La réplication de l'adn

Tutorat Santé Lyon Sud UE1 La réplication de l'adn Cours du Professeur P. COHEN L ensemble des cours du Professeur P. COHEN fait habituellement l objet de 7 QCMs au concours. Le présent support de cours fourni par le Tutorat Santé Lyon Sud est destiné à faciliter votre prise de notes mais ne constitue en aucun cas une référence pour le concours. Seuls les cours ayant été dispensés par les enseignants et les supports mis à disposition par leurs soins sont légitimes. Veuillez prendre note que seul les polycopiés directement téléchargés depuis Spiral Connect sont certifiés en provenance du tutorat, toute autre source est potentiellement compromise. Tutorat Santé Lyon Sud (2016-2017) 1/17

SOMMAIRE I. DEFINITION... 3 II. REPLICATION CHEZ LES PROCARYOTES (E. COLI)... 4 II.A. ELEMENTS NECESSAIRES... 4 II.B. MECANISME DE REPLICATION :... 7 1. Initiation de la réplication... 7 2. Réplication des 2 brins d DN parentaux... 8 3. Evénements qui modifient les ADN synthétisés... 11 III. REPLICATION CHEZ LES EUCARYOTES... 12 III.A. SPECIFICITES... 12 III.B. LES ENZYMES ET PROTEINES EUCARYOTES... 13 III.C. SCHEMA GENERAL DE LA REPLICATION EUCARYOTE... 14 III.D. PARTICULARITE EUCARYOTE... 14 1. 1 ère particularité eucaryote : La présence de nucléosomes... 14 2. 2 ème particularité eucaryote : les télomères à l extrémité des chromosomes... 15 3. Méthylations... 17 IV. CONCLUSION... 17 2/17 Tutorat Santé Lyon Sud (2016-2017)

I. DEFINITION RAPPEL : Les eucaryotes ont un noyau isolé du cytoplasme et un ADN linéaire. Les procaryotes n ont pas de noyau : leur matériel génétique est directement dans le cytoplasme, et se présente sous la forme d un chromosome unique et d un ADN circulaire. La réplication de l ADN est un mécanisme très important elle permet la duplication du patrimoine génétique pour obtenir 2 exemplaires, chacun transmis à une des deux cellules filles lors de la division cellulaire. La réplication a donc lieu avant la division cellulaire. Ce mécanisme doit être le plus fidèle possible, pour que le patrimoine génétique qui va être transmis aux cellules filles soit le plus parfaitement identique à celui de la cellule mère. En effet, la survie à court terme de la cellule et de l organisme dépend de la prévention de la modification de son ADN, puisque les modifications peuvent conduire à des évènements extrêmement délétères : mutations, associées à certaines pathologies (cancer). Cependant, à long terme, il peut y avoir des mutations qui entraineront l évolution de l espèce. La duplication est un évènement crucial où peuvent se produire des erreurs, il y a donc des mécanismes de contrôle, pour limiter ces erreurs. Ces mécanismes peuvent être complétés par des mécanismes de réparation de l ADN. C est pourquoi, lorsque ces mécanismes sont fonctionnels, il y a un taux de mutations de génome extrêmement bas : un seul nucléotide modifié pour 10 9 nucléotides à chaque cycle de réplication. La réplication de l ADN est un mécanisme cellulaire semi conservatif : sur la double hélice d ADN de la cellule fille, un des deux bras provient du brin parental et l autre est synthétisé lors de la réplication par polymérisation (brin fils). Chaque brin parental est lu dans le sens 3 5 et sert de matrice à la synthèse d un brin complémentaire et anti-parallèle, appelé brin fils ou brin néosynthétisé, synthétisé dans le sens 5 3. Pour cela les deux brins parentaux doivent se séparer, une rupture des liaisons hydrogènes est donc nécessaire. Tutorat Santé Lyon Sud (2016-2017) 3/17

