Biologie - Chapitre 16 - La perpétuation du génome PDF

Chapitre ⑭ 15 La perpétuation du génome 1. Le dogme central de la biologie moléculaire Le dogme prédit que le patrimoine génétique d’une cellule (l’ADN) peut être perpétué par la réplication qui est la copie de l’informatio...

Chapitre ⑭ 15 La perpétuation du génome 1. Le dogme central de la biologie moléculaire Le dogme prédit que le patrimoine génétique d’une cellule (l’ADN) peut être perpétué par la réplication qui est la copie de l’information génétique à l’identique. Généralement, une cellule se divise pour donner naissance à 2 cellules filles à division cellulaire ou mitose (chez les eucaryotes). Ces 2 cellules filles sont génétiquement identiques entre elles et identiques à la cellule d’origine, la cellule mère. à Toutes nos cellules proviennent des divisions successives du zygote et possèdent exactement le même patrimoine génétique (notre patrimoine). Toutes nos cellules sont diploïdes ⑪ Tarteven allulumentgénétie en sauf gamèles 2u 2C 2 Remarque : ce n’est pas vrai pour tous les êtres vivants mais bien pour les mammifères. Diploïde signifie que chacune de nos cellules (à l’exception des gamètes) porte 2 copies (une génome du père et une de la mère) complètes de l’information génétique qui nous constitue. = Il faut donc que chaque molécule d’ADN qui provient de nos parents soit copiée à l’identique préalablement à la division pour garder la bonne quantité d’ADN à réplication. 3 crée la 2e 2. La réplication de l’ADN chematice du chromosomes Les modèles de la réplication 1 Le modèle structurel de Watson et Crick suggère que la complémentarité des bases est à l’origine du système de reproduction de l’ADN. En effet, la séquence des bases d’un brin d’une molécule d’ADN quelle que soit sa provenance, détermine complètement la séquence du brin complémentaire. Il a donc été suggéré que la séquence des brins parentaux soit dupliquée dans les brins fils. L’hélice parentale bicaténaire donne donc 2 molécules bicaténaires. à 3 modèles ont initialement été proposés pour expliquer la réplication : 1) Le modèle semi-conservatif : Les brins de l’ADN parental se séparent, chaque brin parental reste intact et sert de modèle pour la synthèse de nouveaux brins complémentaires. à La nouvelle molécule d’ADN comprend donc un brin parental (rose) et un brin nouvellement synthétisé (bleu). 2) Le modèle conservatif : 2 brins parentaux (roses) restent intacts dans la même molécule. à La nouvelle molécule nouvellement synthétisée (bleu) est entièrement neuve. 3) Le modèle dispersif : Les molécules d’ADN nouvellement synthétisées sont des mélanges de fragments de brins parentaux (roses) et de brins fils (bleu). à Après la réplication, l’ADN parental sera dispersé dans les molécules filles. L’expérience de Meselson et Stahl L’expérience de Meselson et Stahl (1958) a permis d’élucider le mécanisme de la réplication. Expérience : - Ils ont cultivé des bactéries E-coli à l’aide d’un milieu nutritif contenant une source d’azote sous la forme isotopique 15, appelé aussi azote lourd car contient un neutron de plus que la forme majoritaire de l’azote, l’azote 14. - Les bases azotées des bactéries ont incorporé l’azote 15. La densité de la molécule d’ADN de ces bactéries peut être estimée par une technique de centrifugation qui montre que toutes les molécules d’ADN de ces bactéries ont une densité identique et élevée. - Les scientifiques transfèrent ensuite les bactéries de la génération 0 contenant de l'ADN dense dans un milieu nutritif dépourvu d’azote lourd mais contenant uniquement l'isotope 14 de l'azote, l’isotope dit léger. - Ils vont prélever à chaque cycle de division, un échantillon des bactéries et analyser la densité de l’ADN. 2 Résultats : - Dans les cellules de la génération 1, tout l’ADN avait une densité plus basse que celle de l’ADN isolé à la génération 0. - Dans les cellules de la génération 2, deux populations d'ADN sont apparues : une population avec une densité identique à celle observée dans la génération 1 et une autre dont l’ADN est encore moins