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SS1_2018_Lecture_09 - Biologie


La double hélice d'ADN et sa réplication

L'étendue du problème

Dans ce module, nous discutons de la réplication de l'ADN, l'une des exigences clés pour qu'un système vivant se régénère et crée la prochaine génération. Considérons d'abord brièvement l'étendue du problème à travers une analogie littéraire.

Le génome humain se compose d'environ 6,5 milliards de paires de bases d'ADN si l'on considère le génome diploïde complet (c'est-à-dire si vous comptez l'ADN hérité des deux parents). Six virgule cinq milliards ressemble à ceci : 6 500 000 000. C'est un grand nombre. Pour avoir une meilleure idée de ce que signifie ce nombre, imaginez que notre ADN est un ensemble d'instructions écrites pour construire l'un de nous. Par analogie, nous pouvons alors le comparer à un autre document écrit. Pour cet exemple, nous commençons par considérer le Guerre et Paix, un roman que beaucoup de gens connaissent pour sa nature volumineuse. Les données de Wikipédia estiment que Guerre et Paix contient environ 560 000 mots. Une deuxième œuvre écrite que beaucoup connaissent sont les sept volumes de J.K. de Rowling Harry Potter. Ce travail enregistre environ 1 080 000 mots (Statistiques référencées sur Wikipédia). Si nous supposons que la longueur du mot anglais moyen est de cinq caractères, les deux œuvres littéraires comptent respectivement 2,8 millions et 5,4 millions de caractères. Par conséquent, même les sept volumes de "Harry Potter" ont plus de 1000 fois moins de caractères que nos propres génomes. Le nombre de personnages dans ces romans est cependant beaucoup plus proche du nombre de nucléotides dans un génome bactérien typique.

Imaginez maintenant un instant développer une machine ou un processus mécanique (pas un processus électronique) qui est responsable de la lecture et de la copie de ces livres. Ou imaginez-vous en train de copier ces textes. À quelle vitesse pourriez-vous le faire? Combien d'erreurs êtes-vous susceptible de commettre ? Vous attendez-vous à un compromis entre la vitesse à laquelle vous pouvez copier et la précision ? De quel type de ressources ce processus a-t-il besoin ? Combien d'énergie est nécessaire ? Imaginez maintenant que vous copiez quelque chose de 1000 fois plus grand ! Oh, et juste pour faire bonne mesure, votre appareil mécanique imaginaire doit faire son travail sur du texte d'environ 25 "de large (c'est-à-dire 0,0000000025 mètres de large). En comparaison, une police typique à dix points mesure environ 0,00025 mètres de large, environ 100 000 fois plus grande qu'avec la largeur d'une paire de bases d'ADN.

Dans cette optique, il est à noter qu'une cellule humaine peut mettre environ 24 heures à se diviser (la réplication de l'ADN doit donc être un peu plus rapide). Un sain E. coli la cellule peut prendre seulement 20 minutes pour se diviser (y compris la réplication de son génome d'environ 4,5 millions de paires de bases). L'humain et la bactérie le font tout en faisant généralement assez peu d'erreurs pour que la génération suivante reste viable et reconnaissable. Cela devrait sembler assez étonnant ! Considérons maintenant que le corps humain est estimé à environ 10 000 milliards de cellules (10 000 000 000 000) et qu'il peut avoir entre deux et dix fois ce nombre de résidents microbiens et c'est beaucoup de division cellulaire à considérer.

Défi de conception

Si la cellule doit se répliquer, son objectif ultime, une copie de l'ADN doit être créée. Ainsi, un énoncé de problème/une question clair est « comment la cellule peut-elle copier efficacement son ADN ? » Compte tenu de l'analogie ci-dessus, voici quelques sous-questions pertinentes : Quelles sont les propriétés chimiques et physiques qui permettent de copier l'ADN ? Avec quelle fidélité l'ADN doit-il être copié ? A quelle vitesse doit-il être copié ? D'où vient l'énergie pour cette tâche et quelle est la quantité nécessaire ? D'où viennent les "matières premières" ? Comment les machines moléculaires impliquées dans ce processus couplent-elles l'assemblage des matières premières et l'énergie nécessaire pour construire ensemble une nouvelle molécule d'ADN ? La liste pourrait bien sûr s'allonger.

Dans la discussion suivante et dans la conférence, nous serons intéressés à commencer à examiner comment le processus de réplication de l'ADN est accompli tout en gardant à l'esprit certaines des questions fondamentales. Au fur et à mesure que vous parcourez les documents de lecture et de conférence, essayez d'être constamment conscient de ces questions et d'autres associées à ce processus. Utilisez ces questions comme guides pour organiser vos pensées et essayez de trouver des correspondances entre les « faits » que vous pensez être censés connaître et les questions de conduite.

