Biology · Livre 3 · Bachelor Year 1

Biologie universitaire — 1re année

Biologie universitaire — 1re année · Bachelor Year 1

18Réplication de l’ADN et mitose

Toutes les huit heures environ, une cellule du revêtement intestinal copie six milliards de paires de bases avec environ une erreur sur un milliard, puis répartit les deux copies entre deux filles de sorte que chacune reçoive exactement quarante-six chromosomes — ni quarante-cinq, ni quarante-sept. La copie est faite par une machine qui lit un brin et bâtit son complémentaire à cinquante lettres par seconde, à partir de dizaines de milliers de points de départ à la fois ; la répartition est faite par un fuseau de microtubules qui écarte les deux copies de chaque chromosome avec une exactitude d’une erreur pour cent mille divisions. Ce chapitre décrit la fourche de réplication et ses enzymes, le problème des extrémités, le cycle cellulaire qui règle la réplication et la division, et la mitose, la division elle-même.

18.1 La réplication semi-conservative

Proposition 18.1 (Chaque brin est une matrice)

L’ADN est répliqué de façon semi-conservative : les deux brins de l’hélice se séparent, et chacun sert de matrice sur laquelle est bâti un nouveau brin complémentaire, de sorte que chaque molécule fille est un brin ancien apparié à un brin neuf.

Faits expérimentaux. Meselson et Stahl (1958 ; rappel du volume du lycée) cultivèrent E. coli sur azote lourd, la transférèrent sur azote léger, et séparèrent l’ADN par densité : après une génération, tout l’ADN était de densité intermédiaire ; après deux, moitié intermédiaire et moitié léger — exactement la prédiction d’un brin ancien et d’un brin neuf par molécule, et d’aucun autre schéma. Cairns (1963) marqua des chromosomes bactériens en réplication au tritium et les photographia par autoradiographie : des cercles portant une « bulle » de réplication dont les deux fourches s’éloignaient en sens opposés d’une même origine. Kornberg (1956) purifia une enzyme qui synthétisait de l’ADN en tube à essai à partir des quatre nucléosides triphosphates et d’une matrice, dans la séquence de cette matrice. ∎

Définition 18.2 (La fourche de réplication et ses enzymes)

La réplication commence à une origine — une seule sur le chromosome bactérien, des dizaines de milliers sur un génome eucaryote — où l’hélice est ouverte et où deux fourches de réplication s’éloignent en sens opposés. À chaque fourche : une hélicase déroule l’hélice (un ATP par paire de bases), des protéines de liaison au simple brin maintiennent les brins séparés, et une topoisomérase en avant de la fourche relâche la torsion que le déroulement accumule. L’ADN polymérase n’ajoute des nucléotides qu’à l’hydroxyle 3′3' d’une chaîne existante, de sorte que tout brin neuf croît de 5′→3′5' \to 3' et qu’aucun ne peut partir de rien : une primase pose d’abord une courte amorce d’ARN que la polymérase prolonge. Sur la matrice lue de 3′→5′3' \to 5', le brin neuf croît continûment vers la fourche : c’est le brin continu. Sur l’autre matrice, le brin neuf doit croître en s’éloignant de la fourche, par morceaux de 1000 to 2000 1000\text{ to }2000\, nucléotides chez les bactéries et de 100 to 200 100\text{ to }200\, chez les eucaryotes, les fragments d’Okazaki, chacun avec sa propre amorce : c’est le brin discontinu. Une seconde polymérase remplace les amorces par de l’ADN et une ligase soude les fragments en un seul brin.

Une fourche de réplication. L’hélicase ouvre le duplex parental ; le brin continu est copié sans interruption vers la fourche, le brin discontinu à reculons en fragments d’Okazaki, parce que les polymérases ne bâtissent que dans le sens 5' 3'.
Une fourche de réplication. L’hélicase ouvre le duplex parental ; le brin continu est copié sans interruption vers la fourche, le brin discontinu à reculons en fragments d’Okazaki, parce que les polymérases ne bâtissent que dans le sens 5′→3′5' \to 3'.

