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Un brin ne peut-il pas être synthétisé dans le sens 5' -> 3' ?

Un brin ne peut-il pas être synthétisé dans le sens 5' -> 3' ?



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J'ai résolu des questions de biologie, et selon l'une d'entre elles (j'ai aussi les réponses) la phrase suivante est faux:
"Les deux brins sont toujours synthétisés dans le sens 5' à 3'."
Comment se peut-il? D'après ce que je sais, l'ADN est toujours lu de 3' à 5' et synthétisé de 5' à 3'.
Quand l'ADN n'est-il pas synthétisé de 5' à 3' ?


Il semble que votre supposition était juste et l'exception est le brin en retard. La déclaration est mal formulée, mais il semble qu'ils allaient pour le brin en retard. Soit ils voulaient que vous pensiez que
-le brin retardé grandit de 3' à 5'
ou, plus probablement,
-la polymérase ne synthétise que sur un brin (principal) à la fois

Bien que techniquement le livre soit correct, c'était une question piège et formulée de manière injuste.

Vous avez tout à fait raison de dire que l'ADN est synthétisé de 5' à 3'. Je ne connais aucune exception à cela, mais j'hésite à dire quoi que ce soit de trop définitif car il y a tellement de rares exceptions en science. Je peux dire avec une certaine confiance que ADN polymérase ne peut jamais synthétiser dans le sens 3' -> 5'. Si vous ne l'avez pas déjà fait, je vous recommande vivement de consulter l'article de la Khan Academy, Mécanisme moléculaire de la réplication de l'ADN ! Nature Education a également un très bon article sur le sujet, les événements moléculaires majeurs de la réplication de l'ADN.


Quel est le brin leader et le brin retardé dans la réplication de l'ADN ?

brins d'ADN sont antiparallèles. ADN la polymérase peut travailler en continu vers le réplication fourche seulement sur un brin (les brin principal) tandis que de l'autre brin (les brin en retard) il doit s'éloigner du réplication fourchette. Les brin en retard le fait de façon discontinue dans segments appelés fragments d'Okazaki.

quel est le brin principal dans la réplication de l'ADN? Lorsque réplication commence, les deux parents brins d'ADN sont séparés. L'un d'eux s'appelle le brin principal, et c'est répliqué en continu dans le sens 3' à 5'. L'autre brin est le retard brin, et c'est répliqué de façon discontinue en courtes sections.

Justement, quelle est la différence entre le brin principal et le brin retardé dans le quizlet sur la réplication de l'ADN ?

Les brin principal est correctement orienté pour ADN polymérase III pour ajouter des nucléotides dans le 5' - 3' direction vers le réplication fourchette dans un continu brin tandis que le brin en retard va dans le sens opposé (3' - 5') et doit être répliqué vers l'arrière, loin de la réplication fourchette.

Pourquoi la réplication de l'ADN se produit-elle dans le sens 5 à 3 ?

Ces fragments sont traités par le réplication machines pour produire un brin continu de ADN et donc une fille complète ADN hélix. Réplication de l'ADN va dans le 5' à 3' direction car ADN la polymérase agit sur le 3'-OH du brin existant pour l'ajout de nucléotides libres.


Télomérase et vieillissement

Les cellules qui subissent une division cellulaire continuent de voir leurs télomères raccourcis car la plupart des cellules somatiques ne fabriquent pas de télomérase. Cela signifie essentiellement que le raccourcissement des télomères est associé au vieillissement. Avec l'avènement de la médecine moderne, des soins de santé préventifs et des modes de vie plus sains, la durée de vie humaine a augmenté et il existe une demande croissante pour que les gens paraissent plus jeunes et aient une meilleure qualité de vie en vieillissant.

En 2010, les scientifiques ont découvert que la télomérase peut inverser certaines conditions liées à l'âge chez la souris. Cela peut avoir un potentiel en médecine régénérative. [1] Des souris déficientes en télomérase ont été utilisées dans ces études. Ces souris présentent une atrophie tissulaire, un épuisement des cellules souches, une défaillance du système organique et une altération des réponses aux lésions tissulaires. La réactivation de la télomérase chez ces souris a provoqué une extension des télomères, réduit les dommages à l'ADN, inversé la neurodégénérescence et amélioré la fonction des testicules, de la rate et des intestins. Ainsi, la réactivation des télomères peut avoir un potentiel pour traiter les maladies liées à l'âge chez l'homme.

Le cancer se caractérise par une division cellulaire incontrôlée de cellules anormales. Les cellules accumulent des mutations, prolifèrent de manière incontrôlable et peuvent migrer vers différentes parties du corps par un processus appelé métastase. Les scientifiques ont observé que les cellules cancéreuses ont des télomères considérablement raccourcis et que la télomérase est active dans ces cellules. Fait intéressant, ce n'est qu'après que les télomères ont été raccourcis dans les cellules cancéreuses que la télomérase est devenue active. Si l'action de la télomérase dans ces cellules peut être inhibée par des médicaments pendant le traitement du cancer, alors les cellules cancéreuses pourraient potentiellement être empêchées de se diviser davantage.