La double hélice d'ADN

Pour construire un contexte supplémentaire, nous avons également besoin d'un peu de connaissances empiriquement déterminées. L'une des caractéristiques les plus connues et les plus populaires de la forme héréditaire de la molécule d'ADN est peut-être qu'elle a une structure tertiaire en double hélice. L'appréciation de cette date aux années 1950. L'histoire de cette découverte a été largement racontée et les détails dépassent le cadre de ce texte. En bref, Francis Crick et James Watson sont reconnus pour avoir déterminé la structure de l'ADN. Rosalind Franklin est également largement reconnue pour avoir généré des données critiques de diffraction des rayons X qui ont permis à Watson et Crick de reconstituer le puzzle de la molécule d'ADN.

Des modèles de la structure de l'ADN ont révélé que la molécule est composée de deux brins de nucléotides liés de manière covalente qui sont tordus l'un autour de l'autre pour former une hélice droite. Dans chaque brin, les nucléotides sont liés de manière covalente à deux autres nucléotides (sauf aux extrémités d'un brin linéaire) via des liaisons phosphodiester qui relient les sucres via les groupes hydroxyle 5' et 3' (panneau b sur la figure 1). Rappelez-vous que les étiquettes 5' et 3' font référence aux carbones sur la molécule de sucre. Ces chaînes de sucre et de phosphate forment un ensemble contigu de liaisons covalentes qui sont souvent appelées « épine dorsale » de la structure. Dans une molécule linéaire, chaque brin a deux extrémités libres. L'une est appelée extrémité 5' car le groupe fonctionnel non lié qui est généralement impliqué dans la jonction des nucléotides est le phosphate lié au carbone 5'. L'autre extrémité du brin est appelée extrémité 3' car le groupe fonctionnel non lié qui est généralement impliqué dans la jonction des nucléotides est le groupe hydroxyle lié au carbone 3' du sucre. Étant donné que les deux extrémités du brin ne sont pas symétriques, cela facilite la désignation ou la description d'une direction sur le brin - on peut, par exemple, dire qu'elles lisent de l'extrémité 5' à l'extrémité 3' pour indiquer qu'elles sont "marcher" le long du brin en commençant à l'extrémité 5' et en se déplaçant vers l'extrémité 3'. Cette direction (5' à 3') est d'ailleurs la convention utilisée par la plupart des biologistes. On peut lire en sens inverse (3' à 5') à condition que cela soit explicite. Les deux brins de nucléotides liés de manière covalente sont anti-parallèle l'un à l'autre dans la double hélice ; c'est-à-dire que l'orientation/la direction d'un brin est opposée à celle de l'autre brin (panneau b sur la figure 1). L'épine dorsale est structurellement sur "l'extérieur" de la double hélice, créant une bande de charges négatives sur la surface. En revanche, les bases azotées de chacun des brins antiparallèles s'empilent à l'intérieur de la structure et s'opposent de manière à permettre la formation de liaisons hydrogène entre des paires purine/pyrimidine uniques (appariement A avec T et G appariée avec C). Ces appariements spécifiques sont dits complémentaire à l'autre et donc les brins opposés d'une double hélice sont souvent appelés brins complémentaires.

Les brins complémentaires portent des informations redondantes. En raison de l'appariement chimique strict, si vous connaissez la séquence d'un brin, vous connaissez obligatoirement le brin de son complément. Prenons par exemple la séquence 5'- C A T A T G G G A T G - 3'. Notez comment la séquence est annotée avec l'orientation (indiquée par les étiquettes 5' et 3'). Le complément de cette séquence - écrite selon la convention 5' à 3' est : 5'- C A T C C C A T A T G - 3'. Si vous n'êtes pas convaincu, écrivez ces deux séquences l'une en face de l'autre dans vos notes, en veillant à les écrire en brins antiparallèles. Notez que la torsion des deux brins complémentaires l'un autour de l'autre entraîne la formation de caractéristiques structurelles appelées rainures majeures et mineures qui deviendront plus importantes lorsque nous discuterons de la liaison des protéines à l'ADN (panneau c sur la figure 1).

La plupart des instructeurs BIS2A s'attendront à ce que vous reconnaissiez les principales caractéristiques structurelles décrites dans la figure ci-dessous et que vous puissiez créer vous-même une figure de base de la structure de l'ADN.

Figure 1. L'ADN a (a) une structure en double hélice et (b) des liaisons phosphodiester. Les sillons (c) majeurs et mineurs sont des sites de liaison pour les protéines de liaison à l'ADN au cours de processus tels que la transcription (la création d'ARN à partir d'une matrice d'ADN) et la réplication.

