Chapitre 14L’ADN : matériel génétique

1) Nature du matériel génétique

2) Structure de l’ADN

3) Réplication de l’ADN

4) Réplication chez les procaryotes

5) Réplication chez les eucaryotes

6) Réparation de l’ADN

1- Nature du matériel génétique(quelle est l’identité chimique de l’information génétique?)

- Chromosome = principalement ADN et protéines

- -Protéines: 20 acides aminés différents / ADN: 4 nucléotides différents

donc en théorie, capacité de « stockage d’information » supérieure pour les protéines et pourtant…

14.1 Nature du matériel génétiqueExpériences de greffes réciproques de Hammerling

sur Acetabularia

Les cellules eucaryotes stockent l’information génétique dans le noyau

Algue verte unicellulaire : 5 cm + différentes parties différenciées Ombrelle

Stipe

Pied

Expériences de transplantation nucléaire

Toutes les cellules contiennent un lot complet d’instructions génétiques

Cellules “totipotentes” : chaque cellule possède un lot complet d’instructions génétiques capables, dans certaines conditions, de reproduire un individu adulte complet.

Synchronisation des cycles de division

Expérience de Griffith (1928) : l’information génétique peut passer d’un organisme à l’autre - la transformation bactérienne

La transformation : transfert de matériel génétique d’une cellule à une autre, modifiant ainsi son génotype et son phénotype.

Smooth : S Rough : R

Expérience de Avery et col (1944)

Bactéries non pathogènes (R) + extrait « déprotéiné » des bactéries virulents (S) tuées: même observation que Griffith

Conclusion: le matériel responsable de la transformation est vraisemblablement l’ADN d’autant que ce matériel « déprotéiné »:

-a la composition de l’ADN-a la densité de l’ADN en centrifugation-conserve son « activité de transformation » lorsqu’il est traité par des protéases / ARNase -perd son « activité de transformation » lorsqu’il est soumis à l’action d’une activité ADNase

Bactériophages T2 : virus à ADN qui infectent des bactéries. Phage lytique.Les phages sont constitués d’ADN entouré d’une capside (protéines). Lors de l’infection virale, seul l’ADN pénètre dans les cellules infectées. Cet ADN est capable de reprogrammer les cellules à faire de nouvelles particules virales.

Hershey-Chase (1952): le matériel génétique de phages est constitué d’ADN

Ribonucléotides et désoxyribonucléotides: les unités de construction des acides nucléiques (polymères)

Liaisons phosphodiester et polarité (5’-3’) intrinsèque des acides nucléiques

5’

3’

Watson et Crick (1953) découvrent la structure tridimensionnelle de l’ADN

Les données dont ils disposaient:

LOIS DE CHARGAFFA=T et G=Cdonc toujours autant de Purines (A et G) que de Pyrimidines (C et T)

ADN humainA : 30,9 %T : 29,4 %G : 19,9 %C : 19,8 %

Diffraction des RX

Les proportions A,T,C,G varient d’une espèce à l’autre (diversité des séquences)

structure de l’ADN simple brin

Pyrimidine

Pyrimidine

Purine

Purine

Watson et Crick (1953) découvrent la structure tridimensionnelle de l’ADN : double hélice d’ADN en construisant des modèles à partir de

données de diffraction aux rayons X

Watson et Crick

Rosalind Franklin

le pairage A-T et C-G

L ’ADN est une double hélice de configuration anti-parallèle : les squelettes phosphate-désoxyribose sont à l’extérieur alors que les bases pointent vers l’intérieur et s’apparient 2 à 2 en respectant la complémentarité A-T et G-C.

structure de l’ADN bicaténaire

réplication de l’ADN : trois modèles envisageables…

l’expérience de Meselson-Stahl démontre le caractère semi-conservatif de la réplication de l’ADN (1958)

La réplication de l’ADN requiert un modèle, des nucléotides et une ADN polymérase

Polymérisation 5’

3’

l’exigence d’une amorce distingue les ADN- des ARN-polymérases

la réplication chez les procaryotes (E. coli): une origine, deux réplisomes

Le point de départ : une origine de réplicationChez les procaryotes (E coli) : un seul chromosome circulaire et UNE origine de réplication (OriC : séquence riche en A-T : capable de se désapparier facilement + liaison à une protéine impliquée dans l’initiation de la réplication) : réplicon

E. coli possède au moins 3 ADN polymérases différentes : Pol I, Pol II et Pol III * activité « polymérase »: 5’ 3’ et besoin d’amorces* activité « nucléase » (rupture des liaisons phosphodiesters) :

endonucléases et exonucléasesPol I (élimination d’amorces + ADN), Pol II (réparation) et Pol III

(synthèse-réplication) : possèdent une activité exonucléase 3’-5’ (correction) Pol I : possède également une activité exonucléase 5’-3’

Rapidité et Fidélité

ADN gyrase

Le déroulement de l’ADN provoque une tension de torsion

Hélicases : enzymes qui utilisent l’ATP pour dérouler l’ADN

SSB (single-strand binding protein): protéine de fixation aux brins monocaténaires-stabilisation (bases hydrophobes exposées).

