ADN POLYMÉRASE: TYPES, FONCTION ET STRUCTURE - LA BIOLOGIE - 2025

L' ADN polymérase est une enzyme chargée de catalyser la polymérisation du nouveau brin d'ADN lors de la réplication de cette molécule. Sa fonction principale est d'apparier les désoxyribonucléotides triphosphates avec ceux de la chaîne matrice. Il est également impliqué dans la réparation de l'ADN.

Cette enzyme permet l'appariement correct entre les bases ADN de la chaîne modèle et la nouvelle, suivant le schéma des paires A avec T et G avec C.

Structure de l'ADN polymérase bêta chez l'homme.

Source: Yikrazuul, de Wikimedia Commons

Le processus de réplication de l'ADN doit être efficace et doit être effectué rapidement, de sorte que l'ADN polymérase fonctionne en ajoutant environ 700 nucléotides par seconde et ne fait qu'une erreur tous les 10 ⁹ ou 10 ¹⁰ nucléotides incorporés.

Il existe différents types d'ADN polymérase. Ceux-ci varient à la fois chez les eucaryotes et les procaryotes, et chacun a un rôle spécifique dans la réplication et la réparation de l'ADN.

Il est possible que l'une des premières enzymes à apparaître dans l'évolution ait été les polymérases, car la capacité de répliquer précisément le génome est une exigence intrinsèque pour le développement des organismes.

La découverte de cette enzyme est attribuée à Arthur Kornberg et ses collègues. Ce chercheur a identifié l'ADN polymérase I (Pol I) en 1956, tout en travaillant avec Escherichia coli. De même, ce sont Watson et Crick qui ont proposé que cette enzyme puisse produire des copies fidèles de la molécule d'ADN.

Les types

Procaryotes

Les organismes procaryotes (organismes sans véritable noyau, délimités par une membrane) possèdent trois ADN polymérases principales, généralement abrégées en pol I, II et III.

L'ADN polymérase I participe à la réplication et à la réparation de l'ADN et a une activité d'exonucléase dans les deux sens. Le rôle de cette enzyme dans la réplication est considéré comme secondaire.

II participe à la réparation de l'ADN et son activité d'exonucléase est au sens 3'-5 '. III participe à la réplication et à la révision de l'ADN, et comme l'enzyme précédente, elle présente une activité d'exonucléase au sens 3'-5 '.

Eucaryotes

Les eucaryotes (organismes avec un vrai noyau, délimité par une membrane) ont cinq ADN polymérases, nommées avec des lettres de l'alphabet grec: α, β, γ, δ et ε.

La polymérase γ est localisée dans les mitochondries et est responsable de la réplication du matériel génétique dans cet organite cellulaire. En revanche, les quatre autres se trouvent dans le noyau des cellules et sont impliqués dans la réplication de l'ADN nucléaire.

Les variants α, δ et ε sont les plus actifs dans le processus de division cellulaire, ce qui suggère que leur fonction principale est associée à la production de copies d'ADN.

L'ADN polymérase β, quant à elle, présente des pics d'activité dans les cellules qui ne se divisent pas, on suppose donc que sa fonction principale est associée à la réparation de l'ADN.

Différentes expériences ont permis de vérifier l'hypothèse selon laquelle elles associent principalement les polymérases α, δ et ε à la réplication de l'ADN. Les types γ, δ et ε montrent une activité d'exonucléase 3'-5 '.

Arches

De nouvelles méthodes de séquençage ont réussi à identifier une grande variété de familles d'ADN polymérase. Dans les archées, en particulier, une famille d'enzymes, appelée la famille D, a été identifiée qui sont uniques à ce groupe d'organismes.

Fonctions: réplication et réparation de l'ADN

Qu'est-ce que la réplication de l'ADN?

L'ADN est la molécule qui transporte toute l'information génétique d'un organisme. Il est composé d'un sucre, d'une base azotée (adénine, guanine, cytosine et thymine) et d'un groupe phosphate.

Pendant les processus de division cellulaire, qui se produisent constamment, l'ADN doit être copié rapidement et avec précision - en particulier dans la phase S du cycle cellulaire. Ce processus où la cellule copie l'ADN est appelé réplication.

Structurellement, la molécule d'ADN est composée de deux brins, formant une hélice. Au cours du processus de réplication, ceux-ci se séparent et chacun agit comme un modèle pour la formation d'une nouvelle molécule. Ainsi, les nouveaux brins passent aux cellules filles dans le processus de division cellulaire.

Puisque chaque brin sert de matrice, la réplication de l'ADN est dite semi-conservatrice - à la fin du processus, la nouvelle molécule se compose d'un nouveau et d'un ancien brin. Ce processus a été décrit en 1958 par les chercheurs Meselson et Stahl, en utilisant des isopotes.

La réplication de l'ADN nécessite une série d'enzymes qui catalysent le processus. Parmi ces molécules protéiques, l'ADN polymérase se démarque.

Réaction

Pour que la synthèse d'ADN se produise, les substrats nécessaires au processus sont nécessaires: désoxyribonucléotide triphosphate (dNTP)

Le mécanisme de réaction implique une attaque nucléophile par le groupe hydroxyle à l'extrémité 3 'du brin en croissance sur l'alpha phosphate des dNTP complémentaires, éliminant un pyrophosphate. Cette étape est très importante, car l'énergie de polymérisation provient de l'hydrolyse des dNTP et du pyrophosphate résultant.

