362 trOiSiÈMe partie La génétique
comprend 46 molécules d’ADN, soit une longue molécule
hélicoïdale à double brin par chromosome. En tout, on estime
que le génome humain comporte environ six milliards de paires de nucléotides, ce qui équivaut à peu près à 1 000 fois plus
d’ADN que dans une cellule bactérienne. Si l’on voulait représenter toutes les paires de bases d’une seule cellule humaine
par des lettres (A, G, C et T) de la taille des caractères que vous
lisez en ce moment, il faudrait imprimer environ 1 200 manuels
comme celuici. Il suffit pourtant de quelques heures à l’une
de nos cellules pour recopier tout son ADN. La réplication de
cette énorme quantité d’information génétique se fait avec
très peu d’erreurs (environ une par dix milliards de nucléotides). La réplication de l’ADN s’effectue donc avec une rapidité et une précision remarquables.
Plus d’une douzaine d’enzymes et d’autres protéines interviennent dans la réplication de l’ADN. Le fonctionnement de
cette « machine à répliquer » est mieux connu chez les Bactéries
(comme E. coli) que chez les Eucaryotes. Sauf indications
contraires, nous décrirons les principales étapes de ce processus
chez E. coli. Cependant, d’après ce que les scientifiques ont
appris sur la réplication de l’ADN chez les Eucaryotes, il semble
que ce processus soit essentiellement le même chez les Procaryotes et chez les Eucaryotes.
Le point de départ
La réplication d’une molécule d’ADN commence sur des sites
particuliers, appelés origines de réplication ; il s’agit de
courts segments d’ADN ayant une séquence nucléotidique
spécifique. Comme de nombreux autres chromosomes bactériens, celui d’E. coli est circulaire et a une seule origine
de réplication, soit une séquence particulière de 245 paires de
nucléotides, appelée oriC, et comportant de nombreuses
paires AT. Des protéines de réplication reconnaissent cette
séquence et amorcent la duplication de l’ADN. Elles s’attachent
à celuici et séparent les deux brins en formant un « œil » de
réplication. La réplication se poursuit alors dans les deux sens,
jusqu’à ce que toute la molécule ait été recopiée (figure 16.12a).
Contrairement au chromosome bactérien, un chromosome
d’Eucaryote, qui est linéaire, peut avoir des centaines, voire
des milliers d’origines de réplication (jusqu’à 100 000 dans
une cellule humaine) : la réplication d’un chromosome eucaryote ne débute donc pas à une de ses extrémités comme on
pourrait l’imaginer. L’origine de réplication ainsi que le segment d’ADN qui est répliqué à partir de ce point forment une
unité appelée réplicon (chez la bactérie, il n’y en a qu’un
seul). Tout œil de réplication finit par fusionner avec un
autre, ce qui accélère le recopiage des molécules d’ADN qui
sont très longues (figure 16.12b). Comme chez les Bactéries,
la réplication de l’ADN chez les Eucaryotes se poursuit dans
les deux sens à partir de chaque origine.
Chaque extrémité d’un œil de réplication prend la forme
d’une fourche de réplication, c’estàdire d’une région en
forme de Y où les deux brins d’ADN sont déroulés. Plusieurs
types de protéines participent au déroulement (figure 16.13,
page 364). C’est dans l’angle de la fourche de réplication
qu’agissent les hélicases : ces enzymes déroulent la double
hélice, rompant les liaisons hydrogène entre les bases azotées
à l’aide de l’énergie fournie par l’hydrolyse de l’ATP, et séparent les deux brins parentaux, ce qui les rend disponibles
pour servir de brins matrices. Après la séparation des deux
brins parentaux par l’hélicase, les protéines fixatrices
d’ADN monoca ténaire (ou protéines SSB, single-strand binding proteins) s’attachent aux brins d’ADN non appariés et les
empêchent de s’enrouler à nouveau jusqu’à ce qu’ils servent
de matrices pour la synthèse de nouveaux brins complémentaires. Ce déroulement de la double hélice cause des torsions
impor tantes et une tension en amont de la fourche de réplication, comme si on déroulait une corde à deux brins dont
l’une des extrémités serait fixée, en écartant les deux bouts
libres. C’est l’ADN gyrase, une topoisomérase (« topo », car
elle agit sur la topologie de l’ADN), qui fait diminuer cette
tension : elle effectue des coupures, fait pivoter les brins
d’ADN puis répare les coupures.
Les sections déroulées des brins d’ADN parentaux peuvent
alors servir de matrices pour la synthèse de nouveaux brins
d’ADN complémentaires. Cependant, les enzymes qui synthétisent l’ADN sont incapables d’amorcer la synthèse d’un
polynucléotide. Elles ne peuvent qu’ajouter des nucléotides à
l’extrémité 39 d’une chaîne préexistante déjà appariée avec
les bases du brin matrice. Lors de l’initiation de la réplication
de l’ADN cellulaire, l’amorce est en fait un court segment
d’ARN, et non d’ADN. Cette chaîne d’ARN appelée amorce
est synthétisée par une enzyme appelée primase (de l’anglais primer qui signifie « amorce ») (voir la figure 16.13).
