Réplication de l’ADN

L’ADN est constitué de deux brins complémentaires. Chaque brin est une succession de nucléotides dont les bases sont notées A, T, C et G. Les règles d’appariement associent A à T et C à G. La séquence d’un brin permet donc de déterminer celle de son complémentaire. Copier l’ADN ne consiste pas à prélever la moitié des gènes : chaque nouvelle molécule doit conserver l’ensemble de l’information de la molécule copiée.

Pendant la phase S du cycle cellulaire, les deux brins se séparent localement. Chacun sert de modèle à la construction d’un brin complémentaire. L’ADN polymérase participe à l’assemblage des nucléotides. Deux molécules sont obtenues : chacune possède un brin ancien et un brin nouveau. Le mécanisme est dit semi-conservatif parce que la moitié des brins de chaque molécule fille vient directement de la molécule initiale.

Les brins de l’ADN ont une orientation. Pour éviter les ambiguïtés dans une comparaison, on précise les extrémités 5′ et 3′ quand elles sont fournies. Les deux brins sont antiparallèles. Ainsi, face au brin 5′–A T G C–3′ se trouve le brin 3′–T A C G–5′. Si l’on réécrit ce second brin dans le sens 5′ vers 3′, il devient 5′–G C A T–3′. La complémentarité est la même ; seule la présentation change.

À l’échelle du chromosome, une chromatide avant la phase S correspond à une longue molécule d’ADN associée à des protéines. À l’issue de la réplication, les deux molécules copies appartiennent aux deux chromatides sœurs d’un chromosome double. La réplication prépare donc la répartition ultérieure par mitose. Elle ne produit pas directement deux cellules, et elle ne transforme pas une cellule diploïde en cellule tétraploïde.

Une expérience doit permettre de distinguer des explications concurrentes. Dans l’expérience historique de Meselson et Stahl, publiée en 1958, des bactéries sont d’abord cultivées avec de l’azote lourd, puis transférées dans un milieu contenant de l’azote léger. L’azote entre dans la composition des bases de l’ADN. Les molécules nouvellement synthétisées après le transfert incorporent donc de l’azote léger. On compare la densité de l’ADN extrait après différents nombres de générations.

Une centrifugation dans un gradient de densité sépare des ADN de densités différentes. L’ADN lourd se place plus bas que l’ADN léger ; un ADN associant un brin lourd et un brin léger a une densité intermédiaire. On ne lit donc ni un caryotype ni une longueur de molécule. Avant d’interpréter les résultats, il faut repérer les positions témoins des ADN entièrement lourds et entièrement légers.

Les bandes sont des résultats portant sur des populations de molécules. Il faut aussi vérifier les conditions : transfert effectif, génération complète, extraction comparable et méthode de séparation adaptée. Une bande intermédiaire n’indique pas que chaque molécule a perdu des bases. Elle indique une composition isotopique différente. Dans cette démarche, un modèle est évalué par ses conséquences attendues, et pas seulement par sa ressemblance avec un dessin.

La quantité d’ADN d’une cellule est très importante par rapport à ses dimensions. Pour effectuer un calcul de longueur, on utilise un pas moyen de 0,34 nanomètre par paire de bases de l’ADN. Avec 6,4 milliards de paires de bases dans une cellule diploïde prise comme modèle, on obtient 6,4 × 10⁹ × 0,34 × 10⁻⁹ m, soit environ 2,18 m. Cette valeur est un ordre de grandeur : le contenu exact dépend notamment de la cellule et du génome considérés.

Face à un diamètre cellulaire de 20 micromètres, 2,18 m représentent environ 109 000 diamètres. L’association de l’ADN à des protéines et son organisation expliquent qu’il puisse tenir dans le noyau. Pour extrapoler à un organisme, il faudrait multiplier par le nombre de cellules contenant le génome considéré. Multiplier aveuglément par toutes les cellules serait faux : chez l’être humain, par exemple, les globules rouges matures n’ont pas de noyau.

La réplication commence en des régions appelées origines. L’ouverture locale peut former un œil de réplication, bordé par deux fourches qui progressent en sens opposés. Plusieurs yeux peuvent être actifs sur un chromosome eucaryote. Cela permet de copier simultanément différentes régions d’une très longue molécule. Une image montrant plusieurs ouvertures ne signifie donc pas que plusieurs chromosomes ont déjà été séparés.

Des réplications fidèles suivies de mitoses produisent un clone cellulaire : un ensemble de cellules issues d’une même cellule initiale et possédant, en l’absence de mutation, la même information génétique. Ce terme ne signifie pas que les cellules ont toujours la même forme ou la même activité. Des cellules peuvent exprimer différemment leurs gènes. Une variation durable de la séquence peut, elle, créer un sous-ensemble génétiquement différent dans cette descendance.

La PCR amplifie une région d’ADN en laboratoire. Chaque cycle comporte une séparation des brins par chauffage, une fixation d’amorces encadrant la région choisie, puis une synthèse par une polymérase adaptée. Les températures et durées dépendent du protocole et de la région ciblée : elles ne sont pas déduites du seul nombre de copies souhaité. Les conditions sont définies par le matériel et les réactifs utilisés.

Dans un modèle où le nombre de molécules est doublé à chaque cycle, une quantité initiale N devient N × 2ᵏ après k cycles. En partant de cinq molécules, quatre cycles idéaux donnent 5 × 16 = 80 molécules. Ce calcul est une limite idéale : une efficacité imparfaite et l’épuisement des réactifs modifient la croissance réelle. On distingue aussi ce comptage théorique de l’obtention exacte des fragments délimités par les amorces aux premiers cycles.

Poursuis avec les mutations et les allèles pour comprendre pourquoi la copie peut parfois introduire des variations. Les activités de la rubrique S’entraîner permettent de travailler les séquences et les calculs d’amplification.