Biologie du lycée · Grades 10–12

11La réplication de l’ADN

Chaque jour, votre moelle osseuse produit deux cents milliards de globules rouges neufs, la paroi de votre intestin se renouvelle en quelques jours, et chacune de ces cellules neuves reçoit une copie complète des deux mètres d’ADN que les chapitres précédents ont décrits comme le texte de la cellule. Copier trois milliards de lettres, sans modèle à consulter, en quelques heures, avec moins d’erreurs qu’un dactylographe professionnel n’en fait sur une page : comment cela se fait-il ? La réponse a été devinée dès 1953 d’après la structure de la molécule elle-même, et démontrée cinq ans plus tard par l’une des expériences les plus élégantes de la biologie.

11.1 Le problème de la copie

Définition 11.1 (Réplication)

La réplication de l’ADN est le processus par lequel une cellule fabrique, à partir d’une molécule d’ADN à deux brins, deux molécules identiques à elle et l’une à l’autre, avant de se diviser. Elle se déroule dans une période définie du cycle cellulaire, la phase S (Chapitre 12), pendant laquelle la quantité d’ADN du noyau double.

Proposition 11.2 (Le principe de la matrice)

Comme les deux brins d’une molécule d’ADN sont complémentaires — A en face de T, G en face de C — chaque brin porte toute l’information nécessaire pour rebâtir l’autre. La réplication procède donc en séparant les deux brins et en utilisant chacun comme matrice sur laquelle un nouveau brin complémentaire est assemblé, nucléotide par nucléotide.

Démonstration. Admis à ce niveau. ∎

Exemple 11.3 (Trois issues concevables)

Le principe de la matrice étant admis, trois façons de répartir les brins anciens et neufs ont été proposées dans les années 1950 :

semi-conservative : chaque molécule fille garde un brin ancien et reçoit un brin neuf ;
conservative : la molécule d’origine est gardée entière et un double brin entièrement neuf est bâti à côté d’elle ;
dispersive : segments anciens et neufs alternent le long de chaque brin des deux filles.

On ne peut pas les distinguer en regardant ; on le peut en pesant.

11.2 L’expérience de Meselson et Stahl

Proposition 11.4 (La réplication est semi-conservative)

Chaque molécule d’ADN fille contient un brin de la molécule parentale et un brin nouvellement synthétisé.

Faits expérimentaux. Meselson et Stahl (1958) ont cultivé des bactéries pendant de nombreuses générations dans un milieu dont le seul azote était l’isotope lourd $^{15}$ N, de sorte que tout leur ADN était lourd. Ils les ont ensuite transférées dans un milieu ordinaire à $^{14}$ N et ont prélevé la culture après chaque génération (toutes les vingt minutes). L’ADN extrait de chaque prélèvement était centrifugé de longues heures dans une solution saline dense, où une molécule flotte au niveau qui correspond à sa propre densité, et photographié en lumière ultraviolette : ADN lourd et ADN léger forment des bandes séparées d’une distance mesurable. Résultats : avant le transfert, une seule bande lourde ; après une génération, une bande unique exactement à mi-chemin entre le lourd et le léger — toutes les molécules sont hybrides ; après deux générations, deux bandes d’égale intensité, une hybride et une légère ; après trois, la bande légère vaut le triple de l’hybride. Le modèle conservatif prévoit une bande lourde et une bande légère dès la première génération, et jamais d’hybride ; le modèle dispersif prévoit une bande unique qui s’allège à chaque génération et ne se dédouble jamais. Seul le modèle semi-conservatif donne une bande hybride, puis hybride et légère dans les proportions observées. ∎

Le résultat de Meselson et Stahl. ADN lourd avant le transfert ; une bande hybride unique après une génération en milieu léger ; hybride et légère en quantités égales après deux ; légère au triple de l’hybride après trois. L’épaisseur des bandes figure la quantité d’ADN.

Un tube de centrifugation sous lumière ultraviolette : des molécules d’ADN de deux densités ont flotté à deux niveaux du gradient salin et apparaissent en deux bandes. Leur position mesure leur densité ; leur éclat, leur quantité.

Exemple 11.5 (Prévoir la quatrième génération)

Après $n$ générations en milieu léger, les deux brins lourds d’origine sont toujours là, un dans chacune de deux molécules hybrides ; toutes les autres molécules sont entièrement légères. Sur $2^n$ molécules, 2 sont hybrides et $2^n - 2$ légères : à la génération 4, 2 hybrides pour 14 légères — une bande légère sept fois la bande hybride, et la bande hybride ne disparaît jamais, elle ne fait que pâlir. Les deux brins d’origine sont, de fait, immortels.