Topoisomérases (ADN Gyrase) enzymes qui éliminent la tension de torsion provoquée par le déroulement et empêchent le surenroulement-modifient l’état topologique de l’ADN

la réplication est semi-discontinue:la polymérisation sur un brin progresse dans le sens inverse de la fourche de réplication

Fourche de réplication Fragments d’Okazaki

Synthèse sur le brin avancé

la processivité de la Pol III

Synthèse sur le brin retardé

10-20 pb ARN

Le rôle de l’ADN polymérase I et de ses activités polymérase 5’ 3’et exonucléase 5’ 3’

Exonucléase 5’-3’Polymérase 5’-3’

Le réplisome rassemble toutes les enzymes nécessaires à la réplication

Réplication chez les eucaryotes

deux différences majeures : grande quantité d’ADN + linéarité des fragments d’ADN dans les chromosomes multiplesplusieurs réplicons et origines de réplication fonction de la structure de la chromatine plus que de séquences (- spécifiques que oriC chez E.coli)

L’enzymologie de la réplication des eucaryotes est plus complexe mais les grandes étapes et complexes sont comparables

Primase : ARN polymérase et ADN polymérase (complexe multiprotéique)

Polymérase de réplication :

alpha (primase) : initie la réplication des 2 brins sur une centaine de nucléotidesbêta : réparation de l’ADNgamma : mitochondriesdelta : relais de l’alpha-polymérase processive - PCNAepsilon : réplication et réparation de l’ADN

Pince coulissante : PCNA (Proliferating Cell Nuclear Antigen-antigène nucléaire de prolifération cellulaire)-trimère

Vitesse d’élongation : 500 (procaryotes) et 50 (eucaryotes) nucléotides par seconde

Les chromosomes linéaires ont des extrémités spécialisées : les télomères

• Lorsque l’ADN est linéaire comme dans le cas des chromosomes eucaryotes, le fait que l’ADN polymérase ne puisse ajouter des nucléotides qu’à l’extrémité 3’ d’un polynucléotide existant pose problème!!! si aucun mécanisme n’intervenait, à chaque mitose, les chromosomes raccourciraient !

• Aux extrémités…des séquences nucléotidiques particulières nommées TÉLOMÈRES…qui ne correspondent pas à un gène ou structure codante.

La réplication des extrémités des molécules d’ADN (les télomères) par la télomérase

* 6 nucléotides : TTAGGG (100 à 1000 fois)* Protéines empêchent l’activation de signaux conduisant à l’arrêt du cycle ou à la mort cellulaire (cassures de brins doubles = extrémités du chromosome…)* Télomérase : enzyme contenant en plus une courte molécule d’ARN (matrice)* Télomérase: activité diminue chez l’adulte humain (donc raccourcissement des télomères avec l’âge)…sauf dans les cellules à index mitotique élevé (lignées germinales, lymphocytes…)* Cellules cancéreuses…stabilisent la longueur des télomères…activation de la télomérase dans ces cellules

Réparation de l’ADN

La « fidélité » de la réplication est consécutive à la spécificité de l’appariement et à l’activité exonucléase 3’-5’ de l’ADN polymérase (activité « proof-reading » de l’ADN Pol III).

Il reste néanmoins des erreursNombre d’erreurs final : 1/109

Nombre d’erreurs à l’appariement : 1/10000

Aux erreurs commises lors de la réplication s’ajoutent des dommages subis par l’ADN sous l’effet d’agents ou de traitements mutagènes.

-rayonnements UV-RX-mutagènes chimiques

L’ADN endommagé peut parfois être réparé

On a identifié 130 enzymes de réparation (excision-resynthèse) chez l’humain.

réparation de l’ADN – exemple #1

Photoréparation-spécifique(dimères de thymine)

réparation de l’ADN – exemple #2

Réparation par excision(réparation non-spécifique)

activités-endonucléase-polymérase-ligase