Objectifs d’apprentissage
À la fin de cette section, vous serez en mesure de faire ce qui suit :
- Discuter des similitudes et des différences entre la réplication de l’ADN chez les eucaryotes et les procaryotes
- Enoncer 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 possèdent également un certain nombre de chromosomes linéaires différents. Le génome humain compte 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 plusieurs origines de réplication sur chaque chromosome eucaryote ; les humains peuvent avoir jusqu’à 100 000 origines de réplication sur l’ensemble du génome. La vitesse de réplication est d’environ 100 nucléotides par seconde, ce qui est beaucoup plus lent que la réplication des procaryotes. Chez la levure, qui est un eucaryote, on trouve sur les chromosomes des séquences spéciales appelées séquences à réplication autonome (ARS). Elles sont équivalentes à l’origine de réplication chez E. coli.
Le nombre d’ADN polymérases chez les eucaryotes est beaucoup plus important que chez les procaryotes : 14 sont connues, dont cinq ont un rôle majeur lors de la réplication et ont été bien étudiées. Elles sont connues 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 en tant que matrice. L’ADN eucaryote est lié à des protéines de base appelées histones pour former des structures appelées nucléosomes. Les histones doivent être retirées puis remplacées au cours du processus de réplication, ce qui explique en partie le taux de réplication plus faible chez les eucaryotes. La chromatine (le complexe entre l’ADN et les protéines) peut subir certaines modifications chimiques, afin que l’ADN puisse glisser des protéines ou être accessible aux enzymes de la machinerie de réplication de l’ADN. À l’origine de la réplication, un complexe de pré-réplication est fabriqué avec d’autres protéines initiatrices. L’hélicase et d’autres protéines sont ensuite recrutées pour démarrer le processus de réplication ((Figure)).
| Différence entre la réplication procaryote et eucaryote | ||
|---|---|---|
| Propriété | Prokaryotes | Eucaryotes |
| Origine de réplication | Simple | Multiple |
| Rapidité de réplication | 1000 nucléotides/s | 50 à 100 nucléotides/s |
| Types d’ADN polymérase | 5 | 14 |
| Télomérase | Non présente | Présent |
| Elimination des amorces d’ARN | ADN pol I | RNase H |
| Elongation des brins | ADN pol III | Pol α, pol δ, pol ε |
| Pince coulissante | Pince coulissante | PCNA |
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 surenroulement, ou super enroulement, de l’ADN en amont de la fourche de réplication. Ceux-ci sont résolus par l’action des topoisomérases. Des amorces sont formées par l’enzyme primase et, à l’aide de l’amorce, l’ADN pol peut commencer la synthèse. Trois grandes ADN polymérases sont alors impliquées : α, δ et ε. L’ADN pol α ajoute un court fragment d’ADN (20 à 30 nucléotides) à l’amorce ARN sur les deux brins, puis passe le relais à une seconde polymérase. Alors que le brin de tête est continuellement synthétisé par l’enzyme pol δ, le brin de queue est synthétisé par la pol ε. Une protéine de pince coulissante appelée PCNA (antigène nucléaire des cellules proliférantes) maintient l’ADN pol en place afin qu’il ne glisse pas de l’ADN. Lorsque la pol δ rencontre l’ARN amorce sur le brin retardé, elle le déplace de la matrice d’ADN. L’ARN d’amorce déplacé est ensuite éliminé par la RNase H (alias endonucléase à clapet) 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 lacunes qui restent sont scellées 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′. Sur le brin menant, la synthèse se poursuit jusqu’à ce que l’extrémité du chromosome soit atteinte. Sur le brin retardé, l’ADN est synthétisé en courts tronçons, dont chacun est initié par une amorce distincte. Lorsque la fourche de réplication atteint l’extrémité 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, peuvent se raccourcir progressivement à mesure que les cellules continuent à 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 télomères. D’une certaine manière, ces télomères empêchent les gènes d’être supprimés lorsque les cellules continuent à se diviser. Les télomères sont ajoutés aux extrémités des chromosomes par une enzyme distincte, la télomérase ((Figure)), dont la découverte a permis de comprendre comment ces extrémités répétitives des chromosomes sont maintenues. L’enzyme télomérase contient une partie catalytique et une matrice d’ARN intégrée. Elle se fixe à l’extrémité du chromosome, et des nucléotides d’ADN complémentaires de 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 traînant est suffisamment allongée, l’ADN polymérase peut ajouter les nucléotides complémentaires aux extrémités des chromosomes. Ainsi, les extrémités des chromosomes sont répliquées.
