Réplication de l'ADN - DNA replication

Réplication de l'ADN : la double hélice est décompressée et déroulée, puis chaque brin séparé (turquoise) agit comme un modèle pour répliquer un nouveau brin partenaire (vert). Les nucléotides (bases) sont appariés pour synthétiser les nouveaux brins partenaires en deux nouvelles doubles hélices.

En biologie moléculaire , la réplication de l'ADN est le processus biologique consistant à produire deux répliques identiques d'ADN à partir d'une molécule d' ADN originale . La réplication de l'ADN se produit dans tous les organismes vivants agissant comme la partie la plus essentielle de l'héritage biologique . Ceci est essentiel pour la division cellulaire pendant la croissance et la réparation des tissus endommagés, tout en garantissant que chacune des nouvelles cellules reçoit sa propre copie de l'ADN . La cellule possède la propriété distinctive de la division, ce qui rend la réplication de l'ADN essentielle.

L'ADN est constitué d'une double hélice de deux brins complémentaires . La double hélice décrit l'apparition d'un ADN double brin qui est ainsi composé de deux brins linéaires opposés l'un à l'autre et se tordant ensemble pour se former. Lors de la réplication, ces brins sont séparés. Chaque brin de la molécule d'ADN d'origine sert alors de matrice pour la production de son homologue, un processus appelé réplication semi-conservatrice . À la suite d'une réplication semi-conservatrice, la nouvelle hélice sera composée d'un brin d'ADN original ainsi que d'un brin nouvellement synthétisé. Les mécanismes de relecture cellulaire et de vérification des erreurs assurent une fidélité presque parfaite pour la réplication de l'ADN.

Dans une cellule , la réplication de l'ADN commence à des emplacements spécifiques, ou origines de réplication , dans le génome qui contient le matériel génétique d'un organisme. Le déroulement de l'ADN à l'origine et la synthèse de nouveaux brins, hébergés par une enzyme connue sous le nom d' hélicase , entraînent des fourches de réplication qui se développent de manière bidirectionnelle à partir de l'origine. Un certain nombre de protéines sont associées à la fourche de réplication pour aider à l'initiation et à la poursuite de la synthèse de l' ADN . Plus particulièrement, l' ADN polymérase synthétise les nouveaux brins en ajoutant des nucléotides qui complètent chaque brin (modèle). La réplication de l'ADN se produit pendant le stade S de l' interphase .

La réplication de l'ADN (amplification de l'ADN) peut également être réalisée in vitro (artificiellement, en dehors d'une cellule). Des ADN polymérases isolées de cellules et des amorces d'ADN artificielles peuvent être utilisées pour démarrer la synthèse d'ADN au niveau de séquences connues dans une molécule d'ADN matrice. La réaction en chaîne par polymérase (PCR), la réaction en chaîne par ligase (LCR) et l' amplification médiée par la transcription (TMA) en sont des exemples. En mars 2021, des chercheurs ont rapporté des preuves suggérant qu'une forme préliminaire d' ARN de transfert , une composante nécessaire de la traduction , la synthèse biologique de nouvelles protéines conformément au code génétique , aurait pu être une molécule réplicateur elle-même au tout début du développement de la vie, ou l' abiogenèse .

Structure de l'ADN

L'ADN existe sous la forme d'une structure double brin, les deux brins étant enroulés ensemble pour former la double hélice caractéristique . Chaque brin d'ADN est une chaîne de quatre types de nucléotides . Les nucléotides dans l'ADN contiennent un sucre désoxyribose , un phosphate et une nucléobase . Les quatre types de nucléotides correspondent aux quatre nucléobases adénine , cytosine , guanine et thymine , communément abrégées en A, C, G et T. L'adénine et la guanine sont des bases puriques , tandis que la cytosine et la thymine sont des pyrimidines . Ces nucléotides forment des liaisons phosphodiester , créant le squelette phosphate-désoxyribose de la double hélice d'ADN avec les nucléobases pointant vers l'intérieur (c'est-à-dire vers le brin opposé). Les nucléobases sont appariées entre les brins par des liaisons hydrogène pour former des paires de bases . L'adénine s'apparie avec la thymine (deux liaisons hydrogène) et la guanine s'apparie avec la cytosine (trois liaisons hydrogène ).

Les brins d'ADN ont une directionnalité , et les différentes extrémités d'un seul brin sont appelées « extrémité 3′ (trois premiers) » et « extrémité 5′ (cinq premiers) ». Par convention, si la séquence de bases d'un simple brin d'ADN est donnée, l'extrémité gauche de la séquence est l'extrémité 5', tandis que l'extrémité droite de la séquence est l'extrémité 3'. Les brins de la double hélice sont antiparallèles, l'un étant de 5' à 3' et le brin opposé de 3' à 5'. Ces termes se réfèrent à l'atome de carbone dans le désoxyribose auquel se fixe le prochain phosphate de la chaîne. La directionnalité a des conséquences dans la synthèse d'ADN, car l'ADN polymérase peut synthétiser l'ADN dans une seule direction en ajoutant des nucléotides à l'extrémité 3' d'un brin d'ADN.