11.3 La machinerie

Proposition 11.6 (Fourches de réplication)

La réplication démarre en des sites définis, les origines, où les deux brins sont écartés en un œil de réplication. À chaque bord de l’œil avance une fourche de réplication : une enzyme, l’ADN polymérase, parcourt chaque brin ouvert et y ajoute, un à un, les nucléotides complémentaires, en les enchaînant dans le brin neuf. Les deux fourches d’un œil se déplacent en sens opposés jusqu’à rencontrer les fourches des yeux voisins ; le chromosome bactérien, un cercle unique, a une origine et deux fourches ; un chromosome humain a des milliers d’origines qui travaillent à la fois.

Démonstration. Admis à ce niveau. ∎

Une fourche de réplication. Les brins parentaux (en bleu) se séparent ; sur chacun, une ADN polymérase bâtit un nouveau brin complémentaire (en rouge). Derrière la fourche, deux doubles brins, chacun avec un brin ancien et un brin neuf.

Exemple 11.7 (Vitesse et échelle)

Une fourche bactérienne ajoute environ 1000 nucléotides par seconde ; une fourche humaine, environ 50. Le chromosome d’E. coli, $4.6 \times 10^{6}$ paires de bases, copié par deux fourches à partir d’une origine, demande $4.6 \times 10^{6}/(2 \times 1000) \approx 2300\,\mathrm{s}$ , soit quelque 40 minutes — la durée du cycle cellulaire de la bactérie en milieu riche. Une cellule humaine, qui a $6.4 \times 10^{9}$ paires de bases à copier dans une phase S d’environ 8 heures, a besoin de ses milliers d’origines : une fourche unique y mettrait plus de deux ans.

Réplication d’un long chromosome à partir de nombreuses origines. Des yeux s’ouvrent aux origines, chacun avec deux fourches qui s’écartent ; ils grandissent, se rejoignent et fusionnent, laissant deux doubles brins complets, chacun à moitié ancien (en bleu) et à moitié neuf (en rouge).

Proposition 11.8 (Fidélité)

L’ADN polymérase apparie le mauvais nucléotide environ une fois sur $10^5$ ; elle contrôle chaque nucléotide au moment où elle l’ajoute et retire aussitôt la plupart des mésappariements, et d’autres enzymes corrigent la plupart de ceux qui subsistent juste derrière la fourche. Le taux d’erreur final est d’environ un pour $10^9$ nucléotides : une cellule humaine, qui copie $6.4 \times 10^{9}$ nucléotides, commet en moyenne une demi-douzaine d’erreurs par division. Celles qui échappent sont des mutations, objet du Chapitre 13.

Démonstration. Admis à ce niveau. ∎

Méthode 11.9 (Calculs de réplication)

Durée : longueur à copier (en paires de bases) divisée par la vitesse totale de toutes les fourches au travail (nombre de fourches $\times$ nucléotides par seconde et par fourche).
Nombre d’origines nécessaires : longueur totale divisée par ce qu’une origine (deux fourches) peut copier dans le temps disponible.
Erreurs : nucléotides copiés $\times$ taux d’erreur ; se rappeler qu’une cellule copie les deux brins, soit deux fois le nombre de paires de bases.
Expériences d’isotopes : suivre les deux brins d’origine ; après $n$ générations, ils se trouvent dans 2 molécules hybrides sur $2^n$ .

Remarque 11.10 (Pourquoi la structure et le mécanisme s’accordent)

Watson et Crick concluaient leur article de 1953 en notant que l’appariement « suggère immédiatement un mécanisme de copie possible ». Meselson et Stahl ont montré que c’était bien le mécanisme ; l’enzymologie qui a suivi a montré comment. C’est l’un des rares cas, en biologie, où la forme d’une molécule, vue une fois, a dicté le processus qui l’utilise.

11.4 Exercices

Exercice 11.1 ★

Énoncer le principe de la matrice et expliquer pourquoi il repose sur la complémentarité.

Solution

Solution de Exercice 11.1.

Chaque brin sert de matrice sur laquelle un nouveau brin complémentaire est bâti. Cela ne fonctionne que parce que A s’apparie avec T et G avec C : la séquence d’un brin fixe celle de l’autre, si bien qu’un brin seul porte toute l’information.

Exercice 11.2 ★

Définir la réplication semi-conservative et l’opposer au modèle conservatif.

Solution

Solution de Exercice 11.2.

Semi-conservative : chaque molécule fille garde un brin parental et reçoit un brin neuf. Conservative : la molécule parentale reste entière et un double brin entièrement neuf est bâti à côté d’elle.

