La réplication de l’ADN

La réplication semi-conservative de l'ADN

La molécule d’ADN est faite de deux chaînes (ou deux brins), appelée aussi bicaténaire (deux chaînes).

Il y a complémentarité des nucléotides (ou bases azotées) :

– la thymine avec l’adénine,

– la guanine avec la cytosine.

 

I. Processus de réplication

 

 

Cette molécule d’ADN est dupliquée. Localement, il y a une ouverture de ces deux chaînes par des enzymes. On parle de complexe enzymatique. Cela demande beaucoup d’énergie puisque l’ADN est formé de deux brins enroulés (double hélice). Après ouverture des deux brins, dans le noyau, il y a plusieurs nucléotides libres qui se fixent au brin matrice par complémentarité.

En rouge, nous avons le brin matrice (brin mère) et en bleu, le brin néoformé qui est en train d’être créé par le complexe enzymatique. On parle de l’enzyme d’ADN polymérase qui fabrique de l’ADN.

Au final, on obtient une réplication de l’ADN. On avait une seule molécule d’ADN (schéma G1), on en obtient ensuite deux (schéma G2). Il s’agit du stade d’interphase : l’ADN n’est pas visible en microscopie optique, on parle de chromatine. Mais lorsqu’il se compacte en prophase (lors de la mitose), on pourra voir les chromosomes avec leurs deux chromatides. Les deux chromatides sœurs sont rigoureusement identiques.

On parle d’une réplication semi-conservative car on conserve un des deux brins matrices pour recopier à l’identique son complémentaire (grâce à la complémentarité des nucléotides ou bases azotées).

En fin de duplication, l’ensemble de la molécule d’ADN est dupliquée et elle reste accrochée au niveau d’une zone appelée le centromère.

 

II. Graphique de l’évolution da la quantité d’ADN

On constate une phase G1 (Gap of time) qui est un moment où « il ne se passe rien » d’un point de vue quantité d’ADN. Par contre, il se passe beaucoup de choses d’un point de vue transcription. Mais ici, on ne duplique pas l’ADN : une seule chromatide par chromatine.

Puis vient la phase S (Synthèse d’ADN), qui correspond à la phase de réplication semi-conservative de l’ADN. Il y avait une quantité d’ADN à 1 u.a. et il y a maintenant une quantité d’ADN à 2 u.a.

Puis, on constate de nouveau un temps de latence G2 avant d’arriver à la mitose. Pour rappel, en prophase de mitose, nous avons des chromosomes à deux chromatides. Ces chromatides ont été crées par la réplication semi-conservative de l’ADN en phase S.

Analyse des résultats de l'expérience de Meselson & Stahl

Cette expérience de Meselson et Stahl vise à comprendre les modalités de réplication de la molécule d’ADN. L’ADN est fait de deux chaînes, deux brins complémentaires avec les bases azotées : A/T et C/G.

 

I. Comment dupliquer cette molécule faite de deux chaînes complémentaires ?

 

Il a trois hypothèses possibles :

– Soit une réplication de type semi-conservative : la molécule mère est scindée en deux, les brins matrices sont éloignés et, par complémentarité de bases, on forme les brins bleus : les brins néoformés. Nous obtenons des molécules d’ADN rigoureusement identiques. Ensuite, après mitose, nous obtiendrons 2 cellules avec un ADN hybride (rouge/bleu), un ADN comparable.

– Soit une réplication conservative : on copie la molécule mère à l’identique, comme une photocopie, et on obtient une molécule d’ADN néoformé bleu avec les deux brins totalement nouveaux. Cette cellule se divise après mitose et donne deux cellules filles : une avec un ADN « vieux » (ADN initial, d’où la conservation) et une avec un ADN « neuf » où les deux brins sont néoformés.

– Soit une réplication dispersive : on disperse l’ADN initial en une multitude de petits morceaux et, par complémentarité des bases azotées, on obtient deux molécules d’ADN avec un patchwork de « vieux » et de « jeune ». Les deux cellules obtenues à l’issue de la mitose auront toutes les deux un ADN mélangé, hybride, un peu « vieux » un peu « jeune ».

