Dans mon laboratoire, nous nous intéressons à líoptimisation des capacités fonctionnelles et structurales des molécules du vivant, acides nucléiques, peptides et protéines.
Plusieurs arguments théoriques et expérimentaux conduisent à líhypothèse selon laquelle líARN aurait été précédé dans líévolution par des polymères contenant des analogues de nucléotides.
En étudiant ces briques élémentaires du vivant, nous avons remarqué que le N6 ribosyl-adénine, un composé synthétisable dans des conditions prébiotiques, possède un imidazole libre et est donc un analogue potentiel díun acide aminé classique : líhistidine. Nous avons synthétisé ce composé au laboratoire et avons montré quíil était aussi actif que líhistidine dans la réaction modèle díhydrolyse du p-nitrophénylacétate (Maurel et Ninio 1987; Maurel et Convert, 1990). De plus de nombreux travaux montrent que des dérivés N6 ou N3-ribosyl-purine ont pu être des maillons essentiels entre le monde des protéines et le monde de líARN (Maurel, 1992). Il est également important de noter que certaines bases puriques ont été identifiées dans la météorite de Murchison (Stoks et Schwartz, 1981).Nous avons par la suite montré que des polymères analogues díacides nucléiques, tels que les poly(allylamines) qui ont incorporé des cycles adénine N6-substitués présentent une activité catalytique fortement accélérée dans líhydrolyse des PNPesters (Maurel et Décout, 1992, 1993, 1995 a et b). Une étude théorique et expérimentale couplée nous a permis díémettre des hypothèses concernant la coopérativité cinétique des catalyseurs prébiotiques (Ricard, Vergne, Décout et Maurel, 1996).
Nous avons également mis au point au laboratoire la méthode SELEX (évolution sytématique de ligands par amplification exponentielle) afin díobtenir des aptamères ARN pour líadénine. Après 12 cycles de sélection, 9 ARN différents ont été obtenus. Ces ARN possèdent en commun 8 nucléotides invariants qui pourraient jouer un rôle important dans la liaison avec líadénine. LíARN 12 E4 qui a un Kd de 10mM à température, et de 2mM à 4°C a été choisi pour les études ultérieures. Les profils de digestion aux Rnases suggèrent que la boucle terminale à 3 bases non appariées interagit directement avec la cible contribuant à la formation díun site de liaison à líadénine. Líétude des affinités de líaptamère avec díautres purines révèle líimplication díinteractions faibles de type hydrophobe et des liaisons hydrogène avec le groupe 6-NH2 de líadénine.
Líadénine et les composés adénylés occupent une place centrale dans le métabolisme contemporain et, on dispose díindices majeurs concernant leurs rôles dans líévolution primitive. Nous sélectionnons actuellement de nouveaux aptamères capables díutiliser líadénine comme cofacteur de clivage díun oligonucléotide. De tels travaux pourraient avoir des implications dans le domaine de líévolution, car les ribozymes capables díutiliser des cofacteurs prébiotiques sont considérés comme des vestiges du ì monde de líARN î. Des ARNs liant des cofacteurs, acides aminés ou analogues ont pu servir díéchafaudage, modélisant les relations entre un ARNt primitif et des groupes réactifs, étape de pré-adaptation qui a conduit à líémergence du code génétique moderne. (Vergne et al, 1996, 1999, 2000; Meli et al, 2001, 2002).
Un autre axe de recherche a débuté à líoccasion de mon séjour, en 1997, dans le laboratoire du Dr. L.E. Orgel au Salk Institute for Biological Studies. Il síagit de la synthèse díoligopeptides par activation de la fonction carboxylique des acides aminés. Nous avons montré que la synthèse peptidique est possible en absence de tout agent de condensation chimique si líon utilise des acides aminés thiolés. Des peptides ont été obtenus par condensation (oligomérisation) et par élongation díune amorce (Maurel et Orgel, 2000). Une atmosphère primitive riche en soufre est plausible, et le soufre a dû jouer un rôle important au cours des premières étapes métaboliques.