Exercice 11.3 ★

Dans quelle phase du cycle cellulaire la réplication a-t-elle lieu, et qu’advient-il alors de la quantité d’ADN par noyau ?

Solution

Solution de Exercice 11.3.

La phase S du cycle cellulaire ; la quantité d’ADN par noyau double.

Exercice 11.4 ★

Que fait l’ADN polymérase ? Qu’est-ce qu’une fourche de réplication ?

Solution

Solution de Exercice 11.4.

L’ADN polymérase ajoute à un brin en croissance les nucléotides complémentaires de la matrice, un à la fois. Une fourche de réplication est le point mobile où les brins parentaux sont séparés et où les deux brins neufs sont en cours de construction.

Exercice 11.5 ★

Un brin porte GATTACAGGC. Écrire le brin neuf qu’une polymérase bâtit dessus.

Solution

Solution de Exercice 11.5.

CTAATGTCCG, base sous base.

Exercice 11.6 ★★

Dans l’expérience de Meselson et Stahl, que prévoirait le modèle conservatif à la génération 1, et le modèle dispersif à la génération 2 ? Pourquoi chacun échoue-t-il ?

Solution

Solution de Exercice 11.6.

Conservatif, génération 1 : une bande lourde et une bande légère, pas d’hybride — or seule une bande hybride a été vue. Dispersif, génération 2 : une bande unique au quart du chemin du léger vers le lourd — or deux bandes distinctes ont été vues. Chaque modèle prévoit des bandes qui n’ont pas été observées.

Exercice 11.7 ★★

Prévoir les bandes et leurs intensités relatives à la génération 5.

Solution

Solution de Exercice 11.7.

$2^5 = 32$ molécules, 2 hybrides et 30 légères : une bande légère quinze fois la bande hybride, aucune bande lourde.

Exercice 11.8 ★★

Des bactéries cultivées en milieu léger sont transférées en milieu lourd. Décrire les bandes aux générations 0, 1 et 2.

Solution

Solution de Exercice 11.8.

Génération 0 : une bande légère. Génération 1 : une bande hybride. Génération 2 : bandes hybride et lourde d’égale intensité — l’image en miroir de l’expérience d’origine.

Exercice 11.9 ★★

Calculer le temps que mettrait une fourche humaine unique à 50 nucléotides par seconde pour copier un chromosome de $2.5 \times 10^{8}$ paires de bases. Comparer à une phase S de 8 heures et conclure.

Solution

Solution de Exercice 11.9.

$2.5 \times 10^{8}/50 = 5 \times 10^{6}\,\mathrm{s}$ , soit environ 58 jours — bien plus que 8 heures. Le chromosome doit être copié à partir de nombreuses origines à la fois, chacune ouvrant deux fourches.

Exercice 11.10 ★★

Combien de nucléotides une cellule humaine enchaîne-t-elle pendant une phase S ? À une erreur pour $10^9$ , combien d’erreurs commet-elle ?

Solution

Solution de Exercice 11.10.

Les deux brins de $3.2 \times 10^{9}$ paires de bases, deux fois : $6.4 \times 10^{9}$ paires de bases, soit $6.4 \times 10^{9}$ nucléotides neufs enchaînés (un par paire de bases copiée). À $10^{-9}$ par nucléotide, environ 6 erreurs.

Exercice 11.11 ★★

Pourquoi les deux fourches d’un œil doivent-elles se déplacer en sens opposés ? Que se passe-t-il quand deux yeux voisins se rencontrent ?

Solution

Solution de Exercice 11.11.

Ouvrir un œil expose de la matrice des deux côtés de l’origine ; chaque fourche copie en s’éloignant de l’origine, si bien que les deux vont en sens opposés et couvrent ensemble toute la région. Quand deux yeux se rencontrent, leurs fourches fusionnent et les brins fils se raboutent en molécules continues.

Exercice 11.12 ★★★

Une substance bloque l’ADN polymérase. Prévoir son effet sur une culture bactérienne, sur une plaie en cours de cicatrisation et sur un neurone qui ne se divise plus. Quel effet suggère un usage en médecine ?

Solution

Solution de Exercice 11.12.

Les bactéries cessent de se diviser (pas de réplication, pas de division). La plaie cesse de cicatriser, puisque sa réparation demande des divisions cellulaires. Le neurone n’est pas touché : il ne réplique plus son ADN. Un médicament qui arrête les cellules en division rapide tout en épargnant celles qui ne se divisent pas suggère un traitement contre les bactéries ou contre les cellules cancéreuses en division.

Exercice 11.13 ★★★

Dans l’expérience de Meselson et Stahl, la bande hybride ne disparaît jamais. Expliquer, et calculer la fraction de molécules hybrides après 10 générations.

