Fiche de révision : Réplication de l’ADN

📋 Plan du Cours

1. Transmission et rôle de la réplication
2. Réplication au cours du cycle cellulaire
3. Modèles et preuve semi-conservative
4. Réplisome et défis de la réplication
5. Origines et bulles de réplication
6. Hélicase et surenroulement de l’ADN
7. Topoisomérases et superenroulement
8. Amorçage de la réplication
9. Réplisome et organisation
10. Fin des fragments d’Okazaki bactériens
11. Polymérases et modèle du trombone
12. Réplication de l’ADN eucaryote
13. Réplication bidirectionnelle
14. Terminaison de la réplication
15. Télomérase et protection des télomères
16. Comparaison bactéries et eucaryotes

📖 1. Transmission et rôle de la réplication

🔑 Notions clés & Définitions

• Réplication : Processus de formation d’une copie de la molécule d’ADN de la cellule mère.

★ À maîtriser

• À la fin de la division cellulaire, chaque cellule fille reçoit l’intégralité de l’information génétique présente dans la cellule mère.

• La théorie fondamentale de départ de Crick (1958) indique que l’ADN dirige sa propre réplication en ADN identique ainsi que sa transcription en ARN, qui peut ou non être traduit en protéines.

Compléments

• La majorité des bactéries possède un chromosome circulaire, tandis que quelques exceptions, comme Borrelia burgdorferi et Streptomyces, possèdent un chromosome linéaire.

📖 2. Réplication au cours du cycle cellulaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Phase G0 : Période de quiescence durant laquelle la cellule exerce ses fonctions sans processus de division cellulaire, et dont la durée est très variable.

★ À maîtriser

• La duplication de l’ADN transforme les chromosomes à une chromatide en chromosomes à deux chromatides sœurs identiques, puis la mitose répartit une chromatide de chaque chromosome dans chaque cellule fille.

• Après la mitose, les deux cellules filles possèdent la même information génétique que la cellule mère et conservent chacune 2n chromosomes.

📌 C désigne la quantité d’ADN contenue dans une cellule, tandis que n désigne le nombre de chromosomes du génome haploïde.

• Après la réplication, la quantité d’ADN passe de C à 2C, mais le nombre de chromosomes reste à 2n.

Compléments

• La phase G1 débute lorsque la cellule entre en division et s’accompagne d’une production d’histones avant la réplication.

💡 Astuce mémo

La quantité d’ADN double (C → 2C), tandis que le nombre de chromosomes reste à 2n.

📖 3. Modèles et preuve semi-conservative

🔑 Notions clés & Définitions

• Modèle semi-conservatif : Modèle dans lequel chaque molécule d’ADN fille contient un brin provenant de la molécule parentale et un brin nouvellement synthétisé.
• Centrifugation à l’équilibre : Technique qui sépare des particules dans un gradient de densité, chaque particule s’arrêtant à l’endroit où sa densité égale celle du solvant.

★ À maîtriser

• L’expérience de Meselson et Stahl (1958) a montré que la réplication de l’ADN suit un mode semi-conservatif.

Compléments

📌 Le modèle conservatif prévoit que la molécule d’ADN parentale reste intacte et qu’une nouvelle molécule d’ADN est entièrement synthétisée.

• La densité est le rapport de la masse d’un corps à son volume, également appelé masse volumique.

• Dans l’expérience de Meselson et Stahl, des bactéries cultivées longtemps avec de l’azote lourd 15N sont transférées dans un milieu contenant un excès d’azote léger 14N, puis des échantillons sont prélevés après différentes divisions pour extraire l’ADN et le centrifuger pendant 24 h à 100 000 g dans du chlorure de césium.

📖 4. Réplisome et défis de la réplication

🔑 Notions clés & Définitions

• Réplisome : Complexe de plusieurs protéines, comprenant notamment des ADN polymérases ADN dépendantes, qui coordonne la réplication de l’ADN.

★ À maîtriser

• Au cours de la réplication, chaque brin parental sert de matrice à la synthèse d’un brin complémentaire selon la complémentarité des bases de Watson et Crick.

• La réplication comporte trois étapes principales :

  • l’initiation
  • l’élongation
  • la terminaison

Compléments

• Le réplisome doit accéder aux deux brins d’ADN, ce qui nécessite d’enlever les nucléosomes puis de les reconstituer après la synthèse des brins complémentaires.

• La polymérisation peut entraîner des erreurs, ce qui pose la question de leur réparation pendant la réplication.

• La synthèse d’ADN est orientée de 5’ vers 3’, et le caractère antiparallèle des brins pose un problème de coordination aux deux ADN polymérases physiquement liées dans le réplisome bactérien.

📖 5. Origines et bulles de réplication

🔑 Notions clés & Définitions

• Bulle de réplication : Région d’ADN nouvellement répliquée qui contient deux fourches de réplication lorsque le processus est bidirectionnel.