À peu près à la même époque, trois hypothèses sur les modes de réplication de l'ADN étaient envisagées. Les modèles de réplication étaient connus comme : le modèle conservateur, le modèle semi-conservateur et le modèle dispersif.

1. Conservateur : Le modèle conservateur de réplication postulait que chaque molécule double brin entière pourrait servir de modèle pour la synthèse d'une molécule double brin complètement nouvelle. C'est-à-dire que si l'on mettait une étiquette chimique sur la molécule d'ADN matrice après la réplication, aucune de cette étiquette ne serait trouvée sur la nouvelle copie.
2. Semi-conservateur : Cette hypothèse stipulait que chaque brin individuel d'une molécule d'ADN pourrait servir de matrice pour un nouveau brin auquel il s'associerait désormais. dans ce cas, si un marqueur chimique était placé sur une molécule d'ADN double brin, un brin sur chacune des copies conserverait le marqueur.
3. Dispersif : Ce modèle proposait qu'une double hélice copiée soit une combinaison par morceaux de segments continus de brins "anciens" et "nouveaux". Si un marqueur chimique était placé sur une molécule d'ADN copiée à l'aide d'un mécanisme de dispersion, on trouverait des segments discrets de la copie résultante qui seraient marqués sur les deux brins séparés par des parties complètement non marquées.

Meselson et Stahl ont résolu le problème en 1958 en rapportant les résultats d'une expérience désormais célèbre (décrire sur Wikipédia) qui a montré que la réplication de l'ADN est semi-conservatrice (Figure 2), où chaque brin est utilisé comme matrice pour la création du nouveau brin. Pour en savoir plus sur cette expérience, regardez l'expérience Meselson-Stahl.

Figure 2. L'ADN a une structure en double hélice antiparallèle, les bases nucléotidiques sont liées par des liaisons hydrogène et chaque brin complète l'autre. L'ADN est répliqué de manière semi-conservatrice, chaque brin est utilisé comme matrice pour le brin nouvellement créé.

Réplication de l'ADN

Après avoir établi certaines caractéristiques structurelles de base et la nécessité d'un mécanisme semi-conservateur, il est important de commencer à comprendre une partie de ce que l'on sait du processus et de réfléchir aux questions auxquelles on pourrait vouloir répondre pour mieux comprendre ce qui se passe. au.

Puisque la réplication de l'ADN est un processus, nous pouvons invoquer la rubrique de l'histoire de l'énergie pour y réfléchir. Rappelons que la rubrique histoire de l'énergie est là pour nous aider à réfléchir systématiquement aux processus (comment les choses vont de A à B). Dans ce cas, le processus en question est l'acte de commencer avec une molécule d'ADN double brin et de finir avec deux molécules double brin. Ainsi, nous poserons une variété de questions : à quoi ressemble le système au début (matière et énergie) de la réplication ? Comment la matière et l'énergie sont-elles transférées dans le système et qu'est-ce qui catalyse les transferts ? A quoi ressemble le système à la fin du processus ? Nous pouvons également poser des questions concernant des événements spécifiques qui DOIVENT se produire pendant le processus. Par exemple, étant donné que l'ADN est une longue molécule et qu'il est parfois circulaire, nous pouvons nous poser des questions de base telles que : où commence le processus de réplication ? Où cela s'arrête-t-il ? Nous pouvons également poser des questions pratiques sur le processus comme, que se passe-t-il lorsqu'une structure double brin est déroulée ?

Nous examinons certaines de ces questions clés dans le texte et en classe et vous encourageons à faire de même.

Exigences pour la réplication de l'ADN

Commençons par énumérer quelques exigences fonctionnelles de base pour la réplication de l'ADN que nous pouvons déduire simplement en pensant au processus qui doit se produire et/ou être requis pour que la réplication se produise. Alors, de quoi avons-nous besoin ?

• Nous savons que l'ADN est composé de nucléotides. Si nous voulons créer un nouveau brin, nous aurons besoin d'une source de nucléotides.
• Nous pouvons en déduire que la construction d'un nouveau brin d'ADN nécessitera une source d'énergie—nous devrions essayer de trouver cela.
• Nous pouvons en déduire qu'il doit y avoir un processus pour trouver un endroit pour commencer la réplication.
• Nous pouvons en déduire qu'il y aura une ou plusieurs enzymes qui aideront à catalyser le processus de réplication.
• Nous pouvons également déduire que puisqu'il s'agit d'un processus biochimique, certaines erreurs seront commises.