Cette enzyme, qui ne nécessite pas la présence d’une extrémité 39 libre, peut entamer la synthèse d’une chaîne d’ARN
complémentaire à partir d’un seul nucléotide d’ARN ; elle
unit les nucléotides de l’ARN un par un, en se servant du
brin d’ADN parental comme matrice. L’amorce complétée,
généralement d’une longueur de 5 à 10 nucléotides, est donc
appariée avec les bases du brin matrice. L’initiation d’un nouveau brin d’ADN va se produire à l’extrémité 39 de l’amorce.
La synthèse d’un nouveau brin
Des enzymes appelées ADN polymérases catalysent la synthèse du nouveau brin d’ADN en ajoutant des nucléotides à
la chaîne préexistante. Chez E. coli, il existe plusieurs ADN
polymérases différentes, mais deux d’entre elles semblent
jouer des rôles importants dans la réplication de l’ADN :
l’ADN polymérase III, présente en faible quantité, et l’ADN
polymérase I, très abondante. (La découverte de l’ADN polymérase I est l’œuvre d’Arthur Kornberg en 1958, ce qui lui
valut un prix Nobel en 1959.) La situation est plus complexe
chez les Eucaryotes, car ils possèdent plusieurs types de polymérases et au moins quatre types seraient nécessaires à la
réplication de l’ADN. Les principes généraux sont toutefois
les mêmes.
La plupart des ADN polymérases nécessitent une amorce
et un brin matrice le long duquel les nucléotides de l’ADN
complémentaire s’alignent. Chez E. coli, l’ADN polymérase III
(ADN pol III) ajoute alors un nucléotide de l’ADN à l’extrémité de l’amorce et continue d’incorporer des nucléotides
complémentaires du brin matrice de l’ADN parental au nouveau brin d’ADN en croissance. La vitesse d’élongation est
d’environ 500 nucléotides par seconde chez les Bactéries et
de 50 par seconde dans les cellules humaines.
Chaque nucléotide ajouté à un brin d’ADN en voie de formation est en fait un nucléoside triphosphate, c’estàdire un
nucléoside (un glucide et une base azotée) portant trois groupements phosphate déjà formé et présent dans le milieu. Ces
comprend 46 molécules d’ADN, soit une longue molécule
hélicoïdale à double brin par chromosome. En tout, on estime
que le génome humain comporte environ six milliards de paires de nucléotides, ce qui équivaut à peu près à 1 000 fois plus
d’ADN que dans une cellule bactérienne. Si l’on voulait représenter toutes les paires de bases d’une seule cellule humaine
par des lettres (A, G, C et T) de la taille des caractères que vous
lisez en ce moment, il faudrait imprimer environ 1 200 manuels
comme celuici. Il suffit pourtant de quelques heures à l’une
de nos cellules pour recopier tout son ADN. La réplication de
cette énorme quantité d’information génétique se fait avec
très peu d’erreurs (environ une par dix milliards de nucléotides). La réplication de l’ADN s’effectue donc avec une rapidité et une précision remarquables.
Plus d’une douzaine d’enzymes et d’autres protéines interviennent dans la réplication de l’ADN. Le fonctionnement de
cette « machine à répliquer » est mieux connu chez les Bactéries
(comme E. coli) que chez les Eucaryotes. Sauf indications
contraires, nous décrirons les principales étapes de ce processus
chez E. coli. Cependant, d’après ce que les scientifiques ont
appris sur la réplication de l’ADN chez les Eucaryotes, il semble
que ce processus soit essentiellement le même chez les Procaryotes et chez les Eucaryotes.
Le point de départ
La réplication d’une molécule d’ADN commence sur des sites
particuliers, appelés origines de réplication ; il s’agit de
courts segments d’ADN ayant une séquence nucléotidique
spécifique. Comme de nombreux autres chromosomes bactériens, celui d’E. coli est circulaire et a une seule origine
de réplication, soit une séquence particulière de 245 paires de
nucléotides, appelée oriC, et comportant de nombreuses
paires AT. Des protéines de réplication reconnaissent cette
séquence et amorcent la duplication de l’ADN. Elles s’attachent
à celuici et séparent les deux brins en formant un « œil » de
réplication. La réplication se poursuit alors dans les deux sens,
jusqu’à ce que toute la molécule ait été recopiée (figure 16.12a).
