la réplication



Mots nouveaux et questions qu'il faut se poser aprés l'étude

1 . mots nouveaux: souvent bien définis sur les sites Wikipedia.
(ces mots peuvent faire l'objet de questions lors des examens à choix multiple)

semiconservateur.
amorce (en anglais; primer) appariée.
dNTP, dNMP
matrice (template).
dATP, dGtp, dCTP et sTTP.
PP. primase.
processif.
ADN parental.
Fourche et bulle de réplication.

2 . Ce qu'il faut connaître:

Activité DNA Pol.
Comment se forment les bulles de raplication ?
Que signifie SSBP et quelle est l'utilité de la chose ?
Quel est le rôlede l'hélicase, de la topoisomérase ?
quel est la différence entre le brin direct et le brin indirect ?
Pourquoi les fragments d'Okazaki necessite-t-ils l'action de la ligase ?



Définition et Rappels


En biologie moléculaire, la réplication est le processus semi-conservateur au cours duquel une nouvelle molécule d'ADN est synthétisée.

Ce processus existe aussi bien chez les procaryoyes que chez les eucaryotes.

Nous rappelerons brièvement (1) l'activité DNA Pol , puis (2) le sens du mot "semi conservateur".

(1) l'activité DNA Pol

Une DNA Pol allonge l'extrémité 3' d'une amorce (primer) construite en langage ARN ou ADN, amorce appariée à une matrice ADN.

Cette amorce doit être appariée à une matrice (DNA template) ADN. L'ADN Pol utilise pour ce faire 4 dNTP . Ces 4 dNTP fourniront à la fois les dNMP et l'énergie nécéssaires à la polymérisation:

Un dNTP est un désoxy-Nucléotide-Tri-Phosphate. Il deviendra un dNMP, soit un désoxy-Nucléotide-Mono-Phosphate en libérant un P-P et de l'énergie. On utilise 4 dNTP soit dATP, dGTP, dCTP et dTTP. En libérant un pyrophosphate (P-P) ils donneront dAMP, dGMP, dCMP et dTMP.

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Figure 1: dessin définition qui montre une amorce (bleu) appariée à une matrice (noir) et une molécule de dTTP que la DNA Pol utilisera face au A de la matrice.

La molécule protéique qui porte l'activité DNA Pol porte parfois d'autres activités dont nous ne parlerons pas pour ne pas surcharger l'exposé.

Au lieu d'écrire tout l'exposé, en prenant note au cours contentez-vous de ne faire qu'un petit dessin, que vous retiendrez et qui remplacera tout un long texte: DNAPol1 Figure 2: cherchez à n'apprendre qu'un dessin et pas un texte

Dans la réplication, l'amorce (primer) est synthétisé en langage ARN (RNA primer). La synthèse de l'amorce (primer) est effectuée par une "primase". L'amorce ARN est donc fixée sur et compléméntaire à la matrice et elle se fera allonger par une DNA pol. La primase est un enzyme de la famille des RNA Pol (ARN Polymérase)

Les DNA Pol impliquées dans la réplication des chromosomes sont très "processives" (elles ne déraille que rarement) et très rapides à la différence des DNA Pol impliquées dans les processus réparateurs.



(2) le sens du mot "semi conservateur"

La molécule d'ADN fille est copiée sur la moitié de la molécule parentale

Une molécule d'ADN parental se divise en ses deux brins qui servent chacun de matrice à la formation d'un brin complémentaire (voir la figure 1). La matrice parentale (noire) et son complément, la semi paire répliquée (rouge) devient la moitié de l'une des molécules filles:

Dans une molécule fille: une moitié reste donc parentale: --> le nom semi-conservateur.

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Figure 3: Une molécule fille: chaque molécule fille est formée d'un brin parental (noir) et d'un brin néoformé (rouge); ce processus est dit semi conservateur, car une moitié, la matrice parentale subsiste dans la molécule fille

Vous pouvez remplacer un long baratin par:

DNAPol1

Figure 4: Des idées pour abréger

Le dessin remplace: "chaque molécule fille conserve un brin parental: le processus est dit semiconservateur."



Le processus de réplication


Nous diviserons le processus en trois parties (1) formation des fourches de réplication, (2) bulle de réplication et (3) terminaison.



formation des fourches de réplication

De l'roigine de réplication à la bulle de réplication

La réplication de l'ADN cellulaire-ci s'effectue dans une ou plusieurs bulles de réplication. Il y a sur l'ensemble du DNA d'une cellule une ou plusieurs origines qui deviendront des bulles.

Chez les procaryotes, il y a de une (Bactéries) à trois (Archea) origines de réplication par génome, alors que chez les eucaryotes, il y en a de multiples origines de réplication par chromosome.

Ces origines sont reconnues par les protéines initiatrices (en bleu sur la figure 5.) , qui viennent se grouper dans le voisinage. Les origines de réplication sont des régions riches en couples AT. Les couples AT et TA ne présentent que deux ponts hydrogènes, il faut donc moins d'énergie pour séparer T de A que pour séparer G de C, dans les couples GC et CG. rapelons que les G sont reliès aux C par tois ponts hydrogènes

Les deux brins d'ADN se séparent formant une bulle de réplication (en rouge). A chacune des extrémités de la bulle, se trouve ce que l'on appelle une fourche de réplication, l'une au début, l'autre à la fin de la bulle.