II. REPLICATION CHEZ LES PROCARYOTES (E. COLI) II.A. ELEMENTS NECESSAIRES L ADN parental, où chacun des deux bras sert de matrice pour synthétiser le brin anti-parallèle. Séparation des deux brins (dénaturation) : pour passer à un état simple brin et le rendre accessible aux enzymes de la polymérisation. Il est aussi appelé ADN matrice. Les dntp (datp, dctp, dttp et dgtp) rentrent dans la réaction sous forme triphosphate, et sont intégrés dans le brin sous forme monophosphate : le relargage du pyrophosphate apporte l énergie nécessaire à la réplication. Les ions Mg 2+ stabilisent les dntp en les protégeant d une hydrolyse enzymatique et sont également importants pour l ADN polymérase. Les enzymes suivantes : - Les hélicases, à l initiation de la réplication - Les topoisomérases - Les ADN polymérase - Les primases Les enzymes utilisées (dans l ordre d intervention): Les hélicases Elles permettent aux deux brins de l ADN parental de se séparer en supprimant les liaisons hydrogène entre les bases qui se font face. Le déplacement le long de l ADN parental nécessite une énergie (hydrolyse des molécules d ATP en ADP et Pi). Après elles, des protéines se positionnent : les protéines SSB, qui se lient à des simples brins, pour éviter la renaturation spontanée de l ADN. Les topoisomérases 4/17 Tutorat Santé Lyon Sud (2016-2017)

RAPPEL : Une séquence d ADN peut avoir différents états d enroulement, par ajout de surenroulements : - Négatifs : soulagements des contraintes (baisse du nombre d enlacements). Très intéressant pour la réplication et la transcription, car meilleure accessibilité de l ADN pour les enzymes. - Positif : augmentation du nombre d enlacements. Les chromosomes humains ont des points d attachement donc il y a aussi ces topoisomères Les topoisomérases modifient l état d enroulement (+ ou -) de la molécule d ADN. Chez la bactérie, la topoisomérase est la gyrase bactérienne (TOP2). Plusieurs étapes : 1) Coupure transitoire de l ADN 2) Libre rotation de l ADN 3) Ressoudure de l ADN (= ligation), toujours par la topoisomérase Il existe deux types de topoisomérases : - Les topoisomérases I n agissent que sur un seul brin de l ADN et ne nécessitent donc pas d ATP - Les topoisomérases II agissent sur les deux brins de l ADN, et nécessitent de l ATP pour maintenir les deux fragments d ADN. Chez les procaryotes, la gyrase bactérienne est une topoisomérase II. Les topoisomérases agissent derrière l action de l hélicase, qui induit des surenroulements positifs (en avançant) qui vont super vriller la double hélice d ADN. La gyrase va supprimer ces surenroulements positifs et introduire des surenroulements négatifs. Cette action est simultanée aux hélicases et permet une bonne accessibilité aux enzymes de la réplication à la molécule d ADN. Applications médicales des topoisomérases : - Médicaments de la famille des quinolones et des fluoroquinolones (antibiotiques) qui inhibent l action de la gyrase bactérienne : la réplication étant bloquée, la division cellulaire et la prolifération bactérienne sont également bloquées. Ces médicaments sont utilisés pour traiter les infections urinaires. - Médicaments tels l etoposide, la camptothecine, et la doxorubicine (anticancéreux) qui ont des propriétés particulières : ce ne sont pas des inhibiteurs des topoisomérases mais ils stabilisent les coupures transitoires dues aux topoisomérases. Sous l action de ces molécules, on a une accumulation de coupures de l ADN, entrainant un endommagement de l ADN, qui entraine l apoptose des cellules cancéreuses. Les ADN polymérases Elles permettent la synthèse du brin fils par polymérisation en utilisant un brin de l ADN parental comme matrice. L activité ADN-polymérasique est la synthèse de l ADN dans le sens 5 3 dans la chaine du brin Tutorat Santé Lyon Sud (2016-2017) 5/17