Contrairement au chromosome bactérien, un chromosome
d’Eucaryote, qui est linéaire, peut avoir des centaines, voire
des milliers d’origines de réplication (jusqu’à 100 000 dans
une cellule humaine) : la réplication d’un chromosome eucaryote ne débute donc pas à une de ses extrémités comme on
pourrait l’imaginer. L’origine de réplication ainsi que le segment d’ADN qui est répliqué à partir de ce point forment une
unité appelée réplicon (chez la bactérie, il n’y en a qu’un
seul). Tout œil de réplication finit par fusionner avec un
autre, ce qui accélère le recopiage des molécules d’ADN qui
sont très longues (figure 16.12b). Comme chez les Bactéries,
la réplication de l’ADN chez les Eucaryotes se poursuit dans
les deux sens à partir de chaque origine.
Chaque extrémité d’un œil de réplication prend la forme
d’une fourche de réplication, c’estàdire d’une région en
forme de Y où les deux brins d’ADN sont déroulés. Plusieurs
types de protéines participent au déroulement (figure 16.13,
page 364). C’est dans l’angle de la fourche de réplication
qu’agissent les hélicases : ces enzymes déroulent la double
hélice, rompant les liaisons hydrogène entre les bases azotées
à l’aide de l’énergie fournie par l’hydrolyse de l’ATP, et séparent les deux brins parentaux, ce qui les rend disponibles
pour servir de brins matrices. Après la séparation des deux
brins parentaux par l’hélicase, les protéines fixatrices
d’ADN monoca ténaire (ou protéines SSB, single-strand binding proteins) s’attachent aux brins d’ADN non appariés et les
empêchent de s’enrouler à nouveau jusqu’à ce qu’ils servent
de matrices pour la synthèse de nouveaux brins complémentaires. Ce déroulement de la double hélice cause des torsions
impor tantes et une tension en amont de la fourche de réplication, comme si on déroulait une corde à deux brins dont
l’une des extrémités serait fixée, en écartant les deux bouts
libres. C’est l’ADN gyrase, une topoisomérase (« topo », car
elle agit sur la topologie de l’ADN), qui fait diminuer cette
tension : elle effectue des coupures, fait pivoter les brins
d’ADN puis répare les coupures.
Les sections déroulées des brins d’ADN parentaux peuvent
alors servir de matrices pour la synthèse de nouveaux brins
d’ADN complémentaires. Cependant, les enzymes qui synthétisent l’ADN sont incapables d’amorcer la synthèse d’un
polynucléotide. Elles ne peuvent qu’ajouter des nucléotides à
l’extrémité 39 d’une chaîne préexistante déjà appariée avec
les bases du brin matrice. Lors de l’initiation de la réplication
de l’ADN cellulaire, l’amorce est en fait un court segment
d’ARN, et non d’ADN. Cette chaîne d’ARN appelée amorce
est synthétisée par une enzyme appelée primase (de l’anglais primer qui signifie « amorce ») (voir la figure 16.13).
Cette enzyme, qui ne nécessite pas la présence d’une extrémité 39 libre, peut entamer la synthèse d’une chaîne d’ARN
complémentaire à partir d’un seul nucléotide d’ARN ; elle
unit les nucléotides de l’ARN un par un, en se servant du
brin d’ADN parental comme matrice. L’amorce complétée,
généralement d’une longueur de 5 à 10 nucléotides, est donc
appariée avec les bases du brin matrice. L’initiation d’un nouveau brin d’ADN va se produire à l’extrémité 39 de l’amorce.
La synthèse d’un nouveau brin
Des enzymes appelées ADN polymérases catalysent la synthèse du nouveau brin d’ADN en ajoutant des nucléotides à
la chaîne préexistante. Chez E. coli, il existe plusieurs ADN
polymérases différentes, mais deux d’entre elles semblent
jouer des rôles importants dans la réplication de l’ADN :
l’ADN polymérase III, présente en faible quantité, et l’ADN
polymérase I, très abondante. (La découverte de l’ADN polymérase I est l’œuvre d’Arthur Kornberg en 1958, ce qui lui
valut un prix Nobel en 1959.) La situation est plus complexe
chez les Eucaryotes, car ils possèdent plusieurs types de polymérases et au moins quatre types seraient nécessaires à la
réplication de l’ADN. Les principes généraux sont toutefois
les mêmes.
La plupart des ADN polymérases nécessitent une amorce
et un brin matrice le long duquel les nucléotides de l’ADN
complémentaire s’alignent. Chez E. coli, l’ADN polymérase III
(ADN pol III) ajoute alors un nucléotide de l’ADN à l’extrémité de l’amorce et continue d’incorporer des nucléotides
complémentaires du brin matrice de l’ADN parental au nouveau brin d’ADN en croissance. La vitesse d’élongation est
d’environ 500 nucléotides par seconde chez les Bactéries et
de 50 par seconde dans les cellules humaines.
Chaque nucléotide ajouté à un brin d’ADN en voie de formation est en fait un nucléoside triphosphate, c’estàdire un
nucléoside (un glucide et une base azotée) portant trois groupements phosphate déjà formé et présent dans le milieu. Ces