Solution

Solution de Exercice 11.13.

Les deux brins d’origine ne sont jamais détruits : à chaque génération, chacun est de nouveau apparié à un brin léger neuf, si bien qu’il existe toujours exactement deux molécules hybrides. Après 10 générations : $2/2^{10} = 2/1024 \approx 0.2\%$ — présentes, mais trop pâles pour être vues.

Exercice 11.14 ★★★

Une polymérase privée de son activité de contrôle commet une erreur sur $10^5$ . Calculer le nombre d’erreurs par division d’une cellule humaine sans contrôle, et expliquer pourquoi une telle lignée ne survivrait pas à beaucoup de divisions.

Solution

Solution de Exercice 11.14.

$6.4 \times 10^{9} \times 10^{-5} = 64\,000$ erreurs par division. Avec vingt mille gènes, des centaines de gènes seraient endommagés à chaque division ; après quelques divisions, les cellules porteraient des défauts létaux et la lignée s’éteindrait.

Exercice 11.15 ★★★

Expliquer pourquoi une bactérie en milieu riche peut se diviser toutes les 20 minutes alors que copier son chromosome prend 40 minutes. (Indication : se demander quand le tour de réplication suivant peut commencer.)

Solution

Solution de Exercice 11.15.

Un nouveau tour de réplication démarre à l’origine avant que le précédent ne soit terminé : le chromosome porte à la fois plusieurs paires de fourches emboîtées. Chaque division reçoit alors un chromosome déjà partiellement copié pour la suivante, et les divisions peuvent se succéder plus vite qu’une copie complète ne dure.

11.5 Problème : peser une molécule pour la voir se copier

Problème 11.1

Problème du week-end — l’expérience de Meselson et Stahl reconstituée : les isotopes, les trois modèles et leurs prévisions, les bandes qui ont tranché, et les fourches qui copient un chromosome en quarante minutes

L’azote ordinaire est $^{14}$ N ; l’isotope lourd $^{15}$ N est 7 % plus lourd par atome. L’azote fait environ 16 % de la masse de l’ADN. Des bactéries cultivées quatorze générations en milieu à $^{15}$ N sont transférées en milieu à $^{14}$ N à l’instant zéro et se divisent toutes les 20 minutes.

Partie I — Lourd et léger.

De quelle fraction un ADN entièrement lourd est-il plus dense qu’un ADN léger ? (On admettra que la densité suit la masse.) Pourquoi une différence aussi faible suffit-elle à séparer les bandes ?
Pourquoi les bactéries ont-elles été cultivées quatorze générations en milieu lourd avant le transfert, plutôt qu’une ou deux ?
Une molécule hybride a un brin lourd et un brin léger. Où flotte-t-elle par rapport aux bandes lourde et légère ?
Expliquer pourquoi l’ADN doit être extrait d’un très grand nombre de bactéries pour que les bandes soient visibles.
Comment les expérimentateurs pouvaient-ils s’assurer que le transfert en milieu léger n’avait pas modifié par lui-même l’ADN des bactéries ?

Partie II — Trois prévisions. Pour chaque modèle, donner les bandes (position et quantité relative) attendues après une génération, puis après deux.

Modèle semi-conservatif.
Modèle conservatif.
Modèle dispersif.
Après une génération, une bande unique apparaît à mi-chemin entre le lourd et le léger. Quel modèle est éliminé aussitôt, et lesquels restent ?
Après deux générations, il y a deux bandes, hybride et légère, d’égale intensité. Quel modèle survit, et pourquoi l’autre échoue-t-il ?

Partie III — Compter les brins.

Après $n$ générations, combien de molécules d’ADN descendent d’une molécule d’origine, et combien d’entre elles contiennent un brin lourd d’origine ?
Calculer le rapport léger : hybride aux générations 3, 4 et 6.
À quelle génération la bande hybride passe-t-elle sous 5 % de l’ADN ?
Les expérimentateurs ont chauffé l’ADN hybride pour en séparer les deux brins et ont centrifugé les brins isolés. Prévoir les bandes. Quel modèle ce test met-il à l’épreuve ?
Expliquer comment la même expérience, faite en sens inverse (du léger vers le lourd), confirmerait la conclusion.

Partie IV — Les fourches. Le chromosome bactérien est un cercle de $4.6 \times 10^{6}$ paires de bases avec une origine ; chaque fourche ajoute 1000 nucléotides par seconde.

