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Pourquoi l'uracile, plutôt que la thymine, est-il utilisé dans l'ARN ?

Pourquoi l'uracile, plutôt que la thymine, est-il utilisé dans l'ARN ?



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Cette question a été posée sur SE Biology il y a quelque temps, mais toutes les réponses, y compris celle acceptée, répondaient à un différent question à la place : « Pourquoi la thymine, plutôt que l'uracile, est-elle utilisée dans l'ADN ? ». J'ai donc changé le titre pour qu'il corresponde aux réponses, en notifiant que, si le changement était approuvé, je posterais moi-même la question originale séparément (et y répondrais, si nécessaire). C'est ici:

On pense que la thymine a remplacé l'uracile (la base de l'ARN) dans l'ADN en raison des effets délétères de la lente désamination spontanée de la cytosine en uracile : en employant la thymine au lieu de l'uracile, tout l'uracile dans l'ADN serait clairement aberrante, permettant à un mécanisme de réparation spécifique (impliquant l'uracile ADN glycosylase) d'évoluer en toute impunité. Comme cela était clairement avantageux, pourquoi l'ARN n'a-t-il pas également évolué pour utiliser la thymine au lieu de l'uracile ?

N.B. Par « pourquoi ? » Je veux dire "comment peut-on rationaliser le fait que?". Évidemment, la réponse à ce type de question n'est pas, et ne peut probablement pas être, connue avec certitude.


Quelle que soit la question† qui vient en premier*, ARN ou ADN, il est possible de rationaliser l'absence de thymine dans l'ARN par une analyse coût-bénéfice. L'utilisation de la thymine a un coût, il doit donc y avoir suffisamment d'avantages pour que cela en vaille la peine.

Coût de l'utilisation de la thymine plutôt que de l'uracile

Le coût le plus évident de l'utilisation de la thymine est le besoin énergétique pour sa synthèse (en termes de pouvoir réducteur - NADPH).

Une conversion analogue de rUMP en rTMP (si elle existait) entraînerait des coûts similaires. (Il peut y avoir des frais supplémentaires, mais ils peuvent être litigieux et cela est incontestable, cela suffira donc.)

Avantage d'utiliser la thymine plutôt que l'uracile

Pour ADN l'avantage est clair et indiqué dans la question. En n'utilisant pas l'uracile comme complément de l'adénine, l'uracile produit par désamination spontanée de la cytosine peut être reconnu comme aberrant et éliminé par les systèmes de réparation de relecture de l'ADN. Cela donne vraisemblablement à l'organisme un avantage (bénéfice) en réduisant les mutations nocives de l'ADN - le matériel génétique.

ARN n'est pas le matériel génétique des organismes autonomes contemporains. Par conséquent, les désaminations C à U non réparées n'affecteront pas cet aspect de la viabilité d'un organisme. À quel point seront-ils sérieux pour la cellule, cependant? Les ARN les plus gros et les plus durables sont les ARN ribosomiques structurels. De telles mutations dans l'ARNr des cellules pourraient n'avoir aucun effet sur la fonction des ribosomes, car on pense qu'une grande partie de l'ARN est structurelle. Cependant, même s'ils le faisaient, l'inactivation d'un petit pourcentage des ribosomes d'une cellule aurait peu d'impact sur la synthèse des protéines. De même pour les petites molécules d'ARNt.

L'ARN messager pose un problème différent car nous pouvons conclure que les protéines aberrantes fabriquées à partir d'ARNm mutant sont dangereuses pour la cellule du fait qu'un mécanisme de relecture existe pour corriger les erreurs dans la charge (aminoacylation) des ARNt. Je dirais que la demi-vie relativement courte de l'ARNm par rapport à la fréquence de désamination de la cytosine signifie que ce dernier processus n'est pas responsable d'une quantité significative d'ARNm mutant.

Conclusion

Les avantages de l'utilisation de la thymine - avec un système de réparation - dans l'ARN seraient marginaux et ne vaudraient donc pas le coût énergétique que cela entraînerait.

†Note de bas de page : nous n'avons pas besoin de discuter pour savoir quel acide nucléique est venu en premier

Les voies métaboliques actuelles pour la formation de dTTP à partir de dUTP et la réduction du ribose en désoxyribose sont fortement suggestives tome que l'ARN a précédé l'ADN dans l'évolution. (Ils ne suggèrent rien sur le fait que l'ARN ait précédé la protéine.) Cependant, la rationalisation présentée ici ne nécessite pas cette hypothèse. Si l'ADN venait en premier et que l'ARN avait initialement T au lieu de U, la justification pourrait être utilisée pour expliquer pourquoi l'ARN a changé les bases de T en U. En effet, la justification peut être utilisée par ceux qui ne croient même pas à l'évolution - ils pourraient argumenter ( et probablement le font) qu'une divinité a créé des choses de cette façon parce que c'était plus efficace en termes de coût-bénéfice.


Il est difficile de répondre avec précision à cette question car elle touche à l'origine de l'hypothèse de la vie. Dans l'hypothèse du monde de l'ARN, l'ARN est la « vie » originale qui est capable de catalyser sa propre auto-réplication. Il existe diverses preuves à l'appui de cette hypothèse. La structure de l'uracile est relativement facile à synthétiser dans des réactions qui pourraient vraisemblablement avoir lieu dans les premières conditions de la Terre. Il se pourrait que l'ARN ait utilisé l'uracile simplement à cause de son abondance dans la nature. Cela semble être le cas pour l'utilisation de l'Adénine dans l'ATP. La guanine peut également être utilisée dans une molécule porteuse d'énergie GTP, mais ces instances sont largement surpassées en nombre par l'ATP.

Cependant, il n'y a pas de théorie établie sur la raison pour laquelle l'ARN utilise l'uracile au lieu de la thymine ou l'ADN utilise la thymine au lieu de l'uracile. Seulement beaucoup de preuves circonstancielles. L'argument inverse pour l'utilisation de la thymine par l'ADN pourrait également soutenir l'utilisation de l'uracile par l'ARN. Dans un environnement compétitif, un taux de mutation plus élevé offert par la désamination de la cytosine en uracile peut avoir été un avantage pour promouvoir rapidement le changement.