Réplication de l'ADN

La réplication est le processus au cours duquel l'ADN est synthétisé grâce à l'ADN polymérase. Ce mécanisme autorise l'ADN d'être dupliqué (donc doublé).

Puisque les deux chaînes de l'ADN parental se séparent et que deux nouvelles molécules sont constituées, on qualifie ce processus de semi-conservateur.

L'ADN a l'importante propriété de se reproduire comme une copie conforme, ce autorise l'information de se transmettre d'une cellule mère aux cellules filles. La molécule d'ADN s'ouvre comme une fermeture Éclair (ou tirette — par rupture des liaisons hydrogènes entre bases appariées de liaisons faibles) libérant deux brins complémentaires. Chaque brin solitaire synthétise alors sa moitié manquante, intégrant, selon la règle de complémentarité des bases, des nucléotides qui sont dispersés dans le noyau. Ainsi, chaque nouvelle molécule est semblable à la molécule d'ADN d'origine.

La réplication va commencer à des lieux précis : les origines de réplications. Des protéines, les facteurs d'initiation de la réplication vont reconnaître ces lieux. Le rôle de ces facteurs d'initiation est de favoriser la fixation d'autres protéines qui elles aussi vont se fixer à ces origines de réplication. Ces protéines permettent l'ouverture des deux brins de l'ADN et ainsi "faire apparaître" des fourches de réplication.

La plupart de protéines interviennent dans le mécanisme moléculaire de la réplication de l'ADN formant le complexe enzymatique de réplication, nommé réplisome. Les enzymes et protéines intervenant dans la réplication de l'ADN sont homologues chez les eucaryotes et chez les Archæa mais sont différentes chez les bactéries.

La réplication de l'ADN : semi-conservatrice et bidirectionnelle ?

Le brin d'ADN qui sert de matrice à la réplication est le brin parental. Le nouveau brin complémentaire au brin parental est le brin fils. À l'issue de la réplication, chacune des deux molécules d'ADN nouvellement constituée est constituée d'un brin parental et d'un brin néoformé. On qualifie ce processus de semi-conservateur.

La réplication de l'ADN commence à partir d'une origine de réplication et progresse dans les deux sens à partir de ce point créant ainsi deux fourches de réplication. On dit que la réplication de l'ADN est bidirectionnelle.

La fourche de réplication

La fourche de réplication est la structure constituée quand l'ADN se réplique, et sur lesquelles l'ADN polymérase vient se fixer. L'ADN polymérase est une enzyme catalysant la formation des liaisons nucléotidiques. Le complexe enzymatique intervenant dans la réplication est nommé réplicase.

La réplication peut être divisée en trois étapes principales : l'initiation, l'élongation et la terminaison.

L'initiation de la réplication

L'initiation de la réplication a lieu à l'origine de réplication. Il n'y a qu'une seule origine de réplication dans les chromosomes bactériens tandis qu'il en existe plusieurs chez les eucaryotes. (Chez les Archæa, le nombre d'origine fluctue entre une et trois selon les espèces. ) Il existe des protéines capables de reconnaître ces origines et initier la réplication. Ces protéines sont capables d'ouvrir progressivement et dérouler l'ADN. La fourche de réplication est créée par l'action des hélicases qui brisent les liaisons hydrogènes entre les deux brins de la double hélice d'ADN ce qui permet leur séparation. D'autres protéines peuvent se lier à l'ADN simple brin (ou ADN monocaténaire) ainsi constitué et éviter la reconstituation de la double hélice. Ce sont les protéines SSB (single strand binding) des bactéries et les protéines RPA des eucaryotes et des archées.

L'élongation ou la synthèse d'ADN

C'est au cours de cette phase qu'il y a formation du réplisome et synthèse d'ADN. L'élongation de l'ADN progresse toujours dans le sens 5'vers 3' pour le brin en création. C'est l'ADN polymérase, qui ajoute à l'extrémité 3' de la molécule en formation, des désoxyribonucléotides. Cependant, les deux brins de la double hélice d'ADN sont enroulés dans des sens opposés : ils sont antiparallèles. Il existe par conséquent des mécanismes différents selon le brin d'ADN répliqué.

