La réplication de l'ADN chez les procaryotes et les eucaryotes

Avant chaque division, la cellule doit copier fidèlement la totalité de son ADN. Ce chapitre décrit le mécanisme semi-conservatif de la réplication, l'enchaînement initiation-élongation-terminaison, le rôle précis de chaque enzyme du réplisome et les différences procaryotes / eucaryotes. C'est le chapitre le plus lourdement évalué du module : schéma de la fourche et rôle des enzymes tombent presque systématiquement.

1. Une réplication semi-conservative

Dès 1953, Watson et Crick avaient noté que l'appariement spécifique des bases suggérait un mécanisme de copie. Trois hypothèses restaient possibles : réplication conservative (la molécule mère reste intacte), semi-conservative (chaque molécule fille reçoit un brin ancien et un brin neuf) et dispersive. L'expérience de Meselson et Stahl (1957) a tranché : des bactéries cultivées en milieu contenant de l'azote lourd ¹⁵N, donc à ADN dense, sont transférées en milieu ¹⁴N. Après une génération, la centrifugation en gradient de densité de chlorure de césium ne montre qu'une seule bande, de densité intermédiaire ; après deux générations, deux bandes, l'une intermédiaire, l'autre légère. Ce résultat élimine les modèles conservatif et dispersif et démontre le caractère semi-conservatif.

2. Initiation chez les procaryotes : oriC et primosome

Le chromosome bactérien est circulaire et ne possède qu'une seule origine de réplication, oriC, d'environ 245 paires de bases chez E. coli, riche en A-T et organisée en séquences consensus répétées. La protéine initiatrice DnaA s'y fixe et provoque l'ouverture locale de la double hélice. La réplication est ensuite bidirectionnelle : deux fourches de réplication partent en sens opposés et forment un « œil » de réplication, jusqu'à se rejoindre au niveau des séquences de terminaison. Elle est rapide : de l'ordre de 250 à 1000 nucléotides par seconde, pour un cycle cellulaire de 20 à 100 minutes selon les espèces et les conditions.

L'ouverture est prise en charge par le primosome, association de l'hélicase DnaB et de la primase DnaG. Les brins séparés sont maintenus dénaturés par les protéines SSB (Single Stranded Binding), qui empêchent leur réappariement et les protègent des nucléases. Comme aucune ADN polymérase ne sait démarrer une chaîne à partir de rien, la primase — une ARN polymérase — synthétise une courte amorce d'ARN qui fournit l'extrémité 3'-OH nécessaire. L'ensemble des protéines rassemblées à la fourche constitue le réplisome.

3. Les enzymes de la réplication et leurs rôles

L'hélicase déroule la double hélice et sépare les brins en consommant de l'ATP. La topoisomérase de type II (ADN gyrase chez les bactéries) élimine le surenroulement positif créé en avant de la fourche en introduisant des tours négatifs, ce qui permet la progression de la bulle. Les protéines SSB stabilisent les simples brins. La primase pose les amorces ARN. L'ADN polymérase III, enzyme réplicative principale, multimérique et très processive, assure l'essentiel de la synthèse. L'ADN polymérase I élimine les amorces ARN grâce à son activité exonucléasique 5'→3' et comble les brèches. L'ADN ligase soude enfin les fragments par des liaisons phosphodiester.

Toutes les ADN polymérases partagent deux contraintes absolues : elles ne polymérisent que dans le sens 5'→3', en ajoutant des nucléotides sur l'extrémité 3'-OH, et elles ne peuvent pas initier une chaîne sans amorce. La plupart possèdent en outre une activité exonucléasique 3'→5' de relecture (proofreading), qui excise un nucléotide mal apparié et abaisse considérablement le taux d'erreur. Cette relecture, complétée par les systèmes de réparation post-réplicative, explique la très haute fidélité de la copie du génome.

4. Élongation : brin précoce et fragments d'Okazaki

Puisque les deux brins matrices sont antiparallèles et que la synthèse ne se fait que de 5' vers 3', un seul des deux nouveaux brins peut être synthétisé de façon continue dans le sens d'ouverture de la fourche : c'est le brin précoce ou brin avancé (leading strand), qui ne nécessite qu'une amorce. L'autre, le brin retardé (lagging strand), est synthétisé de façon discontinue, en courts segments appelés fragments d'Okazaki, chacun précédé de sa propre amorce ARN. Les amorces sont ensuite éliminées et remplacées par de l'ADN, puis les fragments sont soudés par la ligase. La fourche est donc asymétrique, alors qu'elle progresse comme un ensemble coordonné.

5. Particularités de la réplication chez les eucaryotes

Chez les eucaryotes, la réplication se déroule pendant la phase S de l'interphase, entre G1 et G2, et fait passer la quantité d'ADN de q à 2q ; le point de contrôle G1 autorise ou non l'entrée en phase S. Les génomes étant beaucoup plus grands, chaque chromosome linéaire possède de multiples origines de réplication activées de façon coordonnée, ce qui compense une vitesse de progression bien plus faible que chez les bactéries. Plusieurs polymérases se partagent le travail : le complexe polymérase α / primase pose l'amorce, les polymérases δ et ε assurent l'élongation des deux brins, et la polymérase γ réplique l'ADN mitochondrial. La chromatine doit être défaite puis reconstituée : la synthèse des histones est fortement stimulée en phase S, et les nucléosomes se réassemblent derrière la fourche.

La linéarité des chromosomes pose le problème de la fin de réplication : après élimination de l'amorce la plus terminale du brin retardé, aucune extrémité 3'-OH ne permet de combler la brèche, et le chromosome se raccourcirait à chaque division. Les télomères, séquences répétées non codantes, servent de tampon, et la télomérase, une transcriptase inverse portant son propre ARN matrice, les rallonge dans les cellules germinales, souches et cancéreuses. Dans la plupart des cellules somatiques, la télomérase est peu active, ce qui relie le raccourcissement des télomères au vieillissement cellulaire.

6. Fidélité et réparation de l'ADN

La fidélité repose sur trois niveaux : la sélection du nucléotide correct par la polymérase, la relecture exonucléasique 3'→5' immédiate, et la réparation des mésappariements (mismatch repair) après le passage de la fourche, guidée chez les bactéries par l'état de méthylation qui distingue le brin ancien du brin neuf. D'autres systèmes corrigent les lésions chimiques : réparation par excision de bases (glycosylases, sites AP), par excision de nucléotides pour les lésions volumineuses comme les dimères de thymine induits par les UV, et réparation des cassures double brin par recombinaison. Un défaut de ces systèmes se traduit par une instabilité génétique et un risque tumoral accru.