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title: "Réplication de l’ADN et mitose"
book: "Biologie universitaire — 1re année"
subject: biology
language: fr
chapter: 18
exercises: 12
source: https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/18-replication-de-ladn-et-mitose
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# Chapitre 18 — Réplication de l’ADN et mitose

Toutes les huit heures environ, une [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) du revêtement intestinal copie six milliards de [paires de bases](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#thm-b1-nucleic-acids-helix) avec environ une erreur sur un milliard, puis répartit les deux copies entre deux filles de sorte que chacune reçoive exactement quarante-six [chromosomes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) — 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](#def-b1-replication-mitosis-mitosis) de [microtubules](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/6-organisation-fonctionnelle-de-la-cellule-eucaryote#def-b1-eukaryotic-cell-cytoskeleton) qui écarte les deux copies de chaque [chromosome](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) avec une exactitude d’une erreur pour cent mille divisions. Ce chapitre décrit la [fourche de réplication](#def-b1-replication-mitosis-fork) et ses [enzymes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/13-enzymes-et-catalyse-biochimique#def-b1-enzymes-enzyme), le problème des extrémités, le [cycle cellulaire](#def-b1-replication-mitosis-cycle) qui règle la réplication et la division, et la [mitose](#def-b1-replication-mitosis-mitosis), la division elle-même.

## 18.1 La réplication semi-conservative

**Proposition 18.1 (Chaque brin est une matrice).**

L’[ADN](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#def-b1-nucleic-acids-chain) 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](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#def-b1-nucleic-acids-chain) par densité : après une génération, tout l’[ADN](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#def-b1-nucleic-acids-chain) 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](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) 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](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/13-enzymes-et-catalyse-biochimique#def-b1-enzymes-enzyme) qui synthétisait de l’[ADN](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#def-b1-nucleic-acids-chain) 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](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) bactérien, des dizaines de milliers sur un [génome](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) 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](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/8-leau-et-les-petites-biomolecules#def-b1-water-small-molecules-atp) par [paire de bases](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#thm-b1-nucleic-acids-helix)), des *[protéines](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/12-acides-amines-et-proteines#def-b1-proteins-peptide) 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](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#def-b1-nucleic-acids-chain) polymérase* n’ajoute des [nucléotides](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#def-b1-nucleic-acids-nucleotide) qu’à l’hydroxyle $3'$ d’une chaîne existante, de sorte que tout brin neuf croît de $5' \to 3'$ et qu’aucun ne peut partir de rien : une *primase* pose d’abord une courte *amorce* d’[ARN](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#def-b1-nucleic-acids-chain) que la polymérase prolonge. Sur la matrice lue de $3' \to 5'$, 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 $1000\text{ to }2000\,$ [nucléotides](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#def-b1-nucleic-acids-nucleotide) chez les bactéries et de $100\text{ to }200\,$ 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](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#def-b1-nucleic-acids-chain) 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'.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-3/b1-replication-mitosis/fig-0efda83db3f2.svg)

*Une [fourche de réplication](#def-b1-replication-mitosis-fork). 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](#def-b1-replication-mitosis-fork), parce que les polymérases ne bâtissent que dans le sens $5' \to 3'$.*

**Proposition 18.3 (Fidélité).**

L’appariement des bases seul donnerait environ une erreur sur $10^5$ ; la polymérase *relit* — une activité exonucléase $3' \to 5'$ retire un [nucléotide](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#def-b1-nucleic-acids-nucleotide) mal apparié avant que le suivant ne soit ajouté — ce qui ramène l’erreur à une sur $10^7$ ; 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 $10^9$ à $10^{10}$ [paires de bases](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#thm-b1-nucleic-acids-helix) répliquées. Une [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) humaine qui copie $6.4 \times 10^{9}$ 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 $1000\,$ [paires de bases](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#thm-b1-nucleic-acids-helix) par seconde : deux fourches copient les $4.6\,\mathrm{Mb}$ d’*E. coli* en $40\,\mathrm{min}$, et en milieu riche, où la [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) 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 $50\,$ par seconde : copier un [chromosome](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) humain de $250\,\mathrm{Mb}$ depuis une origine unique prendrait un mois, de sorte que le [génome](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) est copié à partir de quelque $40\,000$ 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](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) 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 $3'$ à partir duquel combler la brèche, et chaque réplication raccourcirait le [chromosome](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) de $50\text{ to }100\,$ [nucléotides](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#def-b1-nucleic-acids-nucleotide). Les eucaryotes terminent leurs [chromosomes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) par des *[télomères](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-karyotype)*, des milliers de copies d’une courte répétition (TTAGGG chez les vertébrés) qui ne portent aucun [gène](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene), et les [cellules](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) germinales et les [cellules](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) souches possèdent la *télomérase*, [enzyme](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/13-enzymes-et-catalyse-biochimique#def-b1-enzymes-enzyme) munie de sa propre matrice d’[ARN](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#def-b1-nucleic-acids-chain) qui ajoute des répétitions à l’extrémité $3'$ et restitue ce que la réplication perd. La plupart des [cellules](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) somatiques en sont dépourvues : leurs [télomères](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-karyotype) raccourcissent à chaque division, et après une cinquantaine de divisions en culture elles cessent de se diviser. Les bactéries, à [chromosome](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) 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.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-3/b1-replication-mitosis/fig-14c7fd7aa5e5.svg)

