Mécanisme de réplication

Le processus nécessite:

L'ADN parental (matrice);

Les dNTP (DATP, CTP, DTTP et dGTP) rentrent dans la réaction sous forme triphosphate, et sont intégrés dans le brin sous forme monophosphate;

Les enzymes suivantes :

- Les hélicases, à l'initiation de la réplication,

- Les primases,

- Les ADN polymérase,

- Les topoisomérases,

et les protéines SSB (pour single stranded binding protein) qui ont une forte affinité pour l'ADN simple brin et l'empêche ainsi de se réenrouler lors de la migration des fourches réplicatives.

Chez les procaryotes

Chez les procaryotes (bactéries), la réplication débute en un point précis du chromosome dit point d'initiation ou origine de la réplication (ORI). Chez E.coli, la réplication débute à un site spécifique, l'origine (OriC) et se termine à un autre site spécifique, le terminus. La séquence (OriC) se compose de nucléotides répétées qui s'unissent à une protéine iniatrice et d'une séquence riche en A-T capable de s'ouvrir facilement lors de l'initiation de la réplication.

Après l'initiation, la réplication se poursuit dans les deux sens à partir de cette origine unique jusqu'à l'unique terminus, on dit que la réplication est bidirectionnelle. On parle de réplicon pour désigner l'ADN contrôlé par une région.

La région ou la double hélice est déroulée et le nouvel ADN synthétisé est appelée fourche de réplication du fait de sa structure en forme d'Y.

Figure 12 Origine de réplication d'ADN chez les procaryotes

Activation

Une partie de la double hélice de l'ADN est déroulée pour exposer les bases azotées.

L'enzyme hélicase coupent et déroulent de courtes segments d'ADN avant la fourche de réplication (elles coupent les liaisons hydrogène entre les bases). La synthèse d'un nouveau brin d'ADN commence donc, en fait par un petit fragment (de 4 à 12nt) d'ARN, « amorce » fabriquée par une ARN polymérase appelée primase. La synthèse d'ADN commence sur des amorces d'ARN constituées. Les ADN polymérases ne peuvent pas initier une chaîne d'ADN, elles ne peuvent qu'allonger une chaîne polynucléotidique existante à partir d'une fonction 3'-OH libre.

Les protéines SSB (pour single stranded binding protein) ont une forte affinité pour l'ADN simple brin et l'empêche ainsi de se réenrouler lors de la migration des fourches réplicatives.

Elongation

L'ADN Polymérase catalyse la formation de chaînes polynucléotidiques par l'addition successive de nucléotides dérivant de désoxyribonucléosides triphosphate (dNTP) pour créer un nouveau brin complémentaire (dans le sens 5'à 3').

(ADN)n + dNTP-> (ADN)n+1 + PPI

Le caractère antiparallèle des deux brins d'ADN fait que la réplication se produit de manière asymétrique, avec un brin précoce (avancé), pour lequel la polymérase avance dans le même sens que l'hélicase et la fourche de réplication dans le sens 5'-3', et un brin lent (retarde), sur lequel la polymérisation se fait en sens inverse. Sur le brin rapide, une seule amorce est nécessaire à l'origine de réplication, l'ADN polymérase synthétise ensuite le brin complémentaire de manière continue. Sur le brin lent, la polymérisation à reculons nécessite des démarrages de polymérisation et des amorces multiples au fur et à mesure que la fourche avance et dénu de l'ADN matrice.

Les segments d'ADN synthétisés sont discontinus et sont appelés fragments d'Okazaki. On parle ainsi de réplication semi-discontinue.

L'ADN polymérase hydrolyse en avançant l'amorce d'ARN du fragment précédent (activité exonucléasique). Les petits fragments seront ensuite reliés entre eux par une ligase.

Le déroulement de la double hélice par les hélicases provoque son surenroulement en aval du déplacement de la fourche de réplication. La topoisomérase I intervient pour supprimer ces superenroulements en coupant l'un des deux brins, ce qui permet à la double hélice de pivoter sur le deuxième brin dans le sens opposé du surenroulement. Cette même enzyme joue le rôle d'une ligase en reliant les deux bouts de la coupure. La topoisomérase II réalise des coupures double brin, permettant le passage d'un autre segment de l'ADN dans l'ouverture ainsi réalisée, puis restaure les liaisons coupées, permettant de détordre encore plus rapidement l'ADN. Chez les procaryotes assure la séparation des deux molécules d'ADN à la fin de la réplication.

Trois ARN polymérases participent dans la réplication de l'ADN chez les procaryotes:

- L'ADN Polymérase I permet : Réparation de l'ADN. Elle a une activité polymérase dans le sens 5' vers 3', exonucléase dans le sens 3' vers 5 et 5' vers 3'.