★ À maîtriser

• La réplication de l’ADN chromosomique est bidirectionnelle à partir de l’origine de réplication.

• Chez les bactéries, la réplication débute à un seul site ori, une séquence d’ADN spécifique riche en AT reconnue par des facteurs d’initiation.

Compléments

• Chez les bactéries, la réplication d’un chromosome circulaire forme une structure ressemblant à la lettre grecque thêta (θ).

• Chez les eucaryotes, la vitesse de polymérisation est de 50 nucléotides par seconde.

• Avec une seule origine de réplication par chromosome, il faudrait 700 jours pour répliquer l’ADN humain à la vitesse de polymérisation indiquée.

• Pour réduire la durée de réplication, l’être humain possède jusqu’à 200 000 sites d’initiation.

📌 Chez les eucaryotes, les origines de réplication ne présentent pas de séquence d’ADN spécifique, sauf chez la levure.

💡 Astuce mémo

Visualiser un œil de réplication qui s’ouvre en deux fourches.

📖 6. Hélicase et surenroulement de l’ADN

🔑 Notions clés & Définitions

• Hélicase : Enzyme qui déroule la double hélice et sépare les deux brins parentaux en rompant les liaisons hydrogène qui les unissent.

★ À maîtriser

• L’ouverture de la double hélice augmente le degré d’enroulement des brins en aval de la fourche, provoquant un surenroulement qui peut bloquer la progression de la réplication.

Compléments

• L’ouverture de la double hélice par l’hélicase permet la formation de la fourche de réplication et la progression de l’ADN polymérase le long de l’ADN.

• Sur un chromosome linéaire, la progression des hélicases forme des supertours en avant des fourches, susceptibles de bloquer la réplication.

• Sur un chromosome circulaire, la progression des deux réplisomes avec leurs hélicases forme des supertours en aval des fourches, susceptibles de bloquer la réplication.

💡 Astuce mémo

Ouverture de la double hélice → surenroulement en aval → risque de blocage.

📖 7. Topoisomérases et superenroulement

★ À maîtriser

• La topoisomérase I diminue le degré d’enroulement de l’ADN pendant l’ouverture de la double hélice en coupant temporairement un seul brin, puis en le religaturant.

• 🔄 La topoisomérase II élimine les supertours en : coupant temporairement les deux brins de l’ADN, faisant passer les deux brins de la double hélice à travers la coupure, religaturant l’ADN

Compléments

• Une mutation de la topoisomérase II (gyrase) empêche une bactérie d’éliminer les supertours durant la réplication.

💡 Astuce mémo

Topo I entaille un brin ; topo II ouvre les deux brins.

📖 8. Amorçage de la réplication

★ À maîtriser

📌 Les ADN polymérases ne peuvent pas placer le premier nucléotide d’un nouveau brin et ont besoin d’une extrémité 3′-OH d’une amorce appariée à la matrice pour ajouter les nucléotides suivants.

• In vivo, la primase est une ARN polymérase ADN-dépendante qui synthétise l’amorce ARN nécessaire à l’initiation de la réplication.

• Au niveau de la bulle de réplication, la primase, associée notamment à l’hélicase et à d’autres protéines, forme le primosome et synthétise une amorce ARN reconnue par l’ADN polymérase.

Compléments

• Chez les eucaryotes, l’amorce ARN mesure environ 10 nucléotides et est synthétisée dans le sens 5′P vers 3′OH sur le brin en synthèse.

📖 9. Réplisome et organisation

🔑 Notions clés & Définitions

• Réplisome : Ensemble de l’activité enzymatique localisée au niveau d’une fourche de réplication, comprenant une ADN polymérase ADN-dépendante, le primosome (hélicase et primase) et d’autres protéines.

📝 Points essentiels

• Chez les bactéries, les deux ADN polymérases du réplisome sont physiquement liées l’une à l’autre.

• Chez les eucaryotes, on ne sait pas si les deux ADN polymérases du réplisome sont physiquement liées ou indépendantes.

📖 10. Fin des fragments d’Okazaki bactériens

🔑 Notions clés & Définitions

• ADN ligase : Forme une liaison covalente entre les extrémités 3’OH et 5’P de deux fragments d’ADN en utilisant l’ATP comme source d’énergie.

📝 Points essentiels

• Chez les bactéries, l’ADN polymérase I élimine l’amorce d’ARN des fragments d’Okazaki et la remplace par de l’ADN, puis l’ADN ligase relie les fragments.

📖 11. Polymérases et modèle du trombone

★ À maîtriser

• Chez les bactéries, les ADN polymérases III coopèrent en dimère et coordonnent la réplication des deux brins dans le réplisome.

• Dans le modèle du trombone, le brin tardif forme une boucle au sein du réplisome, permettant aux deux ADN polymérases III d’avancer ensemble dans la même direction.