*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](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) ; la télomérase ajoute des répétitions à l’extrémité $3'$ de la matrice, de sorte que la perte porte sur une séquence sans [gènes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene).*

## 18.3 Le cycle cellulaire

**Définition 18.6 (Le cycle cellulaire).**

Le *cycle cellulaire* d’une [cellule eucaryote](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-prokeuk) comporte quatre phases. *G$_1$* (gap 1) : la [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) croît et fabrique les [enzymes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/13-enzymes-et-catalyse-biochimique#def-b1-enzymes-enzyme) de la réplication ; *S* (synthèse) : elle réplique son [ADN](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#def-b1-nucleic-acids-chain), de sorte que chaque [chromosome](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) devient deux *[chromatides](#def-b1-replication-mitosis-mitosis) sœurs* identiques unies au [centromère](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-karyotype) ; *G$_2$* : elle croît encore et vérifie les copies ; *M* : la *[mitose](#def-b1-replication-mitosis-mitosis)*, division du noyau, suivie de la *cytodiérèse*, division du [cytoplasme](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell). G$_1$, S et G$_2$ forment ensemble l’*interphase*, où les [chromosomes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) sont déployés et actifs ; une [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) qui cesse de se diviser quitte le cycle depuis G$_1$ pour un état de repos, G$_0$. Une [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) humaine en division met environ $24\,\mathrm{h}$ : G$_1$ $10\,\mathrm{h}$, S $8\,\mathrm{h}$, G$_2$ $4\,\mathrm{h}$, M $1\,\mathrm{h}$ ; une levure, $90\,\mathrm{min}$ ; 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.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-3/b1-replication-mitosis/fig-707881368bc0.svg)

*La quantité d’[ADN](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#def-b1-nucleic-acids-chain) d’un noyau au cours d’un [cycle cellulaire](#def-b1-replication-mitosis-cycle) de $24\,\mathrm{h}$. Elle double pendant la phase S, de $q$ (2n [chromosomes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) à une [chromatide](#def-b1-replication-mitosis-mitosis)) à $2q$ (2n [chromosomes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) à deux [chromatides](#def-b1-replication-mitosis-mitosis)), et revient à $q$ dans chaque [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) fille à la fin de la [mitose](#def-b1-replication-mitosis-mitosis) ; le nombre de [chromosomes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) ne change jamais.*

**Proposition 18.7 (Les points de contrôle).**

Le cycle est poussé en avant par une famille de [protéines](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/12-acides-amines-et-proteines#def-b1-proteins-peptide) kinases, activées tour à tour par des [protéines](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/12-acides-amines-et-proteines#def-b1-proteins-peptide) appelées *cyclines* dont les taux montent et descendent au long du cycle, et il est retenu à des *[points de contrôle](#prop-b1-replication-mitosis-checkpoints)* tant que les conditions ne sont pas remplies : à la fin de G$_1$, la [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) ne s’engage à répliquer que si elle est assez grande, nourrie et invitée à se diviser, et si son [ADN](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#def-b1-nucleic-acids-chain) est intact ; à la fin de G$_2$, elle n’entre en [mitose](#def-b1-replication-mitosis-mitosis) que si la réplication est achevée ; en [mitose](#def-b1-replication-mitosis-mitosis), les [chromatides](#def-b1-replication-mitosis-mitosis) ne se séparent que lorsque chaque [chromosome](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) est attaché au [fuseau](#def-b1-replication-mitosis-mitosis) des deux côtés. Une lésion arrête le cycle et, si elle ne peut pas être réparée, déclenche la mort de la [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell). 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](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) répliqués de sorte que chaque noyau fille reçoive une chromatide de chaque [chromosome](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) — le même nombre et les mêmes [gènes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene) que le parent. Ses phases :