Examen de la structure nucléotidique

Rappelez-vous quelques caractéristiques structurelles de base des éléments nucléotidiques de l'ADN. Les nucléotides commencent comme des nucléotides triphosphates. Un nucléotide est composé d'une base azotée, du désoxyribose (sucre à cinq carbones) et d'un groupe phosphate. Le nucléotide est nommé en fonction de sa base azotée, des purines telles que l'adénine (A) et la guanine (G), ou des pyrimidines telles que la cytosine (C) et la thymine (T). Rappelez-vous les structures ci-dessous. A noter que le nucléotide Adénosine triphosphate (ATP) est un précurseur du désoxyribonucléotide (dATP) qui est incorporé dans l'ADN.

figure 3. Chaque nucléotide est composé d'un sucre (ribose ou désoxyribose selon qu'il construit respectivement de l'ARN ou de l'ADN), un groupe phosphate et une base azotée. Les purines ont une structure à double cycle avec un cycle à six chaînons fusionné à un cycle à cinq chaînons. Les pyrimidines sont de plus petite taille; ils ont une seule structure cyclique à six chaînons. Les atomes de carbone du sucre à cinq carbones sont numérotés 1', 2', 3', 4' et 5' (1' est lu comme "un premier"). Le résidu phosphate est attaché au groupe hydroxyle du carbone 5' d'un sucre d'un nucléotide et au groupe hydroxyle du carbone 3' du sucre du nucléotide suivant, formant ainsi une liaison phosphodiester 5'-3'.

Lancement de la réplication

Où le long de l'ADN la machinerie de réplication commence-t-elle la réplication de l'ADN ?

Avec des millions, voire des milliards de nucléotides à copier, comment l'ADN polymérase sait-elle par où commencer ? Sans surprise, ce processus s'avère ne pas être aléatoire. Il existe des séquences nucléotidiques spécifiques appelées origines de la réplication le long de la longueur de l'ADN à laquelle la réplication commence. Une fois ce site identifié, cependant, il y a un problème. La double hélice d'ADN est maintenue ensemble par des interactions d'empilement de bases et des liaisons hydrogène. Si chaque brin doit être lu et copié individuellement, il doit y avoir un mécanisme chargé d'aider à dissocier les deux brins l'un de l'autre. Énergétiquement, c'est un processus endergonique. D'où vient l'énergie et comment cette réaction est-elle catalysée ? Le raisonnement de base devrait, à ce stade, conduire à l'hypothèse qu'un catalyseur protéique est probablement impliqué, et cette enzyme crée de nouvelles liaisons énergétiquement plus favorables (exergoniques) que les liaisons qu'elle rompt ET/OU elle est capable de coupler l'utilisation d'une source d'énergie externe pour aider à dissocier les brins.

Il s'avère que les détails de ce processus et les protéines impliquées diffèrent selon l'organisme spécifique en question, et de nombreux détails au niveau moléculaire ne sont pas encore complètement compris. Il existe cependant certaines caractéristiques communes dans la réplication des eucaryotes, des bactéries et des archées, et l'une de ces caractéristiques est que plusieurs types de protéines différents sont impliqués dans la réplication de l'ADN. Premièrement, les protéines généralement appelées "initiateurs" ont la capacité de se lier à l'ADN aux origines de réplication ou très proches. L'interaction des protéines initiatrices avec l'ADN aide à déstabiliser la double hélice et aide également à recruter d'autres protéines, dont une enzyme appelée ADNhélicase à l'ADN. Dans ce cas, l'énergie nécessaire pour déstabiliser la double hélice de l'ADN semble provenir de la formation de nouvelles associations entre l'ADN et les protéines initiatrices et les protéines elles-mêmes. L'ADN hélicase est une protéine à plusieurs sous-unités qui est importante dans le processus de réplication car elle couple l'hydrolyse exergonique de l'ATP au déroulement de la double hélice d'ADN. Des protéines supplémentaires doivent être recrutées dans le complexe d'initiation (la collection de protéines impliquées dans l'initiation de la transcription). Ceux-ci incluent, mais ne sont pas limités à, des enzymes supplémentaires appelées primaseet ADN polymérase. Alors que les initiateurs sont perdus peu de temps après le début de la réplication, le reste des protéines travaille de concert pour exécuter le processus de réplication de l'ADN. Ce complexe d'enzymes fonctionne au niveau des structures en forme de Y de l'ADN appelées fourches de réplication (Illustration 4). Pour tout événement de réplication, deux fourches de réplication peuvent être formées à chaque origine de réplication, s'étendant dans les deux sens. De multiples origines de réplication peuvent être trouvées sur les chromosomes eucaryotes et certaines archées, tandis que le génome de la bactérie, E. coli, semble coder une origine de réplication.

