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14.3 : Bases de la réplication de l'ADN - Biologie

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Compétences à développer

  • Expliquer comment la structure de l'ADN révèle le processus de réplication
  • Décrire les expériences de Meselson et Stahl

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 (Figure (PageIndex{1})) : conservateur, semi-conservateur et dispersif.

Dans la réplication conservatrice, l'ADN parental reste ensemble et les brins filles nouvellement formés sont ensemble. La méthode semi-conservatrice suggère que chacun des deux brins d'ADN parental agit comme une matrice pour le 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 (15N) qui s'incorpore dans les bases azotées, et éventuellement dans l'ADN (Figure (PageIndex{2})).

Les E. coli la culture a ensuite été transférée dans un milieu contenant 14N et laissé pousser 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 pu se développer pendant un cycle de vie supplémentaire dans 14N et tourna à nouveau. 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. ADN cultivé dans 15N se groupera à une position de densité plus élevée que celle cultivée dans 14N. Meselson et Stahl ont noté qu'après une génération de croissance en 14N après qu'ils aient été déplacés de 15N, la bande unique observée était intermédiaire en position entre l'ADN des cellules cultivées exclusivement dans 15N et 14N. Cela suggérait un mode de réplication semi-conservateur ou dispersif. L'ADN récolté à partir de cellules cultivées pendant deux générations dans 14N a formé deux bandes : une bande d'ADN était à la position intermédiaire entre 15N et 14N, et l'autre correspondait à la bande de 14N ADN. 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 « ancien ». Lorsque deux copies d'ADN filles sont formées, elles ont la même séquence et sont divisées également dans les deux cellules filles.

Lien vers l'apprentissage : cliquez sur ce didacticiel sur la réplication de l'ADN.

Sommaire

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 parentaux 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.

  • Connie Rye (East Mississippi Community College), Robert Wise (Université du Wisconsin, Oshkosh), Vladimir Jurukovski (Suffolk County Community College), Jean DeSaix (Université de Caroline du Nord à Chapel Hill), Jung Choi (Georgia Institute of Technology), Yael Avissar (Rhode Island College) parmi d'autres auteurs contributeurs. Contenu original d'OpenStax (CC BY 4.0 ; à télécharger gratuitement sur http://cnx.org/contents/[email protected]).


14.3 Bases de la réplication de l'ADN

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 (Figure) : conservateur, semi-conservateur et dispersif.

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.

Dans la réplication conservatrice, l'ADN parental reste ensemble et les brins filles nouvellement formés sont ensemble. La méthode semi-conservatrice suggère que chacun des deux brins d'ADN parent agit comme une matrice pour le 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).

Meselson et Stahl ont expérimenté E. coli cultivé d'abord dans de l'azote lourd (15 N) puis dans du 14 N. L'ADN cultivé dans du 15 N (bande rouge) est plus lourd que l'ADN cultivé dans du 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 « ancien ». Lorsque deux copies d'ADN filles sont formées, elles ont la même séquence et sont divisées également dans les deux cellules filles.

Cliquez sur ce tutoriel sur la réplication de l'ADN.


14.5 Réplication de l'ADN chez les eucaryotes

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

  • Discuter des similitudes et des différences entre la réplication de l'ADN chez les eucaryotes et les procaryotes
  • Énoncer le rôle de la télomérase dans la réplication de l'ADN

Les génomes eucaryotes sont beaucoup plus complexes et de plus grande taille que les génomes procaryotes. Les eucaryotes ont également un certain nombre de chromosomes linéaires différents. Le génome humain a 3 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 de multiples origines de réplication sur chaque chromosome eucaryote. Les humains peuvent avoir jusqu'à 100 000 origines de réplication à travers le génome. 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 à réplication autonome (ARS) se trouvent sur les chromosomes. Ceux-ci sont équivalents à l'origine de réplication dans E. coli.

Le nombre d'ADN polymérases chez les eucaryotes est bien plus important que chez les procaryotes : 14 sont connues, dont cinq sont connues pour avoir des rôles majeurs lors de la réplication et ont été bien étudiées. Ils sont connus sous le nom de pol ??, pol ??, pol ??, pol ??, et pol ??.

