Chaque personne commence comme un seul œuf fécondé. À l’âge adulte, cette cellule unique s’est transformée en environ 37 billions de cellules, dont beaucoup continuent de se diviser pour créer la même quantité de cellules humaines fraîches tous les quelques mois.
Mais ces cellules ont un formidable défi à relever. La cellule de division moyenne doit copier—parfaitement—3.2 milliard paires de bases d’ADN, environ une fois toutes les 24 heures. La machinerie de réplication de la cellule fait un travail incroyable à cet égard, copiant le matériel génétique à un rythme effréné d’environ 50 paires de bases par seconde.
Pourtant, c’est beaucoup trop lent pour dupliquer l’intégralité du génome humain. Si la machinerie de copie de la cellule commençait à l’extrémité de chacun des 46 chromosomes en même temps, elle terminerait le chromosome le plus long – Non. 1, à 249 millions de paires de bases, en environ deux mois.
« La façon dont les cellules contournent cela, bien sûr, est qu’elles commencent la réplication à plusieurs endroits », explique James Berger, biologiste structural à la Johns Hopkins University School of Medicine de Baltimore, qui a co-écrit un article sur la réplication de l’ADN chez les eucaryotes. dans la Revue annuelle de biochimie 2021. Les cellules de levure ont des centaines d’origines de réplication potentielles, comme on les appelle, et les animaux comme les souris et les humains en ont des dizaines de milliers, répartis dans leurs génomes.
« Mais cela pose son propre défi », dit Berger, « c’est-à-dire, comment savez-vous par où commencer et comment chronométrez-vous tout? » Sans contrôle de précision, certains ADN pourraient être copiés deux fois, provoquant un pandémonium cellulaire.
Garder les rênes serrées sur le coup d’envoi de la réplication de l’ADN est particulièrement important pour éviter ce pandémonium. Aujourd’hui, les chercheurs progressent vers une compréhension complète des freins et contrepoids moléculaires qui ont évolué afin de s’assurer que chaque origine initie la copie d’ADN une fois et une seule, pour produire précisément un nouveau génome complet.
Faites-le bien, faites-le vite
De mauvaises choses peuvent arriver si la réplication ne démarre pas correctement. Pour que l’ADN soit copié, la double hélice d’ADN doit s’ouvrir, et les brins simples résultants – dont chacun sert de modèle pour la construction d’un nouveau second brin – sont vulnérables à la rupture. Ou le processus peut se bloquer. « Vous voulez vraiment résoudre la réplication rapidement », explique John Diffley, biochimiste au Francis Crick Institute de Londres. Des problèmes lors de la réplication de l’ADN peuvent entraîner une désorganisation du génome, ce qui est souvent une étape clé sur la voie du cancer.
Certaines maladies génétiques résultent également de problèmes de réplication de l’ADN. Par exemple, le syndrome de Meier-Gorlin, qui implique une petite taille, de petites oreilles et des rotules petites ou inexistantes, est causé par des mutations dans plusieurs gènes qui aident à lancer le processus de réplication de l’ADN.
Il faut une danse étroitement coordonnée impliquant des dizaines de protéines pour que la machinerie de copie d’ADN commence la réplication au bon moment du cycle de vie de la cellule. Les chercheurs ont une assez bonne idée de quelles protéines font quoi, car ils ont réussi à faire en sorte que la réplication de l’ADN se produise dans des mélanges biologiques sans cellules en laboratoire. Ils ont imité les premières étapes cruciales de l’initiation de la réplication en utilisant des protéines de levure – du même type que celles utilisées pour fabriquer du pain et de la bière – et ils ont également imité une grande partie du processus de réplication en utilisant des versions humaines des protéines de réplication.
La cellule contrôle le début de la réplication de l’ADN dans un processus en deux étapes. L’objectif du processus est de contrôler les actions d’une enzyme cruciale, appelée hélicase, qui déroule la double hélice d’ADN en vue de sa copie. Dans la première étape, des hélicases inactives sont chargées sur l’ADN aux origines, là où la réplication commence. Lors de la seconde étape, les hélicases sont activées, pour dérouler l’ADN.
Prêt (chargez l’hélicase) …
Le lancement du processus est un groupe de six protéines qui s’assoient à l’origine. Appelé ORC, ce cluster a la forme d’un anneau à double couche avec une encoche pratique qui lui permet de glisser sur les brins d’ADN, a découvert l’équipe de Berger.
Dans la levure de boulanger, qui est l’une des préférées des scientifiques qui étudient la réplication de l’ADN, ces sites de départ sont faciles à repérer : ils ont une séquence d’ADN centrale spécifique de 11 à 17 lettres, riche en bases chimiques d’adénine et de thymine. Les scientifiques ont observé que l’ORC saisit l’ADN, puis glisse, recherchant la séquence d’origine jusqu’à ce qu’il trouve le bon endroit.
Mais chez les humains et d’autres formes de vie complexes, les sites de départ ne sont pas aussi clairement délimités, et on ne sait pas très bien ce qui fait que l’ORC s’installe et s’accroche, explique Alessandro Costa, biologiste structurel au Crick Institute qui, avec Diffley, a écrit sur l’initiation de la réplication de l’ADN dans la revue annuelle de biochimie 2022. La réplication semble plus susceptible de commencer à des endroits où le génome, normalement étroitement enroulé autour de protéines appelées histones, s’est relâché.
L’initiation de la réplication de l’ADN commence à la fin de la division cellulaire précédente et se poursuit tout au long de la phase du cycle cellulaire connue sous le nom de G1. La synthèse d’ADN se produit pendant la phase S. Les niveaux d’une protéine appelée CDK sont essentiels pour garantir que l’ADN est répliqué une fois et une seule. Lorsque les niveaux de CDK sont faibles, les hélicases peuvent sauter sur l’ADN et commencer à le dérouler. Mais la liaison répétée ne se produit pas car les niveaux de CDK augmentent, ce qui empêche l’hélicase de se lier à nouveau.
Une fois que l’ORC s’est installé sur l’ADN, il attire un deuxième complexe protéique : celui qui comprend l’hélicase qui finira par dérouler l’ADN. Costa et ses collègues ont utilisé la microscopie électronique pour déterminer comment l’ORC attire d’abord une hélicase, puis une autre. Les hélicases sont également en forme d’anneau, et chacune s’ouvre pour s’enrouler autour de l’ADN double brin. Puis les deux hélicases se referment, se faisant face sur les brins d’ADN, comme deux perles sur un fil.
Au début, ils restent assis là, comme des voitures sans essence dans le réservoir. Ils n’ont pas encore été activés, et pour l’instant la cellule vaque à ses occupations habituelles.