Replication

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Copie : Cool pour l’ADN, cool pour nous

À l’époque où certains camarades de classe de Shmoop étaient à l’école, leurs professeurs les surprenaient toujours en train de copier. Mais, les camarades de classe ont dit à leurs professeurs que c’était dans leur ADN de copier. Elle ne pouvait pas contester cette logique, et ils n’ont donc jamais eu de problèmes. Quelle belle petite histoire.

Quel parallèle essayons-nous de faire avec cette histoire pas si subtile et kitsch ? L’ADN se copie tout le temps, et il le doit s’il veut continuer à fabriquer toutes ces cellules. Et, oh, comme il le fait ! La réplication de l’ADN consiste à copier l’ADN afin que les cellules qui se répliquent aient suffisamment d’ADN pour les cellules filles, c’est-à-dire les nouvelles cellules dérivées de la cellule d’origine. La division cellulaire, ou la fabrication d’une cellule en deux nouvelles cellules, se produit par la mitose pour les cellules non sexuelles, ou les cellules qui ne sont pas impliquées dans… le sexe, et par la méiose pour les cellules sexuelles, ou les cellules qui se salissent plus vite que Vinny et Pauly D lors d’une bonne nuit au Karma.

C’est juste une phase : Mitose ou méiose

Bien que les cellules aient toutes les formes et toutes les tailles, comme une pub Benetton, il existe essentiellement deux types de cellules :

1. Les cellules sexuelles (non, pas ces choses à Amsterdam)
2. Les cellules somatiques (cellules non sexuelles, qui ne sont pas non plus les choses à Amsterdam)

Les cellules sexuelles sont les cellules qui produisent la progéniture des eucaryotes qui se reproduisent sexuellement, et elles se divisent comme suit :

1. Les cellules du sperme qui contiennent la moitié mâle de l’ADN
2. Les cellules de l’œuf qui contiennent la moitié femelle de l’ADN

Le cycle de vie de la plupart des cellules eucaryotes (à l’exclusion des cellules sexuelles) comporte quatre étapes principales.

Ils sont appelés

• Phase Gap 1 (ou G1)
• Phase de synthèse (ou « S »)
• Phase Gap 2 (G2)
• Mitose

Et, non, le Gap ne parraine pas la mitose. Les phases G1, S et G2 sont normalement appelées « interphase », principalement par les personnes qui étudient la mitose. Bien que, si vous les obtenez seuls, ils l’appellent « phase ennuyeuse ».

G1

G1 est la phase du cycle de vie eucaryote après la mitose et avant la synthèse de l’ADN, qui est la phase S. Pendant la mitose, la plupart des activités non-mitoses ont été arrêtées, et G1 est la période où tout recommence. G1 est comme un insomniaque fou qui réveille la cellule en lui disant : « Hé, j’ai coupé des coupons toute la nuit, il est temps de se réveiller et de jouer avec moi ! »

Phase S

La phase S est la phase de réplication de l’ADN du cycle de vie. Nous en reparlerons plus tard, mais si vous ne pouvez pas attendre, cliquez dessus. Cette phase est celle où la cellule double la quantité d’ADN pour en fabriquer suffisamment pour les cellules filles, et la cellule passe de 2n à 4n, où n est le nombre de jeux de chromosomes, ou ploïdie. La plupart des cellules somatiques sont 2n, ou diploïdes, tandis que les cellules sexuelles sont haploïdes, ce qui signifie qu’elles ont la moitié de l’ADN des cellules somatiques (cellules ordinaires).

