4.3 – Réplication de l’ADN SBI 4U Dominic Décoeur

Introduction Structure et réplication de l’ADN http://fr.encarta.msn.com/media_701767208/Structure_et_r%C3%A9plication_de_l'ADN.html

Introduction Avant qu’une cellule se divise, il faut que son ADN se réplique exactement de sorte que la cellule puisse transmettre des copies identiques de ses gènes à chacune des cellules filles. Le processus de réplication de l’ADN établit l’équilibre entre le besoin de rapidité et le besoin de précision.

Introduction Par exemple, imagine qu’on te demande de taper des codes d’une lettre pour chacune des milliards de bases présentées dans le génome (somme de tous les ADN dans les cellules de l’organisme) d’une seule cellule humaine. Si tu tapes 60 mots à la minute sans jamais arrêter, cela te prendrait plus de 30 ans pour terminer la séquence. Une cellule met seulement quelques heures à peine pour copier le même matériel. Le taux d’erreur lors de la réplication est d’environ 1 erreur pour 1 milliards de nucléotides.

Les théories avancées Les 3 principales théories avancées pour la réplication d’ADN: Conservatrice : formation de 2 nouveaux brins fils à partir des matrices parents et ces nouveaux brins s’unissent ensuite pour créer une nouvelle double hélice. Semi-conservatrice : chacune des molécules d’ADN filles se compose d’un brin parent et d’un nouveau brin. Dispersive : les molécules d’ADN parents sont décomposées en fragments et les 2 brins d’ADN dans chacune des molécules filles sont constitués d’un assortiment d’ADN parental et de nouvel ADN.

Les théories avancées Modèle conservatif Modèle semi conservatif Modèle dispersif

L’ADN : un modèle semi-conservatif À partir d'une molécule, on en obtient deux parfaitement identiques. Chacune des deux nouvelles obtenues est formée d'un brin de la molécule d'origine et d'un nouveau brin assemblé à partir des nucléotides ajoutés. C'est ce qu'on a appelé un mode de reproduction semi-conservatif.

Animations La réplication de l’ADN http://www.courses.fas.harvard.edu/%7Ebiotext/animations/replication1.swf http://highered.mcgraw-hill.com/sites/0072437316/student_view0/chapter14/animations.html

Processus de réplication Le processus de réplication se fait en trois phases : L’activation L’élongation L’achèvement

L’activation Cette séquence est reconnue par un groupe d’enzymes qui se lient à l’ADN au début et séparent les 2 brins pour ouvrir une bulle de réplication. L’ouverture de la bulle se fait à l’aide de l’ADN hélicase. Ces enzymes coupent les liaisons H et déroulent de courts segments d’ADN juste avant la fourche de réplication. L’ADN hélicase agit un peu comme la tirette d’une fermeture éclaire qui sépare les deux parties de la fermeture.

L’activation Une fois la bulle ouverte, les molécules d’un enzyme appelé ADN polymérase s’insèrent dans l’espace entre les 2 brins. Ils commencent à ajouter un nucléotide à la fois afin de créer un nouveau brin complémentaire du brin matrice existant.

L’activation Il faut que l’hélice soit déroulée afin que les chaînes de nucléotides servent de matrice pour la formation de nouveaux brins. L’endroit où l’hélice est déroulée et où les nouveaux brins se développent s’appellent les fourches de réplication. La vitesse d’assemblage des nucléotides à chaque fourche est de l’ordre de 100 nucléotides à la seconde. On retrouve une fourche à chaque extrémité d’une bulle de réplication.

L’élongation Il y a 2 conditions au processus d’élongation : La réplication a seulement lieu dans le sens 5`→ 3`. Un court brin d’ARN primase, ou amorce, doit être libre pour servir de nouveaux nucléotides. Les fragments d’Okazaki apparaissent pendant l’élongation du brins d’ADN fils qui se construit forcément dans la direction 3`→ 5`(du brin d’origine). L’ADN polymérase synthétise ces courts segments d’ADN dans le sens 5`→ 3`puis les segments sont collés ensemble à l’aide de l’ADN ligase.

L’élongation La réplication se déroule de manière différente d’un brin à l’autre. Brin principal : ce brin est répliqué sans interruption dans le sens 5` → 3` et des nucléotides s’ajoutent régulièrement le long du brin fils. Ce brin suit toujours la fourche de réplication. Brin secondaire : un enzyme (ADN ligase) colle les fragments ensemble, ce qui catalyse la formation des liaisons phosphate entre les nucléotides. Il se forme beaucoup plus lentement que le brin principal.

L’élongation Dans la cellule, l'ADN, après avoir été séparé en deux brins par l'hélicase, se déroule sur une certaine longueur. L'ADN polymérase assemble alors, au fur et à mesure que la molécule se sépare, le brin complémentaire 5' - 3' (celui qui s'apparie au brin d'origine 3' - 5'). Lorsqu'une certaine longueur d'ADN a été séparé en deux brins, une autre ADN polymérase commence à assembler, dans le sens contraire, le brin complémentaire de l'autre partie.

