La réplication de ADN (acide désoxyribonucléique) consiste à copier le génome, c'est-à-dire toute l'information génétique contenue dans l'ADN d'un organisme, pour produire deux copies identiques. Le génome possède les informations nécessaires pour construire un organisme complet.
Avant la division cellulaire, la réplication de l'ADN se produit. Par la méiose, les gamètes sont produits pour la reproduction sexuée. Grâce à la mitose, le remplacement cellulaire (par exemple, la peau et le sang) et le développement (par exemple, les tissus et les organes) se produisent.
Connaître la structure de l'ADN nous permet de comprendre comment se produit sa réplication. La structure de l'ADN est constituée d'une double hélice, composée de deux chaînes antiparallèles de nucléotides successifs, dont les bases azotées se complètent de manière spécifique..
Lors de la réplication, chaque brin du double brin d'ADN sert de matrice pour la biosynthèse d'un nouveau brin. Les deux chaînes nouvellement synthétisées ont des bases complémentaires aux bases de la chaîne modèle: l'adénine (A) avec la thymine (T) et la cytosine (C) avec la guanine (G).
Diverses enzymes et protéines sont impliquées dans la réplication de l'ADN. Par exemple, ouvrir la double hélice d'ADN, garder l'ADN ouvert et ajouter des désoxyribonucléosides-5'-triphosphate (dNTP) pour former le nouveau brin.
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Sur la base de la structure de l'ADN, Watson et Crick ont proposé que la réplication de l'ADN se produise de manière semi-conservatrice. Cela a été démontré par Meselson et Stahl en marquant l'ADN de Escherichia coli avec un isotope d'azote lourd, quinzeN, suivant le schéma de distribution sur plusieurs générations dans un milieu de culture avec azote léger, 14N.
Meselson et Stahl ont découvert que, dans la première génération, les deux molécules d'ADN filles avaient chaque molécule marquée avec une chaîne avec l'isotope lourd de l'azote et une autre avec l'isotope léger. Contrairement à la molécule d'ADN parente, qui avait les deux brins marqués avec l'isotope lourd, quinzeN.
Dans la deuxième génération, 50% des molécules d'ADN étaient comme celles de la première génération, et les 50% restants n'avaient que de l'azote léger. L'interprétation de ce résultat est que la double hélice fille a une chaîne parent (qui fonctionne comme un modèle) et une nouvelle chaîne.
Le mécanisme de réplication semi-conservateur implique la séparation des brins d'ADN et l'appariement de bases complémentaires par appariements successifs de nucléotides, produisant deux doubles hélices filles..
L'ADN bactérien est constitué d'un chromosome circulaire et n'a qu'un seul site d'origine de réplication. A partir de ce site, la biosynthèse des deux chaînes filles se produit de manière bidirectionnelle, formant deux fourches de réplication qui se déplacent dans des directions opposées à l'origine. À la fin, les épingles à cheveux se rencontrent, complétant la réplication.
La réplication commence par la liaison des protéines DnaA au site d'origine. Ces protéines forment à leur tour un complexe. Ensuite, les protéines HU et IHF, entre autres, se rejoignent, qui plient ensemble l'ADN, provoquant la séparation des deux chaînes d'ADN dans une région riche en thymine et en adénine..
Ensuite, les protéines DNaC se lient, ce qui provoque la liaison des hélicases ADN. Ils aident à dérouler l'ADN et à rompre les liaisons hydrogène, formées entre les paires de bases. Ainsi, les deux chaînes sont encore séparées, formant deux chaînes simples.
La topoisomérase II, ou ADN gyrase, se déplace devant l'ADN hélicase, diminuant les super-enroulements positifs. Les protéines de liaison à l'ADN simple brin (SSB) séparent les brins d'ADN. Ainsi, la biosynthèse de la chaîne fille peut commencer.
L'enzyme primase est responsable de la synthèse de courtes chaînes d'ARN appelées amorces, d'une longueur de 10 à 15 nucléotides. L'ADN polymérase commence à ajouter des désoxynucléosides 5'-triphosphate (dNTP) à l'extrémité 3'-OH du sucre amorce, après quoi le brin continue de croître à partir de la même extrémité.
Parce que les brins d'ADN sont antiparallèles, une amorce est synthétisée sur le brin de tête et de nombreuses amorces sur le brin de retard. De ce fait, la biosynthèse de la chaîne retardée est discontinue. Bien que les brins d'ADN soient antiparallèles, la fourche de réplication se déplace dans une seule direction.