Phase G2

G2 est la Jan Brady du cycle cellulaire. Tout le monde parle toujours de « Mitose, Mitose, Mitose ! » et personne ne se soucie de cette pauvre G2. C’est la période du cycle cellulaire où il y a plus de synthèse de protéines et où sont fabriqués les microtubules, qui sont importants pour la mitose. « C’est tout ? » Vous demandez ? Ouaip. Ce n’est pas vraiment si important, c’est pourquoi de nombreuses cellules sautent cette étape. Les cellules de grenouille la sautent, ainsi que de nombreuses cellules cancéreuses. Pauvre G2…

Mitose

La mitose est l’étape du cycle cellulaire qui est si importante qu’elle a son propre cycle. La mitose commence après G2, et débute par la prophase, ou la condensation de la chromatine en chromosomes et centrosomes se déplaçant vers les pôles opposés de la cellule. Cette étape est suivie de la prométaphase, un stade intermédiaire entre la prophase et la métaphase, où l’enveloppe nucléaire se décompose et où les chromosomes commencent à s’assembler sur des microtubes reliant les centrosomes. La métaphase est le stade où tous les chromosomes sont alignés au centre, suivi de l’anaphase, où les chromosomes sont divisés en deux et où les chromatides filles se déplacent vers le pôle le plus proche des centrosomes. La télophase et la cytokinèse sont les dernières étapes de la division cellulaire et du réassemblage du noyau en deux cellules filles, respectivement.

Méiose

La méiose est la phase M des cellules sexuelles. Elle commence comme la mitose, et après la production des deux premières cellules filles, elle poursuit un second cycle de mitose. Les 2n cellules filles se divisent encore pour produire 4 cellules filles, et beaucoup de mariages hors de prix, chacune avec n chromosomes.

Au commencement…Origines de la réplication de l’ADN

Si l’ADN ne se répliquait jamais, la méiose et la mitose réduiraient lentement de moitié la taille du génome jusqu’à ce que chaque cellule meure, ce qui ne prendrait probablement pas longtemps. Il est donc important que l’ADN se double pour tenir compte de la division des cellules pendant la mitose/méiose. La réplication de l’ADN est similaire à la transcription de l’ARN.

Vous trouverez ci-dessous un tableau comparant les deux :

	Réplication de l’ADN	Transcription de l’ARN
Produit	D’un ADN à double…brin	ADNm
Enzyme	ADN polymérase	Arn polymérase
Nucléotides. Ajouté	Deoxynucléotide triphosphates	Nucléotide triphosphates
Template Strand	Both	Both, mais ne transcrit que le brin antisens

Comment appelez-vous les sites où la réplication commence ? Origines. On aurait aimé qu’ils l’appellent Star Wars Episode I : La Menace Fantôme, mais ce nom était déjà pris.

Les origines diffèrent selon le type d’ADN. La plupart des cellules eucaryotes et certaines bactéries et virus ont un ADN linéaire, ce qui signifie qu’il y a un début et une fin à la séquence d’ADN. Par conséquent, les origines de réplication se trouvent à l’extrémité 5′ de l’ADN linéaire. La plupart des bactéries et certains virus ont un ADN circulaire, ce qui signifie qu’il existe une séquence spécifique à laquelle les protéines de réplication de l’ADN se lient (ce qui est quelque peu analogue à la transcription de l’ARN), et la réplication commence à partir de ce site.

La réplication de l’ADN commence par la liaison d’une protéine initiatrice, comme la dnaA chez la bactérie E. coli, ou d’un complexe de protéines, comme le complexe de reconnaissance des origines chez la levure. La fonction des initiateurs est de faire levier pour séparer les deux brins d’ADN afin que la réplication puisse commencer. Cette situation n’est pas sans rappeler le cric qui soulève votre voiture lorsque vous changez un pneu. (Parce que nous savons tous comment faire, n’est-ce pas ?) Si vous ne savez pas comment changer un pneu, appelez une société de remorquage et demandez-lui comment elle s’y prend. Après qu’ils vous aient dit comment faire, criez : « C’est exactement comme la réplication de l’ADN ! », raccrochez le téléphone, puis priez pour ne plus jamais avoir à changer de pneu.

Une fois l’ADN écarté, les amorces d’ARN entrent, une se lie à chaque brin d’ADN, puis la réplication de l’ADN se déroule dans le sens 5′ vers 3′. Il est important de comprendre que deux réplications de 5′ à 3′ ont lieu simultanément. Ces deux réplications sont chacune appelées fourche de réplication. A ne pas confondre avec la cuillère de duplication.

