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1
124
Réplication de l’ADN
Mega: 106 Giga: 109
Tera: 1012 Peta: 1015
Exa: 1018 2 bytes/nt => 1018/gramme 1 000 000 000 Gigabytes
125
ADN
ARN
Transcription
Réplication
ADN
Protéines
Traduction
Les grandes étapes de la biologie moléculaire
124
ADN
Réplication
ADN
Les grandes étapes de la biologie moléculaire
La réplication du génome doit se faire:
Complètement: tout le matériel chromosomique doit être transmis Fidèlement: aucune erreur ne doit être faite (risque de mutation) Précisément: lors de chaque division cellulaire
ADNi + dNTP ADNi+1 + PPii 127
Mode de réplication universel de la bactérie aux mammifères
128
Réplication
Les grandes étapes de la biologie moléculaire
129
Les grandes étapes de la biologie moléculaire Expérience historique de Meselson et Stahl (1958).
2
130
Les grandes étapes de la biologie moléculaire Expérience historique de Meselson et Stahl (1958).
Concentration croissante en chlorure de césium
(CsCl) 1,70<d<1,75 d=1,724
Après centrifugation à l’équilibre
131
Les grandes étapes de la biologie moléculaire Expérience historique de Meselson et Stahl (1958).
132
Les grandes étapes de la biologie moléculaire Expérience historique de Meselson et Stahl (1958).
3ème réplication
Dans l’azote léger
(14N)
NB: L’épaisseur des bandes d’ADN est proportionnelle à la quantité présente
100%
50%
50%
133
Réplication
Les grandes étapes de la biologie moléculaire
134
5’ 3’
5’ 3’ Cellule mère
3’
5’
5’
3’
5’ 3’
5’ 3’ Cellule fille Cellule fille
réplication 135
La copie d’un brin se fait en se servant d’un brin
comme modèle.
L’enzyme place sur le nouveau brin une base
complémentaire à la base présente sur le modèle
Le brin néoformé est 100% complémentaire
du brin initial
3
136
ATGCCTTATAGGC T
TACGGAATATCCG
137
ATGCCTTATAGGC T A
TACGGAATATCCG
138
ATGCCTTATAGGC TA C
TACGGAATATCCG
139
ATGCCTTATAGGC TACGGAATATCCG
TACGGAATATCCG
140
ATGCCTTATAGGC TACGGAATATCCG
TACGGAATATCCG
A
141
ATGCCTTATAGGC TACGGAATATCCG
TACGGAATATCCG
AT
4
142
ATGCCTTATAGGC TACGGAATATCCG
TACGGAATATCCG
ATG
143
ATGCCTTATAGGC TACGGAATATCCG
TACGGAATATCCG
ATGCCTTATAGGC
144
ATGCCTTATAGGC TACGGAATATCCG
TACGGAATATCCG
ATGCCTTATAGGC
Molécules absolument identiques
145
ADN
Le support génétique
138
146
Mécanisme moléculaire de la réplication 5’ 3’
5’ 3’ Cellule mère
3’
5’
5’
3’
5’ 3’
5’ 3’ Cellule fille Cellule fille
Cellule mère
Cellule fille Cellule fille
147
Mécanisme moléculaire de la réplication
Fourche de réplication
Forme theta
5
148
En 1956, Arthur Kornberg purifie l'ADN polymérase I et démontre que celle-ci ne peut polymériser de l’ADN que dans une seule direction
5’-> 3’
Mécanisme moléculaire de la réplication
3’
5’
3’
5’
ADN
3’ 5’
5’ 3’
Non
3’ 5’
5’ 3’
3’ 5’
5’
3’
3’ 5’ Non
Oui
Non
que si présence d’une extrémité 3‘ et d’un brin modèle…
Réplication
+dNTPs +ADNpol-I
5’
3’ 5’
3’
