Information Génétique et hérédité 1

Information Génétique et hérédité
1- Réplication, mitose,
méiose
REPLICATION DE L’ADN et CYCLE CELLULAIRE
quantité d'ADN
4C
2C
G1
S
5
G2 M
12 15 16
duplication de l'ADN
mitose
G1
temps
heures
CYCLE CELLULAIRE et REPRODUCTION SEXUEE
REPLICATION DE L’ADN : Introduction
L'article original de Watson et Crick
décrivant la double hélice, finissait sur
cette phrase : "Il ne nous a pas
échappé
que
les
appariements
spécifiques que nous avons supposés,
suggèrent l'existence d'un mécanisme
de copie conforme pour la perpétuation
du matériel génétique." Dans un des
articles qui ont suivi, ils revenaient sur
cette remarque un peu sibylline en
faisant remarquer qu'un brin d'ADN
pourrait servir de matrice pour conduire
la
synthèse
de
son
brin
complémentaire.
L’ADN bactérien se réplique à une
vitesse de 500 à 1000 nucléotides par
seconde. L'hélice d'ADN parentale en
avant de la fourche doit donc tourner de
50 à 100 révolutions par seconde.
PROTÉINES DE LA RÉPLICATION
Processus complexe qui
implique une grande
variété de protéines :
(1) ADN gyrase,
(2) Hélicases qui séparent
les brins d’ADN à la
fourche de réplication,
(3) Des protéines qui
empêchent les 2 brins
d’ADN de se réassocier
avant d’avoir été
répliqués,
(4) Des enzymes pour
synthétiser les amorce
ARN,
(5) Une ADN polymérase,
(6) Une enzyme pour enlever les amorces ARN,
(7) Une enzyme pour ligaturer de façon covalente les fragments d’Okazaki.
PROTÉINES DE LA RÉPLICATION
Processus complexe qui
implique une grande
variété de protéines :
(1) ADN gyrase,
(2) Hélicases qui séparent
les brins d’ADN à la
fourche de réplication, Brin discontinu
(3) Des protéines qui
empêchent les 2 brins
Brin continu
d’ADN de se réassocier
avant d’avoir été
répliqués,
(4) Des enzymes pour
synthétiser les amorce
ARN,
(5) Une ADN polymérase,
(6) Une enzyme pour enlever les amorces ARN,
(7) Une enzyme pour ligaturer de façon covalente les fragments d’Okazaki.
ENZYMES DE LA REPLICATION (1)
matrice
d.nucléotide
synthétisé
A
T
T
A
G
C
C
G
Les ADN polymérases-ADN dépendantes ne
peuvent pas mettre en place le premier
desoxyribonucléotide. Elles ne peuvent que
compléter la chaîne
Exemple : POL I
Découverte en 1957 par Arthur
Kornberg dans des extraits de
E.coli. (928 acides aminés).
Dite "processive" copie de 20
nucléotides à beaucoup plus sans
quitter la matrice.
ENZYMES DE LA REPLICATION (2) : ADN polymérase
PROCARYOTES (E. coli)
Pol I
amorce ADN
Pol II
Pol III
300 à 400 par cellule
17 à 100 par cellule
amorce ARN
10 à 20 par cellule
Pol I
Pol II
Pol III
Masse (en kD)
103
90
130
Nb molécules/cellule
400
~50
10-20
Vitesse de polymérisation
600
30
9000
Polymérisation : 5'->3'
+
-
+
Exonucléase : 3'->5'
+
+
+
Exonucléase : 5'->3'
+
-
-
Plus quelques polymèrases (IV et V) dont nous ne parlerons pas ici
ENZYMES DE LA REPLICATION : ADN polymérase (2)
5'P
3'P
Activité 3' → 5'
Pol I
Pol III
Activité 5' → 3'
Pol I
Pol I
Peut couper
jusqu'à 10
nucléotides
N'enlève que le
nucléotide mal
apparié.
Activité 3' → 5'
Pol I
Pol III
Pol I
Le brin matrice est en bleu, le brin amorce en rouge. L'extrémité terminale 3'
du brin amorce peut basculer entre le site catalytique polymérase (P) et le
site exonucléase 3'->5', sans que le brin soit dissocié de l'enzyme. Tout
facteur de déstabilisation de l'ADN double brin, tel qu'une paire de bases
mésappariée, favorise le mode correctif et ainsi provoque l'excision du
nucléotide 3' du brin amorce.
