Biologie I

Les génomes eucaryotes sont beaucoup plus complexes et de plus grande taille que les génomes procaryotes. Le génome humain a trois milliards de paires de bases par ensemble haploïde de chromosomes, et 6 milliards de paires de bases sont répliquées pendant la phase S du cycle cellulaire. Il existe plusieurs origines de réplication sur le chromosome eucaryote; les humains peuvent avoir jusqu’à 100 000 origines de réplication. Le taux de réplication est d’environ 100 nucléotides par seconde, beaucoup plus lent que la réplication procaryote. Chez la levure, qui est un eucaryote, des séquences spéciales appelées Séquences de Réplication autonome (ARS) se trouvent sur les chromosomes. Ceux-ci sont équivalents à l’origine de la réplication chez E. coli.

Le nombre d’ADN polymérases chez les eucaryotes est bien supérieur à celui des procaryotes : 14 sont connus, dont cinq sont connus pour avoir des rôles majeurs lors de la réplication et ont été bien étudiés. Ils sont connus sous le nom de pol α, pol β, pol γ, pol δ et pol ε.

Les étapes essentielles de la réplication sont les mêmes que chez les procaryotes. Avant que la réplication puisse commencer, l’ADN doit être mis à disposition comme modèle. L’ADN eucaryote est lié à des protéines basiques appelées histones pour former des structures appelées nucléosomes. La chromatine (le complexe entre l’ADN et les protéines) peut subir certaines modifications chimiques, de sorte que l’ADN peut pouvoir glisser des protéines ou être accessible aux enzymes de la machinerie de réplication de l’ADN. A l’origine de la réplication, un complexe de pré-réplication est réalisé avec d’autres protéines initiatrices. D’autres protéines sont ensuite recrutées pour démarrer le processus de réplication (Tableau).

Une hélicase utilisant l’énergie de l’hydrolyse de l’ATP ouvre l’hélice d’ADN. Des fourches de réplication sont formées à chaque origine de réplication au fur et à mesure que l’ADN se déroule. L’ouverture de la double hélice provoque un surenroulement, ou surfiling, dans l’ADN avant la fourche de réplication. Ceux-ci sont résolus avec l’action des topoisomérases. Les amorces sont formées par l’enzyme primase, et en utilisant l’amorce, l’ADN pol peut commencer la synthèse. Alors que le brin de tête est synthétisé en continu par l’enzyme pol δ, le brin de retard est synthétisé par pol ε. Une protéine de serrage coulissante connue sous le nom de PCNA (Antigène nucléaire à Cellules proliférantes) maintient l’ADN pol en place afin qu’il ne glisse pas de l’ADN. La RNase H élimine l’amorce d’ARN, qui est ensuite remplacée par des nucléotides d’ADN. Les fragments d’Okazaki dans le brin en retard sont réunis après le remplacement des amorces d’ARN par de l’ADN. Les lacunes qui restent sont scellées par l’ADN ligase, qui forme la liaison phosphodiester.

Contrairement aux chromosomes procaryotes, les chromosomes eucaryotes sont linéaires. Comme vous l’avez appris, l’enzyme ADN pol ne peut ajouter des nucléotides que dans le sens 5’à 3′. Dans le brin principal, la synthèse se poursuit jusqu’à ce que la fin du chromosome soit atteinte. Sur le brin en retard, l’ADN est synthétisé en courts tronçons, chacun étant initié par une amorce séparée. Lorsque la fourche de réplication atteint l’extrémité du chromosome linéaire, il n’y a pas de place pour qu’une amorce soit faite pour que le fragment d’ADN soit copié à l’extrémité du chromosome. Ces extrémités restent donc non appariées, et au fil du temps, ces extrémités peuvent se raccourcir progressivement à mesure que les cellules continuent à se diviser.

Les extrémités des chromosomes linéaires sont appelées télomères, qui ont des séquences répétitives qui ne codent pour aucun gène particulier. D’une certaine manière, ces télomères protègent les gènes de la suppression lorsque les cellules continuent à se diviser. Chez l’homme, une séquence de six paires de bases, TTAGGG, est répétée 100 à 1000 fois. La découverte de l’enzyme télomérase (Figure) a aidé à comprendre comment les extrémités des chromosomes sont maintenues. L’enzyme télomérase contient une partie catalytique et un modèle d’ARN intégré. Il se fixe à l’extrémité du chromosome et des bases complémentaires à la matrice d’ARN sont ajoutées à l’extrémité 3 ‘ du brin d’ADN. Une fois que l’extrémité 3’ du gabarit de brin en retard est suffisamment allongée, l’ADN polymérase peut ajouter les nucléotides complémentaires aux extrémités des chromosomes. Ainsi, les extrémités des chromosomes sont répliquées.

La télomérase est généralement active dans les cellules germinales et les cellules souches adultes. Il n’est pas actif dans les cellules somatiques adultes. Pour sa découverte de la télomérase et de son action, Elizabeth Blackburn (Figure) a reçu le Prix Nobel de médecine et de physiologie en 2009.

Télomérase et vieillissement

Les cellules qui subissent une division cellulaire continuent de voir leurs télomères raccourcis car la plupart des cellules somatiques ne produisent 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 y a une demande croissante pour que les gens paraissent plus jeunes et aient une meilleure qualité de vie à mesure qu’ils vieillissent.

En 2010, les scientifiques ont découvert que la télomérase pouvait inverser certaines conditions liées à l’âge chez les 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, une déplétion des cellules souches, une défaillance du système d’organes et des réponses altérées aux lésions tissulaires. La réactivation de la télomérase chez ces souris a provoqué l’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 est caractérisé 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 considérablement raccourci les télomères 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, les cellules cancéreuses pourraient potentiellement être empêchées de se diviser davantage.

Élongation du brin

Difference between Prokaryotic and Eukaryotic Replication
Property	Prokaryotes	Eukaryotes
Origin of replication	Single	Multiple
Rate of replication	1000 nucleotides/s	50 to 100 nucleotides/s
DNA polymerase types	5	14
Telomerase	Not present	Present
RNA enlèvement de l’amorce	ADN pol I	RNase H
ADN pol III	Pol δ, pol ε
Pince coulissante	Pince coulissante	PCNA

Résumé de la section

La réplication chez les eucaryotes commence à plusieurs origines de la réplication. Le mécanisme est assez similaire aux procaryotes. Une amorce est nécessaire pour amorcer la synthèse, qui est ensuite prolongée par l’ADN polymérase lorsqu’elle ajoute des nucléotides un par un à la chaîne en croissance. Le brin principal est synthétisé en continu, tandis que le brin en retard est synthétisé en courts tronçons appelés fragments d’Okazaki. Les amorces d’ARN sont remplacées par des nucléotides d’ADN; l’ADN reste un brin continu en reliant les fragments d’ADN à l’ADN ligase. Les extrémités des chromosomes posent un problème car la polymérase est incapable de les étendre sans amorce. La télomérase, une enzyme avec un modèle d’ARN intégré, étend les extrémités en copiant le modèle d’ARN et en étendant une extrémité du chromosome. L’ADN polymérase peut ensuite étendre l’ADN à l’aide de l’amorce. De cette façon, les extrémités des chromosomes sont protégées.

Questions de révision

Réponse libre