- la *prophase* : les [chromosomes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) se condensent en bâtonnets visibles, chacun fait de deux chromatides sœurs tenues ensemble sur toute leur longueur par des [protéines](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/12-acides-amines-et-proteines#def-b1-proteins-peptide) cohésines ; les deux *[centrosomes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/6-organisation-fonctionnelle-de-la-cellule-eucaryote#def-b1-eukaryotic-cell-cytoskeleton)* s’écartent et le *fuseau mitotique* de [microtubules](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/6-organisation-fonctionnelle-de-la-cellule-eucaryote#def-b1-eukaryotic-cell-cytoskeleton) pousse entre eux ;
- la *prométaphase* : l’ [enveloppe nucléaire](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/6-organisation-fonctionnelle-de-la-cellule-eucaryote#def-b1-eukaryotic-cell-nucleus) se rompt ; les [microtubules](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/6-organisation-fonctionnelle-de-la-cellule-eucaryote#def-b1-eukaryotic-cell-cytoskeleton) du fuseau s’attachent au *kinétochore* de chaque chromatide, structure protéique du [centromère](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-karyotype) , depuis des pôles opposés ;
- la *métaphase* : les [chromosomes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) 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](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/6-organisation-fonctionnelle-de-la-cellule-eucaryote#def-b1-eukaryotic-cell-cytoskeleton) raccourcissent (anaphase A) et que les pôles s’écartent (anaphase B) ;
- la *télophase* : les [chromosomes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) se décondensent, et une [enveloppe nucléaire](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/6-organisation-fonctionnelle-de-la-cellule-eucaryote#def-b1-eukaryotic-cell-nucleus) se reforme autour de chaque lot.

La *cytodiérèse* divise ensuite le [cytoplasme](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) : dans les [cellules](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) animales, un *anneau contractile* d’actine et de myosine étrangle la [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) en deux ; dans les [cellules](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) végétales, des vésicules issues du [Golgi](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/6-organisation-fonctionnelle-de-la-cellule-eucaryote#def-b1-eukaryotic-cell-endomembrane) 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.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-3/b1-replication-mitosis/img-3fba7d211d74.jpg)

*[Cellules](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) d’apex racinaire d’oignon en [interphase](#def-b1-replication-mitosis-cycle), prophase, métaphase, anaphase, télophase, et après la cytodiérèse avec la paroi neuve en travers du milieu. Les [chromosomes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) 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.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-3/b1-replication-mitosis/fig-efd572152cb8.svg)

*Quatre phases de la [mitose](#def-b1-replication-mitosis-mitosis) dans une [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) animale. Prophase : les [chromosomes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) se condensent tandis que le [fuseau](#def-b1-replication-mitosis-mitosis) se forme à partir des deux [centrosomes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/6-organisation-fonctionnelle-de-la-cellule-eucaryote#def-b1-eukaryotic-cell-cytoskeleton). Métaphase : chaque [chromosome](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) se place à l’équateur, attaché des deux pôles. Anaphase : les [chromatides](#def-b1-replication-mitosis-mitosis) sœurs sont écartées. Télophase : deux noyaux se reforment et le sillon divise la [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell).*

![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.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-3/b1-replication-mitosis/img-921338e6f76f.jpg)

*Une [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) en culture en métaphase, ses [microtubules](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/6-organisation-fonctionnelle-de-la-cellule-eucaryote#def-b1-eukaryotic-cell-cytoskeleton) marqués en vert et ses [chromosomes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) en bleu : le [fuseau](#def-b1-replication-mitosis-mitosis) traverse la [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) d’un pôle à l’autre et les [chromosomes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) forment une plaque à son équateur.*

**Proposition 18.9 (Ce que conserve la mitose).**

La [mitose](#def-b1-replication-mitosis-mitosis) est une division qui conserve le nombre de [chromosomes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) : une [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) à 2n [chromosomes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) (46 chez l’humain) donne deux [cellules](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) à 2n. La quantité d’[ADN](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#def-b1-nucleic-acids-chain) passe de $2q$ (après réplication) à $q$ dans chaque fille ; le nombre de [chromosomes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) ne change jamais, parce qu’un [chromosome](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) se compte par son [centromère](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-karyotype) et que chaque [chromatide](#def-b1-replication-mitosis-mitosis), une fois séparée, est un [chromosome](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome). Toute [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) 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](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome), la méiose, relève du volume de deuxième année.