L'ADN polymérase est responsable de la formation de liaisons covalentes entre les nucléotides adjacents des chaînes nouvellement synthétisées, dans la direction 5'®3 '. Au E. coli, Il existe cinq ADN polymérases: les ADN polymérases I et III réalisent la réplication de l'ADN; et les ADN polymérases II, IV et V sont responsables de la réparation et de la réplication de l'ADN endommagé.
La plupart de la réplication est réalisée par l'ADN polymérase III, qui est une holoenzyme qui a 10 sous-unités différentes avec diverses fonctions dans la réplication de l'ADN. Par exemple, la sous-unité alpha est chargée d'établir des liens entre les nucléotides.
L'ADN hélicase et la primase se rejoignent pour former un complexe appelé primosome. Cela se déplace le long de l'ADN, agissant de manière coordonnée pour séparer les deux brins parentaux, synthétisant les amorces à chaque intervalle sur le brin retardé..
Le primosome se lie physiquement à l'ADN polymérase III et forme le réplisome. Deux ADN polymérases III sont responsables de la réplication de l'ADN des chaînes guides et retardées. En ce qui concerne l'ADN polymérase III, le brin retardé forme une boucle vers l'extérieur, ce qui permet à l'addition de nucléotides à ce brin de se produire dans le même sens que le brin de tête..
L'addition de nucléotides à la chaîne de guidage est continue. Alors que dans le retard, il est discontinu. Des fragments de 150 nucléotides de long sont formés, appelés fragments d'Okazaki.
L'activité exonucléase 5 '-> 3' de l'ADN polymérase I est responsable de l'élimination des amorces et du remplissage, en ajoutant des nucléotides. Une enzyme ligase scelle les espaces entre les fragments. La réplication se termine lorsque les deux hooks de réplication se rencontrent dans une séquence de terminaison.
La protéine Tus se lie à la séquence de terminaison, arrêtant le mouvement de la fourche de réplication. La topoisomérase II permet la séparation des deux chromosomes.
Le désoxynucléoside triphosphate (dNTP) contient trois groupes phosphate attachés au carbone 5 'du désoxyribose. Les dNTP (dATP, dTTP, dGTP et dCTP) se lient à la chaîne de modèles suivant la règle AT / GC.
L'ADN polymérase catalyse la réaction suivante: le groupe hydroxyle 3 '(-OH) du nucléotide brin en croissance réagit avec l'alpha phosphate du dNTP entrant, libérant du pyrophosphate inorganique (PPi). L'hydrolyse du PPi produit l'énergie nécessaire à la formation de la liaison covalente, ou liaison phosphodiester, entre les nucléotides de la chaîne en croissance.
Lors de la réplication de l'ADN, l'ADN polymérase III commet une erreur de 100 millions de nucléotides. Bien que la probabilité d'erreur soit très faible, il existe des mécanismes qui garantissent la fidélité de la réplication de l'ADN. Ces mécanismes sont:
1) Stabilité de l'appariement de base. L'énergie de la liaison hydrogène entre AT / GC est plus élevée que dans les mauvaises paires de bases.
2) Structure du site actif de l'ADN polymérase. L'ADN polymérase catalyse préférentiellement les jonctions nucléotidiques avec des bases correctes sur le brin opposé. Un mauvais appariement de bases entraîne une distorsion de la double hélice d'ADN, empêchant le mauvais nucléotide d'occuper le site actif de l'enzyme.
3) Test de lecture. L'ADN polymérase identifie les nucléotides erronés incorporés et les supprime du brin fille. L'activité exonucléase de l'ADN polymérase rompt les liaisons phosphodiester entre les nucléotides à l'extrémité 3 'du nouveau brin.
Contrairement à la réplication chez les procaryotes, où la réplication commence sur un seul site, la réplication chez les eucaryotes commence sur plusieurs sites d'origine et la fourche de réplication se déplace de manière bidirectionnelle. Par la suite, toutes les fourches de réplication fusionnent, formant deux chromatides soeurs jointes au centromère..
Les eucaryotes possèdent de nombreux types d'ADN polymérase, dont les noms utilisent des lettres grecques. ADN polymérase α forme un complexe avec la primase. Ce complexe synthétise de courtes amorces constituées de 10 nucléotides d'ARN suivis de 20 à 30 nucléotides d'ADN..