L'appariement de bases complémentaires dans l'ADN (par liaison hydrogène ) signifie que l'information contenue dans chaque brin est redondante. Les liaisons phosphodiester (intra-brin) sont plus fortes que les liaisons hydrogène (inter-brin). Le travail réel des liaisons phosphodiester est l'endroit où les polymères d'ADN relient le carbone 5' d'un nucléotide au carbone 3' d'un autre nucléotide, tandis que les liaisons hydrogène stabilisent les doubles hélices d'ADN à travers l'axe de l'hélice mais pas dans la direction de l'axe 1 .Cela permet de séparer les brins les uns des autres. Les nucléotides sur un seul brin peuvent donc être utilisés pour reconstruire des nucléotides sur un brin partenaire nouvellement synthétisé.

ADN polymérase

Les ADN polymérases ajoutent des nucléotides à l'extrémité 3' d'un brin d'ADN. Si un mésappariement est accidentellement incorporé, la polymérase est inhibée pour une extension supplémentaire. La relecture supprime le nucléotide non apparié et l'extension se poursuit.

Les ADN polymérases sont une famille d' enzymes qui réalisent toutes les formes de réplication de l'ADN. Les ADN polymérases en général ne peuvent pas initier la synthèse de nouveaux brins, mais ne peuvent qu'étendre un brin d'ADN ou d'ARN existant associé à un brin matrice. Pour commencer la synthèse, un court fragment d'ARN, appelé amorce , doit être créé et associé au brin d'ADN matrice.

L'ADN polymérase ajoute un nouveau brin d'ADN en prolongeant l'extrémité 3' d'une chaîne nucléotidique existante, en ajoutant de nouveaux nucléotides correspondant au brin modèle un à la fois via la création de liaisons phosphodiester . L'énergie pour ce processus de polymérisation de l'ADN provient de l'hydrolyse des liaisons phosphate (phosphoanhydride) à haute énergie entre les trois phosphates attachés à chaque base non incorporée . Les bases libres avec leurs groupes phosphate attachés sont appelées nucléotides ; en particulier, les bases avec trois groupes phosphate attachés sont appelées nucléosides triphosphates . Lorsqu'un nucléotide est ajouté à un brin d'ADN en croissance, la formation d'une liaison phosphodiester entre le phosphate proximal du nucléotide et la chaîne en croissance s'accompagne de l'hydrolyse d'une liaison phosphate à haute énergie avec libération des deux phosphates distaux sous forme de pyrophosphate. . L'hydrolyse enzymatique du pyrophosphate résultant en phosphate inorganique consomme une seconde liaison phosphate à haute énergie et rend la réaction effectivement irréversible.

En général, les ADN polymérases sont très précises, avec un taux d'erreur intrinsèque de moins d'une erreur pour chaque 10 7 nucléotides ajoutés. De plus, certaines ADN polymérases ont également une capacité de relecture ; ils peuvent éliminer les nucléotides de l'extrémité d'un brin en croissance afin de corriger les bases mésappariées. Enfin, les mécanismes de réparation des mésappariements post-réplication surveillent l'ADN à la recherche d'erreurs, étant capables de distinguer les mésappariements dans le brin d'ADN nouvellement synthétisé de la séquence de brin d'origine. Ensemble, ces trois étapes de discrimination permettent une fidélité de réplication de moins d'une erreur pour chaque 10 9 nucléotides ajoutés.

Le taux de réplication de l'ADN dans une cellule vivante a d'abord été mesuré comme le taux d'allongement de l'ADN du phage T4 dans E. coli infecté par le phage . Pendant la période d'augmentation exponentielle de l'ADN à 37 °C, la vitesse était de 749 nucléotides par seconde. Le taux de mutation par paire de bases par réplication au cours de la synthèse d'ADN du phage T4 est de 1,7 pour 10 8 .

Processus de réplication

Aperçu des étapes de la réplication de l'ADN
Étapes de la synthèse de l'ADN

La réplication de l'ADN, comme tous les processus de polymérisation biologique, se déroule en trois étapes catalysées et coordonnées par voie enzymatique : initiation, élongation et terminaison.

Initiation

Rôle des initiateurs pour l'initiation de la réplication de l'ADN.
Formation d'un complexe de pré-réplication.

Pour qu'une cellule se divise , elle doit d'abord répliquer son ADN. La réplication de l'ADN est un processus tout ou rien ; une fois la réplication commencée, elle se termine. Une fois la réplication terminée, elle ne se reproduit plus dans le même cycle cellulaire. Ceci est rendu possible par la division d'initiation du complexe de pré-réplication .