Proposition 18.3 (Fidélité)

L’appariement des bases seul donnerait environ une erreur sur 10510^5 ; la polymérase relit — une activité exonucléase 3′→5′3' \to 5' retire un nucléotide mal apparié avant que le suivant ne soit ajouté — ce qui ramène l’erreur à une sur 10710^7 ; et, une fois la fourche passée, un système de réparation des mésappariements trouve les mésappariements restants, reconnaît le brin neuf et le corrige : une erreur pour 10910^9 à 101010^{10} paires de bases répliquées. Une cellule humaine qui copie 6.4×1096.4 \times 10^{9} paires commet une poignée de mutations à chaque division ; une bactérie, une pour mille divisions.

Exemple 18.4 (Vitesse et points de départ)

Une fourche bactérienne avance de 1000 1000\, paires de bases par seconde : deux fourches copient les 4.6 Mb4.6\,\mathrm{Mb} d’E. coli en 40 min40\,\mathrm{min}, et en milieu riche, où la cellule se divise toutes les vingt minutes, un nouveau cycle démarre avant que le précédent ne soit achevé. Une fourche eucaryote, ralentie par la chromatine, avance de 50 50\, par seconde : copier un chromosome humain de 250 Mb250\,\mathrm{Mb} depuis une origine unique prendrait un mois, de sorte que le génome est copié à partir de quelque 40 00040\,000 origines en huit heures, dans un ordre fixé pour chaque type cellulaire.

18.2 Les extrémités

Proposition 18.5 (Le problème de la réplication des extrémités et la télomérase)

Sur un chromosome linéaire, le brin discontinu ne peut pas être achevé jusqu’au bout : quand la dernière amorce est retirée, il n’y a en amont aucun hydroxyle 3′3' à partir duquel combler la brèche, et chaque réplication raccourcirait le chromosome de 50 to 100 50\text{ to }100\, nucléotides. Les eucaryotes terminent leurs chromosomes par des télomères, des milliers de copies d’une courte répétition (TTAGGG chez les vertébrés) qui ne portent aucun gène, et les cellules germinales et les cellules souches possèdent la télomérase, enzyme munie de sa propre matrice d’ARN qui ajoute des répétitions à l’extrémité 3′3' et restitue ce que la réplication perd. La plupart des cellules somatiques en sont dépourvues : leurs télomères raccourcissent à chaque division, et après une cinquantaine de divisions en culture elles cessent de se diviser. Les bactéries, à chromosome circulaire, n’ont pas d’extrémités.

Le problème de la réplication des extrémités (en haut) et sa solution (en bas). Le brin discontinu reste trop court à l’extrémité du chromosome ; la télomérase ajoute des répétitions à l’extrémité 3' de la matrice, de sorte que la perte porte sur une séquence sans gènes.
Le problème de la réplication des extrémités (en haut) et sa solution (en bas). Le brin discontinu reste trop court à l’extrémité du chromosome ; la télomérase ajoute des répétitions à l’extrémité 3′3' de la matrice, de sorte que la perte porte sur une séquence sans gènes.

18.3 Le cycle cellulaire

Définition 18.6 (Le cycle cellulaire)

Le cycle cellulaire d’une cellule eucaryote comporte quatre phases. G1_1 (gap 1) : la cellule croît et fabrique les enzymes de la réplication ; S (synthèse) : elle réplique son ADN, de sorte que chaque chromosome devient deux chromatides sœurs identiques unies au centromère ; G2_2 : elle croît encore et vérifie les copies ; M : la mitose, division du noyau, suivie de la cytodiérèse, division du cytoplasme. G1_1, S et G2_2 forment ensemble l’interphase, où les chromosomes sont déployés et actifs ; une cellule qui cesse de se diviser quitte le cycle depuis G1_1 pour un état de repos, G0_0. Une cellule humaine en division met environ 24 h24\,\mathrm{h} : G1_1 10 h10\,\mathrm{h}, S 8 h8\,\mathrm{h}, G2_2 4 h4\,\mathrm{h}, M 1 h1\,\mathrm{h} ; une levure, 90 min90\,\mathrm{min} ; un embryon précoce de grenouille, trente minutes sans aucune phase de repos.