Puis l'ADN polymérase ε ou alors δ catalyse l'élongation du brin fille de l'amorce. ADN polymérase ε est impliquée dans la synthèse de la chaîne leader, alors que l'ADN polymérase δ synthétiser la chaîne retardée.
ADN polymérase δ il allonge le fragment d'Okazaki sur la gauche jusqu'à ce qu'il atteigne l'amorce d'ARN sur la droite, produisant un court lambeau de l'amorce. Contrairement aux procaryotes, où une ADN polymérase supprime l'amorce, chez les eucaryotes, une enzyme endonucléase Flap supprime l'amorce ARN.
Une ADN ligase scelle ensuite les fragments d'ADN adjacents. La fin de la réplication se produit avec la dissociation des protéines de la fourche de réplication.
La réplication chez les eucaryotes se produit dans la phase S du cycle cellulaire. Les molécules d'ADN répliquées sont sécrétées dans deux cellules filles pendant la mitose. Les phases G1 et G2 séparent la phase S et la mitose. La progression à travers chaque phase du cycle cellulaire est fortement régulée par les kinases, les phosphatases et les protéases..
Dans la phase G1 du cycle cellulaire, le complexe de reconnaissance d'origine (OCR) se lie au site d'origine. Cela induit la liaison des hélicases MCM et d'autres protéines, telles que Cdc6 et Cdt1, pour former un complexe de pré-réplication (preRC). L'hélicase MCM se lie à la chaîne de guidage.
En phase S, preRC devient un site de réplication actif. Les protéines OCR, Cdc6 et Cdt1 sont libérées et l'hélicase MCM se déplace dans la direction 3 'à 5'. Une fois la réplication terminée, elle sera redémarrée dans le prochain cycle cellulaire..
Les extrémités des chromosomes sont connues sous le nom de télomères, qui se composent de séquences en tandem répétées et d'une région 3 'qui fait saillie, de 12 à 16 nucléotides de longueur..
L'ADN polymérase est incapable de répliquer l'extrémité 3 'des brins d'ADN. En effet, l'ADN polymérase ne peut synthétiser l'ADN que dans la direction 5'-3 ', et ne peut allonger que des brins préexistants, sans pouvoir synthétiser une amorce dans cette région. Par conséquent, les télomères raccourcissent à chaque cycle de réplication..
L'enzyme télomérase empêche le raccourcissement des télomères. La télomérase est une enzyme qui possède des sous-unités protéiques et ARN (TERC). Ce dernier se lie aux séquences répétées d'ADN et permet à la télomérase de se lier à l'extrémité 3 'du télomère..
Une séquence d'ARN derrière le site de jonction fonctionne comme une matrice pour la synthèse d'une séquence de six nucléotides (polymérisation) à l'extrémité du brin d'ADN. L'élongation des télomères est catalysée par des sous-unités de télomérase, appelées transcriptase inverse de la télomérase (TERT)..
Après la polymérisation, la translocation a lieu, consistant en le mouvement de la télomérase vers une nouvelle extrémité de la chaîne d'ADN, rejoignant six autres nucléotides jusqu'à la fin.
ADN polymérase β joue un rôle important dans l'élimination des bases incorrectes de l'ADN, mais n'est pas impliqué dans la réplication de l'ADN.
De nombreuses ADN polymérases découvertes appartiennent au groupe des polymérases «répliquant la translesion». Ces polymérases sont responsables de la synthèse de brins complémentaires dans une région d'ADN endommagé.
Il existe plusieurs types de polymérases «répliquant la translesion». Par exemple, l'ADN polymérase η peut se répliquer sur les dimères de thymine, qui sont produits par la lumière UV.
La réplication de l'ADN des archéobactéries est similaire à celle des eucaryotes. Ceci est dû à ce qui suit: 1) les protéines qui participent à la réplication sont plus proches de celles des eucaryotes que de celles des procaryotes; et 2) bien qu'il n'y ait qu'un seul site de réplication comme chez les procaryotes, sa séquence est similaire au site d'origine des eucaryotes..
La similitude de réplication entre l'Archea et les eucaryotes soutient l'idée que les deux groupes sont phylogénétiquement plus liés l'un à l'autre qu'aux procaryotes..
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