**Méthode 18.10 (Lire une expérience sur le cycle cellulaire).**

1. Mesurer l’ [ADN](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#def-b1-nucleic-acids-chain) par [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) (un colorant dont la fluorescence est proportionnelle à l’ [ADN](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#def-b1-nucleic-acids-chain) , [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) par [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) ) : les [cellules](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) à $q$ sont en G $_1$ , celles à $2q$ en G $_2$ 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](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) .
2. Donner un marquage bref par un [nucléotide](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#def-b1-nucleic-acids-nucleotide) marqué (bromodésoxyuridine) : seules les [cellules](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) en phase S le captent ; la fraction marquée est la fraction en S, et suivre le marquage jusqu’en [mitose](#def-b1-replication-mitosis-mitosis) donne la durée de G $_2$ .
3. Compter les figures de [mitose](#def-b1-replication-mitosis-mitosis) sur une coupe colorée : l’ *index mitotique* , la fraction de [cellules](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) en M, est la part du cycle qu’occupe M — $4\,\%$ pour un cycle de $24\,\mathrm{h}$ avec une [mitose](#def-b1-replication-mitosis-mitosis) d’une heure.
4. Bloquer une étape (une substance qui dépolymérise les [microtubules](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/6-organisation-fonctionnelle-de-la-cellule-eucaryote#def-b1-eukaryotic-cell-cytoskeleton) arrête les [cellules](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) en métaphase ; une qui bloque la synthèse d’ [ADN](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#def-b1-nucleic-acids-chain) les arrête en S) et compter ce qui s’accumule.

**Exemple 18.11 (Le renouvellement).**

L’[épithélium](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/4-plans-dorganisation-et-tissus-animaux#def-b1-body-plans-tissues-epithelium) 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](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) hépatique se divise environ une fois par an et un [neurone](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/4-plans-dorganisation-et-tissus-animaux#def-b1-body-plans-tissues-nervous) jamais. Les [cellules](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) d’une tumeur ont perdu leurs [points de contrôle](#prop-b1-replication-mitosis-checkpoints) : elles se divisent quand elles ne le devraient pas, tolèrent des [chromosomes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) 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](#def-b1-replication-mitosis-mitosis) ou la polymérase tuent les [cellules](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) 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 de Exercice 18.1.**

Les polymérases n’ajoutent des [nucléotides](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#def-b1-nucleic-acids-nucleotide) qu’à une extrémité $3'$, de sorte que les brins neufs croissent de $5' \to 3'$ ; 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](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/13-enzymes-et-catalyse-biochimique#def-b1-enzymes-enzyme) et les [protéines](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/12-acides-amines-et-proteines#def-b1-proteins-peptide) d’une [fourche de réplication](#def-b1-replication-mitosis-fork) et le rôle de chacune.

**Solution de Exercice 18.2.**

L’hélicase (déroule), les [protéines](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/12-acides-amines-et-proteines#def-b1-proteins-peptide) de liaison au simple brin (tiennent les brins séparés), la topoisomérase (relâche la torsion en avant), la primase (amorces d’[ARN](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#def-b1-nucleic-acids-chain)), l’[ADN polymérase](#def-b1-replication-mitosis-fork) (prolonge les amorces, relit), une seconde polymérase (remplace les amorces), la ligase (soude les fragments).

**Exercice 18.3 ★.**

D’après la figure de la quantité d’[ADN](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#def-b1-nucleic-acids-chain), lire la quantité d’[ADN](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#def-b1-nucleic-acids-chain) en G$_1$, en G$_2$ et après la [mitose](#def-b1-replication-mitosis-mitosis), ainsi que le nombre de [chromosomes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) dans chaque cas.