Les étapes essentielles de la réplication sont les mêmes que chez les procaryotes. Avant que la réplication puisse commencer, l'ADN doit être disponible en tant que modèle. L'ADN eucaryote est lié à des protéines basiques appelées histones pour former des structures appelées nucléosomes. Les histones doivent être supprimées puis remplacées au cours du processus de réplication, ce qui contribue à expliquer le taux de réplication inférieur chez les eucaryotes. La chromatine (le complexe entre l'ADN et les protéines) peut subir certaines modifications chimiques, de sorte que l'ADN puisse 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. L'hélicase et d'autres protéines sont ensuite recrutées pour démarrer le processus de réplication (tableau 14.2).

BiensProcaryotesEucaryotes
Origine de la réplicationSeulPlusieurs
Taux de réplication1000 nucléotides/s50 à 100 nucléotides/s
Types d'ADN polymérase514
télomérasePas présentPrésent
Élimination des amorces d'ARNADN pol IRNase H
Allongement des brinsADN pol IIIPol α, pol δ, pol ε
Pince coulissantePince coulissantePCNA

Une hélicase utilisant l'énergie de l'hydrolyse de l'ATP ouvre l'hélice d'ADN. Des fourches de réplication se forment à chaque origine de réplication au fur et à mesure que l'ADN se déroule. L'ouverture de la double hélice provoque un sur-enroulement, ou super-enroulement, dans l'ADN avant la fourche de réplication. Ceux-ci sont résolus par l'action des topoisomérases. Les amorces sont formées par l'enzyme primase, et en utilisant l'amorce, l'ADN pol peut démarrer la synthèse. Trois ADN polymérases majeures sont alors impliquées : α, δ et ε. L'ADN pol ajoute un court fragment d'ADN (20 à 30 nucléotides) à l'amorce d'ARN sur les deux brins, puis passe à une deuxième polymérase. Alors que le brin principal est synthétisé en continu par l'enzyme pol ??, le brin retardé est synthétisé par pol ??. Une protéine à pince coulissante connue sous le nom de PCNA (antigène nucléaire de prolifération cellulaire) maintient l'ADN pol en place afin qu'il ne glisse pas hors de l'ADN. Lorsque pol pénètre dans l'ARN d'amorce sur le brin retardé, il le déplace de la matrice d'ADN. L'ARN d'amorce déplacé est ensuite éliminé par la RNase H (AKA flap endonuclease) et remplacé par des nucléotides d'ADN. Les fragments d'Okazaki dans le brin retardé sont joints après le remplacement des amorces d'ARN par de l'ADN. Les espaces qui restent sont scellés par l'ADN ligase, qui forme la liaison phosphodiester.

Réplication des télomères

Contrairement aux chromosomes procaryotes, les chromosomes eucaryotes sont linéaires. Comme vous l'avez appris, l'enzyme DNA 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 retardé, l'ADN est synthétisé en courtes séquences, chacune étant initiée par une amorce distincte. Lorsque la fourche de réplication atteint la fin du chromosome linéaire, il n'y a aucun moyen de remplacer l'amorce à l'extrémité 5 'du brin retardé. L'ADN aux extrémités du chromosome reste donc non apparié, et au fil du temps ces extrémités, appelées télomères, peut devenir progressivement plus courte à mesure que les cellules continuent de se diviser.

Les télomères comprennent des séquences répétitives qui ne codent pour aucun gène particulier. Chez l'homme, une séquence de six paires de bases, TTAGGG, est répétée 100 à 1000 fois dans les régions des télomères. D'une certaine manière, ces télomères empêchent les gènes d'être supprimés alors que les cellules continuent de se diviser. Les télomères sont ajoutés aux extrémités des chromosomes par une enzyme distincte, la télomérase (figure 14.16), dont la découverte a aidé à comprendre comment ces extrémités chromosomiques répétitives sont maintenues. L'enzyme télomérase contient une partie catalytique et une matrice d'ARN intégrée. Il se fixe à l'extrémité du chromosome et des nucléotides d'ADN complémentaires à la matrice d'ARN sont ajoutés à l'extrémité 3' du brin d'ADN. Une fois que l'extrémité 3' de la matrice du brin retardé 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 leur découverte de la télomérase et de son action, Elizabeth Blackburn, Carol W. Greider et Jack W. Szostak (Figure 14.16) ont 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 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. 2 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 des réponses altérées 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.