Figure 1. Les extrémités des chromosomes linéaires sont maintenues par l’action de l’enzyme télomérase.
La télomérase est typiquement active dans les cellules germinales et les cellules souches adultes. Elle n’est pas active 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)) ont reçu le prix Nobel de médecine et de physiologie en 2009.
Figure 2. Elizabeth Blackburn, lauréate du prix Nobel 2009, est l’une des scientifiques qui a découvert le fonctionnement de la télomérase. (crédit : ambassade des États-Unis en Suède)
Télomérase et vieillissement
Les cellules qui subissent une division cellulaire continuent à avoir leurs télomères raccourcis parce que 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 y a 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 les souris. Cela pourrait avoir un potentiel en médecine régénérative. Des souris déficientes en télomérase ont été utilisées dans ces études ; ces souris présentent une atrophie des tissus, une déplétion des cellules souches, une défaillance des systèmes organiques et une altération des réponses aux lésions tissulaires. La réactivation de la télomérase chez ces souris a entraîné l’allongement des télomères, réduit les lésions de l’ADN, inversé la neurodégénérescence et amélioré la fonction des testicules, de la rate et des intestins. Ainsi, la réactivation des télomères pourrait 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. Ces cellules accumulent des mutations, prolifèrent de manière incontrôlée 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. Il est intéressant de noter que ce n’est qu’après le raccourcissement des télomères dans les cellules cancéreuses que la télomérase devient active. Si l’action de la télomérase dans ces cellules peut être inhibée par des médicaments au cours d’un traitement anticancéreux, alors les cellules cancéreuses pourraient potentiellement être empêchées de se diviser davantage.
Section Summary
La réplication chez les eucaryotes commence à de multiples origines de réplication. Le mécanisme est assez similaire à celui des procaryotes. Une amorce est nécessaire pour initier la synthèse, qui est ensuite prolongée par l’ADN polymérase qui ajoute les nucléotides un par un à la chaîne en croissance. Le brin de tête est synthétisé en continu, tandis que le brin de queue est synthétisé en courts tronçons appelés fragments d’Okazaki. Les amorces d’ARN sont remplacées par des nucléotides d’ADN ; les fragments d’Okazaki d’ADN sont liés en un seul brin continu par l’ADN ligase. Les extrémités des chromosomes posent un problème car les amorces ARN aux extrémités 5′ de l’ADN ne peuvent pas être remplacées par de l’ADN, et le chromosome est progressivement raccourci. La télomérase, une enzyme dotée d’un modèle d’ARN intégré, prolonge les extrémités en copiant le modèle d’ARN et en allongeant un brin du chromosome. L’ADN polymérase peut alors remplir le brin d’ADN complémentaire à l’aide des enzymes de réplication habituelles. De cette façon, les extrémités des chromosomes sont protégées.
Questions de révision
Les extrémités des chromosomes linéaires sont maintenues par
- l’hélicase
- primase
- ADN pol
- télomérase
.
Lequel des énoncés suivants n’est pas une affirmation vraie comparant la réplication de l’ADN procaryote et eucaryote ?
- Les ADN polymérases eucaryotes et procaryotes se construisent à partir d’amorces d’ARN fabriquées par la primase.
- La réplication de l’ADN eucaryote nécessite de multiples fourches de réplication, alors que la réplication procaryote utilise une origine unique pour répliquer rapidement l’ensemble du génome.
- La réplication de l’ADN a toujours lieu dans le noyau.
- La réplication de l’ADN eucaryote implique plus de polymérases que la réplication procaryote.
Réponse libre
Comment les chromosomes linéaires des eucaryotes assurent-ils la réplication complète de ses extrémités ?
Glossaire
télomérase
enzyme qui contient une partie catalytique et une matrice d’ARN incorporée ; elle fonctionne pour maintenir les télomères aux extrémités des chromosomes
télomères
ADN à l’extrémité des chromosomes linéaires
- -Jaskelioff et al., » La réactivation de la télomérase inverse la dégénérescence tissulaire chez les souris âgées déficientes en télomérase « , Nature 469 (2011) : 102-7. ↵
