B3 · Réplication et intégrité
Réplication de l'ADN chez les eucaryotes
Décrire l'initiation aux origines, l'ouverture de la fourche et les enzymes de la réplication. Distinguer la synthèse du brin avancé et du brin retardé et expliquer la semi-conservation et la fidélité du processus.
Biologie moléculaire et génome7 min de lecture17 QCM corrigés
Principes généraux de la réplication
La réplication de l'ADN est le processus par lequel une molécule d'ADN est copiée avant la division cellulaire. Chez les eucaryotes, elle se déroule pendant la phase S du cycle cellulaire et doit reproduire l'ensemble du génome une seule fois par cycle.
Les deux brins parentaux se séparent, puis chacun sert de matrice pour la synthèse d'un brin complémentaire. L'appariement spécifique des bases, avec A face à T et G face à C, permet de transmettre l'information portée par la séquence nucléotidique.
La réplication est également bidirectionnelle : à partir de chaque point de départ, deux zones de synthèse progressent en sens opposés.
Le génome eucaryote étant très long, il possède de nombreuses origines de réplication. Leur activation simultanée ou successive permet de copier l'ensemble du génome pendant une durée compatible avec le cycle cellulaire.
Préparation et activation des origines
Licence des origines
L'initiation est préparée avant la phase S. Le complexe de reconnaissance de l'origine, ou ORC, se fixe sur les régions susceptibles de fonctionner comme origines. Il recrute ensuite les protéines Cdc6 et Cdt1, qui permettent le chargement de l'hélicase MCM sous une forme encore inactive.
L'association d'ORC, de Cdc6, de Cdt1 et de MCM constitue le complexe pré-réplicatif. Cette étape confère à l'origine une licence, c'est-à-dire la capacité d'être activée lors de la phase S.
La séparation entre la mise sous licence et l'activation est essentielle. Une origine ne peut recevoir sa licence qu'avant la phase S, puis elle ne peut être activée qu'une seule fois. Ce contrôle empêche qu'une même région soit copiée plusieurs fois au cours du même cycle.
Activation en phase S
Au début de la phase S, des protéines kinases activent les complexes pré-réplicatifs. Une kinase est une enzyme qui transfère un groupement phosphate sur une protéine et peut ainsi modifier son activité.
Les kinases CDK et DDK provoquent le recrutement de facteurs supplémentaires et l'activation de MCM au sein du complexe hélicase CMG. L'origine s'ouvre alors et deux fourches de réplication se forment.
Ouverture et progression de la fourche
L'ouverture et la progression de la fourche mobilisent plusieurs protéines aux fonctions complémentaires :
- l'hélicase CMG rompt les liaisons hydrogène entre les bases complémentaires et sépare les deux brins parentaux ;
- les protéines RPA se fixent sur l'ADN simple brin, empêchent sa réassociation et le protègent ;
- les topoisomérases suppriment les contraintes de torsion créées en avant de la fourche par l'ouverture de la double hélice ;
- les ADN polymérases synthétisent les nouveaux brins ;
- les protéines associées assurent l'amorçage, la stabilité des polymérases et la maturation des fragments synthétisés.
Une topoisomérase coupe transitoirement un ou deux brins d'ADN, permet leur rotation ou leur passage relatif, puis rétablit la continuité de la molécule. Sans cette action, la torsion accumulée freinerait puis bloquerait l'avancée de la fourche.
Une ADN polymérase ne peut pas commencer seule un brin. Elle a besoin d'une amorce, courte séquence nucléotidique fournissant une extrémité hydroxyle libre.
Direction de la synthèse
Les deux brins d'une double hélice sont antiparallèles : l'un est orienté de vers , l'autre de vers . Or toutes les ADN polymérases synthétisent uniquement dans le sens vers . Elles ajoutent chaque nouveau nucléotide sur l'extrémité du brin en croissance.
Cette contrainte explique pourquoi les deux nouveaux brins ne sont pas synthétisés de la même manière, bien qu'ils soient produits simultanément à une même fourche.
Amorçage
Le complexe polymérase –primase construit une courte amorce d'ARN, puis lui ajoute un court segment d'ADN. Cette amorce est ensuite prolongée par une polymérase réplicative.
Le facteur RFC charge sur l'ADN la protéine PCNA, qui forme un anneau autour de la double hélice.
Brin avancé
Le brin avancé est synthétisé dans le même sens que la progression de la fourche. Sa synthèse est donc continue à partir d'une amorce initiale. Chez les eucaryotes, elle est principalement assurée par l'ADN polymérase .
Brin retardé
Le brin retardé doit également être synthétisé dans le sens vers , mais sa matrice est orientée dans un sens imposant une synthèse opposée au déplacement global de la fourche. Il est donc produit de manière discontinue.
La primase dépose successivement plusieurs amorces. L'ADN polymérase prolonge chacune d'elles, ce qui forme des fragments d'Okazaki.
Maturation du brin retardé
Les fragments d'Okazaki doivent être réunis en un brin continu. Les amorces contenant de l'ARN sont retirées grâce à la RNase H et à l'endonucléase FEN1. Les espaces sont remplis par de l'ADN, principalement sous l'action de la polymérase .
Il reste alors une interruption entre deux fragments adjacents. L'ADN ligase I rétablit la liaison phosphodiester entre leurs extrémités et rend continu le squelette sucre-phosphate.
La réplication doit aussi franchir la chromatine. Les nucléosomes sont transitoirement désassemblés en avant de la fourche, puis réassemblés derrière elle sur les molécules filles à partir d'histones parentales et nouvellement produites.
Fidélité de la réplication
La fidélité repose d'abord sur la complémentarité des bases et sur la sélection du nucléotide par le site actif de l'ADN polymérase. Elle est renforcée par la relecture des polymérases et .
Lorsqu'un nucléotide incorrect est incorporé, l'extrémité du brin en croissance est transférée vers un site enzymatique possédant une activité exonucléasique vers . Le nucléotide incorrect est retiré, puis la synthèse reprend.
Les erreurs résiduelles peuvent être corrigées après le passage de la fourche par la réparation des mésappariements. Le mécanisme détaillé de cette réparation relève de la fiche consacrée aux systèmes de réparation de l'ADN.
La réplication des extrémités des chromosomes linéaires pose une difficulté particulière, étudiée dans la fiche consacrée aux télomères et à la télomérase.
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