**Solution de Exercice 18.3.**

G$_1$ : $q$, 2n [chromosomes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) à une [chromatide](#def-b1-replication-mitosis-mitosis). G$_2$ : $2q$, 2n [chromosomes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) à deux [chromatides](#def-b1-replication-mitosis-mitosis). Après la [mitose](#def-b1-replication-mitosis-mitosis) : $q$ par [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) fille, 2n [chromosomes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) chacune.

**Exercice 18.4 ★.**

Ordonner les phases de la [mitose](#def-b1-replication-mitosis-mitosis) et donner l’événement caractéristique de chacune.

**Solution de Exercice 18.4.**

Prophase (condensation, formation du [fuseau](#def-b1-replication-mitosis-mitosis)), prométaphase (rupture de l’enveloppe, attachement des kinétochores), métaphase (alignement à l’équateur), anaphase (séparation des [chromatides](#def-b1-replication-mitosis-mitosis)), télophase (reformation des enveloppes), puis cytodiérèse.

**Exercice 18.5 ★★.**

Calculer le nombre de [fragments d’Okazaki](#def-b1-replication-mitosis-fork) formés lors de la copie du [génome](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) humain ($6.4 \times 10^{9}$ paires, fragments de $150\,$), et le nombre d’amorces, de retraits d’amorces et de soudures que cela suppose.

**Solution de Exercice 18.5.**

La moitié du [génome](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) est synthétisée en brin discontinu : $6.4 \times 10^{9}/150 =
4.3 \times 10^{7}$ fragments ; autant d’amorces, de retraits et de soudures.

**Exercice 18.6 ★★.**

Calculer le taux d’erreur par [génome](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) humain et par réplication pour une polymérase seule ($10^{-5}$), avec relecture ($10^{-7}$) et avec réparation des mésappariements ($10^{-9}$). Combien de mutations chacun donne-t-il par division ?

**Solution de Exercice 18.6.**

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

**Exercice 18.7 ★★.**

Une [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) somatique perd $80\,$ [nucléotides](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#def-b1-nucleic-acids-nucleotide) de [télomère](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-karyotype) par division et part de $10\,\mathrm{kb}$ ; elle cesse de se diviser à $5\,\mathrm{kb}$. Combien de divisions peut-elle faire ? Pourquoi une [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) cancéreuse a-t-elle besoin de télomérase ?

**Solution de Exercice 18.7.**

$5000/80 = 62$ divisions. Une tumeur doit se diviser sans limite ; sans télomérase, ses [télomères](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-karyotype) s’épuiseraient et ses [cellules](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) s’arrêteraient ou mourraient, de sorte que presque tous les cancers réactivent l’[enzyme](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/13-enzymes-et-catalyse-biochimique#def-b1-enzymes-enzyme).

**Exercice 18.8 ★★.**

Un [tissu](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/4-plans-dorganisation-et-tissus-animaux#def-b1-body-plans-tissues-tissue) a $5\,\%$ de ses [cellules](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) en [mitose](#def-b1-replication-mitosis-mitosis) et $30\,\%$ en phase S ; la [mitose](#def-b1-replication-mitosis-mitosis) dure une heure. Calculer la durée du cycle et celle de la phase S.

**Solution de Exercice 18.8.**

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

**Exercice 18.9 ★★.**

Une [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) a 2n $= 8$. Donner le nombre de [chromosomes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome), celui de [chromatides](#def-b1-replication-mitosis-mitosis) et la quantité d’[ADN](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#def-b1-nucleic-acids-chain) (en $q$) en G$_1$, en G$_2$, en métaphase, et dans chaque fille après la télophase.

**Solution de Exercice 18.9.**

G$_1$ : 8 [chromosomes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome), 8 [chromatides](#def-b1-replication-mitosis-mitosis), $q$. G$_2$ : 8, 16, $2q$. Métaphase : 8, 16, $2q$. [Cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) fille : 8, 8, $q$.

**Exercice 18.10 ★★★.**

*E. coli* met $40\,\mathrm{min}$ à répliquer son [chromosome](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) mais se divise toutes les $20\,\mathrm{min}$ en milieu riche. Expliquer comment, et calculer le nombre d’origines et de fourches que contient une [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) au moment de sa division.

