Le fonctionnement des êtres vivants est assuré par un ensemble de réactions physico-chimiques catalysées par des protéines appelées les enzymes [2,3]. Les enzymes sont synthétisées dans les cellules en fonction des besoins de l'organisme. L'information nécessaire à cette synthèse ainsi qu'à celle des protéines structurales est stockée dans chaque cellule au sein de macromolécules d'Acide DésoxyriboNucléique (ADN).

La structure de l'ADN a été élucidée en 1953 par Watson et Crick[1], c'est un polymère de nucléotides , composés chacun de trois parties (figure 1) :

 

Figure 1. Structure de l'ADN (I) : le nucléotide.

 

Les bases A-T et G-C sont complémentaires et l'ADN est en fait formé de deux brins de polymères dans lesquels chaque base d'un brin est en interaction avec son complémentaire par liaisons hydrogène (figure 2). Le double brin présente une structure hélicoïdale (figure 3), on parle de « structure en double hélice » pour l'ADN [4]. L'ordre dans lequel les bases sont enchaînées dans l'ADN constitue le code de l'information génétique : chaque protéine est codée par une séquence particulière appelée un gène.

 

Figure 2. Structure de l'ADN (II) : complémentarité des bases, paires A-T et G-C.

 

 

Figure 3. Structure de l'ADN (III) : structure en double hélice pour une portion d'ADN de vingt paires de bases.  Figure de gauche : trace des deux brins en violet et bleu. Figure de droite : structure détaillée, en violet : sucre + phosphate, en bleu : A, en jaune : T, en vert : G, en rouge : cytosine.

Les biologistes divisent le vivant en deux grandes familles d'organismes en fonction de l'existence ou non d'un noyau cellulaire dans lequel est confiné l'ADN. Ils distinguent ainsi :

Dans le cas des eucaryotes, l'ADN ne quitte jamais le noyau. Or les ribosomes, qui sont les organites qui synthétisent les enzymes, sont situés dans le cytoplasme, à l'extérieur du noyau. Il faut donc transférer l'information, depuis le noyau vers le cytoplasme. C'est le rôle de l'acide ribonucléique (ARN), copie du gène, qui va quitter le noyau pour rejoindre les ribosomes où il sera traduit en enzyme. La synthèse de l'ARN à partir de l'ADN au sein du noyau est appelée la transcription.

La transcription de l'ADN en ARN se déroule selon les étapes suivantes :

 

Figure 4. Structure de l'uracile.

 

Ce schéma n'est qu'une version simplifiée de ce qui se déroule réellement, la polymérase agit en fait conjointement à d'autres protéines indispensables à la transcription [2,5]. Cinq d'entre elles sont appelées les « cofacteurs de transcription », elles reconnaissent le promoteur et s'y fixent puis forment un complexe avec la polymérase. Il intervient également des protéines activatrices ou inhibitrices de la polymérase ainsi qu'un complexe d'une vingtaine de protéines appelé le médiateur qui permet de transmettre les informations de régulation depuis les inhibiteurs ou activateurs jusqu'à la polymérase. Le grand nombre des protéines mises en jeu rend le processus de transcription très complexe mais en permet une régulation très fine.

La contribution pour laquelle Kornberg est plus particulièrement récompensé est l'obtention de structures cristallographiques de la machinerie de transcription en pleine action.

La cristallographie est une technique qui permet d'accéder à la structure microscopique de la matière grâce à l'interprétation de la figure de diffraction des rayons X par le réseau cristallin.

En 2001, Kornberg et ses collaborateurs résolvent la structure d'une ARN-polymérase de levure, organisme eucaryote au sein duquel cette enzyme présente des analogies importantes avec la forme humaine [6]. La résolution est de 0,28 nm (2,8 Å), ce qui permet un niveau de détail très élevé : on parle de « résolution atomique » puisque le rayon des atomes est de l'ordre de 0,1 nm. Les premières structures décrites montrent que la polymérase sépare effectivement les deux brins d'ADN et maintient le brin support dans une position particulière. Il se forme alors en face du nucléotide de l'ADN à transcrire une minuscule cavité parfaitement adaptée à son nucléotide complémentaire et uniquement à celui-ci (cf figure 2). Cela explique la très grande sélectivité du processus d'appariement des bases, sélectivité indispensable pour limiter les erreurs de transcription qui sont à l'origine de cancers et d'autres maladies graves si leur nombre dépasse une sur dix mille.

 

Figure 5. Processus de transcription. Structure de l'ARN-polymerase. L'enzyme est en blanc, la double hélice d'ADN en bleu et l'ARN en cours de formation en rouge. La structure en forme de ressort en vert permet de faire avancer le brin d'ADN dans l'enzyme. Image : communiqué de presse de la fondation Nobel.

Ces travaux sont révolutionnaires car Kornberg a trouvé un moyen de geler la transcription en cours de réalisation. Pour y arriver, il a omis d'introduire une substance qui n'intervient qu'au milieu du mécanisme mais qui est indispensable à son bon déroulement. Le système se fige alors en cours de transcription ce qui laisse le temps de le purifier par une chromatographie d'adsorption puis de le cristalliser afin d'accéder à sa structure par diffraction des rayons X. Avant ces travaux, seules les structures des molécules de départ ou en fin de processus étaient accessibles. Le déroulement de la transcription à l'échelle moléculaire était seulement formulé sous forme d'hypothèses. La technique développée par Kornberg et son équipe a permis d'obtenir une douzaine d'image de la transcription à différents stades, permettant ainsi la première interprétation dynamique du processus.