en cours de synthèse. Cette activité nécessite une initiation : démarrage par une amorce de nucléotides. Pour la réplication, l amorce est un ARN synthétisée par polymérisation par une primase (ARN polymérase). L ADN-polymérase se positionne sur l extrémité 3 OH pour polymériser de l ADN dans le sens 5 3 après incorporation successive de nucléotides. La synthèse se fait de manière complémentaire et anti parallèle à l ADN parental. Lors de la formation de la liaison phosphodiester, il y a libération de deux pyrophosphates qui s hydrolysent en deux phosphates inorganiques. La survie de la cellule à court terme dépend de la fidélité de la réplication. Cette haute-fidélité nécessite plusieurs mécanismes de vérification des nucléotides : - Avant addition covalente du nucléptide : Le dntp entrant est celui qui possède la meilleure affinité et un état énergétique optimal. A ce moment il y a une transconformation de la polymerase : elle change de conformation pour vérifier la bonne géométrie de la paire de base. - Après addition covalente du nucléotide : activité exonucléasique (= fonction d édition) de la polymérase : correction des erreurs d appariement en 3 5 par clivage entre deux nucléotides adjacents en bout de chaine. RAPPEL : Une activité nucléasique aboutit au clivage d une liaison phosphodiester entre 2 nucléotides adjacents, sur un même brin d ADN. Il s agit de l activité inverse d une polymérase. - Exo : à l extremité de la chaine d ADN. Les enzymes exonucléases hydrolysent les liaisons phosphodiester qui se trouvent en bout de chaine (soit extrémité 5 soit 3, d un même brin d ADN). Si l enzyme exonucléase n est active qu à l extrémité 5, l activité est dite 5-3 et inversement. - Endo : à l intérieur de la chaine d ADN L ADN polymérase a une activité exonucléasique dans le sens 3 5. C est une fonction primordiale dans la réplication, qui est possédée par toutes les ADN polymérases dans le sens 3 5. C est un mécanisme qui concourt à l augmentation de la fidélité de la réplication. L enzyme se modifie pour retirer la mauvaise liaison, l emmène au niveau de son site catalytique P (site de polymérisation), et la détruit. Chez E. Coli, on retrouve trois ADN polymérases : les ADN polymérases I II, III. L ADN polymérase III ne fonctionne pas seule mais est associée à un complexe multimérique appelé holoenzyme. Holoenzyme ADN pol III est l enzyme majeure, qui réalise la synthèse de l ADN (des brins fils). La 2 e enzyme qui intervient dans la réplication chez la bactérie est l ADN POL I, qui possède en plus une activité exonucléasique 5 3 permettant la dégradation des amorces d ARN. L ADN pol III a une activité ADN polymérasique dans le sens 5 3 et une activité de correction exonucléasique dans le sens 3 5. L ADN pol I a trois activités : deux identiques à l ADN pol III et une activité exonucléasique dans le sens 5-3. 6/17 Tutorat Santé Lyon Sud (2016-2017)

Les primases Les primases sont des ARN polymérases ADN-dépendante : elles synthétisent les amorces d ARN et sont dites ADN-dépendantes car elles se servent de l ADN comme matrice. L amorce d ARN se fait dans le sens 5 3 du sens de la chaine en cours de synthèse. Les primases sont capables de synthétiser de courtes séquences d ARN (de 4 à 12 ribonucléotides) qui sont ensuite utilisées comme amorces par l ADN polymérase réplicative. Chez E. Coli, la primase et l hélicase forment un seul complexe appelé le primosome. II.B. MECANISME DE REPLICATION : 1. Initiation de la réplication Chez E. Coli, il n y a qu un seul chromosome, et environ 4,6.106 paires de bases. Il existe une seule origine de réplication (appelée oric : environ 245 pb), contenant des séquences répétées riches en A et T. C est ici que se fixent les protéines d amorçage, qui initient la réplication par l ouverture locale de la double hélice d ADN. Localement on va avoir le passage à la forme simple brin, c est l œil de réplication. A partir de là se propage la réplication. C est une propagation bidirectionnelle. On a deux fourches de réplications : une à droite et l autre à gauche du point d initiation. Les deux fourches progressent jusqu'à avoir deux molécules d ADN double brin. On obtient donc un chromosome pour chaque cellule filles (donc deux au total), le plus fidèle possible au chromosome bactérien de la cellule mère. Chacune des deux cellules filles possède un chromosome à deux brins, qui correspondent à un brin synthétisé et à un brin parental. Tutorat Santé Lyon Sud (2016-2017) 7/17