**Solution de Exercice 18.10.**

De nouveaux cycles démarrent à l’origine toutes les $20\,\mathrm{min}$ avant la fin du précédent : la réplication se chevauche, et une [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) nouveau-née a déjà de l’[ADN](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#def-b1-nucleic-acids-chain) partiellement répliqué. À la division, le [chromosome](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) qui achève son cycle a été commencé $40\,\mathrm{min}$ plus tôt, un deuxième cycle commencé $20\,\mathrm{min}$ plus tôt a ses fourches à mi-chemin, et un troisième débute à peine : 4 origines et 6 fourches dans la [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) en division.

**Exercice 18.11 ★★★.**

La colchicine dépolymérise les [microtubules](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/6-organisation-fonctionnelle-de-la-cellule-eucaryote#def-b1-eukaryotic-cell-cytoskeleton). Prédire ce qu’il advient d’une [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) en division qu’on en traite, de son nombre de [chromosomes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) si elle repasse ensuite en [interphase](#def-b1-replication-mitosis-cycle), et pourquoi ce produit sert à établir des [caryotypes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-karyotype).

**Solution de Exercice 18.11.**

Aucun [fuseau](#def-b1-replication-mitosis-mitosis) ne se forme : les [chromosomes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) se condensent mais ne peuvent ni s’aligner ni se séparer, et la [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) s’arrête au [point de contrôle](#prop-b1-replication-mitosis-checkpoints) du [fuseau](#def-b1-replication-mitosis-mitosis), dans un état voisin de la métaphase. Si elle repasse en [interphase](#def-b1-replication-mitosis-cycle) sans se diviser, elle a 4n [chromosomes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) (tétraploïde). Des [cellules](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) arrêtées avec des [chromosomes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) condensés et séparés sont exactement ce qu’exige un [caryotype](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-karyotype) : on applique le produit pour les accumuler.

**Exercice 18.12 ★★★.**

« La [mitose](#def-b1-replication-mitosis-mitosis) est une copie du [génome](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) suivie d’un comptage. » Discuter en un paragraphe : ce que garantit la réplication, ce que garantit le [fuseau](#def-b1-replication-mitosis-mitosis), les [points de contrôle](#prop-b1-replication-mitosis-checkpoints) entre les deux, et ce qui échoue dans une [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) qui répartit mal un [chromosome](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome).

**Solution de Exercice 18.12.**

La réplication garantit que chaque [chromosome](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) devient deux [chromatides](#def-b1-replication-mitosis-mitosis) identiques, à une erreur sur un milliard près ; le [fuseau](#def-b1-replication-mitosis-mitosis) garantit que chaque fille reçoit l’une de chaque paire, en attachant chaque [chromosome](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) des deux pôles et en retenant l’anaphase jusqu’à ce que chacun soit sous tension. Le [point de contrôle](#prop-b1-replication-mitosis-checkpoints) de G$_2$ assure que la copie est achevée avant que le comptage ne commence ; celui du [fuseau](#def-b1-replication-mitosis-mitosis) assure que le comptage est en place avant la séparation. Une [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) qui répartit mal se retrouve avec un [chromosome](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) 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](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) 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](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) humaine réplique $6.4 \times 10^{9}$ [paires de bases](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#thm-b1-nucleic-acids-helix) en une phase S de $8\,\mathrm{h}$. Une fourche eucaryote avance à $50\,\mathrm{bp}/\mathrm{s}$ ; une fourche bactérienne à $1000\,\mathrm{bp}/\mathrm{s}$. Les [fragments d’Okazaki](#def-b1-replication-mitosis-fork) font $150\,$ [nucléotides](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#def-b1-nucleic-acids-nucleotide) chez les eucaryotes et $1500\,$ chez les bactéries. Chaque [nucléotide](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#def-b1-nucleic-acids-nucleotide) ajouté coûte deux équivalents [ATP](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/8-leau-et-les-petites-biomolecules#def-b1-water-small-molecules-atp) (le précurseur triphosphate). Taux d’erreur par base : $10^{-5}$ pour la polymérase seule, $10^{-7}$ avec relecture, $10^{-9}$ avec réparation des mésappariements.