14.3 : Bases de la réplication de l'ADN - Biologie

L'ADN de chaque personne est unique et il est possible de détecter des différences entre les individus au sein d'une espèce sur la base de ces caractéristiques uniques. L'analyse de l'ADN a de nombreuses applications pratiques, notamment l'identification des criminels (médico-légale), la détermination de la paternité, la recherche de la généalogie, l'identification des agents pathogènes, la recherche de découvertes archéologiques, le suivi des épidémies et l'étude des schémas de migration humaine. Dans le domaine médical, l'ADN est utilisé dans le diagnostic, le développement de nouveaux vaccins et le traitement du cancer. Il est souvent possible de déterminer la prédisposition aux maladies en séquençant les gènes.

Parfois, une personne innocente est condamnée à tort pour un crime et envoyée en prison. Entre 2000 et 2015, des preuves ADN ont été utilisées pour disculper plus de 250 personnes innocentes. Vingt de ces personnes étaient dans le couloir de la mort après avoir été reconnues coupables d'un meurtre qu'elles n'avaient pas commis. Pour en savoir plus sur les processus scientifiques et juridiques intenses utilisés pour disculper les personnes condamnées à tort, rendez-vous sur le site Web du projet Innocence ici.

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  • 14 Structure et fonction de l'ADN

Ce texte est basé sur Openstax Biology for AP Courses, Senior Contributing Authors Julianne Zedalis, The Bishop's School in La Jolla, CA, John Eggebrecht, Cornell University Contributing Authors Yael Avissar, Rhode Island College, Jung Choi, Georgia Institute of Technology, Jean DeSaix , Université de Caroline du Nord à Chapel Hill, Vladimir Jurukovski, Suffolk County Community College, Connie Rye, East Mississippi Community College, Robert Wise, Université du Wisconsin, Oshkosh

Ce travail est sous licence Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 Unported License, sans restrictions supplémentaires


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Mme Lima Professeur de biologie

Vous devez connaître le processus de base de la réplication de l'ADN et son lien avec la transmission et la conservation de l'information génétique.

L'ADN (acide désoxyrébonucléique) est une grosse molécule qui dirige la façon dont les protéines seront assemblées. L'ADN est un acide nucléique composé de nucléotides. Chaque nucléotide est constitué d'un groupe phosphate, d'un sucre désoxyribose à 5 carbones et d'une base azotée adénine, thymine, guanine et cytosine.

Paire de règles de base Adénine avec Thymine et Guanine avec Cytosine

La réplication de l'ADN se produit pendant la phase S de l'interphase avant la division cellulaire.

La réplication de l'ADN donne deux molécules filles identiques, chacune constituée d'un ancien brin (original) et d'un brin nouvellement synthétisé.

Premièrement, les deux brins d'origine se séparent. Ensuite, les ADN polymérases ajoutent des nucléotides complémentaires à chaque brin. En raison de la rigueur des règles d'appariement des bases, le résultat est toujours la formation de deux molécules d'ADN identiques à la molécule d'ADN d'origine.

Les deux brins d'ADN originaux se séparent au niveau des bases nucléotidiques pour former deux brins qui servent de matrices.

L'amorce d'ARN se lie à la matrice

L'ADN polymérase ADDS des nucléotides d'ADN complémentaires (une adénine (A) sur un brin s'apparie toujours avec une thymine (T) sur le brin opposé, et une guanine (G) sur un brin s'apparie toujours avec une cytosine (C) sur le brin opposé.

L'ADN ligase scelle les espaces entre les fragments d'Okazaki

DEUX molécules filles d'ADN identiques, chacune constituée d'un ancien brin (original) et d'un brin nouvellement synthétisé.

Un facteur qui empêche l'ADN d'être copié de manière incorrecte est que les nucléotides correspondent toujours de la même manière. En outre, une enzyme ADN polymérase vérifie l'arrangement des bases dans le nouveau brin d'ADN, réduisant ainsi le risque que la copie d'ADN contienne une erreur.


3 phases du processus de réplication de l'ADN (avec diagramme)

Lisez cet article pour en savoir plus sur les trois phases du processus de réplication de l'ADN.

Les trois phases du processus de réplication sont : (1) Initiation (2) Allongement et (3) Terminaison.

La réplication chez les procaryotes et les eucaryotes se produit par des mécanismes très similaires, et donc la plupart des informations présentées ici pour la réplication bactérienne s'appliquent également aux cellules eucaryotes.

Il est composé de trois phases qui sont énumérées ci-dessous :

Cela implique la reconnaissance des positions sur une molécule d'ADN où la réplication commencera.

Il comprend les événements se produisant au niveau de la fourche de réplication, où les polynucléotides parents sont copiés.