RAPPEL DEROULEMENT DE LA REPLICATION: - Hélicases - Gyrase - Protéine SSB pour éviter la renaturation et maintien de la structure sous une forme facile d accès aux enzymes. Inhibent les structures en épingle à cheveux. - amorces d ARN : primase + hélicase = primosome o synthétisées par la primase en 5-3 2. Réplication des 2 brins d DN parentaux La synthèse des brins fils se fait par l ADN polymérase III. L activité enzymatique se fait toujours dans le sens 5 3. Le sens de propagation de la réplication doit s effectuer dans le sens d ouverture de la boucle d ADN, c'està-dire dans le sens 5 3. La réplication est donc discontinue sur un des deux brins. On distingue un brin dit avancé et un brin dit retardé : - Pour le brin avancé, la synthèse de l ADN se fait dans le sens d ouverture de la molécule d ADN, donc dans le sens de propagation de la fourche de réplication. C est le brin continu. - Pour le brin retardé ou discontinu, la synthèse d ADN se fait dans le sens contraire de l ouverture la molécule d ADN : l ADN polymérase n exerce son activité polymérasique seulement dans le sens 5 3 de la chaine en cours de synthèse, or sur ce brin d ADN, le sens de propagation de la fourche de réplication est 3 5. La synthèse de ce brin est donc discontinue. Elle va s effectuer de manière rétrograde, à partir de multiples fragments d ARN. On obtient donc de multiples fragments d ADN (fragments de 1000 à 2000 nt), appelés fragments d Okazaki. Comment s effectue la synthèse simultanée des deux brins? Il existe un modèle démontré chez la bactérie et qui semble aussi être démontré pour les cellules eucaryotes. 8/17 Tutorat Santé Lyon Sud (2016-2017)

Chez la bactérie : mise en jeu de deux molécules d ADN polymérase III qui travaille en même temps au niveau de la fourche de réplication : une qui synthétise de manière continue le brin avancé et l autre qui synthétise de manière discontinue le brin retardé. Le brin d ADN parental, qui sert de matrice au brin d ADN retardé, forme une boucle pour repositionner l amorce de façon à ce que l allongement du fragment d Okazaki par l ADN polymérase se fasse dans le sens 5 3 mais aussi dans le sens de propagation de la fourche de réplication. Processivité de l enzyme : La processivité est donc la capacité de polymériser sur une longue distance. L ADN polymérase III est naturellement peu processive : elle a tendance à synthétiser spontanément de l ADN sur une courte distance et à se dissocier aussi spontanément de l ADN parental. Cela est en adéquation avec la synthèse du brin discontinu : synthèse d un fragment, puis détachement et synthèse d un autre fragment. Mais sur le brin continu, l ADN polymérase III doit synthétiser sur une longue distance. L ADN POL III est donc maintenue au brin d ADN parental par un collier coulissant (clamp). Pour E. Coli, c est la sous-unité β du complexe holoenzyme qui joue le rôle de clamp. Cela permet à l ADN POL III de rester associer au brin parental. La vitesse de réplication procaryote est de 500 et 1000 nt/s, ce qui permet à la réplication du chromosome bactérien de se faire en 40min. Bilan : schéma d une fourche de réplication chez les procaryotes : Finition des brins d ADN «fils» : Tutorat Santé Lyon Sud (2016-2017) 9/17