Compléments

📌 Le modèle théorique représente les ADN polymérases se déplaçant en sens opposés, tandis que le modèle pratique du trombone les représente avançant dans le même sens.

💡 Astuce mémo

Le brin tardif forme une boucle qui se déplie comme un trombone

📖 12. Réplication de l’ADN eucaryote

★ À maîtriser

• Chez les eucaryotes, les fragments d’Okazaki mesurent environ 100 à 200 nucléotides, contre 1 000 à 2 000 nucléotides chez les bactéries.

• Chez les eucaryotes, l’ADN est associé aux histones qui forment des nucléosomes autour desquels l’ADN est enroulé.

• La primase eucaryote synthétise une amorce d’ARN de 8 à 10 nucléotides, puis l’ADN polymérase α ajoute un oligonucléotide d’ADN d’environ 20 nucléotides.

• Chez les eucaryotes, l’ADN polymérase ε synthétise principalement le brin avancé et l’ADN polymérase δ synthétise le brin retardé sous forme de fragments d’Okazaki.

• Lorsqu’elle rencontre le fragment d’Okazaki suivant, l’ADN polymérase δ déplace l’amorce ARN-ADN et la remplace par de l’ADN, puis l’endonucléase FEN1 clive l’amorce déplacée et une ligase relie les fragments.

Compléments

• Les nucléosomes peuvent faire obstacle à la séparation des deux brins d’ADN lors de la réplication eucaryote.

💡 Astuce mémo

Fragments courts chez les eucaryotes, longs chez les bactéries

📖 13. Réplication bidirectionnelle

📝 Points essentiels

• Chez les eucaryotes, la réplication est bidirectionnelle à partir des origines de réplication, et chaque fourche comporte un brin avancé et un brin retardé.

📖 14. Terminaison de la réplication

📝 Points essentiels

• Dans un génome bactérien circulaire, deux réplisomes avancent en sens inverse depuis une origine commune et les deux fourches se rencontrent au site de terminaison situé à l’opposé de l’origine.

• Dans un chromosome eucaryote linéaire, après élimination de l’amorce ARN terminale du brin retardé, aucune amorce ne peut être posée au-delà de l’extrémité de la matrice pour compléter le brin.

• L’extrémité simple brin laissée par la réplication est plus fragile que l’ADN double brin et sa dégradation entraîne un raccourcissement du chromosome.

💡 Astuce mémo

Chromosome circulaire : les fourches se rejoignent ; chromosome linéaire : une extrémité reste incomplète

📖 15. Télomérase et protection des télomères

🔑 Notions clés & Définitions

• Télomère : Région d’ADN hautement répétitive située à l’extrémité d’un chromosome et associée à des protéines protectrices.
• Télomérase : La télomérase est un complexe ARN-protéines qui possède une activité d’ADN polymérase ARN-dépendante, ou transcriptase inverse, et allonge l’extrémité simple brin des télomères en copiant son ARN matrice.

★ À maîtriser

• Les séquences télomériques associées à des protéines protègent les extrémités chromosomiques et empêchent qu’elles soient considérées comme des cassures double brin.

• Après l’allongement du télomère par la télomérase, une amorce ARN-ADN est synthétisée et permet la formation d’un fragment d’Okazaki, ce qui évite la réduction de l’extrémité chromosomique lors de ce cycle.

Compléments

• Chez tous les vertébrés, la télomérase ajoute la séquence répétée 5′-(TTAGGG)n-3′ aux télomères.

📌 La télomérase est peu ou pas exprimée dans les cellules somatiques, mais elle est très active dans les cellules germinales, les cellules souches, les cellules cancéreuses et durant les périodes embryonnaire et fœtale.

• La dyskératose congénitale est associée à des mutations de TERT ou de TERC et ressemble à un vieillissement prématuré.

💡 Astuce mémo

La télomérase allonge l’extrémité simple brin → un fragment d’Okazaki peut être synthétisé sans perte terminale

📖 16. Comparaison bactéries et eucaryotes

★ À maîtriser

📌 Les bactéries ont généralement des chromosomes circulaires avec une origine de réplication, tandis que les eucaryotes ont des chromosomes linéaires avec des origines multiples.

📌 Chez les bactéries, l’amorce ARN est dégradée et remplacée nucléotide par nucléotide en ADN, tandis que chez les eucaryotes l’amorce ARN-ADN est déplacée par l’ADN polymérase δ puis éliminée par une endonucléase.

Compléments

• Chez les bactéries, l’origine de réplication est une séquence d’ADN spécifique, alors que les eucaryotes n’ont pas de séquence spécifique générale, sauf chez la levure.

📌 Chez les bactéries, l’amorce est constituée d’ARN, tandis que chez les eucaryotes elle est constituée d’un complexe ARN-ADN.

📊 Tableaux de synthèse

Origines de réplication selon le type cellulaire

Topoisomérases I et II