dense. - Dans les cellules de la troisième génération, les deux ADN subsistent mais leur abondance est modifiée, il y a beaucoup plus d’ADN léger que d’ADN intermédiaire. è Conclusion de l’expérience : c’est le mode semi-conservatif qui explique la réplication. En effet, si on met ces résultats en // avec le modèle semi-conservatif de la réplication : L’ADN isolé à la génération 0 est constitué uniquement d’azote lourd, il a donc une densité élevée. Chaque molécule d’ADN isolée de la génération 1 est constituée de 2 brins, un parental rose et un brin nouvellement synthétisé bleu (constitué uniquement d’azote léger). Ces molécules d’ADN ont donc une densité plus faible que celles de la génération 0. à Ce résultat est bien compatible avec le modèle semi-conservatif mais également avec le modèle dispersif de la réplication. Les brins lourds des molécules de la 1ère génération sont utilisés comme modèle dans la synthèse de molécules de densité intermédiaire de la génération 2. Les deux brins légers bleus sont utilisés comme modèles dans la synthèse de molécules d’ADN exclusivement constituées d’azote 14 (léger). à Il y a donc des molécules d’ADN intermédiaire et des molécules d’ADN légères et ce résultat ne peut être obtenu que dans le cas d’un modèle semi-conservatif de la réplication. Les brins roses des molécules intermédiaires de la génération 2 sont utilisés comme modèle dans la synthèse de nouvelles molécules de densité intermédiaire. Tandis que les deux brins légers bleus et les 4 brins légers bleus des molécules légères d’ADN sont utilisés comme modèle dans la synthèse de molécules d’ADN exclusivement constituées d’azote 14 (léger) à Ce résultat confirme le modèle semi-conservatif de la réplication. 3  La réplication est semi-conservative Fauche de - replication La réplication est semi-conservative car chaque molécule d’ADN nouvellement synthétisée contient un brin intact qui constituait la molécule mère d’ADN et un brin d’ADN nouvellement synthétisé. La machinerie de la réplication La réplication de l’ADN est réalisée par une machinerie enzymatique complexe dont le cœur est l’ADN polymérase : hin Allonge le rage dan sens 5's 3' par complementarité du vius bleu elle lit 3105 qu' er Cette enzyme synthétise une molécule d’ADN mais nécessite pour y parvenir : - Un modèle, une matrice qui est un des brins de l’ADN parental. - Des désoxyribonucléotides qui lui sont fournis sous la forme de nucléosides triphosphates. - Une amorce qu’elle va allonger dans un sens unique 5’à3’ à une grande vitesse (1000 nucléotides par seconde). En effet, l’ADN polymérase est incapable de synthétiser de l’ADN ab initio (depuis le début) à besoin d’une amorce S E est dans la faurisse liaison Lire pour faire lier phosphoester La synthèse de l’ADN repose sur la complémentarité des bases et est un processus * endergonique (énergiquement défavorable). L’énergie est amenée à l’enzyme par les nucléosides triphosphates utilisés pour allonger la molécule d’ADN. Chaque nucléoside triphosphate quelle que soit la base dont il est constitué possède des liaisons P-O-P (phosphoanhydres) avec un haut potentiel de transfert. Lors de la formation du lien phosphoester, un pyrophosphate (= diphosphate) est libéré par clivage d’une liaison phosphoanhydre transférant ainsi l’énergie de ce lien vers l’élongation de la molécule d’ADN. à Les nucléosides triphosphates sont les éléments structurels de l’ADN mais également la source d’énergie nécessaire à son élongation. 