En résumé : les télomères

Les extrémités des chromosomes posent un problème lors de la réplication de l'ADN car la polymérase est incapable de les étendre sans amorce. La télomérase, une enzyme avec une matrice d'ARN intégrée, étend les extrémités en copiant la matrice d'ARN et en prolongeant une extrémité du chromosome. L'ADN polymérase peut ensuite étendre l'ADN en utilisant l'amorce. De cette façon, les extrémités des chromosomes sont protégées. Ceci est important car les preuves indiquent que la longueur des télomères peut jouer un rôle dans la régulation de la division cellulaire et du processus de vieillissement.


Les chaînes d'ADN et d'ARN sont produites par copie de brins d'ADN modèles

L'appariement régulier des bases dans la structure de l'ADN en double hélice a suggéré à Watson et Crick un mécanisme de synthèse de l'ADN. Leur proposition selon laquelle de nouveaux brins d'ADN sont synthétisés en copiant des brins d'ADN parentaux s'est avérée correcte.

Le brin d'ADN qui est copié pour former un nouveau brin est appelé matrice. Les informations du modèle sont conservées : bien que la première copie ait une séquence complémentaire et non identique, une copie de la copie produit à nouveau la séquence originale (modèle). Dans la réplication d'un double brin, ou duplex, Molécule d'ADN, les deux brins d'ADN originaux (parentaux) sont copiés. Lorsque la copie est terminée, les deux nouveaux duplex, constitués chacun de l'un des deux brins originaux plus sa copie, se séparent l'un de l'autre. Dans certains virus, les molécules d'ARN simple brin fonctionnent comme des matrices pour la synthèse de chaînes d'ARN ou d'ADN complémentaires (chapitre 7). Cependant, la grande majorité de l'ARN et de l'ADN dans les cellules est synthétisée à partir d'ADN duplex préexistant.


Biologie 171

À la fin de cette section, vous serez en mesure d'effectuer les opérations suivantes :

  • Expliquer le processus de réplication de l'ADN chez les procaryotes
  • Discuter du rôle des différentes enzymes et protéines dans le soutien de ce processus

La réplication de l'ADN a été bien étudiée chez les procaryotes principalement en raison de la petite taille du génome et de la grande variété de mutants disponibles. E. coli a 4,6 millions de paires de bases dans un seul chromosome circulaire et tout est répliqué en environ 42 minutes, en partant d'un seul site le long du chromosome et en continuant autour du cercle dans les deux sens. Cela signifie qu'environ 1000 nucléotides sont ajoutés par seconde. Ainsi, le processus est assez rapide et se déroule sans beaucoup d'erreurs.

La réplication de l'ADN utilise un grand nombre de protéines structurelles et d'enzymes, dont chacune joue un rôle essentiel au cours du processus. L'un des principaux acteurs est l'enzyme ADN polymérase, également connu sous le nom de DNA pol, qui ajoute des nucléotides un par un à la chaîne d'ADN en croissance complémentaire au brin matrice. L'ajout de nucléotides nécessite de l'énergie, cette énergie est obtenue à partir des nucléosides triphosphates ATP, GTP, TTP et CTP. Comme l'ATP, l'autre NTP (nucléosides triphosphates) sont des molécules à haute énergie qui peuvent servir à la fois de source de nucléotides d'ADN et de source d'énergie pour conduire la polymérisation. 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 en croissance. Chez les procaryotes, trois principaux types de polymérases sont connus : l'ADN pol I, l'ADN pol II et l'ADN pol III. On sait maintenant que l'ADN pol III est l'enzyme requise pour la synthèse de l'ADN. L'ADN pol I est une enzyme accessoire importante dans la réplication de l'ADN et, avec l'ADN pol II, est principalement requise pour la réparation.

Comment la machine de réplication sait-elle par où commencer ? Il s'avère qu'il existe des séquences nucléotidiques spécifiques appelées origines de la réplication où commence la réplication. Dans E. coli, qui a une seule origine de réplication sur son seul chromosome (comme la plupart des procaryotes), cette origine de réplication est longue d'environ 245 paires de bases et est riche en séquences AT. L'origine de réplication est reconnue par certaines protéines qui se lient à ce site. Une enzyme appelée hélicase déroule l'ADN en brisant les liaisons hydrogène entre les paires de bases azotées. L'hydrolyse de l'ATP est nécessaire pour ce processus. Au fur et à mesure que l'ADN s'ouvre, des structures en forme de Y appelées fourches de réplication sont formés. Deux fourches de réplication sont formées à l'origine de la réplication et celles-ci s'étendent de manière bidirectionnelle au fur et à mesure que la réplication progresse. Les protéines de liaison simple brin recouvrent les brins simples d'ADN près de la fourche de réplication pour empêcher l'ADN simple brin de se retourner en une double hélice.

