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Les étapes essentielles de la réplication sont les mêmes que chez les procaryotes. Le démarrage de la réplication est plus complexe chez les eucaryotes. A l’origine de la réplication, un complexe de pré-réplication est fabriqué avec d’autres protéines initiatrices. D’autres protéines sont ensuite recrutées pour lancer le processus de réplication. Le processus global est le même, bien que des enzymes portant des noms différents remplissent la même fonction. Par exemple, l’ADN pol III est utilisé pour la majorité de la réplication chez les procaryotes, tandis que chez les eucaryotes, le brin de tête est continuellement synthétisé par l’enzyme pol δ, le brin de queue est synthétisé par pol ε. Nous nous concentrons sur les enzymes utilisées dans la réplication procaryote, donc ne vous inquiétez pas de ces différences de nom.

Voici les différences importantes entre la réplication procaryote et eucaryote :

Tableau 1 : Différences entre la réplication procaryote et la réplication eucaryote

Propriété	Procaryotes	Eucaryotes
Origin of réplication	Simple	Multiple
Vitesse de réplication	1000 nucléotides/s	50 à 100 nucléotides/s
ADN polymérase	5	14
Emballage de l’ADN	superenroulement	enroulé autour des histones
Télomérase	Non présente	. présent	Présent

Origines et taux de réplication

Les génomes eucaryotes sont beaucoup plus complexes et de plus grande taille que les génomes procaryotes. Le génome humain compte trois milliards de paires de bases par ensemble haploïde de chromosomes, et 6 milliards de paires de bases sont répliquées pendant la phase S du cycle cellulaire. Cela signifie qu’il doit y avoir plusieurs origines de réplication sur le chromosome eucaryote pour que tout l’ADN soit répliqué en temps voulu ; les humains peuvent avoir jusqu’à 100 000 origines de réplication. La vitesse de réplication est d’environ 100 nucléotides par seconde, beaucoup plus lente que celle des procaryotes.

Types d’ADN polymérases

Le nombre d’ADN polymérases chez les eucaryotes est beaucoup plus important que chez les procaryotes : 14 sont connues, dont cinq ont un rôle majeur lors de la réplication et ont été bien étudiées. Elles sont connues sous le nom de pol α, pol β, pol γ, pol δ et pol ε. Je ne vous demanderai jamais les noms de ces polymérases – apprenez les noms des polymérases procaryotes.

Emballage de l’ADN

L’ADN eucaryote est enroulé autour de protéines appelées histones pour former des structures appelées nucléosomes. L’ADN doit être rendu accessible pour que la réplication de l’ADN puisse se faire. La chromatine (le complexe entre l’ADN et les protéines) peut subir certaines modifications chimiques, afin que l’ADN puisse glisser des histones ou être accessible aux enzymes de la machinerie de réplication de l’ADN. Les procaryotes n’emballent pas leur ADN en l’enroulant autour des histones.

Réplication des télomères

Contrairement aux chromosomes procaryotes, les chromosomes eucaryotes sont linéaires. Comme vous l’avez appris, l’enzyme DNA pol ne peut ajouter des nucléotides que dans le sens 5′ à 3′. Sur le brin leader, la synthèse se poursuit jusqu’à ce que l’extrémité du chromosome soit atteinte. Sur le brin retardé, l’ADN est synthétisé en courts tronçons, dont chacun est initié par une amorce distincte. Lorsque la fourche de réplication atteint l’extrémité du chromosome linéaire, il n’y a plus de place pour fabriquer une amorce pour le fragment d’ADN à copier à l’extrémité du chromosome. Ces extrémités restent donc non appariées, et au fil du temps, ces extrémités peuvent se raccourcir progressivement à mesure que les cellules continuent à se diviser.

Les extrémités des chromosomes linéaires sont appelées télomères, qui comportent des séquences répétitives qui ne codent pas pour un gène particulier. Ces télomères empêchent les gènes situés sur le chromosome d’être supprimés lorsque les cellules continuent à se diviser. Chez l’homme, une séquence de six paires de bases, TTAGGG, est répétée 100 à 1000 fois. La découverte de l’enzyme télomérase (figure 1) a permis de comprendre comment les extrémités des chromosomes sont maintenues. L’enzyme télomérase contient une partie catalytique et une matrice d’ARN intégrée. Elle se fixe à l’extrémité du chromosome, et des bases complémentaires à la matrice d’ARN sont ajoutées à l’extrémité 3′ du brin d’ADN. Une fois que l’extrémité 3′ de la matrice du brin traînant est suffisamment allongée, l’ADN polymérase peut ajouter les nucléotides complémentaires aux extrémités des chromosomes. Ainsi, les extrémités des chromosomes sont répliquées.

La télomérase est typiquement active dans les cellules germinales et les cellules souches adultes. Elle n’est pas active dans les cellules somatiques adultes. Pour sa découverte de la télomérase et de son action, Elizabeth Blackburn (figure 2) a reçu le prix Nobel de médecine et de physiologie en 2009.

Télomérase et vieillissement

Les cellules qui subissent une division cellulaire continuent à avoir leurs télomères raccourcis parce que la plupart des cellules somatiques ne fabriquent pas de télomérase. Cela signifie essentiellement que le raccourcissement des télomères est associé au vieillissement. Avec l’avènement de la médecine moderne, des soins de santé préventifs et des modes de vie plus sains, la durée de vie humaine a augmenté, et il y a une demande croissante pour que les gens paraissent plus jeunes et aient une meilleure qualité de vie en vieillissant.

En 2010, les scientifiques ont découvert que la télomérase peut inverser certaines conditions liées à l’âge chez les souris. Cela pourrait avoir un potentiel en médecine régénérative (Jaskelioff, 2011). Des souris déficientes en télomérase ont été utilisées dans ces études ; ces souris présentent une atrophie des tissus, une déplétion des cellules souches, une défaillance des systèmes organiques et une altération des réponses aux lésions tissulaires. La réactivation de la télomérase chez ces souris a provoqué l’extension des télomères, réduit les lésions de l’ADN, inversé la neurodégénérescence et amélioré la fonction des testicules, de la rate et des intestins. Ainsi, la réactivation des télomères pourrait avoir un potentiel pour traiter les maladies liées à l’âge chez l’homme.

Le cancer est caractérisé par une division cellulaire incontrôlée de cellules anormales. Ces cellules accumulent des mutations, prolifèrent de manière incontrôlée et peuvent migrer vers différentes parties du corps par un processus appelé métastase. Les scientifiques ont observé que les cellules cancéreuses ont des télomères considérablement raccourcis et que la télomérase est active dans ces cellules. Il est intéressant de noter que ce n’est qu’après le raccourcissement des télomères dans les cellules cancéreuses que la télomérase devient active. Si l’action de la télomérase dans ces cellules peut être inhibée par des médicaments pendant le traitement du cancer, alors les cellules cancéreuses pourraient potentiellement être arrêtées de se diviser davantage.