La quantité d’ADN d’un noyau au cours d’un cycle cellulaire de 24\, h. Elle double pendant la phase S, de q (2n chromosomes à une chromatide) à 2q (2n chromosomes à deux chromatides), et revient à q dans chaque cellule fille à la fin de la mitose ; le nombre de chromosomes ne change jamais.
La quantité d’ADN d’un noyau au cours d’un cycle cellulaire de 24 h24\,\mathrm{h}. Elle double pendant la phase S, de qq (2n chromosomes à une chromatide) à 2q2q (2n chromosomes à deux chromatides), et revient à qq dans chaque cellule fille à la fin de la mitose ; le nombre de chromosomes ne change jamais.

Proposition 18.7 (Les points de contrôle)

Le cycle est poussé en avant par une famille de protéines kinases, activées tour à tour par des protéines appelées cyclines dont les taux montent et descendent au long du cycle, et il est retenu à des points de contrôle tant que les conditions ne sont pas remplies : à la fin de G1_1, la cellule ne s’engage à répliquer que si elle est assez grande, nourrie et invitée à se diviser, et si son ADN est intact ; à la fin de G2_2, elle n’entre en mitose que si la réplication est achevée ; en mitose, les chromatides ne se séparent que lorsque chaque chromosome est attaché au fuseau des deux côtés. Une lésion arrête le cycle et, si elle ne peut pas être réparée, déclenche la mort de la cellule. La machinerie moléculaire de cette commande relève du volume de troisième année ; sa défaillance est le cancer.

18.4 La mitose

Définition 18.8 (Mitose)

La mitose répartit les chromosomes répliqués de sorte que chaque noyau fille reçoive une chromatide de chaque chromosome — le même nombre et les mêmes gènes que le parent. Ses phases :

  • la prophase : les chromosomes se condensent en bâtonnets visibles, chacun fait de deux chromatides sœurs tenues ensemble sur toute leur longueur par des protéines cohésines ; les deux centrosomes s’écartent et le fuseau mitotique de microtubules pousse entre eux ;
  • la prométaphase : l’enveloppe nucléaire se rompt ; les microtubules du fuseau s’attachent au kinétochore de chaque chromatide, structure protéique du centromère, depuis des pôles opposés ;
  • la métaphase : les chromosomes sont alignés à l’équateur du fuseau, chacun sous la tension des deux pôles ;
  • l’anaphase : la cohésine est coupée, les chromatides sœurs se séparent et sont tirées vers les pôles opposés à mesure que les microtubules raccourcissent (anaphase A) et que les pôles s’écartent (anaphase B) ;
  • la télophase : les chromosomes se décondensent, et une enveloppe nucléaire se reforme autour de chaque lot.

La cytodiérèse divise ensuite le cytoplasme : dans les cellules animales, un anneau contractile d’actine et de myosine étrangle la cellule en deux ; dans les cellules végétales, des vésicules issues du Golgi fusionnent à l’équateur en une plaque cellulaire qui s’étend vers l’extérieur en une paroi neuve.

Cellules d’apex racinaire d’oignon en interphase, prophase, métaphase, anaphase, télophase, et après la cytodiérèse avec la paroi neuve en travers du milieu. Les chromosomes ne sont visibles que condensés, de la prophase à la télophase.
Cellules d’apex racinaire d’oignon en interphase, prophase, métaphase, anaphase, télophase, et après la cytodiérèse avec la paroi neuve en travers du milieu. Les chromosomes ne sont visibles que condensés, de la prophase à la télophase.
Quatre phases de la mitose dans une cellule animale. Prophase : les chromosomes se condensent tandis que le fuseau se forme à partir des deux centrosomes. Métaphase : chaque chromosome se place à l’équateur, attaché des deux pôles. Anaphase : les chromatides sœurs sont écartées. Télophase : deux noyaux se reforment et le sillon divise la cellule.
Quatre phases de la mitose dans une cellule animale. Prophase : les chromosomes se condensent tandis que le fuseau se forme à partir des deux centrosomes. Métaphase : chaque chromosome se place à l’équateur, attaché des deux pôles. Anaphase : les chromatides sœurs sont écartées. Télophase : deux noyaux se reforment et le sillon divise la cellule.
Une cellule en culture en métaphase, ses microtubules marqués en vert et ses chromosomes en bleu : le fuseau traverse la cellule d’un pôle à l’autre et les chromosomes forment une plaque à son équateur.
Une cellule en culture en métaphase, ses microtubules marqués en vert et ses chromosomes en bleu : le fuseau traverse la cellule d’un pôle à l’autre et les chromosomes forment une plaque à son équateur.