L'ADN polymérase a deux restrictions importantes : elle est capable d'ajouter des nucléotides uniquement dans le sens 5'8242 à 3'8242 (un nouveau brin d'ADN ne peut être étendu que dans ce sens). Il nécessite également un groupe 3′-OH libre auquel il 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-il le premier nucléotide ? Le problème est résolu à l'aide d'une amorce qui fournit l'extrémité 3′-OH gratuite. Une autre enzyme, l'ARN primase, synthétise un segment d'ARN d'environ cinq à dix nucléotides de long et complémentaire de l'ADN matrice. Parce que cette séquence amorce la synthèse d'ADN, elle est appelée 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 ((Figure)).


Question : Vous isolez une souche cellulaire dans laquelle la jonction des fragments d'Okazaki est altérée et soupçonnez qu'une mutation s'est produite dans une enzyme trouvée au niveau de la fourche de réplication. Quelle enzyme est la plus susceptible d'être mutée ?

La fourche de réplication se déplace à une vitesse de 1000 nucléotides par seconde. La topoisomérase empêche le sur-enroulement de la double hélice d'ADN avant la fourche de réplication lorsque l'ADN s'ouvre, elle le fait en provoquant des entailles temporaires dans l'hélice d'ADN, puis en la refermant. Parce que l'ADN polymérase ne peut s'étendre que dans la direction 5′ à 3′, et parce que la double hélice de l'ADN est antiparallèle, il y a un léger problème au niveau de la fourche de réplication. Les deux brins d'ADN matrice ont des orientations opposées : un brin est dans le sens 5′ à 3′ et l'autre est orienté dans le sens 3′ à 5′. Un seul nouveau brin d'ADN, celui qui est complémentaire du brin d'ADN parental 3'8242 à 5'8242, peut être synthétisé en continu vers la fourche de réplication. Ce brin synthétisé en continu est connu sous le nom de brin principal. L'autre brin, complémentaire de l'ADN parental 5'8242 à 3'8242, s'étend loin de la fourche de réplication, en petits fragments appelés fragments d'Okazaki, chacun nécessitant une amorce pour démarrer la synthèse. De nouveaux segments d'amorce sont déposés dans la direction de la fourche de réplication, mais chacun s'en éloigne. (Les fragments d'Okazaki portent le nom du scientifique japonais qui les a découverts pour la première fois. Le brin avec les fragments d'Okazaki est connu sous le nom de brin retardé.)

Le brin principal peut être étendu à partir d'une seule amorce, tandis que le brin retardé a besoin d'une nouvelle amorce pour chacun des courts fragments d'Okazaki. La direction globale du brin en retard sera de 3 à 5 8242, et celle du brin d'avance de 5 à 8 4 à 3 8242. Une protéine appelée pince coulissante maintient l'ADN polymérase en place pendant qu'elle continue d'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. Au fur et à mesure de la synthèse, les amorces d'ARN sont remplacées par de l'ADN. Les amorces sont éliminées par l'activité exonucléase de l'ADN pol I, qui utilise l'ADN derrière l'ARN comme sa propre amorce et comble les lacunes laissées par l'élimination des nucléotides d'ARN par l'ajout de nucléotides d'ADN. Les coupures qui restent entre l'ADN nouvellement synthétisé (qui a remplacé l'amorce d'ARN) et l'ADN précédemment synthétisé sont scellées par l'enzyme ADN ligase, qui catalyse la formation de liaisons phosphodiester entre l'extrémité 3 & 8242-OH d'un nucléotide et le 5 & #8242 extrémité 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 au cours de 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 fourches de réplication formant l'ADN, celles-ci sont étendues de manière bidirectionnelle.
  3. Les protéines de liaison simple brin recouvrent l'ADN autour de la fourche de réplication pour empêcher le rembobinage de l'ADN.
  4. La topoisomérase se lie à la région en amont de la fourche de réplication pour empêcher le superenroulement.
  5. La primase synthétise des amorces d'ARN complémentaires du brin d'ADN.
  6. L'ADN polymérase III commence à ajouter des nucléotides à l'extrémité 3 & 8242-OH de l'amorce.
  7. L'allongement du brin retardé et du brin avant continue.
  8. Les amorces d'ARN sont éliminées par activité exonucléase.
  9. Les lacunes sont comblées par l'ADN pol I 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.

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

Réplication de l'ADN procaryote : les enzymes et leur fonction
Enzyme/protéine Fonction spécifique
ADN pol I Supprime l'amorce d'ARN et la remplace par de l'ADN nouvellement synthétisé
ADN pol III Enzyme principale qui ajoute des nucléotides dans le sens 5′-3′
Hélicase Ouvre l'hélice d'ADN en brisant les liaisons hydrogène entre les bases azotées
ligase Scelle les espaces entre les fragments d'Okazaki pour créer un brin d'ADN continu
Primase Synthétise les amorces d'ARN nécessaires pour démarrer la réplication
Pince coulissante Aide à maintenir l'ADN polymérase en place lors de l'ajout de nucléotides
Topoisomérase Aide à soulager la pression sur l'ADN lors du déroulement en provoquant des ruptures, puis en refermant l'ADN
Protéines de liaison simple brin (SSB) Se lie à l'ADN simple brin pour empêcher l'ADN de se rembobiner.

