La réplication de l'ADN : cours de Première spécialité SVT

Ton corps compte un très grand nombre de cellules, et beaucoup d'entre elles se divisent régulièrement. Chaque division donne naissance à deux cellules filles à partir d'une cellule mère. Pour que ces deux cellules fonctionnent, elles doivent chacune posséder l'information génétique de la cellule d'origine. Or une cellule ne peut pas simplement « couper en deux » son ADN : chaque cellule fille n'en recevrait qu'une moitié.

La solution du vivant tient en deux temps : d'abord copier l'ADN, ensuite répartir les copies. La copie s'appelle la réplication. La répartition est le travail de la division cellulaire que tu as vue dans le chapitre précédent, la mitose ou la méiose, pendant laquelle le fuseau mitotique ou méiotique intervient. ¹

Le programme de Première cherche à te faire comprendre comment la réplication et la mitose, ensemble, permettent une reproduction cellulaire conforme : les cellules filles sont semblables à la cellule mère. ² Ce chapitre se concentre sur la réplication elle-même : où et quand elle a lieu, comment elle se déroule, pourquoi on dit qu'elle est semi-conservative, et pourquoi elle peut parfois se tromper.

Une cellule eucaryote qui se divise suit un cycle cellulaire : une alternance entre une période où elle se prépare à se diviser (l'interphase) et la division proprement dite (la mitose). ¹ La réplication appartient à la préparation : elle a lieu avant la division, jamais pendant.

L'ordre est logique. Si la cellule se divisait sans avoir copié son ADN, les deux cellules filles se partageraient une quantité d'ADN prévue pour une seule cellule. En répliquant d'abord, la cellule mère dispose du matériel nécessaire pour en donner à chacune de ses deux filles.

Le lien avec la mitose est le suivant : les deux cellules filles obtenues par mitose reçoivent une information génétique identique à celle de la cellule mère, parce que la réplication semi-conservative a préservé la séquence de l'ADN par copie conforme. ² Des cellules ainsi obtenues à partir d'une même cellule et génétiquement identiques forment ce qu'on appelle un clone. ¹

Une molécule d'ADN est formée de deux brins associés. Lors de la réplication, on distingue deux sortes de brins :

• le brin parental : le brin d'ADN déjà présent, qui sert de matrice (de modèle) ;
• le brin néoformé : le brin nouvellement fabriqué, complémentaire du brin parental. ³

Prenons un exemple de représentation. Dessine la molécule mère avec un brin bleu et un brin rouge. Chaque brin sert de matrice : le brin bleu guide la fabrication d'un nouveau brin complémentaire (qu'on dessine en vert), et le brin rouge guide la fabrication d'un autre nouveau brin complémentaire (qu'on dessine en jaune). On obtient :

Les deux molécules filles sont identiques entre elles et identiques à la molécule mère, puisque chaque brin néoformé est complémentaire de son brin parental. C'est ce qui garantit la copie conforme de la séquence. ²

Dire que la réplication est semi-conservative est une affirmation scientifique : elle doit être démontrée. C'est l'expérience de Meselson et Stahl, en 1958, qui l'a établi. ³

Pour comprendre l'intérêt d'une telle expérience, il faut se demander quelles autres possibilités existaient. En raisonnant sur des schémas, on peut imaginer au moins deux autres façons de copier une molécule double brin :

• une copie où la molécule mère est entièrement conservée et où une molécule fille est entièrement neuve ;
• une copie où les molécules filles sont un mélange de morceaux anciens et de morceaux neufs.

Ces deux hypothèses donnent le même nombre de molécules (deux), mais pas la même composition en brins anciens et neufs. Voilà pourquoi une expérience capable de distinguer les molécules anciennes des molécules neuves permet de trancher, à condition de suivre plusieurs réplications. Après une première réplication, toutes les molécules sont de composition intermédiaire : cela écarte l'hypothèse conservative, mais pas l'hypothèse du mélange. Après une deuxième réplication, on trouve à la fois des molécules intermédiaires et des molécules entièrement neuves : seule l'hypothèse semi-conservative explique ce résultat.

La réplication ne démarre pas n'importe où sur la molécule. Elle commence en un ou plusieurs points précis, les origines de réplication : ce sont des zones dont la suite de nucléotides est particulière, ce qui permet à des protéines de réplication de les repérer. ³ Ces protéines se fixent sur l'origine et séparent les deux brins d'ADN à cet endroit. ³

Pour te représenter la situation, imagine une fermeture à glissière qui s'ouvre. À l'endroit où elle s'ouvre, les deux côtés se séparent en forme de « Y » : c'est l'image d'une fourche. Ici, la différence est que chaque côté séparé sert ensuite de matrice pour fabriquer un nouveau brin.

La réplication est aussi qualifiée de bidirectionnelle. ³ Cela signifie que, depuis une origine, l'ouverture progresse des deux côtés à la fois : l'œil grandit dans les deux sens, avec deux fourches qui s'éloignent l'une de l'autre.

La réplication est assurée par des enzymes, c'est-à-dire des protéines qui accélèrent des réactions chimiques. L'enzyme centrale est l'ADN polymérase : elle catalyse la formation des liaisons entre les nucléotides, c'est-à-dire qu'elle construit le brin néoformé. ³ Elle vient se fixer sur la fourche de réplication. ³

Elle n'est pas seule. Un grand nombre de protéines interviennent et forment ensemble un complexe enzymatique appelé réplisome. ³ Le complexe enzymatique intervenant dans la réplication peut aussi être appelé réplicase. ³

Ce dernier point est une bonne illustration d'un raisonnement fréquent en SVT : des molécules qui ne se ressemblent pas dans le détail peuvent remplir le même rôle, ce qui suggère un mécanisme général partagé par des êtres vivants très différents.

D'autres enzymes sont nécessaires au bon fonctionnement de la réplication. ³ Par exemple, certaines protéines retirent puis remettent en place les protéines associées à l'ADN avant et après la réplication. ³ La cellule ne copie donc pas seulement la séquence : elle rétablit aussi l'organisation qui contrôle l'expression génétique.

La réplication est un processus complexe qui se déroule en trois grandes étapes : l'initiation, l'élongation et la terminaison. ³

La réplication est fidèle, mais pas parfaite. Des erreurs peuvent se glisser pendant la copie : la molécule d'ADN est fragile, surtout au moment où elle est répliquée, et cette fragilité est une source de mutations, elles-mêmes à l'origine de variation. ²

Certains facteurs de l'environnement augmentent le risque. Un agent mutagène est un élément qui accroît la fréquence des mutations. ¹ Le programme cite par exemple les rayons ultraviolets (UV) et le benzène, auxquels des populations humaines peuvent être exposées. ²

Ces notions seront reprises dans le chapitre sur les mutations et la réparation de l'ADN. Retiens pour l'instant une idée simple : la réplication assure la stabilité de l'information génétique (copie conforme), et ses rares erreurs introduisent de la variation.