Remarque : discussion possible

Pourquoi différents organismes auraient-ils différents nombres d'origines de réplication ? Quel pourrait être l'avantage d'en avoir plus d'un ? Y a-t-il un inconvénient à en avoir plusieurs ?

Remarque : discussion possible

Compte tenu de ce qui doit se passer aux origines de réplication, pouvez-vous utiliser la logique pour déduire et proposer pour discussion certaines caractéristiques potentielles qui distinguent les origines de réplication d'autres segments d'ADN ?

Figure 4. A l'origine de la réplication, une bulle de réplication se forme. La bulle de réplication est composée de deux fourches de réplication, chacune voyageant dans des directions opposées le long de l'ADN. Il est entendu que les fourches de réplication comprennent toutes les enzymes nécessaires pour que la réplication se produiseils ne sont tout simplement pas dessinés explicitement dans la figure pour permettre d'illustrer les relations entre la matrice et les nouveaux brins d'ADN.
Attribution : image originale de l'équipe BIS2A

Allongement de la réplication

La fusion ouverte de la double hélice d'ADN et l'assemblage du complexe de réplication de l'ADN ne sont que la première étape du processus de réplication. Maintenant, le processus de création d'un nouveau volet doit réellement commencer. Ici, des défis supplémentaires sont rencontrés. Le premier problème évident est de déterminer lequel des deux brins doit être copié à n'importe quelle fourche de réplication (c'est-à-dire, quel brin servira de modèle pour la synthèse semi-conservatrice ? Les deux brins sont-ils des alternatives également viables ?). Il y a aussi le problème du démarrage du processus de synthèse du nouveau brin. L'ADN polymérase peut-elle initier le nouveau brin par elle-même ? La réponse à cette dernière question, ainsi que certaines des justifications et des conséquences, seront discutées plus tard. L'idée clé à noter à ce stade est qu'il a été déterminé expérimentalement que l'ADN polymérase ne peut PAS initier la synthèse des brins à elle seule. Au contraire, l'ADN polymérase nécessite un court tronçon de structure double brin suivi d'une matrice simple brin. La création d'un oligonucléotide court est réalisée par l'enzyme primase. Cette protéine crée un court polymère d'ARN (pas d'ADN) appelé un apprêt (ceux-ci sont représentés par de courtes lignes vertes dans les figures ci-dessus et ci-dessous) qui peuvent être utilisées par l'ADN polymérase pour nucléer un nouveau brin en croissance.

Au cours du processus d'allongement des brins, le ADN polymérase polymérise un nouveau brin de nucléotides d'ADN lié de manière covalente (chez les bactéries, cette enzyme spécifique peut être appelée ADN polymérase III ; chez les eucaryotes, la nomenclature de la polymérase est plus complexe et les rôles de plusieurs protéines polymérases ne sont pas complètement compris). Il s'avère que l'un des brins est privilégié exclusivement par rapport à l'autre pour servir de gabarit. L'ADN polymérase "lira" le brin matrice de 3' à 5' et synthétisera un nouveau brin dans la direction 5' à 3'. Les hypothèses pour expliquer cette observation universelle tournent généralement autour de l'énergétique associée à l'ajout d'un nouveau nucléotide et des arguments associés à la réparation de l'ADN que nous décrirons sous peu. Considérons donc brièvement la réaction impliquant l'ajout d'un seul nucléotide. L'amorce fournit un hydroxyle 3' important sur lequel commencer la synthèse. Le désoxyribonucléotide triphosphate suivant pénètre dans le site de liaison de l'ADN polymérase et, comme le montre la figure 5 ci-dessous, est orienté par la polymérase de telle sorte qu'une hydrolyse du 5' triphosphate peut se produire, libérant du pyrophosphate et couplant cette réaction exergonique à la synthèse d'un liaison phosphodiester entre le phosphate 5' du nucléotide entrant et le groupe hydroxyle 3' de l'amorce. Ce processus peut être répété jusqu'à ce que les désoxyribonucléotides triphosphates s'épuisent ou que le complexe de réplication se détache de l'ADN. En effet, l'ADN polymérase ajoute le groupe phosphate (5') du nucléotide entrant au groupe hydroxyle existant (3') du nucléotide précédemment ajouté.