Regardez la réplication de l'ADN (vidéo) pour voir le processus complet.

Résumé de la section

La réplication chez les procaryotes commence à partir d'une séquence trouvée sur le chromosome appelée origine de réplication, le point auquel l'ADN s'ouvre. L'hélicase ouvre la double hélice de l'ADN, ce qui entraîne la formation de la fourche de réplication. Les protéines de liaison simple brin se lient à l'ADN simple brin près de la fourche de réplication pour maintenir la fourche ouverte. Primase synthétise une amorce d'ARN pour initier la synthèse par l'ADN polymérase, qui ne peut ajouter des nucléotides qu'à l'extrémité 3 & 8242 d'un brin d'amorce précédemment synthétisé. Les deux nouveaux brins d'ADN se développent selon leurs directions respectives 5 & 8242-3 # 8242. Un brin est synthétisé en continu dans la direction de la fourche de réplication, c'est ce qu'on appelle le brin principal. L'autre brin est synthétisé dans une direction éloignée de la fourche de réplication, dans de courts segments d'ADN connus sous le nom de fragments d'Okazaki. Ce brin est connu sous le nom de brin retardé. Une fois la réplication terminée, les amorces d'ARN sont remplacées par des nucléotides d'ADN et l'ADN est scellé avec de l'ADN ligase, ce qui crée des liaisons phosphodiester entre le 3 & 8242-OH d'une extrémité et le 5 & 8242 phosphate de l'autre brin.

Connexions artistiques

(Figure) Vous isolez une souche cellulaire dans laquelle la jonction des fragments d'Okazaki est altérée et soupçonnez qu'une mutation s'est produite dans une enzyme trouvée au niveau de la fourche de réplication. Quelle enzyme est la plus susceptible d'être mutée ?

(Figure) ADN ligase, car cette enzyme réunit des fragments d'Okazaki.

Réponse libre

La réplication de l'ADN est bidirectionnelle et discontinue, expliquez votre compréhension de ces concepts.

A une origine de réplication, il se forme deux fourches de réplication qui s'étendent dans deux directions. Sur le brin retardé, des fragments d'Okazaki se forment de manière discontinue.

Que sont les fragments d'Okazaki et comment se forment-ils ?

De courts fragments d'ADN sont formés sur le brin retardé synthétisé dans une direction éloignée de la fourche de réplication. Ceux-ci sont synthétisés par DNA pol.

Si le taux de réplication dans un procaryote particulier est de 900 nucléotides par seconde, combien de temps faudrait-il 1,2 million de génomes de paires de bases pour faire deux copies ?

1333 secondes ou 22,2 minutes.

Expliquez les événements qui se déroulent au niveau de la fourche de réplication. Si le gène de l'hélicase est muté, quelle partie de la réplication sera affectée ?

Au niveau de la fourche de réplication, les événements qui se déroulent sont l'action de l'hélicase, la liaison de protéines de liaison simple brin, la synthèse d'amorces et la synthèse de nouveaux brins. S'il existe un gène d'hélicase muté, la fourche de réplication ne sera pas étendue.

Quel est le rôle d'une amorce dans la réplication de l'ADN ? Que se passerait-il si vous oubliez d'ajouter une amorce dans un tube contenant le mélange réactionnel pour une réaction de séquençage d'ADN ?

L'amorce fournit un groupe 3 & 8242-OH pour que l'ADN pol commence à ajouter des nucléotides. Il n'y aurait pas de réaction dans le tube sans amorce, et aucune bande ne serait visible sur l'électrophorèse.

Les antibiotiques quinolones traitent les infections bactériennes en bloquant l'activité de la topoisomérase. Pourquoi ce traitement fonctionne-t-il ? Expliquez ce qui se passe au niveau moléculaire.

Les bactéries traitées aux quinolones ne pourront plus répliquer leur ADN. La topoisomérase soulage l'excès de superenroulement de l'ADN qui se produit avant la fourche de réplication lorsque l'ADN est déroulé pour la réplication. Si la topoisomérase est inhibée, l'ADN hélicase ne pourra dérouler l'ADN que pendant une courte période avant que le super-enroulement ne devienne trop enroulé pour que la réplication se poursuive.

Glossaire


Réplication de l'ADN

Le corps humain produit des milliards de nouvelles cellules chaque jour. Mais avant de subir la division cellulaire, une cellule doit d'abord copier l'information génétique contenue dans le noyau de la cellule et son ADN. En seulement 6 à 8 heures, une cellule est capable de copier l'intégralité de son génome. Pour ce faire, la réplication de l'ADN commence à plusieurs endroits le long de chaque chromosome. Lorsque les deux brins d'ADN sont séparés, la copie commence à un rythme d'environ 50 nucléotides par seconde !

