La molécule d’ADN constitue la base de toute vie connue car sa structure lui permet d’être facilement copiée dans les cellules vivantes, leur permettant de se reproduire. L’information génétique d’un organisme est contenue dans son ADN, et une duplication précise est nécessaire pour transmettre cette information aux générations suivantes. La copie du matériel génétique dans le noyau cellulaire est appelée réplication de l’ADN. Le mécanisme par lequel il se produit est connu sous le nom de réplication semi-conservatrice, et il implique la division de la molécule en deux parties, dont chacune forme une matrice pour une nouvelle molécule complète. Les matériaux disponibles dans la cellule sont ensuite ajoutés à ces modèles pour terminer le processus.
La structure de l’ADN
Chaque molécule d’ADN est composée de deux brins, constitués de groupes sucre et phosphate, avec des molécules appelées bases formant des liens entre eux. Il existe quatre bases différentes : l’adénine (A), la guanine (G), la cytosine (C) et la thymine (T). Chaque base, ainsi que les groupes sucre et phosphate auxquels elle est attachée, est appelée nucléotide. Les deux brins sont maintenus ensemble par des liaisons hydrogène entre les bases ; A se lie avec T et C avec G, de sorte qu’ils forment des paires appelées paires de bases complémentaires.
Les brins forment une double hélice ou deux structures en spirale parallèles, tandis que les paires de bases couvrent l’espace entre les brins. Les molécules d’ADN sont normalement étroitement enroulées, plusieurs fois, et forment des structures connues sous le nom de chromosomes. L’information génétique complète, ou génome d’un organisme, est contenue dans un ensemble de chromosomes ; le génome humain contient environ trois milliards de paires de bases. La réplication de l’ADN forme un nouvel ensemble de chromosomes, avant la division cellulaire. Le processus de réplication peut être décomposé en plusieurs étapes, chacune contrôlée par des enzymes.
Scission
Pour se répliquer, les brins d’ADN doivent être séparés. Les liaisons hydrogène entre les paires de bases sont suffisamment fortes pour maintenir les brins ensemble dans des circonstances normales, mais suffisamment faibles pour permettre de les séparer facilement en cas de besoin. Étant donné que la molécule est normalement dans un état très enroulé, les deux brins ne se sépareront pas sans aide. Des enzymes appelées gyrases agissent pour détendre ou dérouler l’ADN, tandis que des enzymes appelées hélicases commencent à le décompresser, brisant les liaisons hydrogène entre les paires de bases. Des protéines spéciales se lient ensuite aux brins séparés afin de les maintenir séparés et de permettre la réplication.
Duplication
Les nucléotides existent indépendamment de l’ADN dans le noyau d’une cellule ou, dans le cas des bactéries, dans le liquide cellulaire. Lorsqu’une molécule d’ADN a été divisée, ces nucléotides libres se lient aux bases complémentaires non appariées de chaque brin – A à T et C à G – formant une nouvelle molécule double brin. Ce processus est activé par des enzymes appelées ADN polymérases. Les deux copies résultantes ont chacune un nouveau brin et un de la molécule d’origine. C’est pourquoi la réplication de l’ADN est appelée semi-conservatrice – la moitié de chaque molécule est nouvelle et la moitié est sauvée de son parent.
Les processus de division et de duplication se chevauchent. Au fur et à mesure que les brins se séparent, de nouveaux brins complémentaires sont construits tandis que la séparation se poursuit le long de la double hélice. Les molécules d’ADN dans la plupart des organismes sont très longues, il est donc plus efficace que la division et la duplication se produisent dans de nombreux endroits à la fois. Ces points sont appelés origines de réplication. Lorsque deux de ces origines se rencontrent, des enzymes appelées ligases relient les nouveaux brins ensemble.
Erreur de vérification
Le processus de réplication est extrêmement précis, mais des erreurs se produisent. Parfois, un lien peut se former entre la mauvaise combinaison de bases. Par exemple, G peut occasionnellement se lier à T au lieu de A. Les bases peuvent également exister sous des formes légèrement différentes qui peuvent se lier dans d’autres appariements incorrects.
En règle générale, il y a environ une erreur pour 100 millions de liaisons de paires de bases. Chez un humain, cela entraînerait environ 30 erreurs pour chaque réplication complète. Il existe cependant un certain nombre de mécanismes de vérification et de correction des erreurs qui détectent et réparent très efficacement les erreurs. Par exemple, les liaisons entre les paires de bases non appariées sont relativement instables, et les enzymes polymérases qui assistent le processus de duplication peuvent également détacher un nucléotide incorrect, permettant d’en ajouter un nouveau, correct. Ceux-ci réduisent le nombre moyen d’erreurs par réplication à environ trois.
Erreurs de réplication : mutations, cancer et évolution
Les erreurs dans la réplication de l’ADN sont généralement une mauvaise chose au niveau individuel. Ils peuvent conduire à des mutations, généralement défavorables ; ils peuvent entraîner un cancer ou d’autres maladies mortelles. D’un autre côté, sans ces erreurs, les êtres humains et les autres organismes tels qu’on les connaît aujourd’hui ne seraient pas là. Parfois, une mutation peut donner un avantage, augmentant les chances d’un organisme de survivre assez longtemps pour se reproduire et transmettre le changement favorable, qui deviendra alors plus fréquent. C’est ainsi que fonctionne l’évolution : les erreurs de réplication permettent aux organismes de s’adapter à des environnements changeants et d’évoluer vers de nouvelles formes de vie.