séquence, suggère l'existence de contacts tertiaires à longue portée stabilisant l'arrangement réactif. Enfin, nous avons évalué l'impact du groupe méthyle sur le groupe nucléophile qui est présent dans les structures cristallographiques du ribozyme. Étant auto-réactif, le ribozyme doit être inhibé chimiquement par méthylation pour pouvoir accéder expérimentalement à sa structure. Nos simulations du ribozyme méthylé en solution et dans sa structure cristalline solide viennent remettre en question l'interprétation traditionnelle de l'effet de la méthylation sur la géométrie des acides nucléiques. Les travaux développés au sein de cette thèse contribuent à améliorer la compréhension des phénomènes reliant la longueur des séquences d'ARN, la dynamique structurelle et l'efficacité catalytique. En identifiant les facteurs qui augmentent la réactivité du ribozyme en épingle à cheveux et en apportant des éclaircissements sur son mécanisme, nous visons à contribuer à la conception de ribozymes réduits, plausibles prébiotiquement et capables d'auto-réplication.