La réplication de l'ADN a été extrêmement bien étudiée chez les procaryotes, principalement en raison de la petite taille du génome et des mutants qui sont disponibles.

E. coli possède 4,6 millions de paires de bases dans un seul chromosome circulaire et tout se réplique en 42 minutes environ, en partant d'une seule origine de réplication et en faisant le tour du cercle dans les deux directions. Cela signifie qu'environ 1000 nucléotides sont ajoutés par seconde. Le processus est assez rapide et se déroule sans beaucoup d'erreurs.

La réplication de l'ADN fait appel à un grand nombre de protéines et d'enzymes, dont chacune joue un rôle essentiel au cours du processus. L'un des principaux acteurs est l'enzyme ADN polymérase, également connue sous le nom d'ADN pol, qui ajoute un à un les nucléotides complémentaires du brin matrice à la chaîne d'ADN en croissance. L'ajout de nucléotides nécessite de l'énergie ; cette énergie est obtenue à partir des nucléotides auxquels sont attachés trois phosphates, comme pour l'ATP qui a trois groupes phosphate. Lorsque la liaison entre les phosphates est rompue, l'énergie libérée est utilisée pour former la liaison phosphodiester entre le nucléotide entrant et la chaîne de croissance. Chez les procaryotes, trois principaux types de polymérases sont connus : ADN pol I, ADN pol II et ADN pol III. On sait maintenant que l'ADN pol III est l'enzyme nécessaire à la synthèse de l'ADN ;

L'ADN pol I et l'ADN pol II sont principalement nécessaires à la réparation.

Comment le mécanisme de réplication sait-il par où commencer ? Il s'avère qu'il existe des séquences de nucléotides spécifiques appelées origines de la réplication où la réplication commence. Chez E. coli, qui a une seule origine de réplication sur son seul chromosome (comme la plupart des procaryotes), elle est longue d'environ 245 paires de bases et est riche en séquences AT. L'origine de la réplication est reconnue par certaines protéines qui se lient à ce site. Une enzyme appelée hélicase déroule l'ADN en rompant les liaisons hydrogène entre les paires de bases azotées. L'hydrolyse de l'ATP est nécessaire pour ce processus. Lorsque l'ADN s'ouvre, des structures en forme de Y appelées fourches de réplication sont formées. Deux fourches de réplication sont formées à l'origine de la réplication et celles-ci s'étendent dans les deux sens au fur et à mesure de la réplication. Des protéines de liaison simple brin enrobent les brins individuels d'ADN près de la fourchette de réplication pour empêcher l'ADN simple brin de se réenrouler en une double hélice. L'ADN polymérase est capable d'ajouter des nucléotides uniquement dans la direction 5' à 3' (un nouveau brin d'ADN ne peut être étendu que dans cette direction). Elle a également besoin d'un groupe 3'-OH libre auquel elle peut ajouter des nucléotides en formant une liaison phosphodiester entre l'extrémité 3'-OH et le phosphate 5' du nucléotide suivant. Cela signifie essentiellement qu'il ne peut pas ajouter de nucléotides si un groupe 3'-OH libre n'est pas disponible. Alors comment ajoute-t-elle le premier nucléotide ? Le problème est résolu à l'aide d'une amorce qui fournit l'extrémité 3'-OH libre. Une autre enzyme, l'ARN primase, synthétise une amorce d'ARN d'environ cinq à dix nucléotides, complémentaire de l'ADN. Comme cette séquence amorce la synthèse de l'ADN, on l'appelle à juste titre l'amorce. L'ADN polymérase peut maintenant étendre cette amorce d'ARN, en ajoutant un par un des nucléotides complémentaires au brin matrice.

 

Une fourchette de réplication est formée lorsque l'hélicase sépare les brins d'ADN à l'origine de la réplication. L'ADN a tendance à s'enrouler plus fortement en avant de la fourchette de réplication. La topoisomérase casse et reforme le squelette phosphate de l'ADN en amont de la fourchette de réplication, ce qui soulage la pression qui résulte de cette "supercoillation". Les protéines de liaison simple brin se lient à l'ADN simple brin pour empêcher l'hélice de se reformer. La primase synthétise une amorce d'ARN. L'ADN polymérase III utilise cette amorce pour synthétiser le brin d'ADN fille. Sur le brin principal, l'ADN est synthétisé en continu, tandis que sur le brin secondaire, l'ADN est synthétisé en courtes séquences appelées fragments d'Okazaki. L'ADN polymérase I remplace l'ARN primaire par l'ADN. La ligase de l'ADN comble les lacunes entre les fragments d'Okazaki, réunissant les fragments en une seule molécule d'ADN. (crédit : modification du travail de Mariana Ruiz Villareal)