C'est moins compris. Il se produit lorsque la molécule mère a été complètement répliquée.

(a) Initiation:

Dans une cellule, la réplication de l'ADN commence à des emplacements spécifiques du génome, appelés « origines » . Dans le cas d'E. coli, l'origine de réplication est une séquence d'environ 245 paires de bases (pb) appelée oriC. Les origines contiennent des séquences d'ADN reconnues par des protéines initiatrices de réplication (par exemple, DnaA dans E. coli et le complexe de reconnaissance d'origine dans la levure), ces protéines se lient pour démarrer le processus de réplication. Les protéines initiatrices recrutent d'autres protéines pour séparer les deux brins et initier des fourches de réplication.

Le déroulement de l'ADN à l'origine et la synthèse de nouveaux brins forment une fourche de réplication. La fourche de réplication est une structure qui se forme lorsque l'ADN est répliqué. Il est créé par l'action de l'hélicase, qui rompt les liaisons hydrogène qui maintiennent les deux brins d'ADN ensemble. La structure résultante a deux ramifications “prongs”, chacune composée d'un seul brin d'ADN.

Chez les bactéries, qui ont une seule origine de réplication sur leur chromosome circulaire, ce processus crée finalement une structure « ? En revanche, les eucaryotes ont des chromosomes linéaires plus longs et initient la réplication à des origines multiples et dont les fourches de réplication progressent sur des distances plus courtes. Par exemple, la levure a environ 322 origines, ce qui correspond à 1 origine pour 36 kb d'ADN, et les humains ont environ 20 000 origines, soit 1 origine pour 150 kb d'ADN. Une fois initiées, deux fourches de réplication peuvent émerger de l'origine et progresser en sens inverse le long de l'ADN. La réplication est donc bidirectionnelle avec la plupart des génomes (Fig. 3.4).

Initiation de la réplication de l'ADN chez les micro-organismes (E. coli):

Nous en savons beaucoup plus sur la synthèse de l'ADN chez les procaryotes que chez les eucaryotes. Comme nous l'avons vu, l'oriC d'E. coli s'étend sur 245 pb d'ADN. L'analyse de séquence de ce segment montre qu'il contient deux motifs répétés courts, l'un de neuf nucléotides et l'autre de 13 nucléotides. Les cinq copies du motif répété de neuf nucléotides sont présentées de manière dispersée dans oriC.

Ces régions sont le site de liaison d'une protéine appelée DnaA. Comme il y a cinq copies des séquences de liaison, on pourrait imaginer que cinq copies de DnaA s'attachent à l'origine, mais en fait, les protéines DnaA liées coopèrent avec des molécules non liées jusqu'à ce qu'une trentaine de copies soient associées à l'origine. L'attachement ne se produit que lorsque l'ADN est négativement super-enroulé, comme c'est la situation normale pour le chromosome d'E. coli.

Le résultat de la liaison à l'ADNA est que la double hélice s'ouvre (fond) dans le réseau en tandem de trois répétitions de 13 nucléotides riches en AT situées à une extrémité de la séquence oriC. Le mécanisme exact est inconnu mais DnaA ne semble pas posséder l'activité enzymatique nécessaire pour casser les paires de bases, et il est donc supposé que l'hélice est fondue par les contraintes de torsion introduites par la fixation des protéines DnaA.

Un modèle attrayant imagine que les protéines DnaA forment une structure en forme de tonneau autour de laquelle l'hélice est enroulée. La fusion de l'hélice est favorisée par HU, la plus abondante des protéines d'encapsidation de l'ADN d'E. coli. La fusion de l'hélice initie une série d'événements qui construisent une nouvelle fourche de réplication à chaque extrémité de la région ouverte. La première étape est la fixation d'un complexe de pré-amorçage à chacune de ces deux positions.

Chaque complexe de pré-amorçage comprend initialement 12 protéines, six copies de DnaB et six copies de DnaC, mais le DnaC a un rôle transitoire et est libéré du complexe peu de temps après sa formation, sa fonction étant probablement simplement d'aider à la fixation de DnaB. .

Ce dernier est une hélicase, une enzyme qui peut casser des paires de bases. L'ADNB commence à augmenter la région simple brin au sein de l'origine, permettant aux enzymes impliquées dans la phase d'élongation de la réplication dans E. coli alors que les fourches de réplication commencent maintenant à s'éloigner de l'origine et que la copie de l'ADN commence.