4  Les cellules possèdent pls ADN polymérases : Les eubactéries (procaryotes) en contiennent au moins 3, chacune avec une fonction très spécifique. (allongement de l’ADN) Chez les eucaryotes et chez les archées, c’est bcp plus complexe, il existe de nombreux ADN polymérases (seulement 4 Allongement représentées dans le tableau). de l’ADN 2.1. La réplication de l’ADN chez les eubactéries -1 seule par génophone = procaryote L’origine de réplication La réplication de l’ADN a besoin d’une origine de réplication (point où va débuter le processus). Chez les procaryotes, cette origine de réplication est unique. Il s’agit d’une séquence particulière de l’ADN où la réplication va débuter. Elle va ensuite se propager progressivement à tout le génophore jusqu’à un point situé à l’opposé de l’origine de réplication, le site de terminaison. à A la fin du processus, 2 génophores complets existeront. b deil replication La réplication eubactérienne étape par étape 1) L’œil de réplication est ouvert par les hélicases : = résultat de la separation des 2 brins Fragment de génophore bicaténaire et antiparallèle 2 hélicases viennent se placer à l’origine de réplication 5 A l’origine de réplication, une structure appelée l’œil de réplication va apparaitre. Cet œil de réplication est une séparation localisée des deux brins d’ADN réalisée par des enzymes spécialisées, les hélicases. L’hélicase est une protéine motrice dont la fonction dépend de l’ATP. Ces protéines motrices se déplacent le long d’un des brins d’ADN dans une direction privilégiée et pendant ce déplacement, elles vont rompre les liaisons H qui unissent les deux brins d’ADN. 2) L’œil de réplication contient 2 fourches : - seil de replication Ces hélicases se déplacent dans des directions opposées et ouvrent ainsi l’œil de réplication. L’œil de réplication contient 2 régions particulières situées à l’endroit où se séparent les brins d’ADN, ce sont les fourches de réplication à un œil de réplication contient donc 2 fourches de réplication. à Les brins complémentaires d’ADN de l’œil de réplication sont séparés et maintenant disponibles pour servir de matrice à une synthèse de brin complémentaire. 3) L’ADN polymérase a besoin d’une amorce : L’ADN polymérase est incapable de faire une synthèse dès son début à elle nécessite une amorce, un court fragment d’acides nucléiques qu’elle pourra allonger. Cette amorce est synthétisée par une enzyme : une ARN polymérase ADN dépendante, c’est à dire une enzyme qui synthétise un fragment d’ARN sur base d’une matrice d’ADN. L’enzyme porte le nom d’ADN primase et utilise des ribonucléosides triphosphates d’une part comme matière première de la synthèse de l’amorce mais aussi à l’instar de l’ADN polymérase comme source d’énergie pour la synthèse. à L’amorce est donc de l’ARN et non de l’ADN L’amorce est synthétisée sur chaque brin d’ADN séparé dans le sens 5’à3’, elle est complémentaire et antiparallèle des brins d’ADN qui sont amorcés. 6  4) L’ADN polymérase allonge les amorces : C’est sur la base de ces amorces que l’ADN polymérase III va synthétiser le nouveau brin d’ADN à les ADN polymérases vont allonger les amorces d’ARN grâce à des désoxyribonucléotides. Mais D lit le brins 31v 5 dans sens Cet allongement va se dérouler par complémentarité dans le sens 5’à3’. Pendant ce temps, les hélicases continuent leur chemin et séparent les brins d’ADN, elles ouvrent le chemin aux ADN polymérases III qui suivent les hélicases. à Ce processus se déroule simultanément dans les 2 fourches de réplication mais sur des brins opposés. 5) Un brin est synthétisé en continu : pas s repliqué : Faut trauer une autre solution Puisque sur ces brins d’ADN, les ADN polymérases III suivent les hélicases, elles peuvent synthétiser continuellement le nouveau brin d’ADN. Ces brins sont appelés brins continus, directs, directeurs ou encore précoces. à Il existe donc un brin continu dans chaque fourche de réplication et 2 brins continus dans un œil de réplication. Ce procédé engendre un problème car au fur et à mesure de la progression des hélicases, des étendues d’ADN situées en amont des amorces ne sont pas répliquées. 6) L’ADN polymérase a besoin d’une nouvelle amorce : ↓ deplacedans a apposés l'hélicate b dinige en droite ~ seus = apposé de l'hélicase 7 L’accroissement de l’étendue de l’œil de réplication par la progression de l’hélicase fait apparaitre des régions d’ADN monocaténaires en amont des amorces. Ces régions (lorsqu’elles seront suffisamment grandes) seront amorcées par l’ADN primase en amont des amorces initiales. 