Complexe de pré-réplication

À la fin de la mitose et au début de la phase G1 , un grand complexe de protéines initiatrices s'assemble dans le complexe de pré-réplication à des points particuliers de l'ADN, appelés « origines ». Dans E. coli, la principale protéine initiatrice est DnaA ; chez la levure , c'est le complexe de reconnaissance d'origine . Les séquences utilisées par les protéines initiatrices ont tendance à être « riches en AT » (riches en bases adénine et thymine), car les paires de bases AT ont deux liaisons hydrogène (plutôt que les trois formées dans une paire CG) et sont donc plus faciles à séparer. Chez les eucaryotes, le complexe de reconnaissance d'origine catalyse l'assemblage des protéines initiatrices dans le complexe de pré-réplication. Cdc6 et Cdt1 s'associent ensuite au complexe de reconnaissance d'origine lié à l'origine afin de former un complexe plus grand nécessaire pour charger le complexe Mcm sur l'ADN. Le complexe Mcm est l'hélicase qui va démêler l'hélice d'ADN au niveau des origines de réplication et des fourches de réplication chez les eucaryotes. Le complexe Mcm est recruté à la fin de la phase G1 et chargé par le complexe ORC-Cdc6-Cdt1 sur l'ADN via un remodelage protéique ATP-dépendant. Le chargement du complexe Mcm sur l'ADN d'origine marque l'achèvement de la formation du complexe de pré-réplication.

Si les conditions environnementales sont bonnes à la fin de la phase G1, les complexes G1 et G1/S cycline - Cdk sont activés, ce qui stimule l'expression des gènes qui codent les composants de la machinerie synthétique de l'ADN. L'activation de G1/S-Cdk favorise également l'expression et l'activation des complexes S-Cdk, qui peuvent jouer un rôle dans l'activation des origines de réplication selon l'espèce et le type cellulaire. Le contrôle de ces Cdk varie en fonction du type cellulaire et du stade de développement. Cette régulation est mieux comprise chez la levure bourgeonnante , où les cyclines S Clb5 et Clb6 sont principalement responsables de la réplication de l'ADN. Les complexes Clb5,6-Cdk1 déclenchent directement l'activation des origines de réplication et sont donc nécessaires tout au long de la phase S pour activer directement chaque origine.

De la même manière, Cdc7 est également requis via la phase S pour activer les origines de réplication. Cdc7 n'est pas actif tout au long du cycle cellulaire et son activation est strictement programmée pour éviter une initiation prématurée de la réplication de l'ADN. À la fin de G1, l'activité de Cdc7 augmente brusquement en raison de l'association avec la sous-unité régulatrice Dbf4 , qui se lie directement à Cdc7 et favorise son activité de protéine kinase. Cdc7 s'est avéré être un régulateur limitant l'activité d'origine. Ensemble, les G1/S-Cdks et/ou S-Cdks et Cdc7 collaborent pour activer directement les origines de réplication, conduisant à l'initiation de la synthèse d'ADN.

Complexe de pré-initiation

Au début de la phase S, l'activation de S-Cdk et de Cdc7 conduit à l'assemblage du complexe de pré-initiation, un complexe protéique massif formé à l'origine. La formation du complexe de pré-initiation déplace Cdc6 et Cdt1 du complexe de réplication d'origine, inactivant et désassemblant le complexe de pré-réplication. Le chargement du complexe de pré-initiation sur l'origine active l'hélicase Mcm, provoquant le déroulement de l'hélice d'ADN. Les complexes préinitiation charge aussi de-primase et d' autres ADN polymérases à l'ADN.

Une fois que la α-primase a synthétisé les premières amorces, les jonctions amorce-matrice interagissent avec le chargeur de pince, qui charge la pince coulissante sur l'ADN pour commencer la synthèse d'ADN. Les composants du complexe de pré-initiation restent associés aux fourches de réplication lorsqu'ils s'éloignent de l'origine.

Élongation

L'ADN polymérase a une activité 5'-3'. Tous les systèmes de réplication d'ADN connus nécessitent un groupe hydroxyle 3' libre avant que la synthèse puisse être initiée (remarque : la matrice d'ADN est lue dans la direction 3' à 5' alors qu'un nouveau brin est synthétisé dans la direction 5' à 3' - c'est souvent confus). Quatre mécanismes distincts pour la synthèse de l'ADN sont reconnus :

  1. Toutes les formes de vie cellulaire et de nombreux virus à ADN , phages et plasmides utilisent une primase pour synthétiser une courte amorce d'ARN avec un groupe 3' OH libre qui est ensuite allongé par une ADN polymérase.
  2. Les rétroéléments (y compris les rétrovirus ) emploient un ARN de transfert qui amorce la réplication de l'ADN en fournissant un 3'OH libre qui est utilisé pour l'élongation par la transcriptase inverse .
  3. Dans les adénovirus et la famille des bactériophages φ29 , le groupe OH 3' est fourni par la chaîne latérale d'un acide aminé de la protéine attachée au génome (la protéine terminale) à laquelle des nucléotides sont ajoutés par l'ADN polymérase pour former un nouveau brin.
  4. Dans les virus à ADN simple brin, un groupe qui comprend les circovirus , les géminivirus , les parvovirus et autres, ainsi que les nombreux phages et plasmides qui utilisent le mécanisme de réplication en cercle tournant (RCR), l'endonucléase RCR crée une entaille dans le brin du génome. (virus simple brin) ou l'un des brins d'ADN (plasmides). L'extrémité 5' du brin coupé est transférée sur un résidu tyrosine sur la nucléase et le groupe 3' OH libre est ensuite utilisé par l'ADN polymérase pour synthétiser le nouveau brin.