Nous travaillons actuellement à la réalisation de telles synthèses dans des milieux compartimentés (collaboration avec Dr. D. Deamer) tels que des liposomes. Si ce type de réactions se produit dans des vésicules cela pourrait donner des indications importantes sur les contraintes nécessaires aux premières étapes biochimiques de la vie cellulaire.
We are interested in the optimization of the functional and structural capacities of molecules of life, nucleic acids, peptides and proteins.
Several lines of reasoning lead to the idea that RNA was preceded in evolution by polymers containing analogs of nucleotides.
In our search for such primitive building blocks, we noticed that N6-ribosyl -adenine, a compound easily synthesized under prebiotic conditions has a free imidazole, a chemically reactive group, and is therefore a potential analog of a classical amino acid, namely histidine. We synthesized this compound and showed that it was indeed as active as histidine in the hydrolysis of paranitrophenyl acetate, a model substrate often used in studying enzymes catalyzing esterase-type reactions (Maurel and Ninio 1987; Maurel and Convert, 1990). Furthermore, numerous studies have shown that compounds like N6 or N3-ribosyl-purine could have been essential links between the protein and the RNA worlds (Maurel, 1992). It is also very interesting to note that some of the purine bases of nucleic acids have been identified in the Murchison meteorite (Stoks and Schwartz, 1981).
Pursuing this line of investigation we have shown that nucleic acid-like polymers such as poly(allylamine)s incorporating N6-substituted adenine rings exhibit pronounced catalytic activities in the hydrolysis of PNPesters (Maurel et Décout, 1992, 1993, 1995 a et b). A coupled experimental and theoretical study allowed us to speculate about the origin of kinetic co-operativity in prebiotic catalysts (Ricard et al, 1996).
We are currently using SELEX methods (systematic evolution of ligands by exponential amplification) to obtain RNA aptamers for adenine. We performed 12 selection rounds, 9 different RNAs were obtained sharing a consensus signature of 8 invariant nucleotides which must be critical for adenine binding. RNA12 E4 with a Kd for adenine of 10 mM at room temperature, and 2mM at 4°C was chosen for further studies. RNase digestion patterns suggest that a terminal hairpin loop with 3 unpaired bases interacts with the target, contributing to the formation of the adenine binding site. Analysis of the RNA aptamer affinity with other purine analogs reveals a mode of purine recognition involving weak hydrophobic stacking interactions with the entire purine ring and stronger hydrogen bonding with the 6-NH2 group of adenine.
Adenine and adenylated compounds play key roles in contemporary metabolism and there are evidences that they were already important in early evolution. We are now undertaking new selection experiments to obtain new RNA aptamers able to handle adenine as a cofactor to cleave an oligo-nucleotide target. Such studies experiments would have evolutionary implications since cofactor assisted ribozymes could be considered as remnants of RNA world ribozymes handling exogenous prebiotic reactive ligands as cofactors. RNAs binding specific cofactors, amino acids or analogs may have provided a kind of scaffold modeling early relationship between primeval tRNAs and specific reactive groups and they would have been pre-adaptation that leads to the emergence of the modern genetic apparatus. (Vergne et al, 1996, 1999, 2000; Meli et al, 2001, 2002).
Another line of investigation was inititated during my stay at The Salk Institute for Biological Studies (1997) with Dr. L.E Orgel. It concerns the synthesis of oligopeptides by activation of the carboxyl group of the monomers. It is possible to form peptide bonds without using conventional condensing agents, and we explore the suitability of thio-aminoacids. Firstly we synthesized thioglutamic acid which might give rise to peptides by oxydation. Reactions of autocondensation and of elongation of a primer were carried out and are being studied (Maurel et Orgel, 2000). It is also important to note that a sulfur-rich primitive atmosphere is consistent with astrophysical studies and must be taken into account for a sulfur-metabolizing step in prebiotic evolution.
We are also involved in encapsulated reactions (collaboration with Dr. D. Deamer). If the polymerization reaction described above can proceed in a microscopic compartment such as liposome vesicles, it will represent an important step toward a model system that has some of the properties of early cellular life. Furthermore, encapsulated thioacids, together with a prebiotically plausible oxidizing agent such as nitrite or nitrate would be promising sources of peptide synthesis in cellular compartments.