7) Un brin est synthétisé de façon discontinue : De cette façon, ces amorces vont pouvoir également être allongée par ADN polymérase III dans le sens 5’à3’ et donc dans la direction opposée de la direction de progression de l’hélicase dans la même fourche. Pendant cette synthèse, les hélicases vont poursuivre leur chemin et dégager de nouvelles étendues d’ADN bicaténaire en amont du nouveau jeu d’amorces. Le processus pourra se reproduire et ces nouvelles étendues seront amorcées en amont et ainsi de suite … Puisque la synthèse de ces brins ne peut se faire en une seule fois mais qu’elle requière une succession d’amorçages, on parle de brins discontinus, indirects ou retardés. 8) Le brin discontinu est chimérique : Le brin discontinu est chimérique, il est synthétisé sous la forme de fragments d’ADN non unis les uns aux autres et ces fragments contiennent une amorce d’ARN (l’amorce initiale). Ces fragments sont appelés fragments d’Okazaki (du nom du chercheur qui les a découverts en 1968 dans l’eubactérie e-coli). Si on considère le brin discontinu de la fourche numéro 1, les fragments d’Okazaki sont placés dans un ordre chronologique qui va de droite à gauche à celui de droite a été le premier synthétisé (fragment précoce) et celui de gauche le dernier (fragment tardif). MAIS le but de la réplication n'est pas d'avoir un génome chimérique mais continu. 8  9) Les amorces sont éliminées : le > - il na allonger fragments 2 et degrader ARN de l'amorce 1 Pour remédier à ce problème (brin chimérique), une première étape complémentaire doit intervenir. Cette étape est catalysée par l’ADN polymérase I (impliquée dans le remplacement de l’amorce). L’ADN polymérase I vient s'asseoir à l'extrémité 3’ d'un fragment d’Okazaki et va allonger cette extrémité d’ADN à l’aide de désoxyribonucléotides. Cette enzyme, outre son activité ADN polymérase dans le sens 5’à3’, possède aussi une activité exonucléase qui va opérer dans le sens 5’à3’ mais sur l’amorce du fragment d’Okazaki précédent. à L’enzyme va au même moment, allonger la partie ADN d’un fragment d’Okazaki et supprimer l’amorce d’ARN du fragment d’Okazaki précédent. L’ADN polymérase I va cependant laisser les 2 fragments non-unis. L’enzyme peut ensuite reproduire la même étape sur le fragment suivant et ainsi de suite … 10) Les fragments d’ADN sont liés : Les fragments d’ADN discontinus sont progressivement liés les uns aux autres par une enzyme spécialisée, l’ADN ligase. Cette enzyme crée un lien phosphoester entre le désoxynucléotide 3’ d’un fragment d’Okazaki et le désoxynucléotide 5’ du fragment précédent. à Il résulte de ces 2 étapes un brin d’ADN continu et complémentaire du brin parental. 9 La réplication quasi en entier brin continu brin discontinu Dans une seule fourche de réplication, ce schéma ci-dessus représente une difficulté d’interprétation car il superpose une information chronologique qui va de la droite vers la gauche (horloges) et une information sur la succession des étapes qui va de la gauche vers la droite (numéros). Étapes sur le brin continu : - Amorçage de ce brin par l’ADN primase - Allongement de l’amorce par une molécule d’ADN grâce à l’ADN polymérase III qui se déplace dans la même direction que l’hélicase Étapes sur le brin discontinu : - Amorçage par l’ADN primase i - Allongement de l’amorce par l’ADN polymérase III - Allongement du fragment d’Okazaki résultant + dégradation de l’amorce du fragment précédent grâce à l’ADN polymérase I - Liaison des fragments d’ADN pour obtenir un brin d’ADN continu et complémentaire Tout ce processus se retrouve à l’identique dans la 2ème fourche de réplication à l’exception du fait que le brin continu est le brin inférieur en rouge et le discontinu est le supérieur en bleu. 10  ribosome + 31-53 rilosing enzymes % Le réplisome rassemble toutes les enzymes - = enzyme X. amen Dans la réalité cellulaire, ces événements ne sont pas complètement dissociés. Certaines des enzymes citées plus haut sont regroupées dans un énorme complexe de protéines appelé le réplisome. Ce complexe contient : - 2 molécules d’ADN polymérase III. Ces deux molécules se déplacent dans la même direction comme elles sont unies l’une à l’autre (dans la direction de l’hélicase). Une ADN polymérase III se charge de répliquer le brin continu et la seconde réplique le brin discontinu tout en se déplaçant dans la même direction que l’hélicase et cela grâce à une boucle faite par l’ADN qui constitue le brin discontinu. - L’hélicase - L’ADN primase à L’ADN polymérase I et les ligases en sont exclus. 