Le premier est le plus connu de ces mécanismes et est utilisé par les organismes cellulaires. Dans ce mécanisme, une fois les deux brins séparés, la primase ajoute des amorces d'ARN aux brins de la matrice. Le brin principal reçoit une amorce d'ARN tandis que le brin retardé en reçoit plusieurs. Le brin avant est prolongé en continu à partir de l'amorce par une ADN polymérase à haute processivité , tandis que le brin en retard est prolongé de manière discontinue à partir de chaque amorce pour former des fragments d'Okazaki . La RNase élimine les fragments d'ARN d'amorce et une ADN polymérase à faible processivité distincte de la polymérase réplicative entre pour combler les lacunes. Lorsque cela est terminé, une seule entaille sur le brin principal et plusieurs entailles sur le brin retardé peuvent être trouvées. La ligase s'efforce de combler ces entailles, complétant ainsi la molécule d'ADN nouvellement répliquée.

La primase utilisée dans ce processus diffère significativement entre les bactéries et les archées / eucaryotes . Les bactéries utilisent une primase appartenant à la superfamille des protéines DnaG qui contient un domaine catalytique de type TOPRIM fold. Le pli TOPRIM contient un noyau α/β avec quatre brins conservés dans une topologie de type Rossmann . Cette structure se retrouve également dans les domaines catalytiques de la topoisomérase Ia, de la topoisomérase II, des nucléases de la famille OLD et des protéines de réparation de l'ADN liées à la protéine RecR.

La primase utilisée par les archées et les eucaryotes, en revanche, contient une version hautement dérivée du motif de reconnaissance d'ARN (RRM). Cette primase est structurellement similaire à de nombreuses ARN polymérases virales dépendantes de l'ARN, transcriptases inverses, cyclases générant des nucléotides cycliques et ADN polymérases des familles A/B/Y qui sont impliquées dans la réplication et la réparation de l'ADN. Dans la réplication eucaryote, la primase forme un complexe avec Pol α.

Plusieurs ADN polymérases jouent des rôles différents dans le processus de réplication de l'ADN. Dans E. coli , l' ADN Pol III est l'enzyme polymérase principalement responsable de la réplication de l'ADN. Il s'assemble en un complexe de réplication au niveau de la fourche de réplication qui présente une processivité extrêmement élevée, restant intact pendant tout le cycle de réplication. En revanche, l' ADN Pol I est l'enzyme responsable du remplacement des amorces d'ARN par l'ADN. L'ADN Pol I a une activité exonucléase 5' à 3' en plus de son activité polymérase, et utilise son activité exonucléase pour dégrader les amorces d'ARN devant lui lorsqu'il étend le brin d'ADN derrière lui, dans un processus appelé translation de coupure . Pol I est beaucoup moins processif que Pol III car sa fonction principale dans la réplication de l'ADN est de créer de nombreuses régions d'ADN courtes plutôt que quelques régions très longues.

Chez les eucaryotes , l'enzyme à faible processivité, Pol α, aide à initier la réplication car elle forme un complexe avec la primase. Chez les eucaryotes, on pense que la synthèse du brin principal est menée par Pol ε; cependant, ce point de vue a récemment été contesté, suggérant un rôle pour Pol δ. L'élimination de l'amorce est terminée par Pol δ tandis que la réparation de l'ADN pendant la réplication est terminée par Pol ε.

Au fur et à mesure que la synthèse d'ADN se poursuit, les brins d'ADN d'origine continuent de se dérouler de chaque côté de la bulle, formant une fourche de réplication à deux dents. Chez les bactéries, qui ont une seule origine de réplication sur leur chromosome circulaire, ce processus crée une « structure thêta » (ressemblant à la lettre grecque thêta : θ). En revanche, les eucaryotes ont des chromosomes linéaires plus longs et initient la réplication à de multiples origines au sein de ceux-ci.

Fourche de réplication

Schéma de la fourche de réplication.
a : matrice, b : brin principal, c : brin retardé, d : fourche de réplication, e : amorce, f : fragments d'Okazaki
De nombreuses enzymes sont impliquées dans la fourche de réplication de l'ADN.

La fourche de réplication est une structure qui se forme dans le long ADN hélicoïdal lors de la réplication de l'ADN. Il est créé par des hélicases, qui rompent les liaisons hydrogène maintenant les deux brins d'ADN ensemble dans l'hélice. La structure résultante a deux "branches" ramifiées, chacune constituée d'un seul brin d'ADN. Ces deux brins servent de matrice pour les brins principaux et retardés, qui seront créés lorsque l'ADN polymérase apparie les nucléotides complémentaires aux matrices ; les modèles peuvent être appelés à juste titre le modèle de brin principal et le modèle de brin retardé.

L'ADN est lu par l'ADN polymérase dans le sens 3' à 5', ce qui signifie que le nouveau brin est synthétisé dans le sens 5' à 3'. Étant donné que les matrices de brins avant et arrière sont orientées dans des directions opposées au niveau de la fourche de réplication, un problème majeur est de savoir comment réaliser la synthèse d'un nouvel ADN de brin en retard, dont la direction de synthèse est opposée à la direction de la fourche de réplication en croissance.