149
O O
OH
O O
O
P
O O
O
O
O-
O O P O
O-
O O
O
P O
O-
O O
O
P O
O-
5’
3’
5’
3’
O O
OH
P O
O-
P
O
O-
O P
O-
O
O O-
Nucleotide triphosphate
150
O O
O O
O
P
O O
O
O
O-
O O P O
O-
O O
O
P O
O-
O O
O
P O
O-
5’
3’
5’
3’
O O
OH
P O
O-
P
O
O-
O P
O-
O
O O- OH
:
151
O O
O O
O
P
O O
O
O
O-
O O P O
O-
O O
O
P O
O-
O O
O
P O
O-
5’
3’
5’
3’
O O
OH
P
O-
O
O
P
O
O-
O P
O-
O
O-
O-
152
O O
O O
O
P
O O
O
O
O-
O O P O
O-
O O
O
P O
O-
O O
O
P O
O-
5’
3’
5’
3’
O O
OH
P
O-
O
O
O O
OH
P O
O-
P
O
O-
O P
O-
O
O O-
153
O O
OH
O O
O
P
O O
O
O
O-
O O P O
O-
O O
O
P O
O-
O O
O
P O
O-
5’
3’
5’
3’ Radiomarquage d’un ADN
O O
OH
P O
O-
P
O
O-
O P
O-
O
O O-
Nucleotide triphosphate
*
α32P-NTP
6
154
O-
3’
O O
OH
P O
O-
P
O
O-
O P
O-
O
O O- OH
:
O O
O O
O
P
O O
O
O
O O P O
O-
O O
O
P O
O-
O O
O
P O
O-
5’
5’
3’ Radiomarquage d’un ADN
*
α32P-NTP 155
O O
O O
O
P
O O
O
O
O-
O O P O
O-
O O
O
P O
O-
O O
O
P O
O-
5’
3’
5’
3’
O O
OH
P
O-
O
O
P
O
O-
O P
O-
O
O-
O-
*
Radiomarquage d’un ADN
α32P-NTP
156
O O
OH
O O
O
P
O O
O
O
O-
O O P O
O-
O O
O
P O
O-
O O
O
P O
O-
5’
3’
5’
3’
O O
OH
P O
O-
P
O
O-
O P
O-
O
O O-
Nucleotide triphosphate
*
Radiomarquage d’un ADN
γ32P-NTP
157
O O
O O
O
P
O O
O
O
O-
O O P O
O-
O O
O
P O
O-
O O
O
P O
O-
5’
3’
5’
3’
O O
OH
P O
O-
P
O
O-
O P
O-
O
O O- OH
:
Radiomarquage d’un ADN
*
γ32P-NTP
158
O O
O O
O
P
O O
O
O
O-
O O P O
O-
O O
O
P O
O-
O O
O
P O
O-
5’
3’
5’
3’
O O
OH
P
O-
O
O
P
O
O-
O P
O-
O
O-
O-
Radiomarquage d’un ADN
*
γ32P-NTP 159
Structure de l’AZT et du 3TC
O
O
HN
N
Thymidine
OH
O
CH3
OH
O
O
HN
N
AZT
OH
O
CH3
3N
NH
O
N
N
3TC
OH
O
S
2
7
160
O O
OH
O O
O
P
O O
O
O
O-
O O P O
O-
O O
O
P O
O-
O O
O
P O
O-
5’
3’
5’
3’
O O
N3
P O
O-
P
O
O-
O P
O-
O
O O-
Nucleotide triphosphate 161
O O
O O
O
P
O O
O
O
O-
O O P O
O-
O O
O
P O
O-
O O
O
P O
O-
5’
3’
5’
3’
O O P O
O-
P
O
O-
O P
O-
O
O O- OH
:
N3
162
O O
O O
O
P
O O
O
O
O-
O O P O
O-
O O
O
P O
O-
O O
O
P O
O-
5’
3’
5’
3’
O O P
O-
O
O
P
O
O-
O P
O-
O
O-
O- N3
163
O O
O O
O
P
O O
O
O
O-
O O P O
O-
O O
O
P O
O-
O O
O
P O
O-
5’
3’
5’
3’
O O P
O-
O
O
P
O
O-
O P
O-
O
O-
O- N3
Nucleotide triphosphate
164
ADN pol
3’
5’
3’
5’
5’
3’ 5’
3’
Réplication de l’ADN
déplacement
165
Réplication de l’ADN
Expérience d’Okazaki
Cellules en cours de division Marquage radioactif (dNTP-α32P) sur une courte période
Analyse de la taille des ADN produits
ADN longs
Mutant ligase sauvage
ADN courts
ADN courts
8
166
ADN pol
3’
5’
3’
5’
5’
3’ 5’
3’
Réplication de l’ADN
déplacement
167
3’
5’
3’
5’
5’
3’ 5’
3’
Réplication de l’ADN
ADN pol
déplacement
5’
Problème de l’extrémité 3’ pour initier la polymérisation
3’
168
3’
5’
3’
5’
5’
3’ 5’
3’
Réplication de l’ADN
ADN pol
déplacement
5’
primase
Amorce (primer) ARN (10-12nts)
3’
169
3’
5’
3’
5’
5’
3’ 5’
3’
Réplication de l’ADN
ADN pol
déplacement
5’
primase
Amorce (primer) ARN (10-12nts)
Brin avancé (leader strand)
Brin retardé (lagging strand)
3’
170