Proposition 18.9 (Ce que conserve la mitose)

La mitose est une division qui conserve le nombre de chromosomes : une cellule à 2n chromosomes (46 chez l’humain) donne deux cellules à 2n. La quantité d’ADN passe de 2q2q (après réplication) à qq dans chaque fille ; le nombre de chromosomes ne change jamais, parce qu’un chromosome se compte par son centromère et que chaque chromatide, une fois séparée, est un chromosome. Toute cellule d’un corps est ainsi génétiquement identique à l’œuf dont elle descend, aux mutations près que la copie a introduites. La division qui divise par deux le nombre de chromosomes, la méiose, relève du volume de deuxième année.

Méthode 18.10 (Lire une expérience sur le cycle cellulaire)

  1. Mesurer l’ADN par cellule (un colorant dont la fluorescence est proportionnelle à l’ADN, cellule par cellule) : les cellules à qq sont en G1_1, celles à 2q2q en G2_2 ou en M, les intermédiaires en S. Les proportions donnent les durées : la part d’une phase dans le cycle est sa part des cellules.
  2. Donner un marquage bref par un nucléotide marqué (bromodésoxyuridine) : seules les cellules en phase S le captent ; la fraction marquée est la fraction en S, et suivre le marquage jusqu’en mitose donne la durée de G2_2.
  3. Compter les figures de mitose sur une coupe colorée : l’index mitotique, la fraction de cellules en M, est la part du cycle qu’occupe M — 4 %4\,\% pour un cycle de 24 h24\,\mathrm{h} avec une mitose d’une heure.
  4. Bloquer une étape (une substance qui dépolymérise les microtubules arrête les cellules en métaphase ; une qui bloque la synthèse d’ADN les arrête en S) et compter ce qui s’accumule.

Exemple 18.11 (Le renouvellement)

L’épithélium de l’intestin grêle est renouvelé tous les quatre jours, la peau tous les mois, les globules rouges tous les quatre mois à partir de la moelle, qui en produit deux millions par seconde ; une cellule hépatique se divise environ une fois par an et un neurone jamais. Les cellules d’une tumeur ont perdu leurs points de contrôle : elles se divisent quand elles ne le devraient pas, tolèrent des chromosomes mal répartis, et accumulent les mutations qui leur permettent de se diviser plus vite encore. La chimiothérapie exploite cette différence : les médicaments qui empoisonnent le fuseau ou la polymérase tuent les cellules qui se divisent le plus.

18.5 Exercices

Exercice 18.1 ★

Expliquer pourquoi, à une fourche, un brin est copié continûment et l’autre par fragments.

Solution

Solution de Exercice 18.1.

Les polymérases n’ajoutent des nucléotides qu’à une extrémité 3′3', de sorte que les brins neufs croissent de 5′→3′5' \to 3' ; les deux matrices sont antiparallèles, de sorte qu’à une fourche un brin neuf peut croître continûment vers la fourche tandis que l’autre doit croître en s’en éloignant, en repartant par fragments à mesure que de la matrice est découverte.

Exercice 18.2 ★

Énumérer les enzymes et les protéines d’une fourche de réplication et le rôle de chacune.

Solution

Solution de Exercice 18.2.

L’hélicase (déroule), les protéines de liaison au simple brin (tiennent les brins séparés), la topoisomérase (relâche la torsion en avant), la primase (amorces d’ARN), l’ADN polymérase (prolonge les amorces, relit), une seconde polymérase (remplace les amorces), la ligase (soude les fragments).

