La réplication est le mécanisme de production de nouvelles
molécules nucléiques d'ADN (ou d'ARN dans le cas de certains virus). Au niveau
cellulaire, la copie de l'ADN résulte en la formation de deux molécules filles
identiques entre elles et à la molécule mère. Ce phénomène a lieu au niveau des
chromosomes, avant la division cellulaire (réplication chromosomique).
Chez les bactéries qui ont un chromosome circulaire, la
réplication commence en un point du chromosome bactérien. Puis l'ADN se
réplique dans les deux sens en partant de l'origine de réplication. Dans de
bonnes conditions de croissance, la bactérie Escherichia coli se divise toutes
les 20 minutes ; le matériel génétique doit être dupliqué avant la division
cellulaire. Chez les eucaryotes, la réplication de l'ADN démarre en différents
points d'initiation dans le génome ; elle a lieu dans la phase S du cycle
cellulaire.
Des chercheurs de l'université de Californie ont filmé l'ADN
de la bactérie Escherichia coli en train de se répliquer. À cette occasion, ils
ont observé quelques surprises... Il s'agit d'une découverte majeure sur cette
étape fondamentale de la vie cellulaire.
L'ADN qui constitue notre matériel génétique se présente
sous la forme d'une double hélice qui comprend deux brins. Chacun d'entre eux
est composé d'une succession de bases, les « lettres » de l'ADN qui ne sont
qu'au nombre de quatre : la guanine, l'adénine, la thymine, la cytosine (G, A,
T et C). Dans l'ADN double brin, chaque brin est complémentaire de l'autre, la
base G s'associant à C et A à T. La réplication consiste à fabriquer deux
molécules d'ADN identiques à la molécule mère, et permettre ainsi sa
conservation.
La réplication peut commencer quand une enzyme appelée
hélicase (Dna B chez E. coli) déroule la double hélice. Puis une autre enzyme,
une primase, attache une amorce ("primer") à chaque brin. Une
troisième, un ADN polymérase, se lie à l'amorce et ajoute de nouvelles bases.
Imagerie de la réplication de l'ADN
Le saviez-vous ?
In vivo, l’ADN d’E. coli se réplique à la vitesse de 650
paires de bases par seconde. Il existe des différences entre les ADN bactériens
et humains mais le processus de réplication est proche.
Mais la synthèse d'ADN a lieu différemment sur les deux
brins. En effet, chaque brin a une extrémité appelée 5' et une autre 3' et les
deux sont disposés de manière opposée. Or le nouveau brin croît de 5' en 3'.
Pour l'un des deux, le brin « leader », la copie se fait directement en
progressant de 5' en 3' sur le nouveau. Mais pour l'autre, des petits fragments
de 1 à 3 kilobases (kb), appelés fragments d'Okasaki, sont nécessaires pour la
copie de l'ADN. Ces petits fragments sont ensuite associés entre eux. C'est
pourquoi la synthèse d'ADN est souvent qualifiée de semi-discontinue.
Quoi qu'il en soit, le nouveau brin génétique fabriqué
pendant la réplication est complémentaire de l'original, ce qui permet une
réplication fidèle de l'ADN.
Pas de coordination dans la synthèse des deux brins d’ADN
Pendant longtemps on a considéré que les ADN polymérases qui
agissent sur le brin leader et sur l'autre se coordonnent pour éviter que l'une
des deux avance plus vite que l'autre. Sinon, de longs fragments d'ADN simple
brin pourraient déstabiliser le génome. Mais la vidéo qu'ont réalisée les
chercheurs de l'université de Californie Davis révèle que chaque brin semble
fabriqué indépendamment.
Imagerie de la réplication de l'ADN
Pour obtenir ce petit film, l'équipe a extrait des molécules
d'ADN de la bactérie E. coli. Ils ont ensuite appliqué un détergent fluorescent
qui se lie à la double hélice mais pas à un brin seul, ce qui permet de
visualiser la progression d'une double hélice. Les chercheurs ont trouvé qu'en
moyenne la vitesse à laquelle les deux brins se répliquent était la même. Mais
au cours du processus, il y avait des arrêts et des redémarrages : les deux
brins semblaient fonctionner comme deux entités indépendantes avec leur propre
planning de synthèse.
Par exemple, il pouvait arriver que le brin leader
continuait sa synthèse tandis que l'autre était en arrêt. Parfois l'un d'eux se
répliquait dix fois plus vite que sa vitesse habituelle, sans raison apparente.
« C'est une manière différente de penser la réplication qui
pose de nouvelles questions, a déclaré dans un communiqué Stephen
Kowalczykowski, un des auteurs de cette recherche parue dans Cell. C'est un
véritable changement de paradigme, a-t-il ajouté. Nous avons montré qu'il n'y
avait pas de coordination entre les brins. Ils sont complètement autonomes. »
CE QU'IL FAUT RETENIR
- Des chercheurs ont filmé un ADN bactérien en cours de réplication.
- Les deux brins d'ADN semblent se répliquer indépendamment l'un de l'autre, sans coordination.
- Ceci remet en cause certaines conceptions dans le processus de réplication de l'ADN.