L'appariement correct des bases, ou la sélection du nucléotide correct à ajouter à chaque étape, est accompli par les contraintes structurelles ressenties par l'ADN polymérase et les liaisons hydrogène énergétiquement favorables formées entre les nucléotides complémentaires. Le processus est énergétiquement entraîné par l'hydrolyse du 5' triphosphate entrant et les interactions énergétiquement favorables formées par les interactions internucléotidiques dans la double hélice en croissance (empilement de bases et liaisons hydrogène d'appariement de bases complémentaires). Notez que l'énergétique de l'addition de nucléotides n'exclut pas techniquement un brin croissant dans la direction 3' à 5', la principale différence dans ce schéma est que la "source" d'énergie pour la synthèse devrait provenir d'un nucléotide déjà incorporé dans la croissance brin plutôt que le nouveau nucléotide entrant (ce qui pourrait être un inconvénient sélectif important est discuté brièvement). Une fois que l'élongation a commencé, une ADN polymérase différente (dans les bactéries, elle est généralement appelée ADN polymérase I) entre pour éliminer l'amorce d'ARN et synthétiser le reste d'ADN manquant.

Comme nous le verrons plus en détail en classe, le mouvement de la fourche de réplication induit un enroulement de l'ADN dans les deux sens de réplication. Une autre enzyme consommatrice d'ATP appelée topoisomérase aide à soulager ce stress.

Figure 5. L'ADN polymérase catalyse l'addition du groupe phosphate 5' d'un nucléotide entrant au groupe hydroxyle 3' du nucléotide précédent. Ce processus crée une liaison phosphodiester entre les nucléotides tout en hydrolysant la liaison phosphoanhydride dans le nucléotide.
Source : http://bio1151.nicerweb.com/Locked/m...h16/elong.html

Remarque : discussion possible

Créez une histoire d'énergie pour l'ajout d'un nucléotide sur un polymère, comme le montre la figure ci-dessus. Ce sera un objectif d'apprentissage explicite de certains de vos instructeurs BIS2A.

Brin en avance et en retard

La discussion ci-dessus sur l'allongement des brins décrit le processus de synthèse de nouveaux brins si ce brin se trouve être synthétisé dans la même direction que la fourche de réplication se déplace ou semble se déplacer le long de l'ADN. Ce brin peut être synthétisé en continu et est appelé le brin principal. Cependant, les deux brins de la double hélice d'ADN d'origine doivent être copiés. Étant donné que l'ADN polymérase ne peut synthétiser l'ADN que dans une direction 5' à 3', la polymérisation du brin opposé au brin principal doit se produire dans la direction opposée à laquelle l'hélicase, ou devant la fourche de réplication, se déplace. Ce brin est appelé le brin en retard, et en raison de contraintes géométriques, doit être synthétisé par une série d'événements d'amorçage d'ARN et de synthèse d'ADN en segments courts appelés Fragments d'Okazaki. Comme indiqué, l'initiation de la synthèse de chaque fragment d'Okazaki nécessite une primase pour synthétiser une amorce d'ARN, et chacune de ces amorces d'ARN doit être finalement retirée et remplacée par des nucléotides d'ADN par une ADN polymérase différente. Les liaisons covalentes entre chacun des fragments d'Okazaki ne peuvent pas être constituées par l'ADN polymérase et doivent donc être formées par une autre enzyme appelée ADNligature. La géométrie de la synthèse des brins en retard est difficile à visualiser et sera abordée en classe.

Figure 6. Le brin retardé est créé en plusieurs segments. Une fourche de réplication montre le brin avant et arrière. Une bulle de réplication montre les brins en avance et en retard.
Image originale de l'équipe BIS2A

Fin de la réplication

Télomères et télomérase

Les fins de réplication dans les chromosomes bactériens circulaires posent peu de problèmes pratiques. Cependant, les extrémités des chromosomes eucaryotes linéaires posent un problème spécifique pour la réplication de l'ADN. Parce que l'ADN polymérase peut ajouter des nucléotides dans une seule direction (5' à 3'), le brin principal permet une synthèse continue jusqu'à ce que la fin du chromosome soit atteinte ; cependant, comme le complexe de réplication arrive à l'extrémité du brin retardé, il n'y a pas de place pour que la primase « atterrisse » et synthétise une amorce d'ARN afin que la synthèse du fragment d'ADN du brin retardé manquant à la fin du chromosome puisse être initiée par l'ADN polymérase. Sans mécanisme pour aider à combler cette lacune, cette extrémité chromosomique restera non appariée et sera perdue pour les nucléases. Au fil du temps et de plusieurs cycles de réplication, cela entraînerait un raccourcissement progressif des extrémités des chromosomes linéaires, compromettant finalement la capacité de l'organisme à survivre. Ces extrémités des chromosomes linéaires sont appelées télomères, et presque toutes les espèces eucaryotes ont développé des séquences répétitives qui ne codent pas pour un gène spécifique. En conséquence, ces télomères "non codants" agissent comme des tampons de réplication et sont raccourcis à chaque cycle de réplication de l'ADN au lieu de gènes critiques. Par exemple, chez l'homme, une séquence de six paires de bases, TTAGGG, est répétée 100 à 1000 fois à la fin de la plupart des chromosomes. En plus d'agir comme un tampon potentiel, la découverte de l'enzyme télomérase aidé à comprendre comment les extrémités des chromosomes sont maintenues. La télomérase est une enzyme composée de protéines et d'ARN. La télomérase se fixe à l'extrémité du chromosome par appariement de bases complémentaires entre le composant ARN de la télomérase et la matrice d'ADN. L'ARN est utilisé comme brin complémentaire pour l'élongation courte de son complément. Ce processus peut être répété de nombreuses fois. Une fois que la matrice de brin retardée est suffisamment allongée par la télomérase, la primase créera une amorce suivie par l'ADN polymérase qui peut maintenant ajouter des nucléotides complémentaires aux extrémités des chromosomes. Ainsi, les extrémités des chromosomes sont répliquées.