Exercice 18.4 ★

Ordonner les phases de la mitose et donner l’événement caractéristique de chacune.

Solution

Solution de Exercice 18.4.

Prophase (condensation, formation du fuseau), prométaphase (rupture de l’enveloppe, attachement des kinétochores), métaphase (alignement à l’équateur), anaphase (séparation des chromatides), télophase (reformation des enveloppes), puis cytodiérèse.

Exercice 18.5 ★★

Calculer le nombre de fragments d’Okazaki formés lors de la copie du génome humain (6.4×1096.4 \times 10^{9} paires, fragments de 150 150\,), et le nombre d’amorces, de retraits d’amorces et de soudures que cela suppose.

Solution

Solution de Exercice 18.5.

La moitié du génome est synthétisée en brin discontinu : 6.4×109/150=4.3×1076.4 \times 10^{9}/150 = 4.3 \times 10^{7} fragments ; autant d’amorces, de retraits et de soudures.

Exercice 18.6 ★★

Calculer le taux d’erreur par génome humain et par réplication pour une polymérase seule (10−510^{-5}), avec relecture (10−710^{-7}) et avec réparation des mésappariements (10−910^{-9}). Combien de mutations chacun donne-t-il par division ?

Solution

Solution de Exercice 18.6.

6.4×109×10−5=64 0006.4 \times 10^{9}\times 10^{-5} = 64\,000 ; ×10−7\times 10^{-7} : 640 ; ×10−9\times 10^{-9} : environ 6 mutations par division.

Exercice 18.7 ★★

Une cellule somatique perd 80 80\, nucléotides de télomère par division et part de 10 kb10\,\mathrm{kb} ; elle cesse de se diviser à 5 kb5\,\mathrm{kb}. Combien de divisions peut-elle faire ? Pourquoi une cellule cancéreuse a-t-elle besoin de télomérase ?

Solution

Solution de Exercice 18.7.

5000/80=625000/80 = 62 divisions. Une tumeur doit se diviser sans limite ; sans télomérase, ses télomères s’épuiseraient et ses cellules s’arrêteraient ou mourraient, de sorte que presque tous les cancers réactivent l’enzyme.

Exercice 18.8 ★★

Un tissu a 5 %5\,\% de ses cellules en mitose et 30 %30\,\% en phase S ; la mitose dure une heure. Calculer la durée du cycle et celle de la phase S.

Solution

Solution de Exercice 18.8.

Cycle =1 h/0.05=20 h= 1\,\mathrm{h}/0.05 = 20\,\mathrm{h} ; S =0.30×20=6 h= 0.30\times 20 = 6\,\mathrm{h}.

Exercice 18.9 ★★

Une cellule a 2n =8= 8. Donner le nombre de chromosomes, celui de chromatides et la quantité d’ADN (en qq) en G1_1, en G2_2, en métaphase, et dans chaque fille après la télophase.

Solution

Solution de Exercice 18.9.

G1_1 : 8 chromosomes, 8 chromatides, qq. G2_2 : 8, 16, 2q2q. Métaphase : 8, 16, 2q2q. Cellule fille : 8, 8, qq.

Exercice 18.10 ★★★

E. coli met 40 min40\,\mathrm{min} à répliquer son chromosome mais se divise toutes les 20 min20\,\mathrm{min} en milieu riche. Expliquer comment, et calculer le nombre d’origines et de fourches que contient une cellule au moment de sa division.

Solution

Solution de Exercice 18.10.

De nouveaux cycles démarrent à l’origine toutes les 20 min20\,\mathrm{min} avant la fin du précédent : la réplication se chevauche, et une cellule nouveau-née a déjà de l’ADN partiellement répliqué. À la division, le chromosome qui achève son cycle a été commencé 40 min40\,\mathrm{min} plus tôt, un deuxième cycle commencé 20 min20\,\mathrm{min} plus tôt a ses fourches à mi-chemin, et un troisième débute à peine : 4 origines et 6 fourches dans la cellule en division.