Fil conducteur

Le brin principal est le brin d'ADN nouveau qui est synthétisé dans la même direction que la fourche de réplication en croissance. Ce type de réplication de l'ADN est continu.

brin en retard

Le brin retardé est le brin d'ADN nouveau dont la direction de synthèse est opposée à la direction de la fourche de réplication en croissance. En raison de son orientation, la réplication du brin retardé est plus compliquée que celle du brin leader. En conséquence, l'ADN polymérase sur ce brin est considérée comme "à la traîne" par rapport à l'autre brin.

Le brin retardé est synthétisé en segments courts et séparés. Sur la matrice du brin retardé , une primase « lit » l'ADN matrice et initie la synthèse d'une courte amorce d' ARN complémentaire . Une ADN polymérase étend les segments amorcés, formant des fragments d'Okazaki . Les amorces d'ARN sont ensuite retirées et remplacées par de l'ADN, et les fragments d'ADN sont réunis par l' ADN ligase .

Dynamique à la fourche de réplication

La pince à ADN humaine assemblée, un trimère de la protéine PCNA .

Dans tous les cas, l'hélicase est composée de six polypeptides qui s'enroulent autour d'un seul brin de l'ADN en cours de réplication. Les deux polymérases sont liées à l'heximère d'hélicase. Chez les eucaryotes, l'hélicase s'enroule autour du brin principal et chez les procaryotes, elle s'enroule autour du brin retardé.

Au fur et à mesure que l'hélicase déroule l'ADN à la fourche de réplication, l'ADN en avant est forcé de tourner. Ce processus entraîne une accumulation de torsions dans l'ADN à venir. Cette accumulation forme une résistance à la torsion qui finirait par arrêter la progression de la fourche de réplication. Les topoisomérases sont des enzymes qui cassent temporairement les brins d'ADN, soulageant la tension causée par le déroulement des deux brins de l'hélice d'ADN ; les topoisomérases (y compris l' ADN gyrase ) y parviennent en ajoutant des superbobines négatives à l'hélice d'ADN.

L'ADN simple brin nu a tendance à se replier sur lui-même en formant des structures secondaires ; ces structures peuvent interférer avec le mouvement de l'ADN polymérase. Pour éviter cela, les protéines de liaison simple brin se lient à l'ADN jusqu'à ce qu'un deuxième brin soit synthétisé, empêchant la formation de structure secondaire.

L'ADN double brin est enroulé autour des histones qui jouent un rôle important dans la régulation de l'expression des gènes, de sorte que l'ADN répliqué doit être enroulé autour des histones aux mêmes endroits que l'ADN d'origine. Pour s'en assurer, les chaperons d' histones désassemblent la chromatine avant qu'elle ne soit répliquée et replacent les histones au bon endroit. Certaines étapes de ce remontage sont quelque peu spéculatives.

Les protéines de pince forment une pince coulissante autour de l'ADN, aidant l'ADN polymérase à maintenir le contact avec sa matrice, facilitant ainsi la processivité. La face interne de la pince permet à l'ADN d'être enfilé à travers elle. Une fois que la polymérase atteint la fin de la matrice ou détecte l'ADN double brin, la pince coulissante subit un changement de conformation qui libère l'ADN polymérase. Les protéines de chargement de la pince sont utilisées pour charger initialement la pince, reconnaissant la jonction entre la matrice et les amorces d'ARN. :274-5

Protéines de réplication de l'ADN

Au niveau de la fourche de réplication, de nombreuses enzymes de réplication s'assemblent sur l'ADN dans une machine moléculaire complexe appelée le réplisome . Voici une liste des principales enzymes de réplication de l'ADN qui participent au réplisome :

Enzyme Fonction dans la réplication de l'ADN
ADN hélicase Également connue sous le nom d'enzyme déstabilisant l'hélice. L'hélicase sépare les deux brins d'ADN au niveau de la fourche de réplication derrière la topoisomérase.
ADN polymérase L'enzyme responsable de catalyser l'ajout de substrats nucléotidiques à l'ADN dans la direction 5' à 3' pendant la réplication de l'ADN. Effectue également la relecture et la correction d'erreurs. Il existe de nombreux types différents d'ADN polymérase, dont chacun remplit des fonctions différentes dans différents types de cellules.
Pince à ADN Protéine qui empêche les ADN polymérases allongées de se dissocier du brin parent d'ADN.
Protéine de liaison à l'ADN simple brin Se lie à l'ADNsb et empêche la double hélice d'ADN de se re-hybrider après que l'hélicase d'ADN l'ait déroulée, maintenant ainsi la séparation des brins et facilitant la synthèse du nouveau brin.
Topoisomérase Détend l'ADN de sa nature super-enroulée.
ADN-gyrase Soulage la tension du déroulement par ADN hélicase; il s'agit d'un type spécifique de topoisomérase
ADN ligase Re-recuit les brins semi-conservateurs et rejoint les fragments d'Okazaki du brin retardé.
Primase Fournit un point de départ d'ARN (ou d'ADN) à l'ADN polymérase pour commencer la synthèse du nouveau brin d'ADN.
télomérase Allonge l'ADN télomérique en ajoutant des séquences nucléotidiques répétitives aux extrémités des chromosomes eucaryotes . Cela permet aux cellules germinales et aux cellules souches d'éviter la limite de Hayflick sur la division cellulaire.

