La réplication de l'ADN

Une mitose produit deux cellules qui possèdent exactement la même information génétique que la cellule mère. Pour cela, avant chaque division, chaque chromosome doit être dupliqué : c'est la phase S du cycle cellulaire. À l'échelle moléculaire, cela signifie copier, sans erreur ou presque, une molécule d'ADN de plusieurs centimètres de long contenant des dizaines de millions de « lettres ». Comment la cellule y parvient-elle ? Comment l'a-t-on découvert ? Et comment les laboratoires exploitent-ils aujourd'hui ce mécanisme pour copier de l'ADN en tube à essai (PCR) ?

1. Une chromatide, une molécule d'ADN

1.1 Rappel : la molécule d'ADN

L'ADN (acide désoxyribonucléique) est une molécule formée de deux brins enroulés en double hélice. Chaque brin est une chaîne de nucléotides ; un nucléotide comprend un sucre (le désoxyribose), un phosphate et l'une des quatre bases azotées : adénine (A), thymine (T), guanine (G), cytosine (C). Les deux brins sont reliés par leurs bases selon des règles d'appariement strictes :

$\text{A} \longleftrightarrow \text{T} \qquad \text{G} \longleftrightarrow \text{C}$

Les deux brins sont donc complémentaires : connaître la séquence de l'un, c'est connaître celle de l'autre. La séquence (l'ordre des nucléotides) porte l'information génétique. Chaque chromatide est constituée d'une seule molécule d'ADN, très longue, associée à des protéines qui la structurent et permettent sa condensation.

1.2 Une démarche historique : de quoi sont faits les chromosomes ?

• 1869 : Friedrich Miescher isole du noyau des cellules une substance riche en phosphore, la « nucléine », qui deviendra l'ADN.
• 1924 : la coloration de Feulgen, spécifique de l'ADN, colore précisément les chromosomes : ils contiennent de l'ADN.
• 1944 : Avery, MacLeod et McCarty montrent que l'ADN purifié d'une bactérie transmet un caractère héréditaire à une autre bactérie : l'ADN est le support de l'information génétique, et non les protéines comme on le pensait.
• 1953 : Watson et Crick, à partir des images de diffraction de Rosalind Franklin, proposent la structure en double hélice et remarquent que l'appariement des bases « suggère immédiatement un mécanisme de copie ».

1.3 Des ordres de grandeur surprenants

Deux nucléotides successifs sont séparés de $0{,}34$ nm. Le génome humain haploïde compte environ $3{,}2 \times 10^{9}$ paires de nucléotides, soit $6{,}4 \times 10^{9}$ pour une cellule diploïde.

• Longueur d'ADN d'une cellule : $6{,}4 \times 10^{9} \times 0{,}34 \times 10^{-9} \approx 2{,}2$ m, logés dans un noyau de $5$ µm de diamètre, soit $400\,000$ fois plus petit : d'où la nécessité des protéines de compaction.
• Le chromosome 1, le plus grand, contient $2{,}5 \times 10^{8}$ paires de nucléotides : une chromatide mesure $8{,}5$ cm.
• Pour les $3 \times 10^{13}$ cellules du corps : $6{,}6 \times 10^{13}$ m, soit plus de $400$ fois la distance Terre-Soleil ($1{,}5 \times 10^{11}$ m).

💡 Méthode. Pour ces calculs, écrire la relation en lettres ($L = N \times d$), convertir en mètres ($1 \text{ nm} = 10^{-9}$ m) et donner le résultat en notation scientifique avec deux chiffres significatifs.

2. La réplication semi-conservative

2.1 Le mécanisme

Pendant la phase S, chaque molécule d'ADN est copiée : c'est la réplication. Le mécanisme découle directement de la complémentarité des bases :

1. Les deux brins de la double hélice s'écartent localement, formant une fourche de réplication ; en réalité, l'ouverture se fait en de nombreux points, appelés origines de réplication, qui forment des « yeux » visibles au microscope électronique.
2. Une enzyme, l'ADN polymérase, parcourt chaque brin ouvert et assemble, nucléotide après nucléotide, un nouveau brin complémentaire : face à un A elle place un T, face à un G un C, et réciproquement.
3. Les fourches progressent et se rejoignent. On obtient deux molécules d'ADN identiques à la molécule initiale, chacune constituée d'un brin ancien (conservé) et d'un brin neuf (synthétisé).

C'est pourquoi la réplication est dite semi-conservative : chaque molécule fille conserve la moitié de la molécule mère.

À l'échelle du chromosome, les deux molécules obtenues sont les deux chromatides sœurs, réunies au centromère. À la mitose, elles sont séparées et réparties dans les deux cellules filles : voilà pourquoi celles-ci possèdent la même information génétique. Une succession de mitoses produit un ensemble de cellules génétiquement identiques, un clone.

2.2 L'expérience de Meselson et Stahl (1958)

Trois hypothèses étaient possibles pour la copie de l'ADN :

Meselson et Stahl cultivent des bactéries pendant de nombreuses générations dans un milieu contenant de l'azote lourd $^{15}\text{N}$ : tout leur ADN devient lourd. Puis ils les transfèrent dans un milieu à azote léger $^{14}\text{N}$ : tout ADN synthétisé ensuite est léger. À chaque génération, ils extraient l'ADN et le centrifugent dans un gradient de densité : une molécule se place à la hauteur du tube qui correspond à sa densité.