3’
5’
5’
Réplication de l’ADN
ADN pol
déplacement
Amorce (primer) ARN (10-12nts)
Brin avancé (leader strand)
Brin retardé (lagging strand)
primase 3’ 5’
3’
5’
171
3’
5’
5’
3’ 5’
3’
Réplication de l’ADN
ADN pol
déplacement
5’
Amorce (primer) ARN (10-12nts)
Brin avancé (leader strand)
Brin retardé (lagging strand)
primase
3’ 5’
9
172
3’
5’
5’
Réplication de l’ADN
ADN pol
déplacement
Amorce (primer) ARN (10-12nts)
Brin avancé (leader strand)
Brin retardé (lagging strand)
ADN pol
déplacement
Fragments d’Okazaki
3’ 5’
3’
5’ 3’ 5’
X
173
3’
5’
5’
Réplication de l’ADN
ADN pol
déplacement
Amorce (primer) ARN (10-12nts)
Brin avancé (leader strand)
Brin retardé (lagging strand)
Fragments d’Okazaki
3’ 5’
3’
5’ 3’ 5’
X
ADN pol
ADN pol
174
3’
5’
5’
3’
5’
3’
Réplication de l’ADN
5’
Amorce (primer) ARN (10-12nts)
Brin avancé (leader strand)
Brin retardé (lagging strand)
déplacement
primase
ADN pol
ADN pol
175
3’
5’
5’
3’
5’
3’
Réplication de l’ADN
5’
Amorce (primer) ARN (10-12nts)
Brin avancé (leader strand)
Brin retardé (lagging strand)
ADN pol
déplacement
primase
ADN pol
ADN pol
176
3’
5’
5’
3’
5’
3’
Réplication de l’ADN
5’
Amorce (primer) ARN (10-12nts)
Brin avancé (leader strand)
Brin retardé (lagging strand)
ADN pol
déplacement ADN pol
ADN pol
3’
177
3’
5’
5’
3’
5’
3’
Réplication de l’ADN
5’
Amorce (primer) ARN (10-12nts)
Brin avancé (leader strand)
Brin retardé (lagging strand)
ADN pol
déplacement ADN pol ADN
pol déplacement
10
178
3’
5’
5’
3’
5’
3’
Réplication de l’ADN
déplacement
5’
Amorce (primer) ARN (10-12nts)
Brin avancé (leader strand)
Brin retardé (lagging strand)
3’ 5’
déplacement
ADN pol
ADN pol
179
Réplication de l’ADN
180
3’
5’
5’
3’
5’
3’
Réplication de l’ADN
déplacement
5’
Amorce (primer) ARN (10-12nts)
Brin avancé (leader strand)
Brin retardé (lagging strand)
Fragments d’Okazaki
déplacement
Avancée de la fourche de réplication
primase
3’ 5’
ADN pol ADN
pol
ADN pol
ADN polIII ADN polI ADN pol
ADN pol
ligase ligase
3’ 5’
3’
5’
5’ ligase
181
Réplication de l’ADN Activité exonucléase 5’-> 3’ de l’ADN polI:
élimination des amorces ARN
5’
3’
3’
5’
5’
3’
3’
5’
5’
3’
3’
5’
182
Réplication de l’ADN
3’
5’
5’
3’
5’
3’
5’
Amorces (primers) ARN (10-12nts)
Brin avancé (leader strand)
Brin retardé (lagging strand)
Fragments d’Okazaki
déplacement
Avancée de la fourche de réplication
primase
ADN pol ADN
pol 3’
ADN pol
ADN polIII ADN polI ADN pol
ADN pol
ligase
ligase ligase
3’ 5’
3’
5’ 5’
183
Réplication de l’ADN
5’
3’
3’
5’
5’
3’
3’
5’
5’
3’
3’
5’
Activité exonucléase 5’-> 3’ de l’ADN polI: élimination des amorces ARN
11
184
Réplication de l’ADN
3’
5’
5’
3’
déplacement Brin avancé
(leader strand)
Brin retardé (lagging strand)
3’
5’
ADN pol
Avancée de la fourche de réplication
ADN pol
ADN pol
ADN polIII ADN polI ADN pol ligase ligase
Duplication parfaite
185
O O
OH
O O
O
P
O O
O
O
O-
O O P O
O-
O O
O