Exercice 18.11 ★★★

La colchicine dépolymérise les microtubules. Prédire ce qu’il advient d’une cellule en division qu’on en traite, de son nombre de chromosomes si elle repasse ensuite en interphase, et pourquoi ce produit sert à établir des caryotypes.

Solution

Solution de Exercice 18.11.

Aucun fuseau ne se forme : les chromosomes se condensent mais ne peuvent ni s’aligner ni se séparer, et la cellule s’arrête au point de contrôle du fuseau, dans un état voisin de la métaphase. Si elle repasse en interphase sans se diviser, elle a 4n chromosomes (tétraploïde). Des cellules arrêtées avec des chromosomes condensés et séparés sont exactement ce qu’exige un caryotype : on applique le produit pour les accumuler.

Exercice 18.12 ★★★

« La mitose est une copie du génome suivie d’un comptage. » Discuter en un paragraphe : ce que garantit la réplication, ce que garantit le fuseau, les points de contrôle entre les deux, et ce qui échoue dans une cellule qui répartit mal un chromosome.

Solution

Solution de Exercice 18.12.

La réplication garantit que chaque chromosome devient deux chromatides identiques, à une erreur sur un milliard près ; le fuseau garantit que chaque fille reçoit l’une de chaque paire, en attachant chaque chromosome des deux pôles et en retenant l’anaphase jusqu’à ce que chacun soit sous tension. Le point de contrôle de G2_2 assure que la copie est achevée avant que le comptage ne commence ; celui du fuseau assure que le comptage est en place avant la séparation. Une cellule qui répartit mal se retrouve avec un chromosome en trop ou en moins (aneuploïdie) : une copie exacte à la lettre, livrée à la mauvaise adresse — ce qui tue la plupart de ces cellules et caractérise la plupart des cancers.

18.6 Problème : copier un génome humain

Problème 18.1

Problème du week-end — une phase S de huit heures : fourches chronométrées, origines comptées, fragments et amorces dénombrés, erreurs évaluées, et une bactérie comparée, jusqu’au nombre minimal d’origines

Une cellule humaine réplique 6.4×1096.4 \times 10^{9} paires de bases en une phase S de 8 h8\,\mathrm{h}. Une fourche eucaryote avance à 50 bp/s50\,\mathrm{bp}/\mathrm{s} ; une fourche bactérienne à 1000 bp/s1000\,\mathrm{bp}/\mathrm{s}. Les fragments d’Okazaki font 150 150\, nucléotides chez les eucaryotes et 1500 1500\, chez les bactéries. Chaque nucléotide ajouté coûte deux équivalents ATP (le précurseur triphosphate). Taux d’erreur par base : 10−510^{-5} pour la polymérase seule, 10−710^{-7} avec relecture, 10−910^{-9} avec réparation des mésappariements.

Partie I — Fourches et origines.

  1. Combien de paires de bases une fourche copie-t-elle en 8 h8\,\mathrm{h} ?
  2. Une origine émet deux fourches. Combien de paires de bases une origine copie-t-elle en 8 h8\,\mathrm{h} ?
  3. Calculer le nombre minimal d’origines nécessaires pour copier le génome en 8 h8\,\mathrm{h} si toutes s’allument au départ.
  4. Calculer l’espacement moyen de ces origines le long de l’ADN, en kilobases et en micromètres.
  5. En réalité les origines s’allument tout au long de la phase S et quelque 40 00040\,000 sont employées. Calculer l’espacement moyen et la distance moyenne réellement parcourue par une fourche.
  6. Combien de temps faudrait-il pour copier le plus grand chromosome (250 Mb250\,\mathrm{Mb}) depuis une origine unique placée en son milieu ?
  7. Expliquer pourquoi c’est le nombre d’origines, et non la vitesse des fourches, que l’évolution a ajusté pour raccourcir la phase S.

Partie II — Fragments et amorces.