Pour finir, il faut : - Eliminer l amorce ARN - Remplacer les amorces d ARN par de l ADN - Transformer le brin discontinu en un brin continu Pour avoir un fragment d ADN continu, l ADN POL I se positionne au niveau 3 OH d un fragment d Okasaki et comble la lacune qui le sépare de l amorce d ARN suivante. Dès qu elle va rencontrer l amorce d ARN, de par son activité exonucléasique 5-3, elle hydrolyse cette amorce d ARN et continue, de par son activité ADNpolymérasique, à synthétiser de l ADN à partir du fragment d Okasaki précédent. Elle remplace ainsi l amorce d ARN en ADN. La dernière étape consiste à relier ces fragments d ADN grâce à une enzyme, appelée ADN ligase, qui permet la création d une liaison phosphodiester entre 2 nucléotides adjacents. On obtient alors un fragment continu. Quand la synthèse d ADN est terminée, les 2 fourches de réplication vont se rencontrer (car l ADN est circulaire. Il y a alors séparation des 2 doubles hélices par la gyrase. 10/17 Tutorat Santé Lyon Sud (2016-2017)

3. Evénements qui modifient les ADN synthétisés Chez la bactérie, l ADN peut être méthylé au niveau de 2 bases : sur la cytosine ou sur l adénine. L enzyme qui produit ces méthylations est la méthylase. Elle catalyse l ajout d un groupement méthyle (-CH3) sur un A ou un C du brin fils. La méthylation du brin fils se fait toujours avec un temps de retard. La méthylation du brin fils néosynthétisé s effectue également au niveau des séquences palindromiques. Seule l adénine est méthylée sur ces séquences. La méthylase méthyle le brin fils si le brin matrice est méthylé lui-même. Cette méthylation s effectue avec un temps de retard, après la réplication. Pendant un court instant les deux patrimoines génétiques, prêts à être transmis aux cellules filles, ont un des deux brins méthylé, et l autre brin pas encore méthylé. Au bout de quelques minutes, on ne peut plus distinguer les deux brins car il y a eu méthylation du brin fils. RAPPEL PALINDROME : Qui se lit pareil dans les deux sens, donc la séquence 5-3 est comme la séquence 3-5. Il y a donc un axe de symétrie, par exemple : 5 GATC3 qui donne sur le brin opposé : 3 GATC 5. Importance de la méthylation : Le chromosome bactérien possède des séquences répétées : plusieurs séquences GATC, donc la méthylation est un mécanisme de régulation, qui contrôle l initiation de la réplication suivante. Si cette OriC n a pas une méthylation qui est exactement en miroir sur les 2 brins, aucune nouvelle initiation de la réplication ne peut démarrer. Le fait que le brin fils soit méthylé avec un temps de retard cela permet de distinguer les deux brins. (Cf cours réparation de l ADN). La méthylation est importante aussi pour les défenses de la bactérie, en effet elles ont leur propre virus (bactériophage= virus des bactéries). Une fois que ces virus ont infectés la bactérie, elle ne peut se défendre qu en synthétisant des enzymes de restriction qui sont des endonucléases. Ces endonucléases clivent une liaison phosphodiester à l intérieur d une chaine d ADN. Les enzymes bactériennees clivent le génome viral, c est le phénomène de restriction. Chaque enzyme reconnait une séquence particulière : le palindrome. La bactérie doit protéger son propre génome de l action de ces enzymes, ce qui est permis par les méthylations. Tutorat Santé Lyon Sud (2016-2017) 11/17