Passer la fourche de réplication

Lorsque l’on scinde l’ADN, on a un brin qui va de 5′ à 3′ en regardant de gauche à droite, que l’on appellera le brin « traînant » et un brin complémentaire qui va de 3′ à 5′ en regardant de gauche à droite, que l’on appellera le brin « menant ». Par conséquent, lorsque nous ajoutons des amorces d’ARN, une amorce se lie au brin principal et l’autre amorce se lie au brin secondaire. L’amorce qui se lie au brin de tête est identique à la séquence du brin de queue, tandis que l’amorce qui se lie au brin de queue est identique à la séquence du brin de tête. Nous espérons que votre tête n’a pas encore explosé.

Pensez à la réplication de l’ADN comme votre main gauche et votre main droite. Elles sont essentiellement les mêmes mais présentent des différences subtiles. Votre main gauche a le pouce comme cinquième doigt si vous comptez de gauche à droite, tandis que votre main droite a le pouce comme premier doigt. Vous voyez ? Désolé si nous vous avons fait perdre la tête. Par conséquent, comme vos mains, les deux brins d’ADN se répliquent de la même manière, mais il y a une différence subtile. La réplication de l’ADN ne fonctionne que dans le sens 5′ vers 3′, donc deux molécules d’ADN polymérase se lient aux amorces d’ARN et commencent à se répliquer dans des directions opposées. La réplication du brin de tête dirige le processus de réplication parce que l’amorce d’ARN dirige la réplication du brin de 5′ à 3′.

« Mais Shmoop, comment réplique-t-on le brin « retardé » ? » vous pourriez demander.

Comme son nom l’indique, la réplication de l’ADN du brin principal se poursuit pendant un certain temps jusqu’à ce qu’une nouvelle amorce d’ARN s’insère, et une seconde ADN polymérase s’amorce à partir de cette seconde amorce d’ARN retardée et réplique l’ADN jusqu’à ce qu’elle atteigne la première amorce d’ARN, ou le tronçon précédent d’ADN double brin. Là, l’ADN polymérase s’arrête, et l’ADN ligase joint ces fragments d’ADN. Ce processus se poursuit simultanément à la synthèse du brin principal, de sorte qu’il y a de nombreux petits fragments d’ADN double brin en réplication sur le brin retardé. On les appelle fragments d’Okazaki, du nom du duo mari et femme de Reiji et Tsuneko Okazaki qui les ont découverts.

Are We Done Yet?

La réplication de l’ADN se termine chez les bactéries et les virus à génome circulaire lorsque les deux fourches de réplication se rencontrent du côté opposé du chromosome par rapport à l’origine de la réplication, dans un magnifique jeu de poules mouillées. La courageuse protéine de terminaison de la réplication intervient et met en pause la réplication de l’ADN afin d’éviter que les deux fourches ne s’entrechoquent. Cependant, le mécanisme de terminaison conduit à deux chromosomes circulaires imbriqués, collés l’un à l’autre comme des anneaux de magicien. Les enzymes topoisomérases, comme l’ADN gyrase et la topoisomérase IV, qui sont responsables de l’entaillage de l’ADN, coupent temporairement un chromosome pour que l’autre puisse passer. Et voilà, on gâche les tours de magie pour tout le monde.

Animation du raccourcissement des chromosomes linéaires

Les chromosomes linéaires présentent une autre série de problèmes car avec ces types, on n’atteint jamais la réplication complète du chromosome complet. Chaque étape de réplication raccourcit un peu plus l’ADN. Les bactéries et les virus à chromosomes linéaires contournent ce problème soit en

• Initiant la réplication au centre du chromosome, soit en

• Primant la réplication avec une protéine au lieu d’une séquence d’amorçage ARN.

Les eucaryotes ne sont cependant pas capables de faire l’une ou l’autre de ces choses, et ont évolué des séquences terminatrices appelées télomères qui contournent le problème du raccourcissement de l’ADN.