2.2. La réplication de l’ADN chez les eucaryotes Les particularités de l’ADN eucaryotes 1) Les origines de réplication sont multiples : Chez les eucaryotes, le procédé de la réplication est très semblable à celui des eubactéries. Une différence réside dans la forme particulière des molécules de l’ADN eucaryote. En effet, celles-ci ne sont pas circulaires mais elles sont linéaires et beaucoup plus longues à chaque molécule d’ADN eucaryote porte plusieurs origines de réplication à l’origine de plusieurs yeux de réplication qui fusionnent lorsqu’ils se rejoignent. ~ Es faucher se rejoignent et crée deil gros 11 un  2) L’ADN linéaire a des extrémités problématiques : bin contin S -amonce Shélicase ↳ discontinu heureusement ils répliquer Télomins ↳ region ANN sera par ~ codent par vier Le fait que l’ADN soit linéaire est une problématique majeure dans le procédé de la réplication. En effet, ces molécules ont des extrémités : - Elles ne posent pas de problème pour le brin continu qui peut être parcouru par l’ADN polymérase jusqu'à son terme, une fois arrivé à l’extrémité l’enzyme quittera simplement la molécule. - Par contre, pour le brin discontinu, le remplacement de la dernière amorce demande un fragment d’Okazaki en amont et il n’y en a pas. à En conséquence, chaque réplication entraine la perte d’un fragment d’ADN à chaque extrémité de la molécule d’ADN parentale. 3) Les télomères se raccourcissent à chaque réplication : > - répétitive , san perle Les extrémités de chaque molécule d’ADN portent le nom de télomères et par extension, ce nom est aussi donné aux extrémités des chromosomes. Pour éviter la perte d’informations importantes pour la cellule lors des réplications, les télomères sont des structures particulières, il s’agit de séquence répétées et non informatives. Chaque séquence répétée : TTAGGG porte le nom d’unité télomérique et plusieurs d’entre elles sont perdues à chaque réplication. à En conséquence, plus une cellule se divise et donc plus subit de réplication, plus les cellules filles auront des chromosomes avec des télomères courts. 12 Ce raccourcissement des télomères est un signal de sénescence pour les cellules somatiques non-souches, c’est-à-dire, la majorité de nos cellules. Lorsqu’une limite minimale est atteinte par la taille des télomères d’une cellule, celle-ci entre en sénescence. Remarque : sénescence = ralentissement de l’activité vitale de la cellule et arrêt de la division en raison du vieillissement. Certaines cellules sont capables de passer au-delà de ce point de contrôle de la sénescence (ex : certaines cellules cancéreuses qui font l’acquisition de mutations inactivant le point de contrôle). Heureusement, un point de contrôle ultérieur existe et induit la mort de nombreuses cellules qui ont passé le premier point de contrôle. Cependant, certaines cellules cancéreuses font l’acquisition d’un processus qui leur permet d’allonger la longueur de leurs télomères à elles échappent à la sénescence et donc à la mort. ↳ elles produisent une enzyme qui vallonge leurs télomères= téle mérase Les cellules cancéreuses ne sont cependant pas capables d’inventer un tel processus ex nihilo (à partir de rien) à elles ne font que réactiver un processus d’allongement des télomères qui se produit normalement dans quelques-unes de nos cellules étant capables de s’auto-renouveler de façon quasi ou indéfinie, les cellules souches. Dans les cellules souches, tout comme dans les cancéreuses, l’allongement des télomères peut être réalisé par plusieurs modalités différentes mais la plus fréquente est l’usage d’une enzyme ou plutôt d’une RNP (ribonucléoprotéine) particulière, la télomérase. =adid ploe 13 La télomérase accompagnée de protéines accessoires