Le résultat de la génération 1 élimine l'hypothèse conservative (qui prévoyait une bande lourde et une bande légère). Le résultat de la génération 2 élimine l'hypothèse dispersive (qui prévoyait une seule bande, de plus en plus légère). Seule l'hypothèse semi-conservative rend compte des deux observations.

2.3 Vitesse et durée de réplication

La réplication est rapide mais l'ADN est très long : combien de temps faut-il ?

• Bactérie Escherichia coli : un chromosome circulaire de $4{,}6 \times 10^{6}$ paires de nucléotides, une seule origine d'où partent deux fourches avançant chacune à environ $1\,000$ nucléotides par seconde. Durée : $\dfrac{4{,}6 \times 10^{6}}{2 \times 1\,000} = 2\,300$ s, soit environ $40$ min.
• Cellule humaine : $6{,}4 \times 10^{9}$ paires de nucléotides, fourches plus lentes (environ $50$ nucléotides par seconde). Avec une seule origine, il faudrait $\dfrac{6{,}4 \times 10^{9}}{2 \times 50} = 6{,}4 \times 10^{7}$ s, soit deux ans ! En réalité, la phase S dure quelques heures parce que la réplication démarre simultanément en plusieurs dizaines de milliers d'origines : les yeux de réplication grandissent puis fusionnent.

⚠️ Piège. Une origine donne deux fourches qui s'éloignent l'une de l'autre : la longueur copiée par seconde est le double de la vitesse d'une fourche.

3. Copier de l'ADN au laboratoire : la PCR

La PCR (amplification en chaîne par polymérase) reproduit la réplication en tube, pour obtenir des millions de copies d'un fragment d'ADN choisi, à partir d'une quantité infime (goutte de sang, cheveu, prélèvement nasal). On mélange l'ADN à copier, les quatre nucléotides, deux courtes séquences appelées amorces qui encadrent le fragment voulu, et une ADN polymérase résistante à la chaleur (la Taq polymérase, issue d'une bactérie des sources chaudes). Un cycle comporte trois étapes, imposées par la température :

À chaque cycle, le nombre de molécules double : après $n$ cycles, une molécule donne $2^{n}$ copies. Après $30$ cycles : $2^{30} \approx 1{,}1 \times 10^{9}$ copies, en moins de deux heures. C'est le principe des tests de dépistage, de l'identification génétique et du séquençage.

4. Exemple résolu pas à pas

Énoncé. Le chromosome 21 humain contient $4{,}7 \times 10^{7}$ paires de nucléotides. a) Calculer la longueur de la molécule d'ADN d'une chromatide de ce chromosome. b) Une fourche de réplication avance à $50$ nucléotides par seconde. Combien de temps durerait la réplication de ce chromosome à partir d'une seule origine ? c) En réalité, elle dure environ $1$ h. Combien d'origines de réplication, actives en même temps, cela suppose-t-il au minimum ? d) On amplifie par PCR un fragment de $800$ nucléotides de ce chromosome pendant $25$ cycles. Combien de copies obtient-on à partir d'une molécule et combien dure l'élongation de chaque cycle ?

Résolution.

a) $L = N \times d = 4{,}7 \times 10^{7} \times 0{,}34 \times 10^{-9} = 1{,}6 \times 10^{-2}$ m, soit $1{,}6$ cm.

b) Une origine, deux fourches : $t = \dfrac{4{,}7 \times 10^{7}}{2 \times 50} = 4{,}7 \times 10^{5}$ s, soit environ $130$ h ($5{,}4$ jours).

c) Il faut aller $130$ fois plus vite qu'avec une origine : au moins $130$ origines actives simultanément (en réalité bien davantage, car elles ne s'activent pas toutes en même temps).

d) $2^{25} \approx 3{,}4 \times 10^{7}$ copies. Élongation : $800$ nucléotides à $1\,000$ par minute, soit environ $50$ s.

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🎯 Rédiger. Toujours partir d'une relation en lettres, préciser les unités et vérifier l'ordre de grandeur (une durée de deux ans pour une phase S est absurde : c'est la conclusion attendue, elle prouve la nécessité de nombreuses origines).

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📌 À retenir

1. Une chromatide = une molécule d'ADN (double hélice, deux brins complémentaires : A-T, G-C) + protéines ; $0{,}34$ nm par paire de nucléotides ; environ $2$ m d'ADN par cellule humaine.
2. En phase S, la réplication semi-conservative copie chaque molécule : les brins s'écartent, l'ADN polymérase synthétise un brin complémentaire face à chaque brin ancien ; deux molécules identiques, chacune avec un brin ancien et un brin neuf.
3. Meselson et Stahl : bande intermédiaire à la génération 1 (contre l'hypothèse conservative), bandes légère et intermédiaire à la génération 2 (contre l'hypothèse dispersive).
4. Durée $= \dfrac{\text{nombre de nucléotides}}{2 \times \text{vitesse d'une fourche} \times \text{nombre d'origines}}$ ; E. coli : une origine, $40$ min ; eucaryotes : des milliers d'origines.
5. PCR : dénaturation $95$ °C, hybridation des amorces, élongation $72$ °C ; $2^{n}$ copies après $n$ cycles ; mitoses successives = clone de cellules identiques.