P O
O-
O O
O
P O
O-
5’
3’
5’
3’
O O
OH
P O
O-
P
O
O-
O P
O-
O
O O-
Nucleotide triphosphate
mésappariement
186
O O
O O
O
P
O O
O
O
O-
O O P O
O-
O O
O
P O
O-
O O
O
P O
O-
5’
3’
5’
3’
O O
OH
P O
O-
P
O
O-
O P
O-
O
O O- OH
: mésappariement
187
Réplication de l’ADN Activité de correction: activité exonucléase : 3’-> 5’
Appariement TA
Appariement CG
Mésappariement GA
Mésappariement CA
Mésappariement TG
Mésappariement induit une déviation de l’axe de l’ADN
Pur/Pyr Pyr/Pur
>>>
Pur/Pur Pyr/Pyr
188
Réplication de l’ADN Activité de correction: activité exonucléase : 3’-> 5’
Mésappariement induit une déviation de l’axe de l’ADN
Pur/Pyr Pur/Pur Pyr/Pur Pyr/Pyr >>>
189
Réplication de l’ADN Activité de correction: activité exonucléase : 3’-> 5’
Mésappariement induit une déviation de l’axe de l’ADN
Pur/Pyr Pur/Pur Pyr/Pur Pyr/Pyr >>>
12
190
Réplication de l’ADN Activité de correction: activité exonucléase : 3’-> 5’
Correction: activité exonucléase
3’-> 5’
Réplication: activité polymérase
5’-> 3’
3’ 5’
3’ 5’
3’ 5’
3’ 5’
3’ 5’
3’ 5’
191
O O
O O
O
P
O O
O
O
O-
O O P O
O-
O O
O
P O
O-
O O
O
P O
O-
5’
3’ 5’
3’
O O
OH
P
O-
O
O
192
Réplication de l’ADN Activité de correction: activité exonucléase : 3’-> 5’
Correction: activité exonucléase
3’-> 5’
Réplication: activité polymérase
5’-> 3’
3’ 5’
3’ 5’
3’ 5’
3’ 5’
3’ 5’
3’ 5’
193
Réplication de l’ADN
3’
5’
5’
3’
5’
3’
5’
Amorce (primer) ARN (10-12nts)
Brin avancé (leader strand)
Brin retardé (lagging strand)
Fragments d’Okazaki
déplacement
Avancée de la fourche de réplication
primase
3’ 5’
ADN pol ADN
pol
ADN pol
ADN polIII ADN polI ADN pol
ADN pol
ligase
ligase ligase
3’ 5’
3’
5’
Structuration hélicoïdale de l’ADN
194
Réplication de l’ADN
195
Réplication de l’ADN
13
196 197
Réplication de l’ADN
Mécanisme d’action de la topoisomérase de type I
Avancée le long de l’ADN
198
Réplication de l’ADN
Mécanisme d’action de la topoisomérase de type I
Clivage d’une liaison phosphodiester (hydrolyse)
199
O O
O O
O
P
O O
O
O
O-
O O P O
O-
O O
O
P O
O-
O O
O
P O
O-
5’
3’
5’
3’
O O
OH
P
O-
O
O
H HO
200 201
Réplication de l’ADN
Mécanisme d’action de la topoisomérase de type I
Désenroulement de l’ADN contraint
14
202
Réplication de l’ADN
Mécanisme d’action de la topoisomérase de type I
Reformation de la liaison phosphodiester ATP non requis
203
Réplication de l’ADN
Mécanisme d’action de la topoisomérase de type I
Topoisomérase de type II coupe les deux brins simultanément (Formes relaxée/hyperenroulée de l’ADN plasmidique)
204
Réplication de l’ADN
Mécanisme d’action de la topoisomérase de type II
Segment G et T = ADN Double brin 205
Réplication de l’ADN
Mécanisme d’action de la topoisomérase de type II
Doxorubicine
Cible biologique de la doxorubicine (agent anticancéreux) (etoposides et mitoxantrone)
206
Structures of pluramycin and the topoisomerase II inhibitors used in this study.