Figure 7. Les extrémités des chromosomes linéaires sont maintenues par l'action de l'enzyme télomérase.

La télomérase n'est pas active dans les cellules somatiques adultes. Les cellules somatiques adultes qui subissent une division cellulaire continuent de voir leurs télomères raccourcis. Cela signifie essentiellement que le raccourcissement des télomères est associé au vieillissement. En 2010, les scientifiques ont découvert que la télomérase peut inverser certaines conditions liées à l'âge chez la souris, ce qui pourrait avoir un potentiel en médecine régénérative.1 Des souris déficientes en télomérase ont été utilisées dans ces études ; ces souris présentent une atrophie tissulaire, un épuisement des cellules souches, une défaillance du système organique et une altération des réponses aux lésions tissulaires. La réactivation de la télomérase chez ces souris a entraîné une extension des télomères, une réduction des dommages à l'ADN, une neurodégénérescence inversée et une amélioration du fonctionnement des testicules, de la rate et des intestins. Ainsi, la réactivation des télomères peut avoir un potentiel pour traiter les maladies liées à l'âge chez l'homme.

Différences dans les taux de réplication de l'ADN entre les bactéries et les eucaryotes

La réplication de l'ADN a été extrêmement bien étudiée chez les bactéries, principalement en raison de la petite taille du génome et du grand nombre de variantes disponibles. E. coli a 4,6 millions de paires de bases dans un seul chromosome circulaire, et tout est répliqué en environ 42 minutes, en partant d'une seule origine de réplication et en circulant autour du chromosome dans les deux sens. Cela signifie qu'environ 1000 nucléotides sont ajoutés par seconde. Le processus est beaucoup plus rapide que chez les eucaryotes. Le tableau 1 résume les différences entre les réplications bactériennes et eucaryotes.

Tableau 1. Différences entre la réplication procaryote et eucaryote

Différences entre la réplication procaryote et eucaryote
BiensProcaryotesEucaryotes
Origine de la réplicationSeulPlusieurs
Vitesse de polymérisation par polymérase1000 nucléotides/s50 à 100 nucléotides/s
Structure chromosomiqueCirculaireLinéaire
télomérasePas présentPrésent

Lien vers une ressource externe

Cliquez sur un didacticiel sur la réplication de l'ADN.

Défi de conception de réplication : relecture

Lorsque la cellule commence la tâche de répliquer l'ADN, elle le fait en réponse aux signaux environnementaux qui indiquent à la cellule qu'il est temps de se diviser. L'objectif idéal de la réplication de l'ADN est de produire deux copies identiques de la matrice d'ADN double brin et de le faire dans un laps de temps qui n'entraîne pas un coût sélectif évolutif indûment élevé. C'est une tâche ardue si l'on considère qu'il y a environ 6 500 000 000 de paires de bases dans le génome humain et environ 4 500 000 paires de bases dans le génome d'un E. coli souche et que la nature a déterminé que les cellules doivent se répliquer dans les 24 heures et 20 minutes, respectivement. Dans les deux cas, de nombreuses réactions biochimiques individuelles doivent avoir lieu.

Alors qu'idéalement la réplication se produirait avec une fidélité parfaite, la réplication de l'ADN, comme tous les autres processus biochimiques, est imparfaite - des bases peuvent être omises, des bases supplémentaires peuvent être ajoutées ou des bases peuvent être ajoutées qui ne s'apparient pas correctement. Dans de nombreux organismes, bon nombre des erreurs qui se produisent lors de la réplication de l'ADN sont rapidement corrigées par l'ADN polymérase elle-même via un mécanisme connu sous le nom de relecture. Dans relecture, l'ADN polymérase « lit » chaque base nouvellement ajoutée en détectant la présence ou l'absence de petites anomalies structurelles avant d'ajouter la base suivante au brin en croissance. Ce faisant, une correction peut être apportée.

