Biologie Moleculaire Chap3-Replication
Biologie Moleculaire Chap3-Replication
Biologie Moleculaire Chap3-Replication
I\ Généralités.
A\ Les expériences de Taylor (1957- incorporation de thymidine 3H) et de Meselson et
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Stahl (1958-incorporation de N) ont permis de démontrer que la réplication s’effectue par un
mécanisme semi-conservatif (les deux autres hypothèses impliquaient des modèles conservatif
ou dispersif).
B\ En 1960, par une expérience de Pulse-Chase en thymidine 3H, Cairns a montré que la
réplication s’effectuait de manière bidirectionnelle à partir d’une (procaryotes) ou de plusieurs
origines de réplication (eucaryotes : le nombre d’origines de réplications dépend de la taille du
génome à répliquer - la phase S dure environ 2h - et peut atteindre plusieurs milliers). Chaque
origine de réplication est donc constituée de deux fourches de réplication.
La réplication est une réaction rapide : 1000 nucl./sec/fourche de réplication chez les
bactéries et 50 nucl./sec chez les mammifères. Chez ces derniers, la réplication s’accompagne
de la synthèse protéique des histones qui s’assemblent pour former la structure chromatinienne.
Cette étape supplémentaire ralentit la vitesse de polymérisation.
Enfin, la réplication est une réaction asymétrique qui s’effectue uniquement dans le sens
5’3’. Cette asymétrie est liée à l’activité des ADNs polymérases :
- nécessité d’avoir une amorce ;
- le dernier résidu de l’amorce doit être apparié et avoir un groupement hydroxyle libre
(3’OH) ;
- nécessité d’avoir une matrice ;
- le nucléotide triphosphate entrant apporte l’énergie nécessaire à la formation de la
liaison phosphodiester.
On distingue ainsi au niveau de chaque fourche de réplication, un brin précoce qui subit une
synthèse continue et un brin tardif dont la synthèse s’effectue de manière discontinue dans un
sens opposé à celui de la progression de la fourche de réplication.
II\ Mécanisme.
On distingue trois étapes au cours de la réplication : initiation, élongation, terminaison.
A\ L’initiation.
Une protéine d’initiation reconnaît une séquence particulière correspondant à l’origine de
réplication.
Une ADN hélicase se fixe sur cette protéine d’initiation et va dérouler la double hélice en
se déplaçant le long de la chaîne.
Des protéines vont stabiliser 1’ADN sous forme simple brin (SSB : Single Strand Binding
protéine ou HDP : Helix Destabilizing Protéine)
Enfin, une ARN primase va se fixer au niveau de l’ADN hélicase et constituer ainsi le
primosome. Cette enzyme va synthétiser de courtes séquences d’ARN (10 nucl.) qui vont par la
suite servir d’amorce à l’ADN polymérase.
Une fois que l’ADN est localement sous forme simple brin (hélicase et SSB), et que la
primase a synthétisé une amorce, l’ADN polymérase peut commencer la synthèse du brin
complémentaire au brin parental. Au bout de quelques déoxyribonucléotides incorporés,
l’initiation est terminée.
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B\ L’élongation.
Pour que la fourche de réplication puisse continuer à avancer il faut dérouler la double
hélice. Il faudrait que chaque double brin d’ADN parental (dans le cas d’un génome linéaire)
tourne sur lui même à une vitesse d’environ 5 tours/sec chez un eucaryote et 100 tours /sec
chez un procaryote. L’énergie ainsi libérée reviendrait à faire bouillir les cellules !!!
Une solution plus compatible avec la vie consiste à faire une coupure sur l’un des deux
brins de la matrice, à laisser ce brin tourner autour de l’autre puis à le raccrocher ; c’est le rôle
des topo isomérases de type I.
Dans le cas des génomes circulaires, c’est l’intervention de deux topo isomérases de type
II (qui coupe les deux brins d’ADN) dont la gyrase qui va permettre de séparer les deux brins
parentaux.
Ces problèmes de contraintes structurales réglés, l’ADN polymérase va pouvoir
synthétiser en continu à partir d’une chaîne parentale un nouveau brin d’ADN, le brin précoce.