Intervention en fin de réplication pour éliminer l'amorce d'ARN grâce à son activité exonucléase dans le sens 5' vers 3'.

-L'ADN Polymérase II permet : Réplication de l'ADN endommagé grâce à une activité exonucléase 5' vers 3'.

L'ADN Polymérase III permet : Principale action polymérase bactérienne intervenant dans la réplication du brin avancé et synthèse des fragments d'Okazaki de l'ADN.

Figure 13 Schéma de l'action de la topoisomérase I et de la topoisomérase II.

Terminaison

Le terminateur est le site de fixation de protéines Tus qui reconnaît les régions Ter. Chez E-coli, la partie entre les deux terminateurs n'est d'abord pas répliqué, les deux ADN circulaires sont ainsi associés, on utilise alors la topo-isomérase Il pour les dissociés. L'ADN polymérase I complétera ensuite les parties non répliquées.

Le processus de réplication est terminé et les nouvelles molécules d'ADN, composées chacune d'un brin d'ADN parental et d'un brin d'ADN fils, se reforment en hélices.

Figure 14 La réplication de la molécule d'ADN chez les procaryotes

Chez les eucaryotes

Le mécanisme de la réplication chez les eucaryotes est comparable à celui des procaryotes. Dans les cellules eucaryotes, la synthèse de l'ADN se produit pendant la phase S du cycle cellulaire. Cette synthèse serait trop longue si elle ne débutait qu'en un point. En effet, en raison de la grande longueur de l'ADN, la réplication chez les eucaryotes débute simultanément en plusieurs points (origines de réplication) d'un même chromosome appelés réplicons (figure 6). A partir de chaque réplicon, elle progresse de façon bidirectionnelle, jusqu'à ce que les deux réplicons adjacents entrent en contact et que l'ensemble de l'ADN soit dédoublé.

La réplication à le même principe que chez les procaryotes avec le brin avancé et le brin retarde, mais avec quelques différences:

L'ADN est beaucoup plus long,

La vitesse de réplication est de 50 nucléotides par secondes;

Ceci compensé par de multiples origines de réplication;

L'ADN est intégré dans la chromatine associée aux histones, au moment de la réplication il y a production d'histones;

L'ADN est répliqué par 5 ADN polymérases (α, β, ϒ, δ, ε).

L'ADN polymérase a qui dispose d'une activité primase complète, est responsable de l'initiation de la synthèse d'ADN. L'ADN est répliqué par les ADN polymérases α et δ:

- α synthétise le brin retardataire et δ synthétise le brin précoce (figure 7).

L'ADN polymérase ε est impliqué dans la réparation de l'ADN et l'ADN polymérase ϒ réplique l'ADN mitochondriale. β supprime l'ARN amorce et assure la synthèse et la réparation de l'ARN amorcé.

Chez les eucaryotes les fragments d'Okazaki ont une taille de 100 à 200 nucléotides alors que ceux des procaryotes, leur taille varie de 1000 à 2000 nucléotides.

Figure 15 La réplication de la molécule d'ADN chez les eucaryotes

Le problème des télomères

Toutes les amorces d'ARN seront éliminées, laissant des lacunes dans les brins d'ADN nouvellement synthétisés. L'ADN polymérase et la ligase remplacent toutes les amorces d'ARN par de l'ADN à l'exception de l'amorce ARN aux extrémités 5' de chaque nouveau brin synthétisé. Cela signifie que chaque brin d'ADN nouvellement synthétisé est plus court à son extrémité 5 'que le brin équivalent dans l'ADN parental.

Pour éviter que le raccourcissement des chromosomes ne cause la perte d'information, les télomères contiennent une séquence ADN non codantes. Cette séquence est d'ailleurs toujours la même, il s'agit chez les vertébrés des 6 bases TTAGGG, répétées des milliers de fois. Quand il y a eu tellement de divisions les télomères deviennent plus court à l'extrémité 5' du brin nouvellement synthétisé, ce qui forme un risque de perdre de l'information codante à la division suivante. De ce fait, dans les cellules somatiques, lorsque les télomères atteignent une longueur « critique », il y a activation de voies de réponse afin de réparer d'éventuels dommages subis par l'ADN. Ce qui entraîne un arrêt du cycle cellulaire, pouvant aller jusqu'à la sénescence ou l'apoptose de la cellule.

Il y a une exception au phénomène de raccourcissement des télomères, et elle concerne les cellules germinales. Pour qu'une descendance commence sa vie avec des télomères de taille normale, il existe une enzyme appelée télomérase, qui se charge de reconstituer les télomères pour les remettre à leur niveau initial. Cette enzyme est active dans les cellules germinales, mais aussi dans certaines cellules souches (matopoïétiques, neuronales et épidermiques) qui sont principalement impliquées dans les processus de renouvellement des tissus.