LABO · L’invisible en mouvement
Deux brins à copier, une seule règle de copie. Voici ce que la simulation montre, ce qui se passe vraiment, et pourquoi un brin se copie d'un trait alors que l'autre se copie par morceaux.
La scène suit une seule fourche de réplication : le point où la double hélice s'ouvre pour être copiée. La caméra est accrochée à la fourche : c'est l'ADN qui défile.
Ouverture. L'ADN est fait de deux brins appariés base à base. L'hélicase les sépare. Chez les eucaryotes, c'est un anneau (le complexe CMG) qui encercle un brin et avance le long de lui.
Antiparallélisme. Chaque brin est une chaîne de nucléotides, et chaque nucléotide contient un sucre, le désoxyribose. Ses carbones sont numérotés de 1′ à 5′. Deux nucléotides voisins se lient par le carbone 5′ de l'un et le carbone 3′ de l'autre. Une chaîne a donc un bout 5′ et un bout 3′. Dans la double hélice, les deux brins sont orientés en sens opposés : c'est l'antiparallélisme.
La règle de la polymérase. Une ADN polymérase ne fait qu'une chose : ajouter un nucléotide au groupe 3′-OH libre d'une chaîne existante. Le brin neuf grandit donc toujours dans le sens 5′→3′, en lisant la matrice dans le sens 3′→5′. De plus, elle ne peut pas démarrer seule : il lui faut un point d'ancrage, une amorce. La primase la fournit, sous la forme d'un court bout d'ARN d'une dizaine de nucléotides.
Brin directeur. Sur le brin du haut, la lecture 3′→5′ va dans le même sens que la fourche. Une seule amorce suffit : la polymérase suit ensuite la fourche et copie en continu.
Brin retardé. Sur le brin du bas, le sens de copie pointe à l'opposé de la fourche. La polymérase s'en éloigne donc. Elle copie un fragment, bute sur l'amorce précédente et se détache. Puis elle repart d'une nouvelle amorce, posée près de la fourche. Chaque fragment est un fragment d'Okazaki.
Finition. Les amorces d'ARN sont retirées et remplacées par de l'ADN. Il reste une coupure : une liaison manquante entre deux fragments voisins. La ligase la scelle. Chaque nouvelle double hélice contient un brin parental et un brin neuf : la réplication est dite semi-conservative.
Ce n'est pas une différence de chimie. Les deux brins neufs sont faits des mêmes briques, par les mêmes enzymes. C'est une différence de géométrie.
La polymérase ne travaille que dans le sens 5′→3′, et les brins parentaux sont antiparallèles. Pour l'un, ce sens est celui de la fourche : il la suit. Pour l'autre, il est inversé : il lui tourne le dos. D'où une copie continue d'un côté, une couture à petits points arrière de l'autre.
Bactérie ou eucaryote. La simulation suit le modèle humain : hélicase CMG, polymérases Pol ε (directeur) et Pol δ (retardé), amorces posées par Pol α-primase et retirées avec FEN1 et la RNase H. Fragments d'environ 150 à 200 nt, fourche à environ 30 à 50 nt/s. Chez E. coli, l'hélicase DnaB encercle la matrice du retardé et avance 5′→3′ sur elle ; la polymérase principale est Pol III et Pol I retire les amorces ; les fragments font environ 1000 à 2000 nt et la fourche avance à environ 1000 nt/s.
Le brin retardé pourrait être copié d'un trait, dans le sens de la fourche, comme le directeur. Plus de fragments d'Okazaki, plus d'amorces en série, plus de coutures. L'asymétrie vient de la règle 5′→3′ : sans elle, elle disparaît. (La règle a pourtant un avantage : l'énergie de chaque ajout est portée par le nucléotide entrant, pas par la chaîne. La polymérase peut donc retirer un nucléotide erroné en bout de chaîne sans bloquer la suite, ce qu'une synthèse 3′→5′ rendrait impossible.)
Sa polymérase avance dans le même sens que la fourche. Elle trouve toujours devant elle de la matrice à copier, et son extrémité 3′ reste libre : une fois lancée, elle n'a plus à redémarrer. Sur le brin retardé, chaque fragment doit repartir de zéro, donc d'une nouvelle amorce.
Les fragments d'Okazaki resteraient séparés par des coupures. Le brin retardé serait fait de morceaux juxtaposés, jamais joints. Chaque coupure est un point faible : au cycle suivant, une fourche qui la rencontre peut casser le chromosome en deux.