L'ADN code les informations nécessaires à la construction des protéines, à la régulation des processus physiologiques et au maintien de l'homéostasie dans notre corps. Les composants chimiques de base de l'ADN sont phosphate, désoxyribose (un sucre) et 4 bases azotées : adénine (A), guanine (G), cytosine (C) et thymine (T).

L'ADN est une molécule double brin dont les deux brins se trouvent antiparallèle l'un à l'autre (ils sont parallèles l'un à l'autre mais vont dans des directions opposées). Les deux brins d'ADN s'enroulent ensemble pour former une double hélice et une structure qui ressemble à un escalier en colimaçon.

Figure (PageIndex<1>). la structure chimique de l'ADN (CC BY-NC-SA Madprime)

Figure (PageIndex<2>). réplication semi-conservatrice (CC BY-NC-SA Madprime)

Les brins d'ADN sont également complémentaires les uns des autres en raison d'un appariement de bases spécifique entre les deux brins : l'adénine sur un brin s'appariera toujours avec la thymine sur le brin opposé et la cytosine se liera toujours à la guanine.

Figure (PageIndex<3>). Réplication de l'ADN (CC BY-NC-SA DamedeChapeaux)

Au cours du processus de réplication de l'ADN, l'ADN parental se déroule et puisque les nucléotides ont des partenaires exclusifs, chaque ADN peut agir comme son propre modèle de réplication. Les deux nouvelles molécules d'ADN se composent chacune d'un brin parental et d'un brin nouvellement fabriqué. Ceci est connu comme réplication semi-conservatrice de l'ADN.

Figure (PageIndex<4>). Double hélice d'ADN (CC BY-NC-SA Forluvoft)

Acteurs importants dans la réplication de l'ADN

ADN hélicase: brise les liaisons hydrogène entre les brins d'ADN (déroule l'ADN)

Topoisomérase: atténue le superenroulement positif (torsion de l'ADN) en amont de la fourche de réplication

Protéines de liaison simple brin (SSBPs) : sépare les brins parentaux

Primase: synthétise une amorce d'ARN (fait démarrer la synthèse du nouveau brin)

ADN polymérase III: synthétise un brin fille d'ADN

ADN polymérase I : excise les amorces d'ARN et se remplit d'ADN

ADN ligase: relie de manière covalente les fragments d'Okazaki entre eux

Mécanisme de réplication de l'ADN

Démarrage de la réplication

La réplication de l'ADN commence à des sites spéciaux appelés origines de la réplication. Les bactéries, qui ont des chromosomes circulaires relativement petits, ne contiennent qu'une seule origine de réplication. Les chromosomes eucaryotes, qui sont de longs brins linéaires d'ADN, contiennent de nombreuses origines de réplication le long des brins d'ADN (voir ci-dessous). Les protéines qui reconnaissent les origines de la réplication se lient à ces séquences et séparent les deux brins, ouvrant ainsi une &ldquobulle&rdquo de réplication. La réplication se déroule ensuite dans les deux sens jusqu'à ce que la molécule entière soit copiée.

Figure (PageIndex<5>). bulles de réplication (CC BY-NC-SA Boumphreyfr)

A la fin de chaque bulle de réplication se trouve un fourche de réplication, une région en forme de Y où les brins parentaux d'ADN sont déroulés afin que la machinerie de réplication puisse copier l'ADN. Hélicases sont des enzymes responsables de la détorsion de la double hélice au niveau des fourches de réplication, de la séparation des deux brins et de leur mise à disposition pour servir de matrices à la réplication de l'ADN. La détorsion de la double hélice par l'hélicase provoque une torsion supplémentaire de la molécule d'ADN en amont de la fourche de réplication. Topoisomérase est l'enzyme qui aide à soulager cette souche en cassant, détordant et rejoignant les brins d'ADN. Une fois les brins parentaux séparés par hélicase, protéines de liaison simple brin se lier aux brins parentaux pour les empêcher de se re-anneler les uns aux autres.

Les brins parentaux déroulés sont maintenant prêts à être copiés, mais l'ADN polymérase, l'enzyme responsable de la copie de l'ADN, ne peut pas initier la synthèse de l'ADN, elle ne peut qu'ajouter des nucléotides sur une chaîne de nucléotides existante. Pour résoudre ce problème, ARN primase dépose une courte séquence d'ARN complémentaire à l'ADN matrice, appelée amorce qui peut être utilisée pour démarrer la réplication de l'ADN. L'ADN polymérase est alors capable de synthétiser un nouvel ADN en ajoutant des nucléotides à cette chaîne préexistante.

Faire un nouveau brin d'ADN

Comme mentionné ci-dessus, ADN polymérases catalyser la synthèse d'un nouvel ADN en ajoutant des nucléotides à l'amorce d'ARN établie par la RNA Primase. Il faut mentionner que chez E.coli il existe plusieurs ADN polymérases différentes, mais deux semblent jouer des rôles majeurs : l'ADN Pol III et l'ADN Pol I. Chez les eucaryotes, la situation est plus complexe, avec au moins 11 ADN polymérases différentes découvertes donc loin, mais les principes généraux que nous aborderons dans ce tutoriel sont applicables aux deux systèmes.

