NUCLÉIQUES ACIDES

Biosynthèse de l'ADN

En 1958 Meselson et Stahl, en utilisant la centrifugation en gradient de chlorure de césium et en marquant les ADN en voie de biosynthèse par un isotope lourd, ¹⁵N, montrent que la synthèse de l'ADN ou réplication est un processus semi-conservatif. Avant la division de la cellule, les deux chaînes de l'ADN se séparent et chacune sert de matrice pour la synthèse de la chaîne complémentaire, si bien que l'on aboutit à la synthèse de deux molécules identiques d'ADN, chacune de ces molécules comprenant une des chaînes initiales. Ainsi s'explique la nécessité de cette structure en double chaîne de l'ADN et le fait que des cellules provenant de la division d'une même cellule ont des ADN identiques et identiques à celui de la cellule mère. La polymérisation des nucléotides est catalysée par une enzyme, l' ADN-polymérase, étudiée par A. Kornberg. Le premier temps de la réplication est catalysé par une enzyme de déroulement qui sépare les deux chaînes. Cependant l'ADN-polymérase ne fonctionne que dans une direction, de 5′ vers 3′, et nous avons vu que les deux chaînes étaient antiparallèles, donc la synthèse se fait dans des directions opposées. En fait la synthèse se fait par petits fragments d'ADN, (fig. 14) appelés fragments d'Okazaki, qui sont synthétisés de 5′ vers 3′. On a récemment montré qu'avant la synthèse de ces fragments, il se synthétise des petits fragments d'ARN qui serviront de point de départ pour la synthèse des fragments d'Okazaki. Dès que la synthèse de ces fragments s'achève, les fragments d'ARN sont détruits pour être remplacés par de l'ADN. Les fragments deviennent contigus, si bien qu'ils peuvent être joints grâce à un ADN-ligase qui assure la continuité de l'ADN.

La biosynthèse de l'ADNn'est pas limitée à l'entretien du cycle cellulaire tel que le décrit l'article noyau cellulaire. L'ADN peut subir des lésions, en particulier sous l'effet des radiations ultraviolettes, et des erreurs peuvent se produire au cours de sa synthèse. Il existe dans les cellules humaines un système de réparation dit SRM (système de réparation des mésappariements) qui sera étudié plus loin (cf. chap. 9, Lésions et réparations de l'ADN). Dans un premier temps la partie de la chaîne d'ADN anormale est excisée. Dans un second temps elle est remplacée par un fragment d'ADN normal. Ce système de réparation est déficient dans certaines maladies héréditaires. Ces malades sont très sensibles aux brûlures solaires et ils sont très fréquemment sujets à des cancers de la peau.

Une seconde modalité de la réparation d'abord découverte chez les bactéries (Mirosláv Radman) est nommé système SOS parce qu'il est utilisé comme producteur de diversité génétique lorsque les conditions de vie sont défavorables pour ces micro-organismes. En réparant « à peu près » l'ADN, il génère des mutations qui peuvent permettre une réadaptation aux conditions ambiantes.

Biosynthèse des ARN

La synthèse de l'ARN, ou transcription, se fait au contact de l'ADN par formation de la chaîne complémentaire d'une des deux chaînes de l'ADN. La réaction peut être réalisée in vitro en mettant dans le milieu l'enzyme appelée ARN-polymérase, les quatre nucléosides triphosphates et un peu d'ADN dont une chaîne sera copiée sous forme d'ARN. In vivo, la synthèse d'ARN est précédée du déroulement d'une petite région de l'ADN qui permet de séparer sur au moins la longueur du gène les deux chaînes de l'ADN. Un problème essentiel est le mécanisme qui permet la transcription du gène entier et non pas la copie d'une région quelconque de l'ADN ne correspondant pas à un gène entier. Chez les bactéries, on a montré qu'il existait dans l'ARN-polymérase une sous-unité, appelée σ, qui permet à l'enzyme de reconnaître une région appelée promoteur, adjacente au gène. Chez les animaux, le mécanisme de reconnaissance par l'enzyme de la partie de l'ADN correspondant au début du gène est moins bien connu. Il est clair que les boîtes TATA et CAT jouent un rôle dans cette identification.