POLYMERASE - Eucaryotes
Polymérase
α
noyau
β
noyau
Amorce
ARN
ADN
γ
Mitoch.
δ
noyau
ε
noyau
La polymérase α (5 sous-unités dans les cellules de foie de rat) allonge un brin
dans le sens 5'->3' à partir d'une amorce, mais elle possède aussi une activité de
type primase. Elle n'a pas d'activité exonucléase, l'ADN répliqué doit être relu par
un autre système de contrôle. Elle montre une "processivité " limitée (〜 100
nucléotides).
La polymérase δ ne possède pas d'activité primase mais montre une activité
exonucléasique 3'->5'. Sa "processivité" est pratiquement sans limite.
La polymérase β à une taille remarquablement petite.
La polymérase ε possède une activité exonucléase 3'->5' qui dégrade l'ADN
simple brin en oligonucléotides de 6 à 7 résidus plutot quand mononucléotide
comme le fait la polymérase δ. Elle semble intervenir dans certain processus de
réparation (UV).
REPLICATION DE L'ADN - protéines de la réplication
Processus complexe qui
implique une grande
variété de protéines :
(1) ADN gyrase,
(2) hélicases qui séparent
les brins d’ADN à la
fourche de réplication,
(3) Des protéines qui
empêchent les 2 brins
d’ADN de se réassocier
avant d’avoir été
répliqués,
(4) Des enzymes pour
synthétiser les amorce
ARN,
(5) Une ADN polymérase,
(6) Une enzyme pour enlever les amorces ARN,
(7) Une enzyme pour ligaturer de façon covalente les fragments d’Okazaki.
PRIMASE : ARN polymèrase-ADN dépendante
Court fragment d'ARN (1 à 60 nucléotide)
synthétisé (chez E. coli)
• soit par l'ARN polymèrase
• soit par la primase, enzyme de 60 dD
• Sous-unité de Polα (Eucaryotes)
L'ADN mature ne contient plus d'ARN. Les amorces ARN sont donc enlevées et
les trous simple brin qui en résultent sont comblés sous forme d'ADN (voir plus
loin)
REPLICATION DE L'ADN - protéines de la réplication
Processus complexe qui
implique une grande
variété de protéines :
(1) ADN gyrase,
(2) hélicases qui séparent
les brins d’ADN à la
fourche de réplication,
(3) Des protéines qui
empêchent les 2 brins
d’ADN de se réassocier
avant d’avoir été
répliqués,
(4) Des enzymes pour
synthétiser les amorce
ARN,
(5) Une ADN polymérase,
(6) Une enzyme pour enlever les amorces ARN,
(7) Une enzyme pour ligaturer de façon covalente les fragments d’Okazaki.
ADN ligase
brin d'ADN
brin d'ADN
+
3'
brin d'ADN
brin d'ADN
3'
+
3'
5'
ADN ligase
ATP ou NaD+ 5'
5'
27 d'ADN
kD chez E. coli
brin
brin d'ADN
brin d'ADN
brin d'ADN
3'
5'
La ligase ne peut pas lier des molécules d'ADN simple brin. La chaîne liée doit
faire partie d'une molécule d'ADN double brin.
En fait la ligase referme des coupures dans un ADN double brin.
PROTÉINES DE LA RÉPLICATION
Processus complexe qui
implique une grande
variété de protéines :
(1) ADN gyrase,
(2) Hélicases qui séparent
les brins d’ADN à la
fourche de réplication,
(3) Des protéines qui
empêchent les 2 brins
d’ADN de se réassocier
avant d’avoir été
répliqués,
(4) Des enzymes pour
synthétiser les amorce
ARN,
(5) Une ADN polymérase,
(6) Une enzyme pour enlever les amorces ARN,
(7) Une enzyme pour ligaturer de façon covalente les fragments d’Okazaki.
Des protéines particulières facilitent l'ouverture de la double
hélice d'ADN devant la fourche de réplication
L'ADN hélicase : déroule l'ADN
double brin au niveau de la
fourche de réplication,
Les SSB proteins (single-strand
DNA-binding proteins) se lient
aux chaînes ouvertes sans
recouvrir les bases, qui restent
donc disponible pour des
processus de matriçage. Elle
empêche la refermeture du
double brin.
L'ADN gyrase (une
topoisomérase de type II crée
des supertours négatif.