Calculer le temps nécessaire pour copier le chromosome avec ses deux fourches.
Avec une seule fourche, combien de temps faudrait-il ? Pourquoi une origine à deux fourches est-elle le minimum pour un cercle ?
Une cellule humaine copie $6.4 \times 10^{9}$ paires de bases en 8 heures avec des fourches à 50 nucléotides par seconde. Quel est le nombre minimal d’origines qui doivent s’activer, si toutes démarrent en même temps ?
À une erreur pour $10^9$ nucléotides, combien d’erreurs la bactérie commet-elle par réplication, et la cellule humaine ? Pourquoi le chiffre humain n’est-il pas proportionnellement plus grave pour l’organisme ?
Énoncer le résultat : ce que les bandes de la deuxième génération ont prouvé, et le temps qu’il faut aux deux fourches pour copier le chromosome bactérien — comparé au temps de génération de la bactérie.

Solution

Solution de Problème 11.1.

1. L’azote fait 16 % de la masse et est 7 % plus lourd : $0.16 \times 0.07 \approx 1.1\%$ . La méthode du gradient sépare des densités qui diffèrent d’une fraction de pour cent, et 1 % donne donc des bandes bien séparées.

2. Pour que la quasi-totalité de l’ADN, et non la moitié ou les trois quarts, soit lourde : après 14 générations, il reste moins d’une part sur $10^4$ des brins légers d’origine.

3. Exactement à mi-chemin entre les deux bandes : sa densité est la moyenne.

4. Une seule bactérie détient quelques femtogrammes d’ADN ; la photographie en demande des microgrammes, donc des milliards de cellules.

5. En gardant une culture en milieu lourd comme témoin et en vérifiant que sa bande restait lourde, et en vérifiant la bande légère de bactéries cultivées en milieu léger d’un bout à l’autre.

6. Semi-conservatif : génération 1, une bande hybride ; génération 2, bandes hybride et légère, égales.

7. Conservatif : génération 1, bandes lourde et légère, égales ; génération 2, une lourde pour trois légères.

8. Dispersif : génération 1, une bande à la position hybride ; génération 2, une bande au quart du chemin du léger au lourd.

9. Le modèle conservatif, qui ne prévoyait aucune bande hybride, est éliminé. Le semi-conservatif et le dispersif prévoient tous deux la bande hybride unique et restent en lice.

10. Le semi-conservatif survit : lui seul prévoit deux bandes séparées. Le modèle dispersif prévoit une bande unique qui s’allège sans jamais se dédoubler.

11. $2^n$ molécules, dont exactement 2 portent un brin d’origine.

12. Léger : hybride $= (2^n - 2) : 2$ : génération 3, $3:1$ ; génération 4, $7:1$ ; génération 6, $31:1$ .

13. La fraction hybride $2/2^n < 0.05$ dès que $2^n > 40$ : à partir de la génération 6 ( $2/64 \approx 3\%$ ).

14. Deux bandes, une lourde et une légère, en quantités égales : une molécule hybride est un brin lourd plus un brin léger. Cela met à l’épreuve le modèle dispersif, qui prévoit que chaque brin isolé est de densité intermédiaire, et l’élimine indépendamment.

15. En partant du léger, une génération en milieu lourd donne une bande hybride et deux générations donnent hybride plus lourde : le même schéma en miroir, ce qui montre que le résultat ne dépend pas de l’isotope qui joue le rôle de l’« ancien ».

16. $4.6 \times 10^{6}/(2 \times 1000) = 2300\,\mathrm{s}$ , soit environ 38 minutes.

17. 77 minutes. Sur un cercle, les deux brins sont exposés des deux côtés de toute ouverture ; deux fourches quittant une origine en sens opposés est la façon la plus simple de couvrir tout le cercle.

18. Une origine copie $2 \times 50 \times 8 \times 3600 = 2.88 \times 10^{6}$ paires de bases en 8 heures ; $6.4 \times 10^{9}/2.88 \times 10^{6} \approx 2200$ origines au strict minimum (en réalité des dizaines de milliers, qui s’activent à des moments différents).

19. Bactérie : $9.2 \times 10^{6} \times 10^{-9} \approx 0.01$ erreur par réplication ; cellule humaine : environ 6. L’essentiel du génome humain n’est pas fait de gènes, si bien que la plupart des erreurs tombent là où elles ne changent rien, et la cellule possède deux exemplaires de chaque gène.

20. Les deux bandes de la deuxième génération — hybride et légère en quantités égales — ont prouvé que la réplication est semi-conservative ; les deux fourches copient le chromosome bactérien en environ 38 minutes, à peu près le temps de génération de la bactérie, de sorte que la copie règle le rythme de la division.

Termes définis dans ce chapitre

Réplication

Voir les 479 termes du glossaire