Machines de réplication

E. coli Réplisome. Notamment, l'ADN sur le brin retardé forme une boucle. La structure exacte du réplisome n'est pas bien comprise.

Les machineries de réplication sont constituées de facteurs impliqués dans la réplication de l'ADN et apparaissant sur les ADNsb matrice. Les machines de réplication comprennent les primosotors qui sont des enzymes de réplication ; ADN polymérase, ADN hélicases, ADN clamps et ADN topoisomérases, et protéines de réplication ; par exemple des protéines de liaison à l'ADN simple brin (SSB). Dans les machines de réplication, ces composants se coordonnent. Dans la plupart des bactéries, tous les facteurs impliqués dans la réplication de l'ADN sont situés sur les fourches de réplication et les complexes restent sur les fourches pendant la réplication de l'ADN. Ces machines de réplication sont appelées réplisomes ou systèmes de réplicase d'ADN . Ces termes sont des termes génériques pour les protéines situées sur les fourches de réplication. Dans les cellules eucaryotes et certaines cellules bactériennes, les réplisomes ne sont pas formés.

Étant donné que les machineries de réplication ne se déplacent pas par rapport aux matrices d'ADN telles que les usines, elles sont appelées une usine de réplication . Dans une figure alternative, les usines à ADN sont similaires à des projecteurs et les ADN sont comme des films cinématographiques passant constamment dans les projecteurs. Dans le modèle d'usine de réplication, une fois que les deux hélicases d'ADN pour les brins principaux et les brins en retard sont chargées sur les ADN matrices, les hélicases s'exécutent le long des ADN l'une dans l'autre. Les hélicases restent associées pour le reste du processus de réplication. Peter Meister et al. observé directement des sites de réplication dans la levure bourgeonnante en surveillant les ADN polymérases marquées par la protéine fluorescente verte (GFP). Ils ont détecté la réplication de l'ADN de paires de loci marqués espacés symétriquement d'une origine de réplication et ont constaté que la distance entre les paires diminuait considérablement avec le temps. Cette découverte suggère que le mécanisme de réplication de l'ADN va avec les usines à ADN. C'est-à-dire que des couples d'usines de réplication sont chargés sur les origines de réplication et les usines associées les unes aux autres. En outre, les ADN modèles entrent dans les usines, ce qui entraîne l'extrusion des ADNss modèles et de nouveaux ADN. La découverte de Meister est la première preuve directe du modèle d'usine de réplication. Des recherches ultérieures ont montré que les hélicases à ADN forment des dimères dans de nombreuses cellules eucaryotes et que les machines de réplication bactérienne restent dans un seul emplacement intranucléaire pendant la synthèse de l'ADN.

Les usines de réplication effectuent le démêlage des chromatides sœurs. Le démêlage est essentiel pour distribuer les chromatides dans les cellules filles après la réplication de l'ADN. Parce que les chromatides sœurs après la réplication de l'ADN se tiennent par des anneaux de cohésine , il y a la seule chance pour le désenchevêtrement dans la réplication de l'ADN. La fixation des machines de réplication en tant qu'usines de réplication peut améliorer le taux de réussite de la réplication de l'ADN. Si les fourches de réplication se déplacent librement dans les chromosomes, la caténation des noyaux est aggravée et empêche la ségrégation mitotique.

Résiliation

Les eucaryotes initient la réplication de l'ADN en plusieurs points du chromosome, de sorte que les fourches de réplication se rencontrent et se terminent en de nombreux points du chromosome. Parce que les eucaryotes ont des chromosomes linéaires, la réplication de l'ADN est incapable d'atteindre la toute fin des chromosomes. En raison de ce problème, l'ADN est perdu dans chaque cycle de réplication à partir de la fin du chromosome. Les télomères sont des régions d'ADN répétitives proches des extrémités et aident à prévenir la perte de gènes due à ce raccourcissement. Le raccourcissement des télomères est un processus normal dans les cellules somatiques . Cela raccourcit les télomères du chromosome d'ADN fille. En conséquence, les cellules ne peuvent se diviser qu'un certain nombre de fois avant que la perte d'ADN n'empêche une nouvelle division. (C'est ce qu'on appelle la limite de Hayflick .) Au sein de la lignée de cellules germinales , qui transmet l'ADN à la génération suivante, la télomérase étend les séquences répétitives de la région des télomères pour empêcher la dégradation. La télomérase peut devenir active par erreur dans les cellules somatiques, entraînant parfois la formation de cancers . L'augmentation de l'activité de la télomérase est l'une des caractéristiques du cancer.

La terminaison nécessite que la progression de la fourche de réplication de l'ADN s'arrête ou soit bloquée. La terminaison à un locus spécifique, lorsqu'elle se produit, implique l'interaction entre deux composants : (1) une séquence de site de terminaison dans l'ADN, et (2) une protéine qui se lie à cette séquence pour arrêter physiquement la réplication de l'ADN. Dans diverses espèces bactériennes, cela s'appelle la protéine de liaison au site terminal de réplication de l'ADN, ou protéine Ter .