La pol III ou alpha se lie à l'amorce (voir propriétés des polymérases) et commence à ajouter des nucléotides. L'epsilon allonge la chaîne de plomb et le delta allonge le brin retardé.

Propriétés des ADN polymérases

Toutes les ADN polymérases connues partagent deux propriétés essentielles associées au processus de réplication.

Tout d'abord, toutes les polymérases synthétisent le brin d'ADN dans la direction 5'-3 ', ajoutant les dNTP au groupe hydroxyle de la chaîne en croissance.

Deuxièmement, les ADN polymérases ne peuvent pas commencer à synthétiser un nouveau brin à partir de zéro. Ils ont besoin d'un élément supplémentaire appelé amorce ou amorce, qui est une molécule constituée de quelques nucléotides qui fournit un groupe hydroxyle libre, où la polymérase peut s'ancrer et commencer son activité.

C'est l'une des différences fondamentales entre les ADN et les ARN polymérases, car cette dernière est capable d'initier la synthèse d'une chaîne de novo.

Fragments d'Okazaki

La première propriété des ADN polymérases mentionnée dans la section précédente représente une complication pour la réplication semi-conservatrice. Comme les deux brins d'ADN sont antiparallèles, l'un d'eux est synthétisé de manière discontinue (celui qui aurait besoin d'être synthétisé au sens 3'-5 ').

Dans le brin retardé, la synthèse discontinue se produit par l'activité normale de la polymérase, 5'-3 ', et les fragments résultants - connus dans la littérature sous le nom de fragments d'Okazaki - sont liés par une autre enzyme, la ligase.

Réparation de l'ADN

L'ADN est constamment exposé à des facteurs, à la fois endogènes et exogènes, qui peuvent l'endommager. Ces dommages peuvent bloquer la réplication et s'accumuler, affectant l'expression des gènes, causant des problèmes dans les divers processus cellulaires.

En plus de son rôle dans le processus de réplication de l'ADN, la polymérase est également un élément clé des mécanismes de réparation de l'ADN. Ils peuvent également agir comme des capteurs dans le cycle cellulaire qui empêchent l'entrée dans la phase de division si l'ADN est endommagé.

Structure

Actuellement, grâce à des études de cristallographie, les structures de diverses polymérases ont été élucidées. Sur la base de leur séquence primaire, les polymérases sont regroupées en familles: A, B, C, X et Y.

Certains aspects sont communs à toutes les polymérases, en particulier celles liées aux centres catalytiques de l'enzyme.

Ceux-ci comprennent deux sites actifs clés qui possèdent des ions métalliques, avec deux résidus d'aspartate et un résidu variable - soit l'aspartate ou le glutamate, qui coordonne les métaux. Il existe une autre série de résidus chargés qui entourent le centre catalytique et sont conservés dans les différentes polymérases.

Chez les procaryotes, l'ADN polymérase I est un polypeptide de 103 kd, II est un polypeptide de 88 kd et III se compose de dix sous-unités.

Chez les eucaryotes, les enzymes sont plus grosses et plus complexes: α est constitué de cinq unités, β et γ d'une sous-unité, δ de deux sous-unités et ε de 5.

Applications

PRC

La réaction en chaîne par polymérase (PRC) est une méthode utilisée dans tous les laboratoires de biologie moléculaire, grâce à son utilité et sa simplicité. Le but de cette méthode est d'amplifier massivement une molécule d'ADN d'intérêt.

Pour y parvenir, les biologistes utilisent une ADN polymérase qui n'est pas endommagée par la chaleur (des températures élevées sont essentielles pour ce processus) pour amplifier la molécule. Le résultat de ce processus est un grand nombre de molécules d'ADN qui peuvent être utilisées à des fins différentes.

L'une des utilités cliniques les plus remarquables de la technique est son utilisation dans le diagnostic médical. Le PRC peut être utilisé pour contrôler les patients à la recherche de bactéries et de virus pathogènes.

Antibiotiques et médicaments antitumoraux

Un nombre important de médicaments vise à tronquer les mécanismes de réplication de l'ADN dans l'organisme pathogène, qu'il s'agisse d'un virus ou d'une bactérie.

Dans certains cas, la cible est l'inhibition de l'activité de l'ADN polymérase. Par exemple, le médicament chimiothérapeutique cytarabine, également appelé cytosine arabinoside, désactive l'ADN polymérase.

Références

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… et Walter, P. (2015). Biologie cellulaire essentielle. Garland Science.
2. Cann, IK et Ishino, Y. (1999). Réplication de l'ADN archéologique: identifier les pièces pour résoudre un puzzle. Génétique, 152 (4), 1249-67.
3. Cooper, GM et Hausman, RE (2004). La cellule: approche moléculaire. Medicinska naklada.
4. Garcia-Diaz, M. et Bebenek, K. (2007). Fonctions multiples des ADN polymérases. Revues critiques en sciences végétales, 26 (2), 105-122.
5. Shcherbakova, PV, Bebenek, K., et Kunkel, TA (2003). Fonctions des ADN polymérases eucaryotes. Science's SAGE KE, 2003 (8), 3.
6. Steitz, TA (1999). ADN polymérases: diversité structurelle et mécanismes communs. Journal of Biological Chemistry, 274 (25), 17395-17398.
7. Wu, S., Beard, WA, Pedersen, LG et Wilson, SH (2013). La comparaison structurelle de l'architecture de l'ADN polymérase suggère une passerelle nucléotidique vers le site actif de la polymérase. Chemical Reviews, 114 (5), 2759-74.