Le rôle de la gyrase est donc de supprimer les supertours créés par le
"déroulement" de l'ADN
CARACTERES GENERAUX DE LA REPLICATION
Caractère semi-conservatif
Expérience de Meselson et Stalh, 1958
Interprétation CARACTERES GENERAUX DE LA REPLICATION
Caractère semi-conservatif
Expériences de Meselson et Stahl
La réplication est bidirectionnelle
•Un organise est mis à incuber pendant
plusieurs générations dans un milieu
légèrement marqué avec de la thymidine
[3H], de telle façon que tout son ADN soit
visible sur un autoradiogramme.
• Une grande quantité de thymidine [3H],
est ensuite ajouté au milieu pendant
quelques secondes, avant que l'ADN soit
isolé ("pulse labeling") pour ne marquer
que les bases proches de la ou des
fourches de réplication.
➥ Si la réplication est unidirectionnelle,
on ne verra qu'un point de branchement
fortement marqué, tandis que si elle est
bidirectionnelle, deux branchements
seront visibles.
MECANISMES MOLECULAIRES
Alors que chez E. coli il n'y a
qu'un seul point d'initiation, le
temps de la phase S serait
beaucoup trop long s'il n'y en
avait qu'un chez les eucaryotes.
Les ADN eucaryotes possède de
nombreuse unités de réplication
(appelées
réplicons).
Les
réplicons ont une longueur
moyenne de 30µ. Un génome
mammalien haploïde en possède
environ 30 000.
Chaque chromosome peut avoir
plusieurs milliers de points
d'initiation de la réplication.
Chaque
fourche
réplicative
progresse à une vitesse de 0,5µ
par minute, ce qui est 50 fois
plus lent que chez E.coli.
MECANISMES MOLECULAIRES (2)
Origine de réplication
Œil de réplication
Fourches de réplication
Origine
Réplication chez les bactéries
Deux fourches de réplication progressent
dans des directions opposées à partir de
l'origine de réplication (O) jusqu'à ce
qu'elles atteignent le point terminal (T) où
elles rencontrent le réplicon voisin.
La synthèse d'un des brins est discontinue
ADN nouvellement
synthétisé
chaîne à
élongation
continue
chaîne à
élongation
discontinue
A faible résolution, la direction apparente de
réplication de l'ADN semble être 5'→
→ 3' sur un
brin et 3'→
→ 5' sur l'autre.
On sait pourtant que toutes les polymérases
connues ne peuvent allonger le brin d'ADN
que dans le sens 5'→
→ 3'.
Ce dilemme à été résolu par R. Okazaki qui à
montré qu'une grande proportion de l'ADN
nouvellement synthétisé existait sous forme
de petits fragments appelés : fragments
d'Okasaki.
Ces fragments ont de 1000 à 2000
nucléotides chez les procaryotes,
de 100 à 200 nucléotides chez les eucaryotes.
Les fragments d'Okasaki sont
synthétisé dans le sens 5' → 3'
Mais les fragments successifs
apparaissent dans un ordre
linéaire 3' → 5' sur la chaîne
discontinue en direction de la
fourche.
Brin avancé ou précoce
Brin retardé ou tardif
Les fragments d'Okasaki, ainsi que la
chaîne continue, sont amorcés par
l'extrémité 3'-OH libre de courtes chaînes
d'ARN.
Les fragments d'Okasaki sont ensuite reliés
en une chaîne continue.
RESUME DES ETAPES DE LA REPLICATION D'UN BRIN MATRICE (1)
O
ADN matrice
5'
3'
primase
brin d'ARN amorce
existence transitoire
O
3'
ADN en cours d'élongation
ADN polymérase
à amorce ARN
ADN polymérase
à amorce ARN
pol III : procaryotes
pol α : eucaryotes
5'
exonucléase
O
3'
5'
3'
5'
excision de
l'amorce
Procaryotes : polymérase I
Eucaryotes : ribonucléase
RESUME DES ETAPES DE LA REPLICATION D'UN BRIN MATRICE (2)
ADN polymérase
à amorce ARN
O
3'
5'
3'
5'
excision de
l'amorce
O
3'
5'
5'
3'
5'
3'
ADN polymérase Procaryotes : polymérase I
à amorce ADN
Eucaryotes : polymérase δ
O
3'
5'
5'
3'
ligase
soude