Kwok Y et al. PNAS 1998;95:13531-13536 ©1998 by National Academy of Sciences 199
207
ADN
Réplication de l’ADN
Problème des liaisons
hydrogène
200
15
208
3’ OH
Réplication de l’ADN
ADN
201 209
Réplication de l’ADN
202
210
Réplication de l’ADN
ATP => ADP + Pi 203 Hélicase
Réplication de l’ADN
ATP => ADP + Pi Hélicase
Hélicase sur le brin retardé et à « contre-sens » de la primase
From NE. Dixon, 2009 Nature 462, 854-855. 204
5’
3’
211
212
Réplication de l’ADN
ADN
Single strand binding (SSB)
proteins 205 213
Réplication de l’ADN
3’
5’
5’
3’
5’
3’
5’
Amorce (primer) ARN (10-12nts)
Brin avancé (leader strand)
Brin retardé (lagging strand)
Fragments d’Okazaki
déplacement
Avancée de la fourche de réplication
primase
5’
ADN pol ADN
pol 3’
ADN pol
ADN polIII ADN polI ADN pol
ADN pol
ligase
ligase ligase
3’ 5’
3’
5’
Topoisomerase (DNA gyrase)
hélicase (+ATP)
SSB
16
214
Réplication de l’ADN
From Biochemistry by Mathews, van Holde, and Ahern.
*Polymerase type II impliquée dans la réparation
*
(ε subunit)
215
Réplication de l’ADN
ADN polymérase III ADN polymérase I
Activité exonucléase 3’ -> 5’
216
Réplication de l’ADN
Protéines impliquées dans la réplication chez E-coli
Protéines Fonction Taille (kDa)
Nb de molécules par cellules
Gyrase relaxe l’ADN double hélice 400 250 (topo-isomérase) DnaB (Hélicase) dissocie la double hélice 300 20 SSB proteins stabilise les régions monocaténaires 74 300 Primase synthétise les amorces ARN 60 50 ADN Pol III synthétise l’ADN 800 20 ADN Pol I élimine l’amorce ARN et les remplace 103 300 DNA ligase soude les extrémités ADN 74 300
ADN polIII = complexe multiprotéique
217
Réplication de l’ADN
Sous-unité α ADN polymérase 5’->3’ (x2) Sous-unité ε Exonucléase 3’->5’ (x2) Sous-unité θ stimule exonucléase ε (x2) Sous-unité τ dimérisation des unités α
core
Sous-unité γ fixe de l’ATP (pour pince β) Sous-unité δ fixe β Sous-unité δ' fixe α et δ Sous-unité χ fixe SSB protéines Sous-unité β pince β Co
mpl
exe γ
γ
AD
N p
olII
I’
AD
N p
olII
I*
PolI
II H
OLO
ENZY
ME
Processivité
10 60 200 10000
218
Réplication de l’ADN
primase
γ
3’ 5’
5’
3’ 5’
3’
5’ 5’
Amorce ARN Fragment d’OKAZAKI
3’
3’
219
Réplication de l’ADN
ADN Polymerase III (core enzyme)
Pince Beta
Pince Beta
17
220
Réplication de l’ADN
γ
3’ 5’
5’
3’ 5’
3’ 5’
Amorce ARN Fragment
d’OKAZAKI
3’
3’
221
Réplication de l’ADN
γ
3’ 5’
5’
3’ 5’
3’
3’
3’
222
Réplication de l’ADN
Nouveau cycle de réplication
γ
223
Réplication de l’ADN
5’ 3’
5’ 3’ Fragment d’Okazaki
antérieur
polIII
Pince β
5’ 3’
5’ 3’
polIII