Fiche de révision : Biologie moléculaire et réplication

📋 Plan du Cours

1. Structure des nucléotides et de l’ADN
2. Cycle cellulaire et fidélité réplicative
3. Origines et initiation de la réplication
4. Synthèse et enzymes de réplication
5. Réplication eucaryote et télomères
6. Méthylation et expression génétique
7. Dosage et pureté des acides nucléiques

📖 1. Structure des nucléotides et de l’ADN

🔑 Notions clés & Définitions

• Désoxyribonucléotide : Unité de base de l’ADN comprenant une base azotée, un désoxyribose et un groupement phosphate.

• Liaison phosphodiester : Liaison qui relie le phosphate d’un nucléotide au carbone 3′ du sucre du nucléotide précédent et forme le squelette sucre-phosphate de l’ADN.

★ À maîtriser

📌 Les purines de l’ADN sont l’adénine et la guanine, tandis que ses pyrimidines sont la cytosine et la thymine.

Compléments

• Le désoxyribose est un sucre à cinq carbones dépourvu de groupe hydroxyle en position 2′, contrairement au ribose de l’ARN.

• Dans un nucléotide, la liaison N-osidique relie le carbone 1′ du sucre à l’azote N1 des pyrimidines et N9 des purines.

• Le groupement phosphate est lié au carbone 5′ du sucre par une liaison ester phosphorique.

📖 2. Cycle cellulaire et fidélité réplicative

★ À maîtriser

• La réplication de l’ADN précède la division cellulaire et se déroule en phase S, avant la mitose ou la méiose.

• La réplication doit dupliquer le patrimoine génétique afin que chacune des deux cellules filles en reçoive un exemplaire.

Compléments

• Lorsque les mécanismes de contrôle et de réparation fonctionnent, le taux indiqué est d’un nucléotide modifié pour 10⁹ nucléotides à chaque cycle de réplication.

• Chez les procaryotes, la vitesse de réplication indiquée est de 500 à 1 000 nucléotides par seconde, permettant la réplication du chromosome bactérien en 40 minutes.

💡 Astuce mémo

Contrôle et réparation efficaces → un nucléotide modifié pour 10⁹ par cycle

📖 3. Origines et initiation de la réplication

★ À maîtriser

• Chez E. coli, le chromosome comprend environ 4,6 × 10⁶ paires de bases et possède une seule origine de réplication, OriC, d’environ 245 paires de bases.

• Chez E. coli, DnaA se fixe aux séquences répétées de 9 et 13 nucléotides d’OriC et permet l’initiation de la réplication.

• Chez les eucaryotes, l’assemblage du pré-complexe de réplication en G1 puis son activation en phase S suivent une succession de recrutements.

Compléments

• Les régions d’OriC riches en paires A-T facilitent l’ouverture locale de la double hélice, car les paires A-T forment deux liaisons hydrogène.

• Chez les eucaryotes, les origines de réplication sont des zones de quelques kilobases et environ 50 000 à 200 000 origines ont été identifiées selon les méthodes et les types cellulaires.

• Chez les eucaryotes, la vitesse de réplication indiquée est de 50 nucléotides par seconde, soit dix fois moins que chez les bactéries.

💡 Astuce mémo

ORC → Cdc6/Cdt1 → MCM → activation en phase S

📖 4. Synthèse et enzymes de réplication

★ À maîtriser

• Les ADN polymérases utilisent des désoxyribonucléosides triphosphates et un brin matrice pour synthétiser un brin complémentaire selon le mode semi-conservatif. - Meselson et Stahl, 1958

📌 Toute ADN polymérase synthétise l’ADN dans le sens 5′ → 3′ et ne peut ajouter un nucléotide qu’à une extrémité 3′-OH préexistante.

📌 Chez les procaryotes, l’ADN polymérase III réalise la synthèse de l’ADN, tandis que les ADN polymérases I et II interviennent principalement dans la réparation.

Compléments

• L’hélicase sépare les deux brins parentaux en rompant leurs liaisons hydrogène et utilise l’énergie de l’hydrolyse de l’ATP.

• Les protéines SSB chez les bactéries et RPA chez les eucaryotes se fixent à l’ADN simple brin et empêchent sa renaturation.