Si la polymérase détecte qu'une base nouvellement ajoutée s'est correctement appariée avec la base du brin matrice, le nucléotide suivant est ajouté. Si, cependant, un mauvais nucléotide est ajouté au polymère en croissance, la double hélice mal formée provoquera le blocage de l'ADN polymérase et le brin nouvellement créé sera éjecté du site de polymérisation sur la polymérase et entrera dans un site d'exonucléase. Dans ce site, l'ADN polymérase est capable de cliver les derniers nucléotides qui ont été ajoutés au polymère. Une fois que les nucléotides incorrects ont été supprimés, de nouveaux seront ajoutés à nouveau. Cette capacité de relecture s'accompagne de certains compromis : l'utilisation d'une polymérase de correction d'erreur/plus précise nécessite du temps (le compromis est la vitesse de réplication) et de l'énergie (toujours un coût important à prendre en compte). Plus vous allez lentement, plus vous pouvez être précis. Cependant, aller trop lentement peut vous empêcher de répliquer aussi vite que vos concurrents, il est donc essentiel de trouver l'équilibre.

Les erreurs qui ne sont pas corrigées par la relecture deviennent ce qu'on appelle mutation.

Figure 1. La relecture par l'ADN polymérase corrige les erreurs lors de la réplication.

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Pourquoi la réplication de l'ADN devrait-elle être rapide ? Considérez l'environnement dans lequel se trouve l'ADN et comparez-le à la structure de l'ADN lors de sa réplication.

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Quels sont les avantages et les inconvénients des capacités de relecture de l'ADN polymérase ?

Erreurs de réplication et réparation de l'ADN

Bien que la réplication de l'ADN soit généralement un processus très précis et que la relecture des ADN polymérases aide à maintenir un faible taux d'erreur, des erreurs se produisent toujours. En plus des erreurs de réplication, des dommages environnementaux peuvent également survenir à l'ADN. De telles erreurs de réplication non corrigées ou des dommages environnementaux à l'ADN peuvent entraîner de graves conséquences. Par conséquent, la nature a développé plusieurs mécanismes pour réparer l'ADN endommagé ou mal synthétisé.

Réparation de discordance

Some errors are not corrected during replication but are instead corrected after replication is completed; this type of repair is known as a mismatch repair. Specific enzymes recognize the incorrectly added nucleotide and excise it, replacing it with the correct base. But, how do mismatch repair enzymes recognize which of the two bases is the incorrect one?

Dans E. coli, after replication, the nitrogenous base adenine acquires a methyl group; this means that directly after replication the parental DNA strand will have methyl groups, whereas the newly synthesized strand lacks them. Thus, mismatch repair enzymes are able to scan the DNA and remove the wrongly incorporated bases from the newly synthesized, non-methylated strand by using the methylated strand as the "correct" template from which to incorporate a new nucleotide. In eukaryotes, the mechanism is not as well understood, but it is believed to involve recognition of unsealed nicks in the new strand, as well as a short-term, continuing association of some of the replication proteins with the new daughter strand after replication has completed.

Figure 2. In mismatch repair, the incorrectly added base is detected after replication. The mismatch repair proteins detect this base and remove it from the newly synthesized strand by nuclease action. The gap is now filled with the correctly paired base.

Nucleotide excision repair

Nucleotide excision repair enzymes replace incorrect bases by making a cut on both the 3' and 5' ends of the incorrect base. The entire segment of DNA is removed and replaced with correctly paired nucleotides by the action of a DNA polymerase. Once the bases are filled in, the remaining gap is sealed with a phosphodiester linkage catalyzed by the enzyme DNA ligase. This repair mechanism is often employed when UV exposure causes the formation of pyrimidine dimers.

Figure 3. Nucleotide excision repairs thymine dimers. When exposed to UV, thymines lying adjacent to each other can form thymine dimers. In normal cells, they are excised and replaced.

Consequences of errors in replication, transcription, and translation

Quelque chose de clé à penser:

Cells have evolved a variety of ways to make sure DNA errors are both detected and corrected. We have already discussed several of them. But why did so many different mechanisms evolve? From proofreading by the various DNA-dependent DNA polymerases, to the complex repair systems. Such mechanisms did not evolve for errors in transcription or translation. If you are familiar with the processes of transcription and/or translation, think about what the consequences would be of an error in transcription. Would such an error affect the offspring? Serait-ce mortel pour la cellule ? What about errors in translation? Posez les mêmes questions sur le processus de traduction. What would happen if the wrong amino acid is accidentally put into the growing polypeptide during translation? How do these contrast with DNA replication? If you are not familiar with transcription or translation, don't fret. We'll learn those soon and return to this question again.


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