Sciences · Biologie
La réplication de l’ADN
La réplication est la copie de l’ADN avant chaque division : la double hélice s’ouvre et chaque brin sert de modèle pour fabriquer un nouveau brin complémentaire.
Mis à jour le 4 min de lecture
Chaque fois qu’une cellule humaine se divise, elle doit copier environ 6 milliards de paires de bases d'ADN, en quelques heures et avec moins d’une erreur par milliard de lettres. La réplication a lieu pendant la phase S de l’interphase, juste avant la mitose. Sa logique découle directement de la structure en double hélice : en 1953, Watson et Crick notaient déjà que l’appariement des bases suggérait immédiatement un mécanisme de copie.
Le modèle semi-conservatif
Trois hypothèses étaient possibles en 1953 : conservative (la molécule mère reste intacte), semi-conservative (chaque fille garde un brin ancien) ou dispersive (brins mosaïques). En 1958, Matthew Meselson et Franklin Stahl cultivent des bactéries dans un milieu à azote lourd (15N), puis les transfèrent en azote léger (14N). Après une génération, tout l’ADN a une densité intermédiaire ; après deux, la moitié est intermédiaire et l’autre moitié légère. Seul le modèle semi-conservatif explique ce résultat. Cette expérience est souvent citée comme l’une des plus élégantes de la biologie.
Les étapes de la réplication
1. Initiation
La réplication démarre en des points précis, les origines de réplication. Une bactérie en a une seule sur son chromosome circulaire ; une cellule humaine en utilise des dizaines de milliers, réparties sur ses chromosomes, sans quoi la copie prendrait des semaines. À chaque origine, la double hélice s’ouvre et forme deux fourches de réplication qui s’éloignent en sens opposés : on parle d'« œil » ou de « bulle » de réplication.
2. Élongation
- L'hélicase sépare les deux brins en rompant les liaisons hydrogène entre les bases.
- Des protéines se fixent sur les brins séparés pour les empêcher de se réapparier.
- La topoisomérase relâche les tensions de torsion créées en avant de la fourche.
- La primase dépose une courte amorce d’ARN, car l’enzyme de copie ne peut pas démarrer de rien.
- L'ADN polymérase allonge le nouveau brin en ajoutant, en face de chaque base, sa complémentaire (A-T, G-C).
3. Brin continu et brin discontinu
L’ADN polymérase ne travaille que dans un sens (5' vers 3'). Or les deux brins de l’hélice sont orientés en sens inverse. D’où une asymétrie :
| Brin précoce (continu) | Brin tardif (discontinu) | |
|---|---|---|
| Sens de synthèse | Même sens que l’avancée de la fourche | Sens opposé |
| Mode | Synthèse continue | Petits fragments successifs |
| Amorces | Une seule | Une par fragment |
| Fragments | – | Fragments d’Okazaki (100 à 200 nucléotides chez les eucaryotes, 1 000 à 2 000 chez les bactéries) |
Les amorces d’ARN sont ensuite retirées et remplacées par de l’ADN, et l'ADN ligase soude les fragments entre eux.
4. Terminaison
Les fourches se rejoignent ; les deux molécules d’ADN filles se séparent. Chez les eucaryotes, l’ADN est ensuite réassocié à des histones pour reformer la chromatine.
Les enzymes en un coup d’œil
| Enzyme | Rôle |
|---|---|
| Hélicase | Ouvre la double hélice |
| Topoisomérase | Évite le surenroulement |
| Primase | Fabrique l’amorce d’ARN |
| ADN polymérase | Synthétise le nouveau brin et corrige ses erreurs |
| Ligase | Relie les fragments d’Okazaki |
| Télomérase | Allonge les extrémités des chromosomes dans certaines cellules |
Vitesse et fidélité
| Donnée | Bactérie (E. coli) | Cellule humaine |
|---|---|---|
| Taille du génome | 4,6 millions de paires de bases | environ 3,1 milliards par jeu, 6,2 milliards au total |
| Vitesse d’une fourche | environ 1 000 nucléotides par seconde | environ 50 nucléotides par seconde |
| Durée de la copie | environ 40 minutes | environ 8 heures (phase S) |
La fidélité repose sur trois niveaux : la sélection de la bonne base par la polymérase (environ une erreur pour 100 000), la relecture immédiate qui retire la base fautive, puis les systèmes de réparation des mésappariements après le passage de la fourche. Au final, on arrive à environ une erreur pour un milliard de bases copiées. Les erreurs qui échappent à ces contrôles deviennent des mutations, source de diversité mais aussi de cancers.
Le problème des extrémités : les télomères
Sur le brin discontinu, la dernière amorce ne peut pas être remplacée : à chaque réplication, les chromosomes linéaires raccourcissent un peu. Leurs extrémités, les télomères, sont faites d’une séquence répétée (TTAGGG chez les vertébrés) qui sert de tampon. La télomérase, active dans les cellules germinales, les cellules souches et la plupart des cellules cancéreuses, les reconstruit. Dans les autres cellules, le raccourcissement limite le nombre de divisions possibles. Ces travaux ont valu le prix Nobel de médecine 2009 à Elizabeth Blackburn, Carol Greider et Jack Szostak.
La réplication au laboratoire : la PCR
La PCR (réaction de polymérisation en chaîne), inventée par Kary Mullis en 1983 (Nobel de chimie 1993), reproduit la réplication dans un tube : en répétant des cycles de chauffage et de refroidissement avec une ADN polymérase résistante à la chaleur, on multiplie un fragment d’ADN des milliards de fois en quelques heures. Elle sert au diagnostic, à la médecine légale et à la recherche (voir biotechnologies).
Questions fréquentes
Quand l’ADN se réplique-t-il ?
Pendant la phase S de l’interphase, avant la mitose ou la méiose. L’ADN n’est copié qu’une seule fois par cycle cellulaire grâce à un système de « licence » des origines.
Pourquoi dit-on que la réplication est semi-conservative ?
Parce que chaque molécule fille contient un brin de la molécule mère et un brin nouvellement fabriqué.
Quelle différence avec la transcription ?
La réplication copie la totalité de l’ADN en ADN, une fois par cycle. La transcription copie seulement certains gènes en ARN, en permanence et selon les besoins.