 

 

II. Quelle hypothèse est correcte ?

 

Meselson et Stahl travaillent sur des bactéries qui ont un pouvoir de division (une mitose) très rapide. Ils vont les cultiver dans une boîte de Pétri qui contient de l’azote lourd : l’azote 15N. Au bout d’un certain nombre de générations, toutes les bactéries n’auront que de l’ADN avec un azote lourd (en rouge). Pour rappel, l’azote est un élément retrouvé dans les bases azotées, les nucléotides de la molécule d’ADN. C’était donc une excellente idée d’utiliser l’azote lourd. Si on centrifuge les bactéries qui n’ont que de l’ADN lourd, alors, par gradient de densité, dans le tube à essai, tout l’ADN des bactéries nous donne une densité de 1,72. Ce qui prouve que l’ADN est lourd.

 

 

Une fois qu’ils n’ont que des bactéries avec de l’ADN lourd, ils prennent une génération de bactéries qu’ils transposent dans une boîte de Pétri ne contenant que de l’azote léger 14N. Ils synchronisent leurs bactéries et stoppent au bout d’une génération. Il y avait donc la génération 1 avec uniquement de l’azote lourd, et maintenant, il y a la génération 2 avec de l’azote léger. Ensuite, ils centrifugent. Et alors, ils obtiennent 100 % d’un ADN qui n’est pas totalement lourd, pas totalement léger dit « mi-lourd/mi-léger » : un ADN hybride (en violet).

Ils peuvent alors faire une première conclusion : toutes les bactéries à la génération 2 ont toutes le même type d’ADN. Donc l’hypothèse semi-conservative serait validée pour cette génération 1, car les cellules filles ont bien un ADN hybride. Pour le conservatisme, on devrait avoir après centrifugation un trait lourd et un trait léger donc 50 % / 50 %. L’hypothèse du conservatisme est infirmé. On ne peut pas retenir cette hypothèse puisque le résultat obtenu ne corrobore pas le résultat du premier schéma de réplication. Donc on ne l’accepte pas. Quant au modèle dispersif, après 1 génération, on remarque que toutes les cellules ont un ADN hybride donc le modèle dispersif est confirmé, pour le moment, comme pour le modèle semi-conservatif. Il faut attendre une génération supplémentaire pour valider laquelle des hypothèses (semi-conservative ou dispersive) est acceptée.

 

Dans le cas d’un modèle hypothétique semi-conservatif, on a l’ADN hybride de la génération 2 que l’on va dupliquer. Pour rappel, le milieu est maintenant composé d’azote léger donc il n’y a que l’ADN « bleu » dit léger comme source de réplication. Si on duplique la molécule d’ADN hybride, en ouvrant les deux brins, par complémentarité, on fait un brin néoformé bleu sur un brin matrice rouge et un autre brin néoformé bleu sur l’autre brin matrice bleu. La cellule mère se divise par mitose et on obtient deux cellules filles : l’une avec un ADN hybride et l’autre avec un ADN léger. Lorsqu’on centrifuge les bactéries, si cette hypothèse est validée, alors on aura 50 % d’ADN hybride et 50 % d’ADN léger.

 

 

 

Dans le cas de l’ADN dispersif, on a la molécule d’ADN de la génération 2 et on la duplique par mode dispersif. On obtient deux molécules d’ADN avec de plus en plus de « bleu », ce qui est logique puisque nous sommes dans un milieu avec de l’azote léger. Nous avons une mitose et les deux cellules filles obtenues ont un ADN de même densité, pas totalement hybride mais plutôt léger. Si on centrifuge, on ne devrait obtenir qu’un seul trait avec un ADN de densité plutôt faible donc un ADN plutôt léger.

 

 

Meselson et Stahl ont obtenu, après centrifugation, 50 % d’ADN hybride et 50 % d’ADN léger dans l’ensemble des bactéries récupérées dans leurs boites de Pétri.

 

 

Conclusion : le modèle dispersif est infirmé et le modèle semi-conservatif est confirmé. La réplication de l’ADN se fait sous mode semi-conservatif !