Parce que les bactéries ont des chromosomes circulaires, la fin de la réplication se produit lorsque les deux fourches de réplication se rencontrent à l'extrémité opposée du chromosome parental. E. coli régule ce processus grâce à l'utilisation de séquences de terminaison qui, lorsqu'elles sont liées par la protéine Tus , ne permettent le passage que d'une seule direction de fourche de réplication. En conséquence, les fourches de réplication sont contraintes de toujours se rencontrer dans la région de terminaison du chromosome.

Régulation

Le cycle cellulaire des cellules eucaryotes.

Eucaryotes

Chez les eucaryotes, la réplication de l'ADN est contrôlée dans le contexte du cycle cellulaire . Au fur et à mesure que la cellule se développe et se divise, elle progresse à travers les étapes du cycle cellulaire ; La réplication de l'ADN a lieu pendant la phase S (phase de synthèse). La progression de la cellule eucaryote tout au long du cycle est contrôlée par des points de contrôle du cycle cellulaire . La progression à travers les points de contrôle est contrôlée par des interactions complexes entre diverses protéines, y compris les cyclines et les kinases dépendantes des cyclines . Contrairement aux bactéries, l'ADN eucaryote se réplique dans les limites du noyau.

Le point de contrôle G1/S (ou point de contrôle de restriction) régule si les cellules eucaryotes entrent dans le processus de réplication de l'ADN et de division ultérieure. Les cellules qui ne passent pas par ce point de contrôle restent au stade G0 et ne répliquent pas leur ADN.

Après avoir traversé le point de contrôle G1/S, l'ADN ne doit être répliqué qu'une seule fois dans chaque cycle cellulaire. Lorsque le complexe Mcm s'éloigne de l'origine, le complexe de pré-réplication est démantelé. Parce qu'un nouveau complexe Mcm ne peut pas être chargé à une origine jusqu'à ce que les sous-unités de pré-réplication soient réactivées, une origine de réplication ne peut pas être utilisée deux fois dans le même cycle cellulaire.

L'activation des S-Cdks au début de la phase S favorise la destruction ou l'inhibition des composants complexes de pré-réplication individuels, empêchant un réassemblage immédiat. S et M-Cdks continuent de bloquer l'assemblage du complexe de pré-réplication même après la fin de la phase S, garantissant que l'assemblage ne peut pas se reproduire tant que toute l'activité Cdk n'est pas réduite à la fin de la mitose.

Chez la levure bourgeonnante, l'inhibition de l'assemblage est provoquée par la phosphorylation dépendante de Cdk des composants du complexe de pré-réplication. Au début de la phase S, la phosphorylation de Cdc6 par Cdk1 provoque la liaison de Cdc6 à la protéine ligase ubiquitine SCF , ce qui provoque la destruction protéolytique de Cdc6. La phosphorylation dépendante de Cdk des protéines Mcm favorise leur exportation hors du noyau avec Cdt1 pendant la phase S, empêchant le chargement de nouveaux complexes Mcm aux origines au cours d'un seul cycle cellulaire. La phosphorylation de Cdk du complexe de réplication d'origine inhibe également l'assemblage du complexe de pré-réplication. La présence individuelle de l'un de ces trois mécanismes est suffisante pour inhiber l'assemblage du complexe de pré-réplication. Cependant, les mutations des trois protéines dans la même cellule déclenchent une réinitiation à de nombreuses origines de réplication au sein d'un cycle cellulaire.

Dans les cellules animales, la protéine géminine est un inhibiteur clé de l'assemblage du complexe de pré-réplication. La géminine se lie à Cdt1, empêchant sa liaison au complexe de reconnaissance d'origine. Dans G1, les niveaux de géminine sont maintenus bas par l'APC, qui ubiquitine la géminine pour la cibler pour la dégradation. Lorsque la géminine est détruite, Cdt1 est libérée, lui permettant de fonctionner dans un assemblage complexe de pré-réplication. A la fin de G1, l'APC est inactivée, permettant à la géminine de s'accumuler et de se lier à Cdt1.

La réplication des génomes chloroplastiques et mitochondriaux se produit indépendamment du cycle cellulaire, via le processus de réplication en boucle D .

Focus sur la réplication

Dans les cellules de vertébrés, les sites de réplication se concentrent dans des positions appelées foyers de réplication . Les sites de réplication peuvent être détectés en immunocolorant les brins filles et les enzymes de réplication et en surveillant les facteurs de réplication marqués par GFP. Par ces méthodes, on constate que des foyers de réplication de tailles et de positions variables apparaissent dans la phase S de la division cellulaire et que leur nombre par noyau est bien inférieur au nombre de fourches de réplication génomique.