Par contre sur l’autre chaîne parentale, la synthèse s’effectue de manière discontinue. La
primase va régulièrement synthétiser des amorces d’ARN à partir desquelles l’ADN polymérase
va synthétiser les fragments d’Okasaki. Ces fragments sont reliés les uns aux autres par l’ADN
ligase, après que l’ADN polymérase ait dégradé l’amorce ARN (grâce à son activité exonucléase
5’3’) puis re-synthétisé la partie manquante.
C\ La terminaison.
Dans le cas d’un ADN circulaire (procaryotes), la terminaison est réalisée lorsque les deux
fourches de réplication se rencontrent (la topo isomérase de type IV assure l’étape de ligation).
Pour l’ADN linéaire, les fourches de réplication s’arrêtent soit lorsqu’elles rencontrent une
autre fourche de réplication, soit lorsqu’elles arrivent à l’extrémité d’un chromosome.
Pour les génomes linéaires eucaryotes, une télomérase permet d’ajouter quelques
nucléotides à l’extrémité du brin tardif, de manière à ne pas raccourcir les chromosomes à
chaque réplication.
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Transcription
Chez les procaryotes, un gène est défini structurellement comme une séquence d’ADN
comprenant un promoteur, un site d’initiation et un site de terminaison. Chez les eucaryotes, il
faut compléter cette définition par la présence d’introns localisés à l’intérieur de la partie
transcrite du gène. D’autre part, il existe chez les procaryotes des gènes organisés en opérons
(voies métaboliques) et donnant des ARNm polycistroniques. Mais on trouve également des gènes
de structure plus simple ne contenant, comme chez les eucaryotes, qu’une seule unité de
traduction.
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Chez les procaryotes comme chez les eucaryotes, la transcription est divisée en trois
étapes initiation, élongation et terminaison.
A\ L’initiation.
Le core-enzyme a une affinité faible pour les séquences d’ADN double brin. Par contre la
présence du facteur dans l’holoenzyme confère à l’ARN polymérase une très forte affinité
pour le promoteur. L’holoenzyme explore donc l’ADN par liaison non spécifique et se lie
fortement aux régions promotrices qu’elle dénature localement pour commencer la transcription.
L’initiation va durer le temps que la polymérase associe 7 ou 8 ribonucléotides sous forme d’un
polymère hybridé au brin matrice. Comme le core-enzyme présente une très forte affinité pour
les hétéroduplexes ARN/ADN, le facteur se décroche et c’est le core-enzyme qui va seul
continuer la transcription.
B\ L’élongation.
C\ La terminaison.
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Aucune homologie de séquence n’a été retrouvée sur l’ADN au-delà du dernier nucléotide
présent à l’extrémité 3’ d’ARN procaryotes. Par conséquent, les signaux de terminaison sont
localisés dans la partie déjà transcrite de l’ARN. D’autre part, on ne retrouve pas de séquence
consensus dans cette région mais plutôt une structure conservée.
Cette structure est une épingle à cheveux qui mobilise les nucléotides de l’ARN
normalement impliqués dans l’hybride ARN/ADN. Cette structure secondaire contient en général
une forte proportion de G/C suivit d’une région riche en U. Le raccourcissement de
l’hétéroduplexe et le faible taux de liaisons hydrogènes restant déstabilisent l’hybride
ARN/ADN et le core-enzyme se décroche.
Certains terminateurs possèdent trop peu de G/C dans la région correspondant à l’épingle
à cheveux pour que cette structure ne se forme pas. Un facteur supplémentaire (facteur ) va
alors stabiliser cette structure secondaire. On parle dans ce cas de terminaison dépendante
par opposition aux terminaisons indépendantes.
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majeures concerne les modifications post-transcriptionnelles des ARN eucaryotes;
ARNr (sauf le 5S) : méthylation, bases modifiées (par ex : UU-pseudoU) et
épissage
ARNt : méthylation, épissage et bases modifiées (UWU)
ARNr 5S : pas de modification
ARNm : coiffés, épissés et polyadénylés. Certaines adénines peuvent également être
méthylées
B\ Capping.