**Partie I — Fourches et origines.**

1. Combien de [paires de bases](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#thm-b1-nucleic-acids-helix) une fourche copie-t-elle en $8\,\mathrm{h}$ ?
2. Une origine émet deux fourches. Combien de [paires de bases](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#thm-b1-nucleic-acids-helix) une origine copie-t-elle en $8\,\mathrm{h}$ ?
3. Calculer le nombre minimal d’origines nécessaires pour copier le [génome](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) en $8\,\mathrm{h}$ si toutes s’allument au départ.
4. Calculer l’espacement moyen de ces origines le long de l’ [ADN](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#def-b1-nucleic-acids-chain) , en kilobases et en micromètres.
5. En réalité les origines s’allument tout au long de la phase S et quelque $40\,000$ 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](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) ( $250\,\mathrm{Mb}$ ) 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.**

8. Calculer le nombre de [fragments d’Okazaki](#def-b1-replication-mitosis-fork) formés en une phase S.
9. Calculer le nombre d’amorces d’ [ARN](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#def-b1-nucleic-acids-chain) posées, en comptant une par brin continu et par origine.
10. Calculer le nombre de soudures nécessaires.
11. Calculer le nombre total de [nucléotides](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#def-b1-nucleic-acids-nucleotide) polymérisés (les deux brins du [génome](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) entier).
12. Calculer les équivalents [ATP](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/8-leau-et-les-petites-biomolecules#def-b1-water-small-molecules-atp) dépensés en polymérisation, et le débit moyen en [ATP](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/8-leau-et-les-petites-biomolecules#def-b1-water-small-molecules-atp) par seconde sur la phase S.
13. Comparer au renouvellement d’ [ATP](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/8-leau-et-les-petites-biomolecules#def-b1-water-small-molecules-atp) d’une [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) au repos, d’environ $10^9$ par seconde : quelle fraction de l’énergie de la [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) passe dans la polymérisation ?

**Partie III — Les erreurs.**

14. Calculer le nombre d’erreurs par phase S pour chacun des trois taux d’erreur.
15. La séquence codante d’un [gène](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene) fait $1.5\,\mathrm{kb}$ . Avec la machinerie complète, quelle est la probabilité qu’un [gène](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene) donné acquière une mutation en une division ?
16. Les [cellules](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) d’une personne subissent quelque $10^{16}$ divisions au cours d’une vie. Combien de mutations au total, à $10^{-9}$ ? Pourquoi le corps le tolère-t-il ?
17. 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* : $4.6\,\mathrm{Mb}$, une origine, deux fourches.

18. Calculer le temps de réplication du [chromosome](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) .
19. En milieu riche, la [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) se divise toutes les $20\,\mathrm{min}$ . Combien de cycles de réplication sont en cours à la fois, et combien d’origines une [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) nouveau-née porte-t-elle ?
20. Calculer le nombre de [fragments d’Okazaki](#def-b1-replication-mitosis-fork) par cycle et par seconde.
21. Calculer les erreurs par cycle à $10^{-9}$ et la fraction de [cellules](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) filles porteuses d’une mutation nouvelle.
22. Une culture de $10^9$ [cellules](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) par millilitre se divise une fois. Combien de mutations nouvelles apparaissent dans un millilitre, et combien touchent un [gène](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene) donné de $1\,\mathrm{kb}$ ?
23. Expliquer pourquoi une résistance à un antibiotique se rencontre dans presque n’importe quelle grande culture d’une souche sensible.
24. Comparer les deux [organismes](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/1-lorganisme-un-systeme-en-interaction-avec-son-environnement#def-b1-organism-environment-organism) : [paires de bases](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#thm-b1-nucleic-acids-helix) , origines, vitesse des fourches, durée de la phase S, et le dispositif qui permet de copier le plus grand [génome](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) en un temps comparable.
25. Énoncer le résultat : le nombre minimal d’origines pour une phase S humaine de $8\,\mathrm{h}$ , ainsi que le nombre réel et l’espacement correspondant.