III. REPLICATION CHEZ LES EUCARYOTES III.A. SPECIFICITES La réplication chez les eucaryotes est grande majorité semblable à celle de la bactérie E. Coli mais il y a quelques spécificités. Spécificités du génome eucaryote : - Sa localisation : il se trouve dans le noyau cellulaire, alors que la bactérie ne possède pas de noyau. - Sa taille : le génome eucaryote est plus grand que le génome procaryote. Par exemple, le génome humain a environ 3 log d écart (3.109 paires de bases) avec le génome de la bactérie. - Son organisation : le génome eucaryote est organisé sous forme de chromosomes, formés de molécules d ADN linéaire et double brin. Contrairement à la bactérie, le génome eucaryote est organisé sous forme de chromatine. - Sa structure : structure en nucléosomes pour faciliter la condensation de l ADN afin que le génome puisse rentrer dans le noyau cellulaire. On a donc un ADN qui n est pas nu. La vitesse de réplication chez les eucaryotes est plus faible. En effet, elle est de 50 nt.s -1 : elle est donc 10 fois plus faible que celle de la bactérie. On a donc un génome beaucoup plus grand, qui se réplique à une vitesse plus faible et qui est associé à des structures. Cependant on a quand même une réplication active. Comment s effectue la réplication chez les eucaryotes? Chez les eucaryotes, il y a plusieurs origines de réplication : de 20 000 à 100 000 origines de réplication par cellule. Ces origines de réplication ne sont pas toutes activées en même temps, mais par petits groupes de 20 à 80 OR. Ces groupes constituent une unité de réplication. Ces unités de réplication sont activées de manière asynchrone. Selon la localisation, la réplication s effectue plus ou moins tardivement : les unités de réplication dans l euchromatine (chromatine décondensée) sont activées précocement alors que les unités de réplication dans l hétérochromatine (chromatine condensée) sont activées plus tardivement. Sur un chromosome, on retrouve donc plusieurs milliers d OR, à partir desquelles il y a les deux fourches de réplication. A partir de chaque point de réplication, quand il y a activation, il va donc y avoir un œil de réplication qui va se former, avec les deux fourches qui vont progresser dans des sens opposés (bidirectionnel). Ces portions de chromosome répliquées s appellent les réplicons. 12/17 Tutorat Santé Lyon Sud (2016-2017)

Sur un même chromosome, il y a différents yeux de réplication qui s agrandissent, et qui progressent jusqu à ce que la fourche rencontre une autre fourche qui progresse en sens inverse ou atteigne l extrémité du chromosome. Le cycle cellulaire est une autre spécificité des cellules eucaryotes. Le cycle est subdivisé en plusieurs phases : la phase de mitose et les interphases G1, S et G2. Les événements qui aboutissent à la réplication ont lieu juste avant que la cellule ne se divise en deux cellules filles. La réplication intervient pendant la phase S du cycle cellulaire. Suivant l état de condensation de la chromatine, la réplication s effectue après une activation plus ou moins tardive : si la chromatine est décondensée, elle est répliquée plus précocement, car elle offre une meilleure accessibilité aux enzymes et est donc plus apte à être répliquée. En revanche, si la chromatine est fortement condensée, alors la réplication aura lieu beaucoup plus tard Le niveau de condensation de la chromatine fait varier le moment de réplication. III.B. LES ENZYMES ET PROTEINES EUCARYOTES Les différentes enzymes et protéines intervenant dans la réplication eucaryote sont : - Les hélicases : pour séparer les brins parentaux - Les protéines RPA : pour maintenir les 2 brins séparés (ce sont les équivalents des protéines SSB chez la bactérie) - Les topoisomérases : pour éliminer les surenroulements positifs et introduire des négatifs. - La primase (qui est une ARN polymérase ADN dépendante) : pour synthétiser les amorces d ARN - L ADN polymérase eucaryote : il y en a 5 : α, β, ϒ, δ, ε. ADN POL δ : C est une ADN polymérase ADN-dépendante. C est l enzyme principale de la réplication des deux brins fils : - Elle réalise la réplication totale du brin avancé en 5 3 (initiation et élongation) - Elle réalise la majorité de la réplication du brin retardé (élongation - Elle a une activité polymérasique en 5 3 et une fonction d édition en 3 5. - Sa processivité (capacité de l enzyme à rester associer sur le brin d ADN parental) est régulée par un anneau ou clamp, qui est une protéine particulière nommée la PCNA (Proliferating Cellular Nuclear Antigen). - Elle intervient aussi sur la finition des brins d ADN (pour compléter les lacunes). ADN POL α : - Elle intervient uniquement sur le brin retardé pour initier la réplication. - Elle est associée à la primase : elle prend le relai direct au niveau des fragments d Okazaki eucaryote (100-200 nt), sur le brin retardé. ADN POL ϒ : Elle est impliquée dans la réplication de l ADN mitochondrial. ADN POL ε, ADN POL β : Elles sont impliquées dans la réparation de l ADN (cf cours Réplication de l ADN). Tutorat Santé Lyon Sud (2016-2017) 13/17