La fourchette de réplication se déplace au rythme de 1000 nucléotides par seconde. L'ADN polymérase ne peut s'étendre que dans la direction 5' à 3', ce qui pose un léger problème à la fourchette de réplication. Comme nous le savons, la double hélice de l'ADN est antiparallèle, c'est-à-dire qu'un brin est dans la direction 5' à 3' et l'autre est orienté dans la direction 3' à 5'. Un brin, qui est complémentaire du brin d'ADN parental de 3' à 5', est synthétisé en continu vers la fourchette de réplication parce que la polymérase peut ajouter des nucléotides dans cette direction. Ce brin synthétisé en continu est connu sous le nom de brin principal. L'autre brin, complémentaire de l'ADN parental de 5 à 3 pieds, est étendu à l'écart de la fourchette de réplication, en petits fragments appelés fragments d'Okazaki, chacun nécessitant une amorce pour démarrer la synthèse. Les fragments d'Okazaki portent le nom du scientifique japonais qui les a découverts en premier lieu. Le brin contenant les fragments d'Okazaki est connu sous le nom de brin retardé.

Le brin de tête peut être prolongé par une seule amorce, tandis que le brin de queue nécessite une nouvelle amorce pour chacun des courts fragments d'Okazaki. La direction générale du brin en retard sera de 3' à 5', et celle du brin avant de 5' à 3'. Une protéine appelée "sliding clamp" maintient l'ADN polymérase en place pendant qu'elle continue à ajouter des nucléotides. La pince coulissante est une protéine en forme d'anneau qui se lie à l'ADN et maintient la polymérase en place. La topoisomérase empêche l'enroulement excessif de la double hélice de l'ADN en amont de la fourchette de réplication lorsque l'ADN s'ouvre ; elle le fait en provoquant des entailles temporaires dans l'hélice de l'ADN, puis en la refermant. Au fur et à mesure de la synthèse, les amorces de l'ARN sont remplacées par l'ADN. Les amorces sont éliminées par l'activité d'exonucléase de l'ADN pol I, et les lacunes sont comblées par des désoxyribonucléotides. Les entailles qui restent entre l'ADN nouvellement synthétisé (qui a remplacé l'amorce ARN) et l'ADN précédemment synthétisé sont scellées par l'enzyme ADN ligase qui catalyse la formation d'une liaison phosphodiester entre l'extrémité 3'-OH d'un nucléotide et l'extrémité 5' phosphate de l'autre fragment.

Une fois que le chromosome a été complètement répliqué, les deux copies d'ADN se déplacent dans deux cellules différentes pendant la division cellulaire. Le processus de réplication de l'ADN peut être résumé comme suit :

  1. L'ADN se déroule à l'origine de la réplication.
  2. L'hélicase ouvre les fourchettes de réplication de l'ADN ; celles-ci sont étendues de manière bidirectionnelle.
  3. Des protéines de liaison simple brin enrobent l'ADN autour de la fourchette de réplication pour empêcher le réenroulement de l'ADN.
  4. La topoisomérase se lie à la région située devant la fourchette de réplication pour empêcher la supercoillation.
  5. La primase synthétise des amorces d'ARN complémentaires au brin d'ADN.
  6. L'ADN polymérase commence à ajouter des nucléotides à l'extrémité 3'-OH de l'amorce.
  7. L'allongement du brin retardataire et du brin principal se poursuit.
  8. Les amorces d'ARN sont éliminées par l'activité de l'exonucléase.
  9. Les lacunes sont comblées par l'ADN pol en ajoutant des dNTP.
  10. L'espace entre les deux fragments d'ADN est scellé par l'ADN ligase, qui aide à la formation de liaisons phosphodiester.

Les enzymes impliquées dans la réplication de l'ADN procaryote et les fonctions de chacune (résumé).

Réplication de l'ADN procaryote : Les enzymes et leurs fonctions

Enzyme/protéine

Fonction spécifique

ADN pol I

L'activité des exonucléases supprime l'amorce de l'ARN et le remplace par de l'ADN nouvellement synthétisé

ADN pol II

Fonction de réparation

ADN pol III

Enzyme principale qui ajoute des nucléotides dans la direction 5'-3'

Hélicase

Ouvre l'hélice de l'ADN en rompant les liaisons hydrogène entre les bases azotées

Ligase

Scelle les espaces entre les fragments Okazaki pour créer un brin d'ADN continu

Primase

Synthétiser les amorces d'ARN nécessaires pour commencer la réplication

Pince coulissante

Aide à maintenir l'ADN polymérase en place lors de l'ajout de nucléotides

Topoisomérase

Aide à soulager le stress subi par l'ADN lors de son déroulement en provoquant des cassures puis en refermant l'ADN

Protéines de liaison simple brin (SSB)

Se lie à l'ADN simple brin pour éviter le ré-enroulement de l'ADN.

D"après DNA Replication in Prokaryotes

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