Cependant les ARN ne sont pas synthétisés sous leur forme définitive, mais vont subir de nombreuses modifications (cf. génétique - Génétique moléculaire). Une des modifications majeures est l'élimination de la partie des ARN correspondant aux introns. En effet, l'ADN correspondant au gène est entièrement transcrit, y compris les parties qui ne seront pas traduites. Les parties de l'ARN correspondant aux introns seront éliminées par des enzymes qui sont capables de reconnaître les séquences nucléotidiques charnières et qui couperont ces séquences. Une autre enzyme combinera les uns aux autres les segments d'ARN correspondant aux exons. Ainsi aura été établie (après « épissage ») la continuité des régions codants d'ARN.

Les ARN messagers comprennent à leurs parties antérieures une région non codante qui servira à la liaison de l'ARN aux ribosomes. La partie codante commence par le triplet AUG, signal de début de traduction. À la fin de l'ARN se trouve de nouveau une partie non codante qui commence nécessairement par un des triplets fin de synthèse. À l'extrême fin de la plupart des ARN messagers se synthétise, dans le noyau, une séquence poly A, grâce à une enzyme, la poly A polymérase. Cette séquence intervient vraisemblablement dans le transfert des ARN dans le cytoplasme et dans leur stabilité.

Les ARN de transfert vont également subir des modifications. Après élimination de la partie correspondant aux introns va s'ajouter à la fin de la molécule une séquence C—C—A. C'est sur le A que se fixe l'acide aminé. De plus, de nombreux nucléotides vont subir des modifications : méthylations, réductions, etc.

Les ARN ribosomaux sont synthétisés en une seule molécule qui va subir des coupures successives qui vont libérer les trois ARN ribosomaux.

En fait les précurseurs des ARN messagers et ribosomaux ne sont jamais libres mais sont englobés dans des particules protéiques qui incluent les enzymes impliquées dans les transformations. En ce qui concerne les ARN ribosomaux, ces particules vont subir différentes transformations pour aboutir aux ribosomes définitifs.

Biosynthèse des ARN dans les virus à ARN

Comme nous l'avons vu, certains virus ont leur information génétique contenue dans une molécule monocaténaire d'ARN. La réplication de cet ARN se fait grâce à une enzyme, l'ARN-polymérase ARN dépendant, qui permet la synthèse de la chaîne complémentaire de l'ARN viral. Cette chaîne va à son tour servir de matrice pour la synthèse d'ARN complémentaire, donc identique à l'ARN viral. Ainsi le virus pourra-t-il se multiplier.

Certains virus sont oncogènes, ce qui signifie que lorsqu'ils envahissent une cellule ils la transforment en cellule cancéreuse et cela de manière héréditaire. Pour les virus oncogènes à ADN, cette transformation ne peut s'effectuer que si le matériel génétique du virus s'intègre dans le matériel génétique de la cellule. En ce qui concerne ceux des virus à ARN qui sont oncogènes, une enzyme virale, la transcriptase réverse (rétrotranscriptase) va synthétiser une molécule d'ADN complémentaire de l'ARN viral, en prenant celui-ci comme matrice. Cet ADN s'insère dans l'ADN cellulaire et va s'exprimer. Il en résultera l'apparition de nouveaux caractères de la cellule, spécifiques de la transformation cancéreuse.

La transcriptase réverse est donc capable de catalyser la synthèse d'ADN en utilisant l'ARN comme matrice. On l'utilise actuellement dans les expériences de génie génétique pour synthétiser l'ADN correspondant à un ARN messager spécifique d'une protéine donnée. Cet ADN est inséré dans un ADN bactérien, l'ensemble est inclus dans une bactérie et l'ADN peut dans certaines conditions synthétiser l'ARN messager et la protéine codée par cet ADN. Remarquons que l'ADN synthétisé à partir de l'ARN messager se distingue de l'ADN du gène par l'absence d'introns.