L’élongation Sur le brin d'origine 3' - 5' (celui du haut sur image), le nouveau brin s'assemble au fur et à mesure que l'ADN est séparé en deux brins. Sur l'autre brin d'origine, le 5 ' - 3' (celui du bas sur l'image), le nouveau brin s'assemble dans la direction contraire de l'autre nouveau (de droite à gauche sur l'image). Au fur et à mesure que s'ouvre l'ADN, une ADN polymérase assemble dans la direction 5' - 3' un court fragment d'Okazaki. Le brin d'origine 5' - 3' est donc copié petit bout par petit bout par plusieurs ADN polymérases différentes.

L’élongation Le schéma présenté plutôt n'est pas encore tout à fait fidèle à la réalité. Il manque encore quelque chose, les amorces (ARN primase). L'ADN polymérase ne peut fonctionner que si elle se fixe d'abord sur une amorce. Cette amorce est formée d'un court segment d'ARN complémentaire à un segment du brin à copier. L'amorce mesure environ une dizaine de nucléotides. Partout où se forme une amorce, une ADN polymérase peut commencer à assembler des nucléotides.

L’élongation C'est une autre enzyme, la primase qui sert à assembler ces amorces. Dès qu'une amorce est assemblée, l'ADN polymérase peut commencer son travail. À la fin de la synthèse du brin complémentaire, une enzyme, l'ADN polymérase remplace les ribonucléotides des amorces par des désoxyribonucléotides (les A, T, C et G de l'ADN). Le brin d'ARN que formait l'amorce est donc remplacé par un brin d'ADN. Une dernière enzyme, l'ADN ligase vient rattacher les uns aux autres tous ces segments.

L’achèvement Dès que les nouveaux brins sont terminés, les molécules d’ADN s’enroulent automatiquement pour retrouver leur structure hélicoïdale chimique stable. Cependant, la synthèse d’ADN entraîne un nouveau problème à chaque extrémité du chromosome linéaire. L’ADN polymérase coupe une amorce d’ARN d’un fragment d’Okazaki, l’espace est comblé par l’addition de nucléotide à l’extrémité 3` du fragment d’Okazaki adjacent. Lorsque l’amorce d’ARN est coupée à l’extrémité 5` des molécules d’ADN, il n’y a pas de chaîne de nucléotide adjacente avec une extrémité 3` disponible pour combler l’espace. Le résultat est que les molécules d’ADN sont un peu plus courtes que leur matrice parent.

L’achèvement En 1, afin d’obtenir un brin complémentaire à l’original, il est nécessaire d’avoir une amorce (ARN primase) afin de débuter la réplication. En 2, la réplication a commencé.      En 3, l’amorce ARN est supprimée laissant potentiellement un «trou» par lequel l’ADN pourrait être dégradé.  En 4, l’extrémité du télomère se recourbe pour faire une extrémité en « épingle de cheveux », comme dans la figure précédente.

L’achèvement Schéma d’un télomère en épingle : Le fragment 5’ se termine normalement. En [1], le fragment 3’ se recourbe en épingle. Les guanines [2] se combinent entre elles par une modification de leur configuration des sucres associés. L’extrémité est ainsi protégée.

L’achèvement Chaque réplication entraîne la perte d’ADN chez les cellules eucaryotes. La perte de matériel génétique entraînée par chaque division cellulaire pourrait être désastreuse car le matériel perdu pourrait contenir des codes pour des activités essentielles aux fonctions cellulaires. Des parties appelées télomères servent de zone tampon. Elles sont des extensions des séquences de nucléotide très répétitives et riche en nucléotides G.

L’achèvement Les télomères, ou extrémités des chromosomes, sont indispensables pour préserver l’intégrité du matériel génétique au cours du cycle cellulaire. Ils se composent de séquence TTAGGG et permet d’éviter la perte de matériel génétique. L’érosion de la télomère peut entraîner la mort de la cellule et l’extension des télomères allonge la durée de vie de la cellule.

La vérification et la correction Après qu’un nucléotide s’ajoute à un nouveau brin d’ADN, l’ADN polymérase peut reconnaître s’il y a ou non une liaison hydrogène entre les paires car l’absence de liaison d’hydrogène signale un mauvais jumelage entre les bases. La polymérase coupe alors la mauvaise base du nouveau brin et ajoute le bon nucléotide en utilisant le brin parent comme matrice. Alors, on peut mentionner qu’il vérifie le bon appariement des bases azotées.

Animations http://www.cegep-ste-foy.qc.ca/profs/gbourbonnais/pascal/nya/genetique/notesadn/DNA_replication.mov http://bcs.whfreeman.com/mga2e/pages/bcs-main.asp?v=category&s=003&n=37&i=75.2&o=|14|26|37|&ns=0 http://www.johnkyrk.com/DNAreplication.fr.html http://strangepaths.com/replication-de-ladn/2007/07/03/fr/

Devoirs p. 240 (3, 5, 6, 7) p. 241 à 246 : Faire la lecture par vous-même. Définition des termes suivants : gène, génome, séquences régulatrices, familles multigéniques p. 246 (1, 3, 4, 6) p. 247-248 (2, 3, 4, 8, 9, 10, 11, 14, 15, 16, 17, 28)

Vérifier : http://nhscience.lonestar.edu/biol//bio1int.htm#dna