L'ADN est essentiel à la vie, présent dans tous les organismes, des bactéries les plus simples aux plantes et aux animaux les plus complexes. Sans l'ADN, la vie biologique ne serait pas possible. La réplication de cette molécule essentielle est un processus complexe réalisé par un complexe enzymatique spécialisé, l'ADN polymérase. Ce complexe comprend plusieurs sous-unités, dont l'enzyme polymérase alpha, qui joue un rôle clé dans la réplication de l'ADN. Dans ce résumé de cours, nous verrons comment cette enzyme essentielle assure la duplication du matériel génétique afin qu'il puisse être transmis de génération en génération.

Qu'est-ce qu'une enzyme polymérase ?

L'enzyme polymérase est le principal composant de l'ADN polymérase, et elle est responsable de la synthèse de nouveaux brins d'ADN. Cette enzyme catalyse le processus de réplication en fixant les désoxyribonucléotides à un brin d'ADN existant dans le sens 5' vers 3'. L'enzyme polymérase fonctionne en reconnaissant les séquences de nucléotides sur le brin d'ADN qui sont complémentaires aux désoxyribonucléotides qu'il ajoute.

ADN polymérase alpha

L'ADN polymérase alpha est un autre composant de l'ADN polymérase, et contribue à assurer la précision de la réplication. Cette enzyme se lie à des séquences de nucléotides sur le nouveau brin émergent, ce qui inclut les bases non complémentaires en le brin d'ADN. Si la polymérase alpha détecte une base incorrecte sur le nouveau brin émergent, elle arrête la réplication et signale aux autres enzymes de la corriger. Cela garantit que les nouveaux brins sont produits avec une grande précision.

Complexe enzymatique

Le complexe enzymatique est une machinerie moléculaire spécialisée qui réalise le processus crucial de la réplication de l'ADN. Ce complexe est constitué de plusieurs sous-unités, dont la polymérase alpha et d'autres enzymes impliquées dans la synthèse de l'ADN. Comme mentionné précédemment, la fonction principale de la sous-unité alpha de la polymérase est d'assurer la précision de la réplication et de synthétiser de nouveaux brins d'ADN en ajoutant des désoxyribonucléotides sur un brin d'ADN dans le sens 5' vers 3'.

Outre la polymérase alpha, d'autres enzymes jouent également un rôle important dans la réplication de l'ADN. Par exemple, l'enzyme hélicase aide à dérouler le brin double de l'ADN pour permettre l'ajout de nouveaux désoxyribonucléotides. D'autres enzymes, telles que la ligase et la topoisomérase, sont aussi impliquées pour garantir que la réplication de l'ADN s'effectue avec une grande précision et efficacité.

Comment fonctionne la réplication de l'ADN ?

Lorsque les cellules se divisent, elles produisent de nouvelles cellules. La cellule qui se divise est appelée la cellule mère, tandis que les cellules qui en résultent sont appelées cellules filles. Lorsqu'une cellule se divise, elle produit deux nouvelles cellules filles ; de même, quand deux cellules se divisent, elles produisent quatre nouvelles cellules filles, et ainsi de suite.

La réplication de l'ADN est un processus au cours duquel l'ADN d'un génome est copié afin qu'une cellule mère produise des cellules filles avec le même génome après une division cellulaire.

Pendant la réplication, les deux brins d'ADN sont séparés, ainsi chaque brin sert de modèle pour produire de nouveaux brins complémentaires. Après la division cellulaire, les deux ADN filles auront chacune un brin préexistant et un brin nouvellement formé. Pour cette raison, la réplication de l'ADN est décrite comme semi-conservatrice, car la moitié de la molécule d'ADN d'origine est conservée dans chaque molécule d'ADN nouvellement synthétisée.