Comment s effectue la finition du brin retardé? Une enzyme de la classe des RNases (H-1 et FEN-1) élimine les amorces d ARN. Le comblement est réalisé par l ADN POL δ, puis l ADN ligase ligue les morceaux entre eux pour former un seul brin. L ADN POL α réalise le début de la synthèse du brin retardé, en initiant la polymérisation, puis elle est remplacée par l ADN POL δ, qui continue la synthèse dans le sens 5 3 du brin en cours de synthèse. On retrouve sur le brin retardé des fragments d Okazaki (100 à 200 nt), comme pour le chromosome bactérien. Pour la finition du brin retardé, l ADN POL δ élonge le fragment en synthétisant de l ADN, et remplit la lacune jusqu à rencontrer le 1er nucléotide du fragment suivant. Notion de boucles : il y un repliement structurel de l ADN du brin fils, de façon à ce que l allongement se fasse dans le sens 5-3 mais aussi dans le la fourche de réplication. III.C. SCHEMA GENERAL DE LA REPLICATION EUCARYOTE III.D. PARTICULARITE EUCARYOTE 1. 1 ère particularité eucaryote : La présence de nucléosomes Les nucléosomes sont des structures composées de protéines basiques : les histones. L ADN est enroulé autour de ces histones, et enroulé sur lui-même, dans un état de condensation. D après les connaissances actuelles, la présence des nucléosomes ne semble pas affecter les fourches de réplication. 14/17 Tutorat Santé Lyon Sud (2016-2017)

Les génomes des cellules filles doivent être identiques au génome de la cellule mère, ce qui concerne également les nucléosomes. Les nucléosomes parentaux restent associés, puis une répartition équivalente se fait entre les deux brins (brin parental et brin fils) de la molécule d ADN. Pendant la phase S du cycle cellulaire, de nouveaux nucléosomes sont synthétisés pour compléter les nucléosomes parentaux dans les cellules filles. Chaque brin possède alors 50% de nucléosomes parentaux et 50% de nucléosomes néosynthétisés. La présence de ces nucléosomes est à l origine du fait que la réplication chez les eucaryotes est beaucoup plus lente que chez les procaryotes. 2. 2 ème particularité eucaryote : les télomères à l extrémité des chromosomes Les télomères sont des séquences d ADN situées aux extrémités des chromosomes. On y retrouve une séquence répétée en tandem (chez l homme : TTA GGG). La réplication du brin parental débute grâce à la primase qui synthétise pour amorce la séquence CCC UAA, séquence complémentaire et antiparallèle de la séquence répétée (TTAGGG). En fin de réplication, cette séquence va être éliminée par les RNases par hydrolyse. Ce n est pas un fragment d Okasaki, donc une fois dégénérée, elle n est pas remplaceé par de l ADN par polymérisation. En fin de réplication, on a donc le brin 3 plus long que le brin 5 (puisque l on a une lacune au niveau du brin fils). Lorsque les cellules filles se divisent, les deux brins deviennent les brins parentaux. Le brin 5 qui est alors répliqué a perdu 10 nt, qui correspondent à l amorce d ADN dans la génération précédente. Donc sans aucun phénomène compensatoire, il y aurait une perte de nucléotides (10 nt) à chaque cycle de réplication, et donc une perte d information génétique. Il existe cependant un phénomène compensatoire, réalisé par la télomérase. La télomérase est une ribonucléoprotéine, c est-à-dire qu elle est constituée de protéines et d ARN. La fonction enzymatique portée par cette enzyme est une fonction ADN polymérase dans le sens 5 3. C est une enzyme ARN dépendante, qui utilise comme séquence matrice une séquence d ARN. Elle va utiliser comme matrice son ARN interne (endogène). Tutorat Santé Lyon Sud (2016-2017) 15/17