Initiation de la réplication de l'ADN dans la levure:

Les origines identifiées dans la levure sont appelées séquences à réplication autonome, ou ARS. L'origine atypique de la levure est plus courte que E. coli oriC, étant généralement inférieure à 200 pb. Quatre sous-domaines y sont reconnus.

Deux de ces sous-domaines A et B1 constituent la séquence de reconnaissance d'origine, un tronçon d'environ 40 pb au total qui est le site de liaison du complexe de reconnaissance d'origine (ORC), un ensemble de six protéines qui se fixent au origine.

Les ORC ont été décrits comme des versions de levure des protéines DnaA d'E. coli, mais cette interprétation n'est probablement pas strictement correcte car les ORC semblent rester attachés aux origines de la levure tout au long du cycle cellulaire. Ce sont plutôt de véritables protéines initiatrices. Il est plus probable que les ORC soient impliqués dans la régulation de la réplication du génome, agissant comme médiateurs entre les origines de réplication et les signaux régulateurs qui coordonnent l'initiation de la réplication de l'ADN avec le cycle cellulaire.

Il existe chez la levure des séquences similaires à celle d'oriC d'E. coli. Cela nous amène aux deux autres séquences conservées dans l'origine typique de la levure, les sous-domaines B2 et B3. Notre compréhension actuelle suggère que ces deux sous-domaines fonctionnent d'une manière similaire à l'origine E. coli. Le sous-domaine B2 semble correspondre au réseau de répétitions de 13 nucléotides de l'origine de E. coli, étant la position à laquelle les deux brins de l'hélice sont d'abord séparés.

Cette fusion est induite par un stress de torsion introduit par la fixation d'une protéine de liaison à l'ADN, le facteur de liaison ARS 1 (ABF1), qui se fixe au sous-domaine B3. Comme dans E. coli, la fusion de l'hélice dans une origine de réplication de levure est suivie de la fixation de l'hélicase et d'autres enzymes de réplication à l'ADN, complétant le processus d'initiation et permettant aux fourches de réplication de commencer leur progression le long de l'ADN. Les origines des réplications chez les eucaryotes supérieurs n'ont pas été bien comprises.

(b) Allongement:

Une fois la réplication initiée, les fourches de réplication progressent le long de l'ADN et participent à la synthèse du nouveau brin. Au niveau chimique, la synthèse d'ADN dépendante de la matrice est très similaire à la synthèse d'ARN dépendante de la matrice qui se produit pendant la transcription, mais les deux processus sont assez différents.

1. Synthèse de brins discontinus et problème d'amorçage - Pendant la réplication de l'ADN, les deux brins de la double hélice doivent être copiés. Cependant, les enzymes ADN polymérase ne sont capables de synthétiser l'ADN que dans le sens 5′ 3′. Cela signifie qu'un brin de la double hélice mère, appelé brin avant, peut être copié de manière continue, mais la réplication du brin retard doit être effectuée de manière discontinue, ce qui entraîne une série de segments courts qui doivent être ligaturés ensemble pour produire le brin fille intact.

Ces courts segments de polynucléotides sont appelés fragments d'Okazaki. Ces fragments ont été isolés pour la première fois à partir de bactéries E. coli en 1969. Les fragments d'Okazaki ont une longueur de 1 000 à 2 000 nucléotides, mais chez les eucaryotes, les fragments équivalents semblent être beaucoup plus courts, peut-être moins de 200 nucléotides.

2. L'autre caractéristique de la réplication de l'ADN est que l'ADN polymérase ne peut pas initier la synthèse d'ADN sur une molécule entièrement simple brin : il doit y avoir une courte région simple brin pour fournir une extrémité 3 à laquelle l'enzyme peut ajouter de nouveaux nucléotides. Les nucléotides sont ajoutés à raison de 50 000 bases par minute. Le choix du nucléotide est déterminé par la nature complémentaire.

À ce rythme, les risques d'erreur sont de une sur mille paires de bases répliquées. Cependant, le taux réel est assez faible (un sur un milliard). Cela équivaut à environ une erreur par génome pour mille cycles de réplication bactérienne. Cette erreur est en outre corrigée par une relecture (Suppression du nucléotide de mésappariement par l'ADN polymérase III). Cela signifie que des amorces sont nécessaires, une pour initier la synthèse du brin complémentaire sur le polynucléotide principal et une pour chaque segment d'ADN discontinu synthétisé sur le brin en retard.