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C\ Polyadénylation.
D\ Epissage.
A la fin de la transcription, alors que le polyA vient d’être rajouté, les introns vont être
éliminés. Les introns font donc partie du transcrit primaire et sont absents de l’ARN mature. Le
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mécanisme d’épissage se fait grâce à l’intervention de particules ribonucléo-protéiques appelées
les snRNP (U1 à U6). Chacune de ces particules est formée d’un ARN et de plusieurs protéines.
Un type d’épissage est décrit dans la figure ci dessous :
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Traduction.
A\ L’ARNm.
B\ Les ARNt.
Les ARNt sont les traducteurs qui permettent de passer d’un code à l’autre : nucléotides
acides aminés. Ils portent à la fois l’anti-codon, séquence complémentaire du codon présent
sur l’ARNm, et l’acide aminé correspondant à ce codon.
La fonction de l’ARNt dépend de sa structure tridimensionnelle et des modifications des
bases qui le constituent. Environ 10% des bases sont modifiées dans les ARNt. (Voir structure
des acides nucléiques)
C\ Les ribosomes.
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II\ Principe de la traduction.
Tout comme la réplication et la transcription, la synthèse protéique est polarisée. Les
ribosomes se déplacent dans le sens 5’ vers 3’ sur l’ARNm, et synthétisent le polypeptide
correspondant de l’extrémité NH2 terminale vers l’extrémité COOH terminale.
La séquence de l’ARNm est décodée par groupe de trois nucléotides (codon) qui
correspondent à un acide aminé particulier ou aux signaux d’initiation et de terminaison.
L’ensemble de cette codification constitue le code génétique dont la correspondance nucléotides
acides aminés est représentée dans le tableau suivant :
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explique ainsi la dégénérescence du code génétique.
- On observe une utilisation préférentielle de certains codons pour une espèce donnée.
Ainsi l’usage des codons diffère d’une espèce à l’autre.
- Enfin l’universalité du code génétique présente quelques exceptions. Par exemple, le
codon AGA correspond à une arginine dans une cellule eucaryote et à un codon stop dans une
mitochondrie.
Il existe au moins 20 aminoacyl tRNA synthétases qui vont permettre la charge des acides
aminés sur les ARNt
Ac. Aminé + ATP Ac. Aminé-AMP +PPi
Ac. Aminé -AMP + tRNA Ac. Aminé-tRNA + AMP
B\ L’initiation.
C\ L’élongation.
Il existe 3 facteurs d’élongation chez les procaryotes comme chez les eucaryotes :
Eucaryotes Procaryotes
EF1 EF-Tu : fixe le tRNA-aminoacyl au site A
EF2 EF-G : permet la translocation site A site P
et éjecte le tRNA
EF1 EF-Ts : assure l’échange GTP GDP sur EF-Tu
L’énergie consommée pour un acide aminé incorporé est de 1 GTP pour la charge du tRNA-
aminoacyl et 1 GTP dans la translocation. La vitesse d’élongation est de 1 à 3 acides aminés par
sec. chez les eucaryotes et 15-20/sec. chez les procaryotes.
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Très peu d’erreurs sont commises au cours de l’élongation: 1/100 000 erreurs au cours de
la translocation, 1/1000 à 1/10 000 erreurs d’incorporation d’un aminoacide. Enfin le ribosome
rend l’hybridation codon/anticodon 100 fois plus fidèle qu’en solution et 20 000 fois plus stable...
D\ Terminaison.
Il n’existe qu’un seul facteur de terminaison chez les eucaryotes (RF : Releasing Factor) et
trois chez les procaryotes (RF1, RF2, RF3).
RF1 reconnaît les codons UAG et UAA au site A
RF2 reconnaît les codons UGA et UAA au site A
RF3 éjecte RF1 et RF2 du site A en hydrolysant 1 GTP.
Au total la synthèse d’une seule protéine de 100 acides aminés chez un procaryote, aura
nécessité l’hydrolyse de 100 ATP (charge de l’acide aminé sur les ARNt) et 202 GTP !!!!
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