Le mécanisme qui vise à synthétiser de l ADN à partir d une molécule d ARN est appelé rétrotranscription (ou reverse transcription). La télomérase est donc reverse transcriptase (ou retrotranscriptase). Mécanisme d action de la télomérase : Tout d abord, la télomérase se positionne à l extrémité 3 et s hybride (formation de liaisons H) via sa séquand d ARN à la séquence complémentaire sur le télomère. Elle synthétise ensuite la séquence répétée de l ADN de manière complémentaire et antiparallèle à sa séquence d ARN. La télomérase effectue ensuite une translocation, et synthétise une nouvelle fois la même séquence. Une fois que la télomérase a rallongé les séquences télomériques, la réplication de ces séquences est réalisée par l ADN polymérase α et la primase. La longueur des télomères dépend de l équilibre entre le raccourcissement dû à la réplication et le niveau d activité de la télomérase. Après l action de la télomérase, l extrémité 3 des chromosomes simple brin plus longue que l extrémité 5. Cette extrémité plus longue s enroule vers l arrière pour réaliser une boucle T (repliement), grâce à des protéines spécialisées. Cette structure constitue un système de protection des chromosomes, et participe donc à l intégrité des chromosomes. Elle protège les chromosomes de l action de certaines enzymes. La sénescence : C est le vieillissement de la cellule. En effet, quand l action des télomérases est limitée ou inexistante, les télomères sont donc de plus en plus raccourcis, les chromosomes deviennent instables et il y a donc un arrêt de la division cellulaire. Dans des cultures in vitro de cellules dites normales, l activité des télomérases est faible voire diminuée, il y a donc une sénescence réplicative (la division cellulaire s arrête). Dans les cellules cancéreuses, l activité des télomérases est forte, il n y a pas de raccourcissements des chromosomes, donc pas de phénomène de sénescence. La prolifération cellulaire est anormale, indéfinie. La suractivation des télomérases pourrait ainsi être un des mécanismes de cancérisation. Actuellement, des recherches sont faites sur les propriétés anti télomérasiques. Maladie génétique : la Diskératose congénitale : Les personnes atteintes de cette pathologie ont une copie fonctionnelle et une copie non fonctionnelle du gène de la télomérase. Or lorsqu il y a une copie non fonctionnelle de ce gène, on assiste à un raccourcissement du chromosome. Cette maladie entraine des anomalies de la peau, des ongles et des muqueuses, des insuffisances médullaires (affections de la moelle osseuse) et la mort. Une copie non fonctionnelle du gène est liée à une mutation du gène TERT. En 2013 des chercheurs ont découvert que les mutations du gène TERT (gène de la télomérase) sont présentes dans 83% des glioblastomes adultes étudiés. 16/17 Tutorat Santé Lyon Sud (2016-2017)

3. Méthylations Chez les cellules eucaryotes, seule la cytosine peut être méthylée. Ces cytosines font généralement parties des îlots CG. Elles seront méthylées sur le brin fils seulement si le brin parental est méthylé. Les méthylations sont réalisées par les méthylases. Rôle des méthylations : La méthylation sur le brin fils s effectue toujours avec un temps de retard par rapport à la réplication, ce qui permet de discerner le brin fils du brin parental pour les mécanismes de réparation (cf. cours Réparation de l ADN). Elles jouent aussi un rôle dans la régulation de l expression de certains gènes. Certains gènes sont régulés par un mécanisme épigénétique de méthylation. L hypométhylation entraine le déverrouillage du gène, alors que l hyperméthylation entraine le verrouillage du gène. Exemple : Le gène de l insuline est présent dans toutes les cellules, or l insuline est seulement sécrétée par les cellules pancréatiques, les ilots de de Langerhans. Donc l information n est exprimée que dans les cellules pancréatiques, où il y a donc hypométhylation. Dans toutes les autres cellules, il y a hyperméthylation. IV. CONCLUSION La survie à court terme de la cellule dépend de la transmission de l information génétique. Cette transmission doit donc être la plus fidèle possible. Duplication du patrimoine génétique = la réplication se doit d être fidèle. Si l activité polymérasique agissait seule : il y aurait une erreur toutes les 10 7 pb. Après la réplication, il peut quand même y avoir des mutations, d où la nécessité pour la cellule de posséder un système de réparation compétent. Tutorat Santé Lyon Sud (2016-2017) 17/17