**Solution de Problème 18.1.**

**1.** $50\times 28\,800 = 1.44 \times 10^{6}\,\mathrm{bp}$. **2.** $2.88 \times 10^{6}\,\mathrm{bp}$. **3.** $6.4 \times 10^{9}/2.88 \times 10^{6} = 2220$ origines. **4.** $2.9\,\mathrm{Mb}$, soit $2.9\times 10^6\times 0.34\,\mathrm{nm} =
0.98\,\mathrm{mm}$ d’[ADN](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#def-b1-nucleic-acids-chain) entre deux origines. **5.** $6.4 \times 10^{9}/40\,000 = 160\,\mathrm{kb}$ d’espacement ; chaque fourche parcourt environ $80\,\mathrm{kb}$, une demi-heure de travail. **6.** $125\,\mathrm{Mb}$ par fourche à $50\,\mathrm{bp}/\mathrm{s}$ : $2.5 \times 10^{6}$ 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](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome), soit $3.2 \times 10^{9}$ [nucléotides](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#def-b1-nucleic-acids-nucleotide) : $2.1 \times 10^{7}$ fragments (les deux fourches de chaque origine ont chacune un brin discontinu, et les moitiés totalisent l’équivalent d’un [génome](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome)). **9.** $2.1 \times 10^{7} + 2\times40\,000 = 2.1 \times 10^{7}$ amorces. **10.** Environ $2.1 \times 10^{7}$ soudures (une par fragment) plus une par rencontre de fourches. **11.** $2\times6.4 \times 10^{9} = 1.28 \times 10^{10}$ [nucléotides](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#def-b1-nucleic-acids-nucleotide). **12.** $2.56 \times 10^{10}$ [ATP](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/8-leau-et-les-petites-biomolecules#def-b1-water-small-molecules-atp) ; sur $28\,800\,\mathrm{s}$, $8.9 \times 10^{5}$ par seconde. **13.** Environ $0.1\,\%$ du renouvellement d’[ATP](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/8-leau-et-les-petites-biomolecules#def-b1-water-small-molecules-atp) de la [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) : la polymérisation est bon marché ; ce qui coûte cher, c’est de fabriquer les [nucléotides](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#def-b1-nucleic-acids-nucleotide) et les [histones](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-nucleosome). **14.** $64\,000$, 640 et 6.4 erreurs. **15.** $1500\times 10^{-9} = 1.5 \times 10^{-6}$ : un [gène](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene) sur sept cent mille par division. **16.** $10^{16}\times 6.4 = 6.4 \times 10^{16}$ mutations — chaque changement ponctuel possible du [génome](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome), bien des fois, dispersé parmi $10^{13}$ [cellules](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) : presque toutes tombent dans de l’[ADN](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/11-nucleotides-et-acides-nucleiques#def-b1-nucleic-acids-chain) non codant ou dans des [cellules](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) qui seront desquamées, et une [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) mutée est une parmi des milliards ; seules quelques combinaisons dans une même [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) comptent. **17.** D’un facteur cent ($10^{-7}$) : la suite de mutations qui fait un cancer, qui met des décennies à s’accumuler à $10^{-9}$, 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.** $2.3 \times 10^{6}$ paires par fourche à $1000\,\mathrm{bp}/\mathrm{s}$ : $2300\,\mathrm{s}$, soit $38\,\mathrm{min}$. **19.** Environ deux cycles se chevauchent ; une [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) nouveau-née porte deux origines (chacune déjà répliquée une fois) et des fourches à mi-parcours : son [chromosome](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) est partiellement répliqué à sa naissance. **20.** $4.6 \times 10^{6}/1500 = 3070$ fragments par cycle, soit environ 1.3 par seconde. **21.** $4.6 \times 10^{6}\times 10^{-9} = 4.6 \times 10^{-3}$ erreur par cycle : environ une [cellule](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/5-la-cellule-unite-du-vivant#def-b1-cell-unit-of-life-cell) fille sur 200 porte une mutation nouvelle. **22.** $10^9\times4.6 \times 10^{-3} = 4.6 \times 10^{6}$ mutations nouvelles par millilitre ; un [gène](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene) donné de $1\,\mathrm{kb}$ est touché $4.6 \times 10^{6}\times
1000/4.6 \times 10^{6} = 1000$ fois. **23.** Avec mille mutations indépendantes dans un [gène](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-gene) 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 : $6.4 \times 10^{9}$ paires, $40\,000$ origines, $50\,\mathrm{bp}/\mathrm{s}$, $8\,\mathrm{h}$. Bactérie : $4.6 \times 10^{6}$ paires, une origine, $1000\,\mathrm{bp}/\mathrm{s}$, $40\,\mathrm{min}$. Un [génome](https://one-course.com/books/biology/3/fr/chapter/17-genomes-des-cellules-et-des-virus#def-b1-genomes-genome) 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 $2200$ origines au minimum, si toutes s’allumaient à la fois ; en réalité quelque $40\,000$, une toutes les $160\,\mathrm{kb}$, s’allumant tour à tour de sorte que chaque fourche parcourt environ $80\,\mathrm{kb}$.