Fig. 1 - Formation de deux cellules filles identiques génétiquement à la cellule mère

Étapes de la réplication de l'ADN

Quelle est la série d'étapes nécessaires à la réussite de la réplication de l'ADN ? La section suivante couvre l'ordre des événements qui se déroulent en trois étapes générales : initiation, élongation et terminaison.

Initiation

Une enzyme appelée hélicase provoque le déroulement de la double hélice d'ADN en brisant les liaisons hydrogène entre les deux brins d'ADN parentaux. Cela commence dans une région spécifique du brin d'ADN appelée l'origine de la réplication. Ce déroulement et la séparation ultérieure des deux brins complémentaires donnent lieu à des fourches de réplication en forme de Y, un peu comme la façon dont une fermeture éclair est ouverte (figure 1).

Fig. 2 - Lorsque l'hélice d'ADN se déroule, des fourches de réplication en forme de Y se forment à l'origine de réplication

Au niveau des fourches de réplication, toutes les protéines impliquées dans la réplication de l'ADN se rassemblent pour former un complexe de pré-réplication appelé le réplisome. Bien que le réplisome varie d'un organisme à l'autre, il existe des composants fondamentaux qui sont conservés dans toutes les cellules :

• les hélicases qui déroulent l'ADN double brin ;

• les ADN polymérases qui synthétisent les nouveaux brins d'ADN ;

• les clamps à ADN qui organisent le complexe sur l'ADN.

Les protéines de liaison à l'ADN simple brin (SSB) se fixent à chaque brin, les empêchant de se rejoindre. Ensuite, des enzymes appelées topoisomérases créent des cassures dans l'ADN. En coupant les brins d'ADN, les topoisomérases relâchent la tension causée par le processus de déroulage, empêchant les brins de s'enrouler excessivement ou de se déformer.

Ensuite, une enzyme appelée primase assemble l'amorce (un court segment d'ARN) sur le brin d'ADN parental. Cela fournit un 3' OH auquel l'enzyme ADN polymérase peut ensuite ajouter de nouveaux nucléotides.

Des protéines telles que le clamp à ADN aident à fixer l'ADN polymérase au brin d'ADN matrice amorcé. La protéine de clamp aide à attacher un complexe protéique à la fourche de réplication. Le clamp glissant augmente la processivité de l'ADN polymérase.

Avec cette fixation, l'ADN polymérase peut commencer à synthétiser le nouveau brin d'ADN en ajoutant de nouveaux nucléotides complémentaires à l'amorce.

Élongation

Rappelle-toi que chaque nucléotide est composé de désoxyribose (un sucre à cinq carbones), d'une base azotée et de trois groupes phosphate. Les ADN polymérases créent des liaisons phosphodiester pour joindre le groupe phosphate 5' du nouveau nucléotide et le groupe OH 3' du nucléotide précédent, utilisant au passage deux des groupes phosphate pour servir de source d'énergie.

L'ADN polymérase construit ensuite les brins d'ADN de l'extrémité 5' à l'extrémité 3'. Comme les brins d'ADN sont antiparallèles, un brin (appelé brin avancé) peut être fabriqué en continu dans la même direction que la fourche de réplication, c'est-à-dire de 5' à 3'. Cependant, l'autre brin (appelé brin retardé) a besoin de plusieurs amorces d'ARN pour être déposé et pour que l'ADN soit coupé en courts fragments qui seront joints plus tard. De tels fragments sont appelés fragments d'Okazaki. Les fragments d'Okazaki sont composés d'une amorce d'ARN et de 1000 à 2000 nucléotides d'ADN.

Terminaison

La dernière étape de la réplication de l'ADN s'appelle la terminaison. Pendant la terminaison, les segments d'ADN sont joints par une enzyme appelée ADN ligase, produisant deux molécules d'ADN identiques, tandis que le complexe de réplication subit un désassemblage programmé.

Voici un schéma illustrant la réplication de l'ADN et les différents enzymes qui assurent le processus (figure 3).

Fig. 3 - Schéma représentatif de la réplication de l'ADN