La réplication de l’ADN est le processus par lequel une cellule duplique son génome avant la division cellulaire, garantissant que chaque cellule fille reçoive une copie identique du matériel génétique. Le processus est semi-conservateur, ce qui signifie que chaque nouvelle molécule d’ADN consiste en un brin original et un brin nouvellement synthétisé. Ce principe est également la base de la PCR, une technique utilisée pour amplifier des séquences d’ADN spécifiques.
Origines de réplication
La réplication commence à des séquences spécifiques appelées origines de réplication. Chez E. coli, l’origine unique est appelée oriC, une région de 245 paires de bases contenant des séquences DnaA box et des répétitions riches en AT. La protéine initiatrice DnaA se lie à ces séquences, provoquant la fusion locale de la région riche en AT. Les chromosomes eucaryotes contiennent de multiples origines de réplication espacées d’environ 30 à 100 kilobases. Le système de licencing garantit que chaque origine ne s’active qu’une fois par cycle cellulaire en chargeant le complexe Mcm hélicase pendant la phase G1.
La fourche de réplication
Une fois l’ADN ouvert, la machinerie de réplication s’assemble à la fourche de réplication. L’ADN hélicase déroule la double hélice, avec DnaB chez les bactéries et le complexe CMG contenant Mcm2-7 chez les eucaryotes. Les protéines de liaison à l’ADN simple brin recouvrent les brins exposés, empêchant la réhybridation et les protégeant des nucléases. La topoisomérase soulage le stress torsionnel créé par le déroulement en avant de la fourche.
ADN polymérases
Les ADN polymérases catalysent l’ajout de nucléotides à l’extrémité 3-prime d’un brin d’ADN en croissance, nécessitant une matrice et une amorce avec un hydroxyle 3-prime libre. Elles synthétisent toujours dans la direction 5-prime vers 3-prime et ne peuvent pas initier la synthèse de novo. E. coli possède cinq ADN polymérases, la Pol III étant la principale enzyme réplicative. Les eucaryotes en possèdent au moins 15, avec Pol delta et Pol epsilon responsables respectivement de la synthèse des brins retardé et direct.
Synthèse des brins direct et retardé
Parce que les ADN polymérases ne peuvent synthétiser que dans la direction 5-prime vers 3-prime, les deux brins sont répliqués différemment. Le brin direct est synthétisé en continu dans la même direction que le mouvement de la fourche, ne nécessitant qu’une seule amorce. Le brin retardé est synthétisé de manière discontinue en courts fragments appelés fragments d’Okazaki, chacun nécessitant une nouvelle amorce. Chez les eucaryotes, les fragments d’Okazaki mesurent environ 100 à 200 nucléotides. La primase, une ARN polymérase spécialisée, synthétise de courtes amorces d’ARN d’environ 10 nucléotides.
Élimination des amorces et ligation
Les amorces d’ARN sur le brin retardé doivent être éliminées et remplacées par de l’ADN. Chez les bactéries, l’ADN polymérase I élimine l’amorce d’ARN par son activité exonucléase 5-prime vers 3-prime et comble le vide. Chez les eucaryotes, la RNase H élimine la majeure partie de l’amorce, et la nucléase FEN1 élimine le dernier ribonucléotide. L’ADN ligase scelle l’entaille entre les fragments adjacents, consommant du NAD+ chez les bactéries ou de l’ATP chez les eucaryotes et les archées. La digestion par enzymes de restriction génère des fragments compatibles qui peuvent être joints par l’ADN ligase dans le clonage moléculaire.
Fidélité de la réplication
La réplication de l’ADN atteint une précision remarquable, avec des taux d’erreur d’environ une erreur pour 10^10 nucléotides. Cette fidélité résulte de trois mécanismes. Premièrement, les ADN polymérases ont une sélectivité géométrique élevée, discriminant contre l’appariement incorrect des bases lors de l’incorporation. Deuxièmement, l’activité exonucléase 3-prime vers 5-prime des polymérases réplicatives relit les bases nouvellement ajoutées, éliminant immédiatement les mésappariements. Troisièmement, la réparation des mésappariements post-réplicative corrige les erreurs qui échappent à la relecture. Les défauts de réparation des mésappariements provoquent une instabilité des microsatellites et prédisposent au cancer colorectal héréditaire non polyposique.
Réplication des télomères
Les extrémités des chromosomes linéaires eucaryotes posent un problème spécial car l’ADN polymérase ne peut pas répliquer l’extrémité du brin retardé. Les télomères, séquences d’ADN répétitives aux extrémités des chromosomes, sont allongés par la télomérase, une transcriptase inverse spécialisée qui porte son propre modèle d’ARN. La télomérase ajoute des répétitions TTAGGG chez l’humain, empêchant le raccourcissement progressif. La télomérase est active dans les cellules germinales, les cellules souches et la plupart des cellules cancéreuses, tandis que les cellules somatiques manquent de télomérase et subissent un raccourcissement des télomères à chaque division, contribuant à la sénescence cellulaire.