Dans E. coli, DNA Pol III ajoute un nucléotide d'ADN à l'extrémité 3' de l'amorce d'ARN, puis continue d'ajouter des nucléotides d'ADN complémentaires au brin matrice. Comme cela a été mentionné précédemment, les deux extrémités d'un brin d'ADN sont différentes, en ce sens qu'elles sont antiparallèles l'une à l'autre. Cette directionnalité est importante pour la synthèse de l'ADN, car l'ADN polymérase ne peut ajouter des nucléotides qu'à l'extrémité 3&rsquo d'un brin d'ADN en croissance (pas à l'extrémité 5&rsquo). Ainsi, un nouveau brin d'ADN ne peut être fabriqué que dans le sens 5&rsquo à 3&rsquo.

Brins en avance et en retard

Si on regarde le fork de réplication, on voit que cette directionnalité 5&rsquo à 3&rsquo pose problème. Le long d'un des brins matrice, DNA Pol III peut synthétiser un brin complémentaire en continu en allongeant le nouvel ADN dans le sens 5&rsquo à 3&rsquo. C'est ce qu'on appelle le brin principal et il ne nécessite qu'une seule amorce d'ARN pour démarrer la réplication. Cependant, pour allonger l'autre brin dans le sens 5&rsquo à 3&rsquo, DNA Pol III doit allonger le nouveau brin d'ADN dans une direction opposée au mouvement de la fourche de réplication. Ce volet est connu sous le nom de brin en retard. Au fur et à mesure que la forme de réplication progresse et expose une nouvelle section de la matrice de brin en retard, l'ARN Primase doit déposer une nouvelle amorce pour que l'ADN Pol III s'allonge. De cette façon, le brin de retard est complété dans un discontinu manière. Les fragments d'ADN synthétisés sur le brin retardé sont appelés Fragments d'Okazaki. Une autre ADN polymérase, ADN Pol I est responsable de l'élimination des amorces d'ARN et de leur remplacement par de l'ADN. ADN ligase puis scelle les espaces entre les fragments d'Okazaki pour compléter le brin retardé nouvellement synthétisé.

Figure (PageIndex<8>). (CC BY-NC-SA)

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Tutoriel sur la réplication de l'ADN par Dr Katherine Harris est licencié en vertu d'un Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 3.0 Unported License.


Bases de la réplication de l'ADN

Figure 1. Les trois modèles suggérés de réplication de l'ADN. Le gris indique les brins d'ADN d'origine et le bleu indique l'ADN nouvellement synthétisé.

L'élucidation de la structure de la double hélice a fourni un indice sur la façon dont l'ADN se divise et se copie. Ce modèle suggère que les deux brins de la double hélice se séparent lors de la réplication, et chaque brin sert de modèle à partir duquel le nouveau brin complémentaire est copié. Ce qui n'était pas clair, c'était comment la réplication s'était déroulée. Trois modèles ont été suggérés : conservateur, semi-conservateur et dispersif (voir la figure 1).

Dans réplication conservatrice, l'ADN parental reste ensemble et les brins filles nouvellement formés sont ensemble. Les semi-conservateur La méthode suggère que chacun des deux brins d'ADN parent agit comme une matrice pour un nouvel ADN à synthétiser après réplication, chaque ADN double brin comprend un brin parental ou "ancien" et un "nouveau" brin. Dans le modèle dispersif, les deux copies d'ADN ont des segments double brin d'ADN parental et d'ADN nouvellement synthétisé intercalés.

Meselson et Stahl étaient intéressés à comprendre comment l'ADN se réplique. ils ont grandi E. coli pendant plusieurs générations dans un milieu contenant un isotope "lourd" de l'azote (15 N) qui s'incorpore aux bases azotées, et éventuellement à l'ADN (Figure 2).

Figure 2. Meselson et Stahl ont expérimenté avec E. coli cultivé d'abord dans de l'azote lourd ( 15 N) puis dans 14 N. L'ADN cultivé dans 15 N (bande rouge) est plus lourd que l'ADN cultivé dans 14 N (bande orange) et sédimente à un niveau inférieur dans une solution de chlorure de césium dans une ultracentrifugeuse. Lorsque l'ADN cultivé dans du 15 N est remplacé par un milieu contenant du 14 N, après un cycle de division cellulaire, l'ADN sédimente à mi-chemin entre les niveaux de 15 N et de 14 N, indiquant qu'il contient maintenant cinquante pour cent de 14 N. Dans les divisions cellulaires suivantes, une augmentation quantité d'ADN ne contient que 14 N. Ces données prennent en charge le modèle de réplication semi-conservateur. (crédit : modification d'œuvre par Mariana Ruiz Villareal)