Les extrémités de l’ADN eucaryote linéaire sont appelées télomères, et bien qu’elles soient régulièrement raccourcies à chaque cycle de réplication, des enzymes appelées télomérases règlent le problème du raccourcissement de l’ADN. Les télomères sont hautement répétitifs et les télomérases ajoutent de courtes séquences pour allonger l’extrémité de l’ADN afin qu’elle ne devienne pas trop courte et que des parties importantes de la séquence d’ADN ne soient pas perdues. Les télomérases sont des transcriptases inverses, ou des enzymes (on les reconnaît grâce au -ase) qui convertissent l’ARN en ADN. Voir la section « Spiderman et autres exemples d’ADN recombinant » pour en savoir plus.

Les télomérases prennent une courte séquence d’ARN, la convertissent en séquence d’ADN double brin, et la fixent à l’extrémité de l’ADN. Il existe une longueur minimale que les télomères doivent maintenir, et si la séquence d’ADN est plus courte que cette longueur minimale, appelée limite de Hayflick, la cellule meurt. Les télomérases permettent à la cellule de continuer à se répliquer et à se diviser indéfiniment. Et, la suractivité des télomérases est couramment liée au cancer, car les cellules deviennent immortelles, comme The Highlander.

Whoops, des erreurs ont été commises : Relecture et réparation

Vous pensez probablement : « L’ADN polymérase se croit si géniale parce qu’elle réplique tout l’ADN de mon corps pour que je puisse survivre et continuer à subir la mitose et la méiose. » OK, Nous sommes sûrs que la plupart d’entre vous ne pensent pas cela, mais jouons le jeu pour la poignée de personnes qui pensent cela.

En fait, l’ADN polymérase n’est pas si géniale que cela ! Elle fait des erreurs comme vous ou Shmoop – bien que nos erreurs soient principalement les produits de trop de boissons énergisantes de 5 heures mélangées à des Twinkies frits. Cependant, l’ADN polymérase doit réparer ces erreurs, tandis que nous, à Shmoop, entrons dans un coma induit par le sucre.

Parfois, dans la hâte de la réplication de l’ADN, une mauvaise base qui ne s’apparie pas correctement avec le brin matrice est ajoutée à la séquence. Par conséquent, nous obtenons des paires de bases G-T ou A-G bizarres. Nous nous souvenons tous que les paires normales sont G-C et A-T (Eh ? C’est quoi ça ?). Ces paires incorrectes ne sont pas bonnes pour nous car cela signifie que nos gènes sont mutés, et que nous devenons des mutants. Peu de mutations aboutissent à des choses géniales comme la téléportation ou la vision laser… ou tout ce qui sort de X-Men. Shucks.

Les gros eucaryotes comme nous qui se répliquent lentement et vivent longtemps ne veulent pas que beaucoup de mutations se produisent. Pourquoi ? Toute mutation qui affecte notre croissance est généralement… pas bonne… et nous fera du mal. Visage triste.

Cependant, les organismes plus petits, comme les bactéries, les virus, et même les mouches, ont des cycles de vie courts, de l’ordre de quelques jours, et parfois, de quelques heures. Ils se répliquent comme des fous, où chaque nouvelle génération aura des 100s-1000s d’individus de plus que la génération précédente. Par conséquent, dans leur cas, les mutations peuvent être plus avantageuses. Parfois, ils voudront échapper aux pesticides, aux antibiotiques ou aux médicaments conçus pour les traiter ou les tuer, ce qui explique pourquoi il est si difficile de fabriquer un médicament qui nous empêchera de tomber malade. Les bactéries et les virus ne cessent de muter et de se répliquer. Et, comme nous l’avons déjà remarqué, il y a peu de contrôle d’erreur dans leurs polymérases.

Snack cérébral

Voici une vidéo soignée de la façon dont la réplication de l’ADN fonctionne réellement.

Pouvez-vous repérer les ADN polymérases ? Ce sont les sphères multicolores, une pour le brin principal et une pour le brin secondaire. Les polymérases du brin retardé sont celles qui arrivent et qui tombent lorsque le double brin est terminé.