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La réplication de l'ADN

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Ce cours est en cours de création par nos équipes et il sera prêt pour la rentrée 2019 💪

Introduction :

L’ADN est la plus longue molécule connue chez les êtres vivants : c’est la molécule support de l’information génétique. C’est la plus longue molécule connue chez les êtres vivants !

Nous avons déjà vu que la cellule subit le cycle cellulaire, et qu’avant la phase de division, l’ADN se réplique. Voyons maintenant plus en détail la structure de la molécule d’ADN, et quel mécanisme permet sa réplication. Nous étudierons ensuite les mécanismes et techniques de clonages qui se basent sur la réplication de l’ADN.

La molécule d’ADN

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Rappel

ADN signifie Acide DésoxyriboNucléique. C’est le support de l’information génétique. La molécule d’ADN est constituée de deux brins, et chaque brin est constitué d’un enchaînement de nucléotides, qu’on appelle aussi bases. C’est cet enchaînement qui est porteur de l’information, on l’appelle la séquence. Il existe 44 bases de nucléotide :

  • L’adénine, notée A
  • La thymine, notée T
  • La cytosine, notée C
  • La guanine, notée G

Les deux brins s’enroulent sur eux-mêmes pour former une double hélice. On dit qu’ils sont appariés et complémentaires : la liaison entre les bases de chaque brin ne se fait pas de manière quelconque car les bases sont complémentaires deux à deux, A avec T et C avec G.

La molécule d’ADN à double brin est condensée dans le noyau : c’est cette condensation qu’on appelle chromosome. Une molécule d’ADN donne un chromosome à une chromatide. C’est ainsi que l’ADN peut être contenu dans le noyau des cellules : lorsqu’il est totalement déroulé, dans un noyau de cellule humaine, l’ADN peut mesurer près de 2m2\,\text{m} de long !

Nous allons voir comment un chromosome à une chromatide peut se répliquer, c’est-à-dire former un chromosome à deux chromatides.

La réplication semi-conservative

Comme nous l’avons déjà vu, la cellule va subir les différentes phases du cycle cellulaire. L’ADN se réplique lors de la phase S du cycle cellulaire et passe ainsi d’un chromosome à une chromatide à un chromosome à deux chromatides.

Lors de cette phase, un complexe enzymatique, l’ADN polymérase, va ouvrir la double hélice d’ADN et permettre la synthèse d’une nouvelle molécule d’ADN par complémentarité des bases sur chacun des brins originaux. Comme on peut le voir ci-dessous, son avancée va créer des ouvertures ponctuelles, c’est ce qu’on appelle des yeux de réplications.

L’ADN polymérase va alors utiliser des nucléotides libres et les apparier sur les brins originaux, toujours en respectant l’association A ↔ T et C ↔ G. On appelle l’ADN créé la molécule fille, et celui servant de matrice la molécule mère. Lors de la réplication, des erreurs surviennent mais l’ADN polymérase a la capacité de les corriger.

Comme nous pouvons le voir dans le schéma ci-dessus : la molécule mère est en turquoise, et l’ADN synthétisé (la molécule fille) est en rouge.

Puisque la complémentarité des bases ne permet qu’une possibilité par base, le brin synthétisé sur un brin original (en rouge et en haut sur le schéma) est identique à l’autre brin original (en turquoise et en bas sur le schéma), et inversement. La molécule d’ADN s’est donc dédoublée : cela forme la seconde chromatide et l’information est ainsi conservée.

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À retenir

Les deux chromatides du chromosome ainsi formé ont donc chacune un brin de la molécule mère et un brin de la molécule fille. C’est pour cela que la réplication est dite semi-conservative.

La notion de clone

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Définition

Clone :

Un clone est un organisme qui a exactement le même ADN qu’un autre organisme.

Ainsi, deux cellules filles provenant de la même cellule mère sont des clones.

Clonage

Le clonage existe spontanément dans la nature : c’est le mode de reproduction privilégié des bactéries et des êtres unicellulaires. Cette méthode est rapide et peu coûteuse en énergie. Cela permet donc aux bactéries de coloniser un espace en très peu de temps. Chez les végétaux, ce clonage spontané est repris par les jardiniers et les industries agroalimentaires pour plus de productivité ou sélection d’un caractère (c’est le principe de la technique du bouturage par exemple). Le clonage existe aussi chez quelques animaux comme l’hydre. La succession de mitoses, que subie une cellule en division, produit un ensemble de cellules génétiquement identiques, ce sont des clones. Le clonage est aussi une technique utilisée en laboratoire pour obtenir deux êtres vivants (cellules, embryons, plantes, animaux…) strictement identiques sur le plan génétique.

La PCR

La réaction de polymérisation en chaîne ou PCR (Polymerase Chain Reaction en anglais) est une technique de biologie permettant la réplication d’une séquence d’ADN, afin de l’amplifier. Cette méthode a été mise au point en 1985 par Kary Mullis, qui obtint pour ces travaux le prix Nobel de chimie en 1993.

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Exemple

En cancérologie, la PCR est utilisée pour détecter des mutations responsables d’un type de cancer. Cette technique a ainsi permis d’identifier que les mutations dans le gène BRCA1 prédisposaient aux cancers du sein et de l’ovaire.

Pour avoir réplication d’un ADN double brin, il faut agir en trois étapes constituant un cycle de PCR, comme le montre le schéma ci-dessous.

  • Il faut dénaturer l’ADN pour obtenir des matrices à simple brin : c’est la dénaturation
  • Il faut ensuite borner et amorcer la réplication de la séquence à amplifier à l’aide d’amorces spécifiques : c’est l’hybridation.
  • Enfin, il faut réaliser la réaction de polymérisation du brin complémentaire avec des ADN polymérases thermorésistantes. À la fin de chaque cycle, les produits sont sous forme d’ADN à double brin : c’est la polymérisation.

Le cycle se répète ensuite, ce qui permet d’augmenter considérablement la quantité d’ADN. Une PCR est faite d’environ 2020 à 4040 cycles.

Les trois étapes, sont effectuées dans un thermocycleur : cet appareil permet de contrôler la température adéquate des ADN polymérases thermorésistantes à chaque étape.

Conclusion :

La cellule subit une phase de réplication dans son cycle cellulaire : le chromosome à une chromatide possède désormais deux chromatides identiques.
L’ADN est une molécule constituée de doubles brins complémentaires, enroulée en une double hélice. Durant une partie du cycle cellulaire, il est condensé sous forme de chromosome. Un gène est défini par une séquence d’ADN qui encode une information : cette séquence est définie par la succession des paires de nucléotides qui la composent.
La réplication de l’ADN est dite semi-conservative car un brin de la double hélice servira de matrice et sera conservée pour créer le nouvel ADN. Ce mécanisme est géré par un complexe enzymatique : l’ADN polymérase.