Principes fondamentaux et étapes du processus
La réplication repose sur un mécanisme matriciel. Cela signifie qu'une molécule d'ADN sert de matrice sur laquelle est synthétisée une autre molécule à la structure absolument complémentaire. Le processus est semi-conservateur : chaque hélice fille est constituée d'un brin intact (conservateur) provenant de la molécule parentale et d'un brin nouvellement synthétisé.
On distingue globalement trois étapes dans la réplication :
- Initiation. Assemblage du complexe enzymatique sur des sites de départ spécifiques de l'ADN. C'est principalement à cette étape que s'effectue la régulation de l'ensemble de la réplication.
- Élongation. Allongement proprement dit de la chaîne polynucléotidique.
- Terminaison. Fin du processus de duplication.
Structure de la fourche de réplication et synthèse asymétrique
Pour amorcer la synthèse, les protéines initiatrices se lient à l'ADN, la double hélice se déroule et les liaisons hydrogène entre les bases azotées sont rompues. Il se forme une fourche de réplication, une structure en Y qui progresse le long de l'ADN. Les enzymes ne pouvant construire un nouveau brin que dans un seul sens (de 5' vers 3'), la synthèse se déroule de manière asymétrique et semi-discontinue :
- Brin précoce (Leading strand). Synthétisé en continu, car son orientation coïncide avec le sens de progression de la fourche de réplication. Il ne nécessite qu'un seul événement d'initiation.
- Brin tardif (Lagging strand). Synthétisé de manière discontinue sous forme de courts fragments (appelés fragments d'Okazaki), car le sens de la synthèse y est opposé à la progression de la fourche. La longueur de ces fragments est de 1 000 à 2 000 paires de nucléotides chez les procaryotes, et de 100 à 200 paires de nucléotides chez les eucaryotes.
Appareil enzymatique
Le modèle semi-conservateur est assuré par le travail biochimique complexe de tout un complexe enzymatique (nécessitant de l'énergie sous forme d'ATP) :
- ADN-hélicase. Déroule la double hélice en rompant les liaisons hydrogène entre les brins.
- Protéines SSB (protéines déstabilisatrices d'helice). Se lient à l'ADN simple brin formé. Elles ne masquent pas les bases azotées, mais empêchent les brins de se ré-associer.
- ADN-topoisomérase. Élimine la supertorsion (tension mécanique en amont de la fourche). L'enzyme réalise une coupure simple brin, permet au brin de pivoter et le ressoude ensuite.
- ARN-primase. Synthétise une courte amorce d'ARN (primer). C'est nécessaire car l'enzyme principale de synthèse ne peut pas démarrer « à partir de rien » : elle a besoin d'une extrémité 3'-OH libre.
- ADN-polymérase. L'enzyme clé qui élabore la chaîne polynucléotidique (strictement de 5' vers 3'). Elle possède également une activité nucléasique : l'activité 5'-3' exononucléasique sert à éliminer les amorces d'ARN, tandis que l'activité 3'-5' exononucléasique assure une fonction de relecture (élimination des nucléotides erronés).
- ADN-ligase. Comble les brèches entre les fragments d'Okazaki sur le brin tardif, rétablissant ainsi de solides liaisons phosphodiester.
Spécificités de la réplication chez les procaryotes et les eucaryotes
Les procaryotes (par exemple, E. coli) possèdent un mécanisme monorépliconique. Ils ne disposent que d'une seule origine de réplication (ori, de l'anglais origin), composée de séquences tandem hautement conservées. À partir de ce point, la synthèse progresse dans les deux directions à vitesse égale jusqu'à la duplication complète du chromosome. On connaît 5 types d'ADN-polymérases (I, II, III, IV, V) assurant la réplication et la réparation.
Les eucaryotes se caractérisent par un mécanisme plurirépliconique. La réplication démarre de façon bi-directionnelle en plusieurs points simultanément : les ARS (séquences à réplication autonome). La région située entre deux points adjacents est appelée réplicon (des centaines de réplicons participent au processus). Au fur et à mesure de la synthèse, ils forment des « yeux de réplication » qui finissent par fusionner. Chez les eucaryotes, il existe 7 types de polymérases : $\alpha, \beta, \gamma, \delta, \epsilon, \zeta, \eta$, localisées dans le noyau, les mitochondries et les plastes.
En bref : réponses aux questions sur le sujet
Quelles fonctions spécifiques les différents types d'ADN-polymérases exercent-ils chez les eucaryotes (alpha, delta, epsilon, etc.) ?
Chez les eucaryotes, les ADN-polymérases assurent la synthèse des nouveaux brins et participent à la réplication ainsi qu'à la réparation du matériel génétique. Il existe 7 types de ces enzymes ($\alpha, \beta, \gamma, \delta, \epsilon, \zeta, \eta$), localisées dans le noyau, les mitochondries et les plastes.
Fonctions des polymérases décrites dans les sources :
- ADN-polymérase $\alpha$ — possède une activité primase, synthétise l'amorce d'ARN (primer) pour initier la synthèse de l'ADN.
- ADN-polymérase $\delta$ — agit comme l'enzyme réplicative principale qui catalyse la synthèse du brin précoce ainsi que l'élongation du brin tardif.
- ADN-polymérase $\beta$ — participe aux processus de réparation.
Les fonctions spécifiques des polymérases $\epsilon, \gamma, \zeta$ et $\eta$ ne sont pas détaillées dans les documents fournis.
Pour mémoriser les enzymes de la fourche dans l'ordre : l'Hélicase « Hérisse/Déroule », la Primase « Prépare » (pose l'amorce), la Polymérase « Produit » (construit la chaîne), la Ligase « Lie » (soude les fragments).
Questions des cours et des examens
Pourquoi la synthèse sur le brin retardé est-elle discontinue ?
L'ADN polymérase n'est capable d'ajouter des nucléotides que dans un seul sens : de 5' vers 3'. Comme les brins d'ADN sont antiparallèles et que la fourche de réplication s'ouvre dans une seule direction, la synthèse sur le brin retardé est contrainte de progresser « à rebours » par de courts fragments (fragments d'Okazaki).
Pourquoi a-t-on besoin d'amorces d'ARN si l'on synthétise de l'ADN ?
L'ADN-polymérase ne sait pas initier la synthèse d'une chaîne de manière autonome ; elle requiert impérativement une extrémité 3'-OH libre pour fixer le premier nucléotide. L'ARN-primase n'a pas cette lacune et peut créer une amorce de départ sur une matrice vierge.
Que deviennent les amorces d'ARN à la fin de la réplication ?
Elles ne persistent pas dans l'ADN mature. Les enzymes (grâce à leur activité 5'-3' exononucléasique) éliminent les amorces, les brèches formées sont comblées par des désoxyribonucléotides, et l'ADN-ligase ressoude les coupures restantes.
À étudier également sur le sujet
- Mécanisme d'élimination de la supertorsion par l'ADN-topoisomérase
- Fonction de relecture des ADN-polymérases (activité 3'-5' exononucléasique)
- Origines de réplication : structure des sites ori et ARS
- Fonctions spécifiques des différents types d'ADN-polymérases (I–V chez E. coli et $\alpha$–$\eta$ chez les eucaryotes)
- Fusion des réplicons et configuration spatiale de l'œil de réplication
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