P. Heun et al. , (2001) ont suivi des foyers de réplication marqués par GFP dans des cellules de levure en herbe et ont révélé que les origines de réplication se déplacent constamment en phase G1 et S et que la dynamique a diminué de manière significative en phase S. Traditionnellement, les sites de réplication étaient fixés sur la structure spatiale des chromosomes par une matrice nucléaire ou des lamines . Les résultats de Heun ont nié les concepts traditionnels, les levures bourgeonnantes n'ont pas de lamines et soutiennent que les origines de réplication s'auto-assemblent et forment des foyers de réplication.

En tirant des origines de réplication, contrôlées spatialement et temporellement, la formation de foyers de réplication est régulée. DA Jackson et al. (1998) ont révélé que les origines voisines se déclenchent simultanément dans les cellules de mammifères. La juxtaposition spatiale des sites de réplication amène le regroupement des fourches de réplication. Le clustering sauve les fourches de réplication bloquées et favorise la progression normale des fourches de réplication. La progression des fourches de réplication est inhibée par de nombreux facteurs ; collision avec des protéines ou avec des complexes se liant fortement à l'ADN, déficience en dNTP, coupures sur les ADN matrices, etc. Si les fourches de réplication se bloquent et que les séquences restantes des fourches bloquées ne sont pas répliquées, les brins filles ont obtenu des sites non répliqués. Les sites non répliqués sur le brin d'un parent maintiennent l'autre brin ensemble mais pas les brins filles. Par conséquent, les chromatides sœurs résultantes ne peuvent pas se séparer les unes des autres et ne peuvent pas se diviser en 2 cellules filles. Lorsque des origines voisines se déclenchent et qu'une fourche d'une origine est bloquée, la fourche d'une autre origine accède dans une direction opposée à la fourche bloquée et dupliquez les sites non répliqués. Comme autre mécanisme de sauvetage, il y a l'application d' origines de réplication dormantes que les origines en excès ne déclenchent pas dans la réplication normale de l'ADN.

Bactéries

Dam méthyle l'adénine des sites GATC après réplication.

La plupart des bactéries ne passent pas par un cycle cellulaire bien défini, mais copient en permanence leur ADN ; au cours d'une croissance rapide, cela peut entraîner l'occurrence simultanée de plusieurs cycles de réplication. Chez E. coli , la bactérie la mieux caractérisée, la réplication de l'ADN est régulée par plusieurs mécanismes, notamment : l'hémiméthylation et la séquestration de la séquence d'origine, le rapport de l' adénosine triphosphate (ATP) à l' adénosine diphosphate (ADP) et les niveaux de protéines ADNA. Tous ces éléments contrôlent la liaison des protéines initiatrices aux séquences d'origine.

Comme E. coli méthyle les séquences d'ADN GATC, la synthèse d'ADN donne des séquences hémiméthylées. Cet ADN hémiméthylé est reconnu par la protéine SeqA , qui lie et séquestre la séquence d'origine ; de plus, l'ADNA (nécessaire à l'initiation de la réplication) se lie moins bien à l'ADN hémiméthylé. En conséquence, les origines nouvellement répliquées sont empêchées d'initier immédiatement un autre cycle de réplication de l'ADN.

L'ATP s'accumule lorsque la cellule est dans un milieu riche, déclenchant la réplication de l'ADN une fois que la cellule a atteint une taille spécifique. L'ATP est en compétition avec l'ADP pour se lier à l'ADNA, et le complexe DnaA-ATP est capable d'initier la réplication. Un certain nombre de protéines DnaA sont également nécessaires pour la réplication de l'ADN - chaque fois que l'origine est copiée, le nombre de sites de liaison pour DnaA double, nécessitant la synthèse de plus d'ADN pour permettre une autre initiation de réplication.

Chez les bactéries à croissance rapide, telles que E. coli , la réplication des chromosomes prend plus de temps que la division de la cellule. Les bactéries résolvent ce problème en initiant un nouveau cycle de réplication avant que le précédent ne soit terminé. Le nouveau cycle de réplication formera le chromosome de la cellule qui naîtra deux générations après la cellule en division. Ce mécanisme crée des cycles de réplication qui se chevauchent.

Problèmes de réplication de l'ADN

La fourche de réplication redémarre par recombinaison homologue suite à un stress de réplication
Conséquences épigénétiques des défauts de réassemblage des nucléosomes au niveau des fourches de réplication bloquées

De nombreux événements contribuent au stress de réplication, notamment :

Réaction en chaîne par polymérase

Les chercheurs répliquent couramment l'ADN in vitro en utilisant la réaction en chaîne par polymérase (PCR). La PCR utilise une paire d' amorces pour couvrir une région cible dans l'ADN matrice, puis polymérise les brins partenaires dans chaque direction à partir de ces amorces à l'aide d'une ADN polymérase thermostable . La répétition de ce processus sur plusieurs cycles amplifie la région d'ADN ciblée. Au début de chaque cycle, le mélange de matrice et d'amorces est chauffé, séparant la molécule nouvellement synthétisée et la matrice. Ensuite, au fur et à mesure que le mélange refroidit, ces deux modèles deviennent des modèles pour l'annelage de nouvelles amorces, et la polymérase s'étend à partir de celles-ci. En conséquence, le nombre de copies de la région cible double à chaque tour, augmentant de façon exponentielle .

Voir également

Remarques

Les références