Comme l'ADN polymérase ne peut pas traiter une matrice entièrement monocaténaire, les ARN polymérases n'ont aucune difficulté à cet égard, de sorte que les amorces pour la réplication de l'ADN sont constituées d'ARN. Chez les bactéries, les amorces sont synthétisées par la primase, une ARN polymérase spéciale, chaque amorce ayant une longueur de 4 à 15 nucléotides et la plupart commençant par la séquence 5′-AG-3′. Une fois l'amorce terminée, la synthèse des brins est poursuivie par l'ADN polymérase III.

Chez les eucaryotes, la situation est plus complexe car la primase est étroitement liée à l'ADN polymérase a et coopère avec cette enzyme dans la synthèse des premiers nucléotides d'un nouveau polynucléotide. Cette primase synthétise une amorce d'ARN de 8 à 12 nucléotides, puis passe la main à l'ADN polymérase a, qui étend l'amorce d'ARN en ajoutant environ 20 nucléotides d'ADN. Après l'achèvement de l'amorce ADN-ARN, la synthèse d'ADN est poursuivie par la principale enzyme réplicative, l'ADN polymérase 5.

L'amorçage doit se produire une seule fois sur le brin principal, dans l'origine de réplication, car une fois amorcée, la copie du brin principal est synthétisée en continu jusqu'à ce que la réplication soit terminée. Sur le brin retardé, l'amorçage est un processus répété qui doit se produire chaque fois qu'un nouveau fragment d'Okazaki est initié.

3. Élongation de la fourche de réplication - Comme avec la fixation de l'hélicase DnaB, suivie de l'extension de la région fondue de l'origine de réplication, la phase d'initiation se termine. Une fois que l'hélicase s'est liée à l'origine pour former un complexe de pré-amorçage, la primase est impliquée, ce qui entraîne le primosome, qui initie la réplication du brin principal. Pour ce faire, il synthétise l'amorce d'ARN dont l'ADN polymérase III a besoin pour commencer à copier la matrice. Plus d'une hélicase est connue et cette enzyme est impliquée dans divers processus, tels que la transcription, la recombinaison en plus des réplications.

4. Les brins complémentaires d'un ADN ont tendance à devenir duplex. Au cours du processus de réplication, ces ADN simple brin collant sont empêchés de devenir duplex par des protéines spéciales appelées protéines de liaison simple brin (SSB). Une fois que 1000 à 2000 nucléotides sont ajoutés dans le brin principal, la synthèse du brin retardé ou des fragments d'Okazaki a commencé. Cela nécessite également une amorce d'ARN et une ADN polymérase III similaire au brin principal.

5. L'ADN polymérase I est impliquée dans l'élimination de l'amorce d'ARN des fragments d'Okazaki, ayant une activité exo-nucléase 5′ → 3′. L'espace créé par l'amorce est comblé en ajoutant des nucléotides à l'extrémité 3 & 8242. L'entaille entre deux fragments d'Okazaki est scellée par l'ADN ligase par la formation de liaisons phosphodiester (Fig. 3.5).

(c) Résiliation:

Parce que les bactéries ont des chromosomes circulaires, la fin de la réplication se produit lorsque les deux fourches de réplication se rencontrent à l'extrémité opposée du chromosome parental. E coli régule ce processus grâce à l'utilisation de séquences de terminaison qui, lorsqu'elles sont liées par la protéine Tus, ne permettent le passage que d'une seule direction de fourche de réplication.

As a result, the replication forks are constrained to always meet within the termination region of the chromosome. Eukaryotes initiate DNA replication at multiple points in the chromosome, so replication forks meet and terminate at many points in the chromosome these are not known to be regulated in any particular manner.


There are three possible schemes of DNA replication.

proposed 3 models of DNA replication

1- Semiconservative replication

“Replication scheme in which it is proposed that both DNA strands unwind and each individual strand acts as a template for the synthesis another complementary strand is called semiconservative replication. This is the most accepted scheme of DNA replication”

According to this scheme integrity of each strand is preserved but the hydrogen bonds between strands break allowing the two parent strands to be separate and take part in the formation to their respective complementary strands. When replication is over two daughter DNA molecules are formed which are identical to each other and are a photocopy of the parent DNA molecule. One strand in each daughter DNA molecule is intact template (parental) and other is an intact newly replicated DNA strand.