Séparer les brins c'est s'opposer l'attraction que A a pour T, processus qui nécéssite de l'énergie. Je ne sais comment elle est fournie. La prévention du réappariement des deux brins séparés est due à la fixation, je ne sais où, de protéines dont c'est la fonction: les Single Strand Binding Protein ou SSBP (protéines se fixant sur les brins uniques pour les empêcher de se réapparier).

Les nombreuses protéines (en vert sur la figure 2.) qui interviennent dans la réplication de l’ADN forment le réplisome.

Le schéma qui suit résume ce qui vient d'être dit:

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Figure 5: En rouge une région riche en AT ou TA, en bleu les proté!nes de repérage et en vert les réplisomes sur et sous les fourche de réplication.

La Bulle de réplication

Des topoisomérases déroulent la spirale d'ADN, en amont et en aval, facilitant le tavail de l'hélicase chargée, elle, de rompre les ponts hydrogènes qui unissent ces brins.

En séparant ainsi les deux brins l'hélicase élargit la bulle de chaque côté. Les SSBPs (Single Stand Binding Proteins) se fixent sur les brins récemment séparés prévenant leur réappariement:



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Figure 6: Topoisomérase et Hélicase élargissent la bulle de réplication. Les SSBP (toutes petites boules noires) empêchent les brins séparés de se réapparier.



Elargissement bilatéral de la bulle

La figure 6. montre les conséquences de la poursuite de l'activité combinée de l'hélicase et de la topoisomérase: la bulle s'élargit à droite et à gauche. Elle s'élargit simplement par la disparition des ponts hydrogènes: il n'y a aucun déplacement latéral.

La primase fabrique les amorces ARN dont l'extrémité 3' servira de points de départ pour les ADN pol de réplication . Les extrémités 3' de ces amorces ARN sont orientées soit vers la fourche soit vers la bulle (vers votre gauche ou vers votre droite)



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Figure 7: Primer ARN (en rouge) et leur élongation (bleu). Refaites le dessin et réexpliquez à titre d'exercice, vous pouvez même expliquer à un (e) autre personne. L'exercice sera très difficile si vous oubliez d'indiquer les orientations.



Les amorces (primers) ne se déplacent pas, c'est la fourche s'ouvre davantage vers la gauche dans le dessin et parait s'avancer. Examinons mainteant ce qui se passe dans le brin du haut, puis dans le brin du bas.

(1) Brin du haut --- > brin direct (leading strand) -

l'hélicase continue la séparation des brins. les nucléotides ainsi mis à nu se couvrent chacuns des protéines SSBP pour se protéger des forces d'attraction qui tendent à les reréunir. La DNA Pol commence l'élongation du primer et chasse les SSBP en les remplaçant par les nucléotides qu'elle amène. L'amorce du haut ne doit pas être renouvellée: la séquence qui la prolongera. Rkke se développe dans la même direction que l'élargissement de la fourche.

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Figure 8: L'extrémité gauche d'une bulle de réplication dessinée à deux temps temps successifs. Les lettres noires appartiennent à la partie du brin parent apparié au primer, les lettres et fléches rouges appartiennent aux futurs brins fils. Les lettres vertes aux nucléotides protégés par les SSBP. Les flèches rouges indiquent le sens de l'élongation des amorces (primers).

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Figure 9 (répétition de 7): Les amorces sont déposées tous les 200 à 1000 nucléotides sur le brins inférieurs au fur et à mesure de l'élargissemant. Les DNA Pol commencent l'allongement de tous les primers. Le brin qu"elles construisent aura une extrémité 3' et rencontrera le primer suivant qui commence par un phoshate 5'. Une ligase deva unir les deux séquences.



(2) Brin du bas: brin indirect (lagging strand) -

Sur le brin du bas, les amorces ne seront déposées que progressibement. C'est à dire au fur et à mesure que travaille l'héliscase: en progressant, l'hélicas crée de la place pour de nouveaux primers !

Chaque primers ainsi déposé permettra la construction progressive de courtes séquences, d'environ 1000 nucléotides chez les procaryotes et d'enviton 200 nucléotides chez les eucaryotes, Les frères Okazaki ont isolé ces fragments chez des procaryotes dont la ligase avait été inhibée pour empêcher que les brins ne se réassocient.



La terminaison



Trois enzymes termineront le travail:
1 . Il y a des dicontinuités partout ou une séquence se terminant par un OH 3' rencontre une séquence commençant par un phosphate 5'. Pour réunir 3' à 5', il existe une ligase spécifique pour relier le tout.

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Figue 10. Regardez à la seconde ligne la séquence noir + rouge; elle doit de joindre au primer rouge qui la précède . Ce segment se termine en 3' et doit s'accoler à un segment qui commence par un phosphate 5'. Cette opération n'est possible que grâce à un autre enzyme, une ligase + ATP.

2. La RNas H, une endonucléase enlève les ribonucléotides (nucléotides ARN) des primers, laissant des trous (gaps).

3. Une DNA Pol, lente cette fois, remplit ces trous avec des nucléotides ADN, réparant le tout.

Deux molécules ont donc ainsi été obtenues;



révisez le tout sur le schéma ci-dessous



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pour bien mémoriser, il faut le faire à haute voix, avec un minimum de schemas trés simples. Rerévisez ensuite les yeux clos imaginant voir le dessin comme si vous utilisiez un prompteur. L'idéal serait de réviser lace à un auditeur. Tentez de comprende puis de discuter les 2 schémas ci desous (tirés de Wijipedia anglais)

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