• La gyrase bactérienne élimine les surenroulements positifs induits par l’hélicase et introduit des surenroulements négatifs.

• Les primases synthétisent des amorces d’ARN de 4 à 12 ribonucléotides en utilisant l’ADN comme matrice et en travaillant dans le sens 5′ → 3′.

• L’ADN polymérase I retire les amorces d’ARN des fragments d’Okazaki, les remplace par de l’ADN et possède des activités exonucléases 5′ → 3′ et 3′ → 5′ ainsi qu’une activité polymérase 5′ → 3′.

• L’ADN ligase relie les fragments d’ADN adjacents en créant une liaison phosphodiester.

💡 Astuce mémo

Brin avancé continu, brin retardé discontinu

📖 5. Réplication eucaryote et télomères

★ À maîtriser

• Chez les eucaryotes, l’ADN polymérase ε assure la réplication du brin avancé, tandis que l’ADN polymérase δ assure la majeure partie de la réplication du brin retardé et la finition des brins; PCNA agit comme un anneau de maintien sur l’ADN.

• Chez l’humain, les télomères sont constitués de répétitions de la séquence 5′-TTAGGG-3′, présentes quelques centaines de fois à l’extrémité des chromosomes.

• La télomérase utilise son propre ARN comme matrice et allonge l’extrémité 3′-OH de l’ADN télomérique; elle fonctionne comme une transcriptase inverse.

Compléments

• Chez les eucaryotes, l’ADN polymérase α, associée à la primase, initie la réplication du brin retardé et intervient au départ des fragments d’Okazaki de 100 à 200 nucléotides.

• L’ADN polymérase γ est impliquée dans la réplication de l’ADN mitochondrial, tandis que les polymérases ε et β sont impliquées dans la réparation de l’ADN.

• Une activité télomérase faible ou inexistante entraîne le raccourcissement des télomères et peut provoquer une sénescence réplicative, tandis qu’une activité forte dans les cellules cancéreuses permet une prolifération indéfinie.

📖 6. Méthylation et expression génétique

★ À maîtriser

• Chez les mammifères, la méthylation de l’ADN concerne des cytosines de dinucléotides CpG et 60 à 90 % des CpG peuvent être méthylés.

📌 L’hypométhylation est associée au déverrouillage de l’expression d’un gène, tandis que l’hyperméthylation est associée à son verrouillage.

• La compaction de la chromatine empêche la transcription; l’hétérochromatine est transcriptionnellement inactive, tandis que l’euchromatine est compatible avec la transcription.

Compléments

• Les ADN méthyltransférases ajoutent un groupement méthyle en position C5 de la cytosine en utilisant la S-adénosyl méthionine comme donneur.

• Les îlots CpG ont une taille supérieure à 500 paires de bases, sont souvent présents dans les régions promotrices et leur méthylation est fréquemment associée à l’inhibition de l’expression génique.

• La désamination spontanée de la 5-méthylcytosine en thymine peut augmenter près de 100 fois la fréquence de mutations des séquences hyperméthylées.

• Lors du développement embryonnaire des mammifères, la méthylation est mise en place de novo puis maintenue au cours des divisions cellulaires principalement par DNMT1, DNMT3a et DNMT3b.

💡 Astuce mémo

Hypométhylation déverrouille, hyperméthylation verrouille

📖 7. Dosage et pureté des acides nucléiques

★ À maîtriser

📐 Formule - La loi de Beer relie l’absorbance, le coefficient d’absorption molaire, le trajet optique et la concentration : $A = \varepsilon l C$.

• Le dosage spectrophotométrique des acides nucléiques est effectué à 260 nm; pour l’ADN double brin, une absorbance de 1 correspond à 50 μg/mL.

Compléments

• Une solution d’ADN est considérée comme acceptable en pureté lorsque son rapport A260/A280 est compris entre 1,8 et 2,0.

• Pour l’ARN, le rapport A260/A280 acceptable est compris entre 2,0 et 2,2.

• Un rapport A260/A230 compris entre 2,0 et 2,2 indique une bonne pureté des acides nucléiques; une valeur significativement plus faible révèle des contaminants absorbant à 230 nm.

📊 Tableaux de synthèse

Polymérases eucaryotes