2- Conservative replication

It is an alternative method of replication. According to this model original double helix of parental DNA molecule is conserved. Two strands of a double helix of DNA remains joined to each other and individual chains remain intact. Hydrogen bonds between DNA strands remain stable and original parental double helix acts as a template for the formation of entirely new daughter DNA molecule in which all nucleotides subunits are entirely new.

3- Dispersive Replication

In this scheme of replication two strands of parental DNA molecule totally disintegrate. Not only hydrogen bonds between two strands break and separate two strands but phosphodiester linkage between nucleotides of each strand break and individual nucleotides disperse in the medium. From parental nucleotides and new precursors, two daughter DNA molecules are formed. Daughter molecule consists of the part of template parental strand and part of newly synthesized DNA.

DNA REPLICATION PROCEDURE

DNA replication is semi-conservative. Before Watson and Crick model it was believed that DNA molecule undergoes self-duplication or replication, but the exact procedure was not known. Watson and Crick’s model provided a base for the replication procedure. Watson and Crick propose a possible mechanism of DNA replication. Their suggestion was based on the principle of complementarity.

semiconservative model of DNA replication

Semiconservative replication steps

  1. As the first step of replication hydrogen bonds between nitrogen basses of two complementary strand of DNA molecule disintegrate and two strands become separated from each other. Enzyme DNA Helicase unwinds DNA strands and dissolves hydrogen bonds.
  2. Each strand maintains its integrity and does not break down further.
  3. Each Strand acts as a template (a guide or blueprint) or pattern for the formation of a new strand, one which is complementary to it.
  4. The complementary strands for each parental template strand are synthesized from new precursor molecules within the medium.
  5. As the sugar-phosphate backbone of a new strand is assembled, nitrogen basses in original parental strand attract the complementary one. par exemple. T in the original strand will attract A nitrogen base to be attached with newly assembled strand and hydrogen bonds between these two are formed.
  6. This complementary attraction by bases in original parental strand results in the formation of two new strands, each complementary to the original old ones.
  7. This whole process of replication is carried out by a DNA polymerase enzyme.

Frequently asked questions about DNA replication

1- What causes DNA to replicate? ou How did DNA learn to replicate itself?

DNA is not living itself, nor it has conscious control over its multiplication within the cell. It can be replicated in a lab but within cell, it must have to receive messages from the cell in the form of various proteins which stimulates it to replicate itself. Replication of DNA occurs during the S phase of interphase and it further pushes the cell towards cell division (Mitotic phase). Dozens enzymes and cofactors, acting precisely in an accurate amount carry on very specific roles for initiating replication process.

2- How does DNA replication work?

“DNA replication is the process of production of two identical copies of DNA from one parental DNA molecule”

DNA is composed of a double helix of two complementary strands. These strands are separated, during replication. Every single strand of the original parent DNA molecule serves as a template for the production of its complementary strand, a process called semiconservative replication.

3- What are the enzymes involved in DNA replication?

DNA replication is carried out by several enzymes listed below along with their role.

  1. DNA POLYMERASE: This enzyme carried out the process of DNA replication in all organisms. It catalyzes the DNA replication in 5′ to 3′ direction.
  2. TOPOISOMERASE: This enzyme carries out overwinding or underwinding of DNA.
  3. HELICASE: These are used to separate strands of a DNA Double helix by using the energy from ATP hydrolysis.
  4. DNA GYRASE: It is a specific type of topoisomerase which relieves the strain of unwinding by DNA helicase.
  5. DNA LIGASE It re-anneals the semi-conservative strands and joins OKAZAKI FRAGMENT of the lagging DNA strand.
  6. PRIMASE: It catalyzes the synthesis of a short RNA segment called a “primer” complementary to an ssDNA template.

4- What is the trombone model of DNA replication?

Trombone model of DNA replication in eukaryotic cell

During this type of DNA replication, the double-stranded DNA opens into a ‘leading’ et ‘lagging’ brin. The leading strand is complemented by the usual base pairing. However, in the lagging strand, RNA primers are attached to initiate joining pf complementary DNA deoxyribonucleotides in the 3′-5’direction hence form Okazaki fragments. Later the RNA primers are replaced by DNA.

So, DNA replication occurs within a fork-like structure in which the lagging strand loops around in a proposed “trombone model” to orient the replication enzymes for repeated synthesis and joining. It is considered that this mechanism helps to maintain the integrity of DNA during the replication cycles.