Les E. coli la culture a ensuite été déplacée dans un milieu contenant 14 N et laissée croître pendant une génération. Les cellules ont été récoltées et l'ADN a été isolé. L'ADN a été centrifugé à grande vitesse dans une ultracentrifugeuse. Certaines cellules ont été autorisées à croître pendant un cycle de vie supplémentaire dans 14 N et ont été à nouveau tournées. Au cours de la centrifugation en gradient de densité, l'ADN est chargé dans un gradient (généralement un sel tel que le chlorure de césium ou le saccharose) et centrifugé à des vitesses élevées de 50 000 à 60 000 tr/min. Dans ces circonstances, l'ADN formera une bande selon sa densité dans le gradient. L'ADN cultivé dans 15 N se groupera à une position de densité plus élevée que celle cultivée dans 14 N. Meselson et Stahl ont noté qu'après une génération de croissance dans 14 N après qu'ils aient été déplacés de 15 N, la bande unique observée était en position intermédiaire dans entre l'ADN des cellules cultivées exclusivement dans le 15 N et le 14 N. Cela suggère un mode de réplication semi-conservateur ou dispersif. L'ADN récolté à partir de cellules cultivées pendant deux générations dans du 14 N a formé deux bandes : une bande d'ADN était à la position intermédiaire entre 15 N et 14 N, et l'autre correspondait à la bande d'ADN 14 N. Ces résultats ne pourraient être expliqués que si l'ADN se réplique de manière semi-conservatrice. Par conséquent, les deux autres modes ont été exclus.

Au cours de la réplication de l'ADN, chacun des deux brins qui composent la double hélice sert de modèle à partir duquel de nouveaux brins sont copiés. Le nouveau volet sera complémentaire du volet parental ou &ldquoold&rdquo. Lorsque deux copies d'ADN filles sont formées, elles ont la même séquence et sont divisées également dans les deux cellules filles.

Le modèle de réplication de l'ADN suggère que les deux brins de la double hélice se séparent pendant la réplication, et chaque brin sert de matrice à partir de laquelle le nouveau brin complémentaire est copié. Dans la réplication conservatrice, l'ADN parental est conservé et l'ADN fille est nouvellement synthétisé. La méthode semi-conservatrice suggère que chacun des deux brins d'ADN parent agit comme matrice pour le nouvel ADN à synthétiser après réplication, chaque ADN double brin comprend un brin parental ou "ancien" et un "nouveau" brin. Le mode dispersif suggérait que les deux copies de l'ADN auraient des segments d'ADN parental et d'ADN nouvellement synthétisé. Des preuves expérimentales ont montré que la réplication de l'ADN est semi-conservatrice.


Discordance d'ADN post-réplication, dommages et réparation

Bien que l'ADN polymérase ait un taux d'erreur très faible, en partie en raison de son activité de relecture, certaines paires de bases non appariées échappent à la correction pendant la réplication. De plus, l'ADN peut être endommagé d'autres manières qui modifient la séquence d'ADN. Ces discordances d'ADN et ces dommages, s'ils ne sont pas corrigés ou réparés, entraîneront un mutation(un changement permanent dans l'ADN) dans le prochain cycle de réplication, ce qui peut être préjudiciable à la cellule. Par exemple, la maladie génétique de l'anémie falciforme résulte d'un seul changement de nucléotide (adénine changée en thymine) dans le gène codant pour l'une des deux protéines de la globine qui composent l'hémoglobine. Ce changement de nucléotide provoque un changement dans la séquence d'acides aminés et par conséquent un changement dans la forme de la protéine mutante dans les globules rouges. Ces altérations de la protéine provoquent son agrégation, formant de grands complexes qui déforment la forme des globules rouges. Ces «cellules falciformes» sont plus fragiles que les globules rouges normaux et sont plus susceptibles de se briser dans la circulation sanguine, ce qui entraîne moins de globules rouges (anémie).

Heureusement, les cellules possèdent des mécanismes pour restaurer les paires de bases incompatibles et réparer les dommages à l'ADN. Le système de réparation des mésappariements d'ADN corrige 99 % des paires de bases mésappariées qui n'ont pas été éliminées par l'ADN polymérase lors de la réplication. Les protéines de réparation des mésappariements reconnaissent et se lient à la paire de bases mésappariée, les nucléotides du brin d'ADN nouvellement synthétisé sont excisés, une ADN polymérase de réparation comble le vide, puis l'ADN ligase rejoint ce tronçon de nucléotides au reste du brin d'ADN. Il est important que le système de réparation des mésappariements d'ADN fasse la distinction entre le brin matrice d'ADN et le brin d'ADN nouvellement synthétisé, cependant, le mécanisme complet de ceci n'est pas entièrement compris.