  1. Calculer le nombre de fragments d’Okazaki formés en une phase S.
  2. Calculer le nombre d’amorces d’ARN posées, en comptant une par brin continu et par origine.
  3. Calculer le nombre de soudures nécessaires.
  4. Calculer le nombre total de nucléotides polymérisés (les deux brins du génome entier).
  5. Calculer les équivalents ATP dépensés en polymérisation, et le débit moyen en ATP par seconde sur la phase S.
  6. Comparer au renouvellement d’ATP d’une cellule au repos, d’environ 10910^9 par seconde : quelle fraction de l’énergie de la cellule passe dans la polymérisation ?

Partie III — Les erreurs.

  1. Calculer le nombre d’erreurs par phase S pour chacun des trois taux d’erreur.
  2. La séquence codante d’un gène fait 1.5 kb1.5\,\mathrm{kb}. Avec la machinerie complète, quelle est la probabilité qu’un gène donné acquière une mutation en une division ?
  3. Les cellules d’une personne subissent quelque 101610^{16} divisions au cours d’une vie. Combien de mutations au total, à 10−910^{-9} ? Pourquoi le corps le tolère-t-il ?
  4. Une mutation invalide la réparation des mésappariements. De quel facteur le taux de mutation monte-t-il, et qu’est-ce que cela fait au risque de cancer sur une vie ?

Partie IV — La bactérie. E. coli : 4.6 Mb4.6\,\mathrm{Mb}, une origine, deux fourches.

  1. Calculer le temps de réplication du chromosome.
  2. En milieu riche, la cellule se divise toutes les 20 min20\,\mathrm{min}. Combien de cycles de réplication sont en cours à la fois, et combien d’origines une cellule nouveau-née porte-t-elle ?
  3. Calculer le nombre de fragments d’Okazaki par cycle et par seconde.
  4. Calculer les erreurs par cycle à 10−910^{-9} et la fraction de cellules filles porteuses d’une mutation nouvelle.
  5. Une culture de 10910^9 cellules par millilitre se divise une fois. Combien de mutations nouvelles apparaissent dans un millilitre, et combien touchent un gène donné de 1 kb1\,\mathrm{kb} ?
  6. Expliquer pourquoi une résistance à un antibiotique se rencontre dans presque n’importe quelle grande culture d’une souche sensible.
  7. Comparer les deux organismes : paires de bases, origines, vitesse des fourches, durée de la phase S, et le dispositif qui permet de copier le plus grand génome en un temps comparable.
  8. Énoncer le résultat : le nombre minimal d’origines pour une phase S humaine de 8 h8\,\mathrm{h}, ainsi que le nombre réel et l’espacement correspondant.
Solution

Solution de Problème 18.1.