5- What is the theta model of DNA replication?

Theta model of DNA replication

The theta mode is adopted by the prokaryotes to replicate their DNA. Their circular DNA has only a single point of origin for replication, unlike the eukaryotic DNA which has multiple origin points to make the process faster.

The action of helicase enzyme literally unzips the strands of the parental DNA, by breaking the bonds. Then DNA polymerase enzyme comes into action and starts replication in the 5′ to 3′ direction. Once the replication is done, ligase enzyme joins the loose ends together and so, two daughter DNA strands are formed.

As during the action of the helicase enzyme, the circular DNA forms the Greek symbol ‘θ’ like structure, this model is named theta model of DNA replication.


Résumé de la section

The model for DNA replication suggests that the two strands of the double helix separate during replication, and each strand serves as a template from which the new complementary strand is copied. In conservative replication, the parental DNA is conserved, and the daughter DNA is newly synthesized. The semi-conservative method suggests that each of the two parental DNA strands acts as template for new DNA to be synthesized after replication, each double-stranded DNA includes one parental or “old” strand and one “new” strand. The dispersive mode suggested that the two copies of the DNA would have segments of parental DNA and newly synthesized DNA.


Proofreading DNA

La réplication de l'ADN est un processus très précis, mais des erreurs peuvent parfois se produire, telles qu'une ADN polymérase insérant une mauvaise base. Des erreurs non corrigées peuvent parfois entraîner des conséquences graves, comme le cancer. Les mécanismes de réparation corrigent les erreurs. Dans de rares cas, les erreurs ne sont pas corrigées, entraînant des mutations dans d'autres cas, les enzymes de réparation sont elles-mêmes mutées ou défectueuses.

Most of the mistakes during DNA replication are promptly corrected by DNA polymerase by proofreading the base that has been just added (Figure 7). Dans proofreading, the DNA pol reads the newly added base before adding the next one, so a correction can be made. La polymérase vérifie si la base nouvellement ajoutée s'est correctement appariée avec la base du brin modèle. S'il s'agit de la bonne base, le nucléotide suivant est ajouté. Si une base incorrecte a été ajoutée, l'enzyme coupe la liaison phosphodiester et libère le mauvais nucléotide. This is performed by the exonuclease action of DNA pol III. Once the incorrect nucleotide has been removed, a new one will be added again.

Figure 7. Proofreading by DNA polymerase corrects errors during replication.

Some errors are not corrected during replication, but are instead corrected after replication is completed this type of repair is known as réparation de discordance (Figure 8). The enzymes recognize the incorrectly added nucleotide and excise it this is then replaced by the correct base. If this remains uncorrected, it may lead to more permanent damage. Comment les enzymes de réparation des mésappariements reconnaissent-elles laquelle des deux bases est la mauvaise ? Dans E. coli, après réplication, l'adénine de base azotée acquiert un groupe méthyle le brin d'ADN parental aura des groupes méthyle, alors que le brin nouvellement synthétisé en manque. Ainsi, l'ADN polymérase est capable d'éliminer les bases mal incorporées du brin non méthylé nouvellement synthétisé. Chez les eucaryotes, le mécanisme n'est pas très bien compris, mais on pense qu'il implique la reconnaissance d'entailles non scellées dans le nouveau brin, ainsi qu'une association continue à court terme de certaines des protéines de réplication avec le nouveau brin fille une fois la réplication terminée. .

Figure 8. In mismatch repair, the incorrectly added base is detected after replication. The mismatch repair proteins detect this base and remove it from the newly synthesized strand by nuclease action. The gap is now filled with the correctly paired base.

In another type of repair mechanism, réparation par excision de nucléotides, enzymes replace incorrect bases by making a cut on both the 3′ and 5′ ends of the incorrect base (Figure 9).

Figure 9. Nucleotide excision repairs thymine dimers. When exposed to UV, thymines lying adjacent to each other can form thymine dimers. In normal cells, they are excised and replaced.

Le segment d'ADN est retiré et remplacé par les nucléotides correctement appariés par l'action de l'ADN pol. Une fois les bases remplies, l'espace restant est scellé avec une liaison phosphodiester catalysée par l'ADN ligase. Ce mécanisme de réparation est souvent utilisé lorsque l'exposition aux UV provoque la formation de dimères de pyrimidine.


Voir la vidéo: La Réplication De lADN Mitochondriale (Août 2022).