Des mutations peuvent survenir dans l'ADN par des dommages qui modifient la structure chimique du nucléotide. Cela peut se produire spontanément ou en réponse à un facteur environnemental. Les deux types de dommages les plus courants résultant de réactions spontanées sont dépuration (la perte de la base des purines nucléotides adénine ou guanine) et désamination(généralement la conversion de la cytosine en uracile). La dépurination donne un nucléotide sans base par conséquent, l'ADN polymérase sautera ce nucléotide lors de la synthèse du brin complémentaire lors de la réplication. Cela conduit à une perte de nucléotides lors du prochain cycle de réplication. Dans certains cas, le nucléotide dépuriné est apparié avec un nucléotide mésapparié sur l'autre brin, ce qui entraîne un changement de paire de bases. La désamination entraîne un changement de séquence nucléotidique lors du prochain cycle de réplication, d'une paire de bases C-G à une paire de bases A-T. Un autre type courant de dommages à l'ADN est dimère de thymineformation. Ceci est le plus souvent induit par l'exposition à la lumière ultraviolette et consiste en une liaison covalente entre les bases des thymines adjacentes dans un brin d'ADN. Cela provoque un blocage de la réplication de l'ADN et peut entraîner des mutations. Le taux de ces types de dommages est très élevé (par exemple, la dépuration se produit 500 fois par cellule et par jour), cependant, il existe de nombreuses voies pour réparer l'ADN endommagé et, par conséquent, le taux de mutation héréditaire n'est pas si élevé. La réparation se déroule généralement en trois étapes : l'ADN endommagé est reconnu et éliminé, une ADN polymérase de réparation comble le vide et l'ADN ligase referme le brin d'ADN. La réparation de l'ADN est une voie complexe, impliquant de nombreuses protéines et activités différentes qui ne sont pas complètement comprises par les biologistes. Cependant, l'importance de ces protéines est mise en évidence dans plusieurs troubles humains qui ont des protéines de réparation de l'ADN défectueuses et qui présentent une incidence beaucoup plus élevée de cancer en raison de l'incapacité des cellules à réparer efficacement l'ADN endommagé ou mal adapté. La plupart des cancers résultent de mutations dans des gènes clés de régulation de la croissance qui s'accumulent tout au long de la vie de l'individu. Les personnes dont la réparation de l'ADN est défectueuse ont beaucoup plus de chances que des mutations surviennent dans les gènes cancérigènes.


Télomères et vieillissement cellulaire

Les télomères sont importants, de sorte que leur rétrécissement constant à chaque mitose pourrait imposer une durée de vie limitée aux cellules. C'est effectivement le cas. Les cellules normales (non cancéreuses) ne se développent pas indéfiniment lorsqu'elles sont mises en culture.

Voir Cancer Cells in Culture pour une discussion sur les différences entre les cellules normales et cancéreuses cultivées en culture.

Les cellules prélevées sur un nouveau-né et mises en culture se diviseront presque 100 fois. Bien avant la fin, cependant, leur taux de mitose diminue (à moins d'une fois toutes les deux semaines). Si mes cellules étaient cultivées (j'ai 81 ans), elles ne géreraient que quelques dizaines de mitoses avant de cesser de se diviser et de disparaître.

Ce phénomène est appelé sénescence réplicative [Suite]. Le rétrécissement des télomères pourrait-il être une horloge déterminant la longévité d'une lignée cellulaire et donc responsable de la sénescence réplicative ?

Preuve:

Il s'avère que ces cellules sont capables de maintenir la longueur de leurs télomères. Ils le font à l'aide d'une enzyme télomérase.


La réplication chez les procaryotes commence à partir d'une séquence trouvée sur le chromosome appelée origine de réplication, le point auquel l'ADN s'ouvre. L'hélicase ouvre la double hélice de l'ADN, entraînant la formation de la fourche de réplication. Les protéines de liaison simple brin se lient à l'ADN simple brin près de la fourche de réplication pour maintenir la fourche ouverte. Primase synthétise une amorce d'ARN pour initier la synthèse par l'ADN polymérase, qui peut ajouter des nucléotides uniquement à l'extrémité 3' d'un brin d'amorce précédemment synthétisé. Les deux nouveaux brins d'ADN se développent selon leurs directions respectives 5'-3'. Un brin est synthétisé en continu dans la direction de la fourche de réplication, c'est ce qu'on appelle le brin principal. L'autre brin est synthétisé dans une direction éloignée de la fourche de réplication, dans de courts segments d'ADN appelés fragments d'Okazaki. Ce brin est connu sous le nom de brin retardé. Une fois la réplication terminée, les amorces d'ARN sont remplacées par des nucléotides d'ADN et l'ADN est scellé avec de l'ADN ligase, ce qui crée des liaisons phosphodiester entre le 3'-OH d'une extrémité et le 5' phosphate de l'autre brin.

Figure Vous isolez une souche cellulaire dans laquelle la jonction des fragments d'Okazaki est altérée et soupçonnez qu'une mutation s'est produite dans une enzyme trouvée au niveau de la fourche de réplication. Quelle enzyme est la plus susceptible d'être mutée ?

Figure l'ADN ligase, car cette enzyme réunit des fragments d'Okazaki.