Il existe ainsi un «brin direct», ou «brin précoce», (leading strand) et un «brin indirect», ou «retardé», ou «tardif», (lagging strand)  :

• le «brin direct» est le brin complémentaire du brin parental orienté 3'vers 5' (le «brin direct» est par conséquent orienté 5'vers 3'). Il est par conséquent créé de façon continue, dans le sens 5'vers 3' ;
• le «brin indirect» est le brin complémentaire du brin parental orienté 5'vers 3' (le «brin indirect» est par conséquent orienté 3'vers 5'). Il est créé de façon discontinue, sous forme de fragments d'Okazaki, dans le sens 5'vers 3'.

L'ADN polymérase a besoin d'une amorce pour fonctionner, parce qu'elle ne commence à synthétiser que par une extrémité 3'OH Libre. Et c'est l'amorce ARN qui va apporter cette extrémité libre. La présence ici d'ARN est expliquée par le fait que seules deux enzymes peuvent synthétiser les nucléotides : L'ARN Polymérase et L'ADN Polymérase. Dans le cas présent, l'ADN Polymérase ne pouvant fonctionner sans amorce, c'est L'ARN qui prend le relai pour apporter l'amorce indispensable. La primase va en effet créer ces amorces d'ARN. Il y aura par conséquent sur le brin retardé des jonctions ARN-ADN, qui seront ensuite éliminées par une ARNase H. Des ADN polymérases spécifiques vont ensuite combler les lacunes laissées par l'ARN.

D'autres enzymes sont nécessaires au bon fonctionnement de la réplication. Les polymérases sont retenues à l'ADN parental par des protéines tenons et des protéines à pince coulissante. C'est le PCNA des eucaryotes et des archées, et la sous unité b des bactéries. Une hélicase brise les liaisons H entre les deux brins, et des protéines SSB se fixent à l'ADN monocaténaire par des liaisons salines, pour éviter la reconstituation de liaisons entre les deux brins. Sur l'ADN double brin précédant l'hélicase se fixe une topoisomérase I qui va permettre d'éviter les torsions entraînées par l'ouverture de la double-chaîne par l'hélicase (comme pour une ficelle dont on écarte les deux brins), en coupant un des brins, puis le ressoudant après déroulement. Une topoisomérase II va elle se fixer sur une des molécules d'ADN filles, et par la scission des deux brins de celle-ci, va permettre le démêlement des 2 ADN filles. Elle ressoude ensuite (après le passage de l'autre molécule dans l'interstice constitué) la molécule lysée.

La terminaison

Cette phase correspond à l'arrêt de la réplication quand deux fourches de réplication se rencontrent ou quand une fourche rencontre un signal de terminaison de la réplication. Il y a "ter" : terA terD terB terC qui freine les fourches de réplication.

Fidélité de la réplication

La fidélité de réplication est particulièrement grande (1/100 000 avant activité 3'-5'exonucléasique) et en particulièrement grande partie due à l'ADN polymérase, qui place les bases azotées selon leur spécificité (A-T, C-G). Si de telles erreurs se produisent, cette enzyme met en place son activité 3'-5'exonucléasique, ce qui permet une fidélité de réplication de 1/10 000 000 (erreur/nb de bases répliquées). Les quelques erreurs restantes après cette intervention pourront être corrigées par différents dispositifs de réparation de l'ADN, tels que BER (base excision repair), NER (nucleotide excision repair) et MR (mismatch repair). La fidélité finale de la réplication est de 1/10 000 000 000. (cours de PCEM1, Angers 2008, Pf Yves Malthiéry)

Référence

• Cooper, Geoffrey. La Cellule, une approche moléculaire. 3^e édition, 1997, ed. De Bœck Université.

Lien externe

• Animation : réplication de l'ADN

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