ne diffère pas des autres ADN polymérases : elle allonge une molécule préexistante dans le sens 5’à3’ en utilisant un brin complémentaire comme matrice. Mais elle a quelque chose de particulier, elle est équipée de son propre brin matrice qui est une molécule d’ARN, le TERC (le composant ARN de la télomérase). L’unité enzymatique de la télomérase est le TERT (transcriptase inverse). Cette enzyme allonge un brin d’ADN en ajoutant des unités télomériques complémentaires au TERC à elle catalyse une synthèse d’ADN à partir d’une matrice d’ARN. La télomérase procède ainsi successivement de 5’à3’ et lorsque le télomère est suffisamment allongé, le brin complémentaire est comblé par le processus de la réplication grâce à une ADN primase et une polymérase. 3. L’ADN polymérase fait des erreurs et les corrige L’ADN polymérase III travaille excessivement vite (1000 nucléotides par seconde). Malheureusement pendant ce travail, il lui arrive de faire des erreurs et d’apparier en nucléotide qui n’est pas complémentaire à celui présent sur le brin matrice. Elle effectue environ 100 erreurs tous les millions de bases à à l’échelle de notre génome, cela représente 600 000 erreurs, mutations dans chaque cellule à chaque réplication. Heureusement, l’ADN polymérase possède une activité qui est le « proofreading », la correction sur épreuve : L’ADN polymérase vérifie que la base qu’elle vient d’ajouter est bien complémentaire à celle présente sur l’épreuve (la matrice). Si ce n’est pas le cas, elle s’arrête et fait marche arrière. Pendant ce retour en arrière, elle utilise une activité exonucléase dans le sens 3’à5’ pour éliminer le nucléotide ajouté par erreur puis elle reprend sa course de 5’à3’ en corrigeant son erreur. Grâce à ce système, sa fidélité passe de 100 erreurs/million de bases à 1 erreur/milliard de bases. Soit 6 erreurs sur l’ensemble de notre génome diploïde. Et en sachant que seul 1% de notre génome est codant, on se rend compte que la malchance que ces erreurs soient sur des séquences codantes est excessivement faible. 14 Les mutations ponctuelles 1) Les silencieuses : Remplacement d’un codon par un codon synonyme. La base modifiée n’entraine pas de modification, de signification pour le codon impacté. u grace dégénérescence du = génétique code La base T du codon GGT a été remplacée par un A à le codon devient GGA. Heureusement, la dégénérescence du code génétique fait que la modification n’aura pas d’impact pour la cellule car le codon GGT et le GGA sont synonymes, ils codent tous les deux pour le même AA (la glycine). 2) Les faux sens : Ce sont des mutations qui modifient l’AA codé par le codon muté. La base G du codon GGT (glycine) est remplacée par un C et devient alors CGT (arginine). La protéine issue du gène muté portera donc un AA différent de sa version normale. Cette différence peut être anodine, ne pas avoir d’effet sur la fonction de la protéine mais peut aussi améliorer sa fonction ou même réduire ou inhiber sa fonction. C’est le moteur de l’évolution et l’origine de nombreuses maladies. 3) Les non-sens : Mutations qui entrainent la fin prématurée de la protéine. 15 Le C du codon TCA (sérine) est remplacé par un A et devient alors TAA (codon terminateur). La sérine n’est donc pas intégrée et la protéine se termine prématurément. Les mutations non-sens comme les faux sens peuvent ne pas avoir d’effet sur l’activité de la protéine si elles interviennent à l’extrémité carboxy-terminale. Cependant très souvent, elle perturbe voire inhibe l’activité de la protéine. 4) Les indel : Mutations qui provoquent un glissement du cadre de lecture à modification de tous les AA qui suivent la mutation. Comme vu dans l’expérience de Crick et Brenner, il s’agit ici, non pas de remplacer une base par une autre mais d’ajouter une base (insertion) ou d’omettre une base (délétion). Indel regroupe les termes insertion et délétion. Les indels modifient complètement la façon dont l’ARN va être traduit. L’ordre et la nature des AA en aval de l’indel ne correspond pas à la séquence primaire attendue de la protéine. 16