Mechanisms and evolution of the ribonucleoprotein complexes involved in the tRNA-dependent amino acid biosynthesis

La traduction implique l’utilisation d’aminoacyl-ARNt produits par les aminoacyl-ARNt synthétases (aaRS). Il devrait exister 20 aaRS, une spécifique de chaque acide aminé. Or, les données actuelles montrent qu’une grande majorité des organismes ne possèdent pas l’asparaginyl- (AsnRS) et/ou la glutaminyl-ARNt synthétase (GlnRS). Ils ne peuvent synthétiser l’Asn-ARNtAsn et le Gln-ARNtGln que par l’utilisation de voies impliquant la formation préalable d’aspartyl-ARNtAsn et/ou de glutamyl-ARNtGln. Ces précurseurs « mésacylés » sont synthétisés par une aspartyl-ARNt synthétase et/ou une glutamyl-ARNt synthétase non-discriminantes (AspRS-ND ou GluRS-ND). Ils sont ensuite amidés par une amidotransférase (AdT), pour fournir à la cellule l’Asn-ARNtAsn et/ou le Gln-ARNtGln nécessaires à la traduction des codons Asn et Gln.Ce travail de thèse, effectué dans le contexte biologique de deux organismes différents, Thermus thermophilus et Helicobacter pylori, a permis de montrer que les étapes enzymatiques – formation du précurseur, et amidation par l’AdT – sont réalisées au sein de complexes ribonucléoprotéiques, réunissant l’aaRS-ND, l’ARNtAsn ou l’ARNtGln, et l’AdT : l’Asn-transamidosome ou le Gln-transamidosome. Selon leur origine ou la voie à laquelle ils appartiennent (asparaginylation ou glutaminylation), ces complexes possèdent des particularités mécanistiques et structurales très différentes, mais sont tous adaptés pour éviter la libération des intermédiaires mésacylés toxiques par des stratégies spécifiques. Ce travail permet de mieux comprendre les mécanismes évolutifs qui ont conduit à l’incorporation de l’Asn et de la Gln dans le code génétique.Protein synthesis requires the biosynthesis of aminoacyl-tRNAs by aminoacyl-tRNA synthétases (aaRS). Since 20 amino acids are présent within the genetic code, 20 aaRS should be used by a single organism. However, the vast majority of organisms found today are deprived of asparaginyl- and/or glutaminyl-tRNA synthetases (Asn- or GlnRS). They can only synthesize Asn-tRNAAsn and/or Gln-tRNAGln through biosynthesis pathways involving the preliminary formation of aspartyl-tRNAAsn and /or glutamyl-tRNAGln. Those « misacylated » precursors are synthesized by so called non-discriminating aspartyl- or glutamyl-tRNA synthetases (ND-AspRS or –GluRS). Then, they are transferred to an amidotransferase (AdT) to provide the Asn-tRNAAsn and/or Gln-tRNAGln species (necessary to fuel protein synthesis) through amidation.This work was performed in the context of two organisms – Thermus thermophilus and Helicobacter pylori. It showed that the two enzymatic steps of asparaginylation and glutaminylation – biosynthesis of the misacylated precursor and amidation by AdT – are carried out within a single ribonucleoprotein complex, namely the (Asn- or Gln-) transamidosome, gathering the ND-aaRS necessary for the misacylation, the tRNA substrate (Asn or Gln) and the AdT. According to their origin or the pathway they originate from (asparaginylation or glutaminylation), those complexes display significant mechanistical and structural peculiarities, but they are all adapted to prevent libération of the toxic misacylated species through specific strategies. This work shed new light on the évolutive mechanisms that led to the incorporation of Asn or Gln into the genetic code