1. 50×28 800=1.44×106 bp50\times 28\,800 = 1.44 \times 10^{6}\,\mathrm{bp}. 2. 2.88×106 bp2.88 \times 10^{6}\,\mathrm{bp}. 3. 6.4×109/2.88×106=22206.4 \times 10^{9}/2.88 \times 10^{6} = 2220 origines. 4. 2.9 Mb2.9\,\mathrm{Mb}, soit 2.9×106×0.34 nm=0.98 mm2.9\times 10^6\times 0.34\,\mathrm{nm} = 0.98\,\mathrm{mm} d’ADN entre deux origines. 5. 6.4×109/40 000=160 kb6.4 \times 10^{9}/40\,000 = 160\,\mathrm{kb} d’espacement ; chaque fourche parcourt environ 80 kb80\,\mathrm{kb}, une demi-heure de travail. 6. 125 Mb125\,\mathrm{Mb} par fourche à 50 bp/s50\,\mathrm{bp}/\mathrm{s} : 2.5×1062.5 \times 10^{6} s, soit 29 jours. 7. La vitesse des fourches est limitée par la chimie et par la chromatine (vingt fois plus lente que chez les bactéries) ; les origines peuvent être multipliées sans limite, de sorte que la phase S se raccourcit en ajoutant des points de départ, non en accélérant les fourches. 8. La synthèse discontinue couvre la moitié du génome, soit 3.2×1093.2 \times 10^{9} nucléotides : 2.1×1072.1 \times 10^{7} fragments (les deux fourches de chaque origine ont chacune un brin discontinu, et les moitiés totalisent l’équivalent d’un génome). 9. 2.1×107+2×40 000=2.1×1072.1 \times 10^{7} + 2\times40\,000 = 2.1 \times 10^{7} amorces. 10. Environ 2.1×1072.1 \times 10^{7} soudures (une par fragment) plus une par rencontre de fourches. 11. 2×6.4×109=1.28×10102\times6.4 \times 10^{9} = 1.28 \times 10^{10} nucléotides. 12. 2.56×10102.56 \times 10^{10} ATP ; sur 28 800 s28\,800\,\mathrm{s}, 8.9×1058.9 \times 10^{5} par seconde. 13. Environ 0.1 %0.1\,\% du renouvellement d’ATP de la cellule : la polymérisation est bon marché ; ce qui coûte cher, c’est de fabriquer les nucléotides et les histones. 14. 64 00064\,000, 640 et 6.4 erreurs. 15. 1500×10−9=1.5×10−61500\times 10^{-9} = 1.5 \times 10^{-6} : un gène sur sept cent mille par division. 16. 1016×6.4=6.4×101610^{16}\times 6.4 = 6.4 \times 10^{16} mutations — chaque changement ponctuel possible du génome, bien des fois, dispersé parmi 101310^{13} cellules : presque toutes tombent dans de l’ADN non codant ou dans des cellules qui seront desquamées, et une cellule mutée est une parmi des milliards ; seules quelques combinaisons dans une même cellule comptent. 17. D’un facteur cent (10−710^{-7}) : la suite de mutations qui fait un cancer, qui met des décennies à s’accumuler à 10−910^{-9}, s’accumule bien plus tôt — les déficits héréditaires de la réparation des mésappariements causent des cancers du côlon dès le début de l’âge adulte. 18. 2.3×1062.3 \times 10^{6} paires par fourche à 1000 bp/s1000\,\mathrm{bp}/\mathrm{s} : 2300 s2300\,\mathrm{s}, soit 38 min38\,\mathrm{min}. 19. Environ deux cycles se chevauchent ; une cellule nouveau-née porte deux origines (chacune déjà répliquée une fois) et des fourches à mi-parcours : son chromosome est partiellement répliqué à sa naissance. 20. 4.6×106/1500=30704.6 \times 10^{6}/1500 = 3070 fragments par cycle, soit environ 1.3 par seconde. 21. 4.6×106×10−9=4.6×10−34.6 \times 10^{6}\times 10^{-9} = 4.6 \times 10^{-3} erreur par cycle : environ une cellule fille sur 200 porte une mutation nouvelle. 22. 109×4.6×10−3=4.6×10610^9\times4.6 \times 10^{-3} = 4.6 \times 10^{6} mutations nouvelles par millilitre ; un gène donné de 1 kb1\,\mathrm{kb} est touché 4.6×106×1000/4.6×106=10004.6 \times 10^{6}\times 1000/4.6 \times 10^{6} = 1000 fois. 23. Avec mille mutations indépendantes dans un gène donné par millilitre et par division, chaque changement ponctuel possible — dont ceux qui confèrent la résistance — est déjà présent dans une grande culture avant qu’on n’applique l’antibiotique ; le médicament sélectionne, il ne crée pas. 24. Humain : 6.4×1096.4 \times 10^{9} paires, 40 00040\,000 origines, 50 bp/s50\,\mathrm{bp}/\mathrm{s}, 8 h8\,\mathrm{h}. Bactérie : 4.6×1064.6 \times 10^{6} paires, une origine, 1000 bp/s1000\,\mathrm{bp}/\mathrm{s}, 40 min40\,\mathrm{min}. Un génome mille fois plus grand, copié par des fourches vingt fois plus lentes, en douze fois le temps seulement : la différence tient aux dizaines de milliers d’origines qui travaillent en parallèle. 25. Environ 22002200 origines au minimum, si toutes s’allumaient à la fois ; en réalité quelque 40 00040\,000, une toutes les 160 kb160\,\mathrm{kb}, s’allumant tour à tour de sorte que chaque fourche parcourt environ 80 kb80\,\mathrm{kb}.

Termes définis dans ce chapitre

Voir les 479 termes du glossaire