ADN polymérases – Les puissants écrivains du génome

ADN-polymérase

Définition de l’ADN polymérase

Les ADN polymérases sont des enzymes qui catalysent la synthèse de molécules d’ADN à partir de désoxyribonucléotides. Les ADN polymérases jouent un rôle clé dans la réplication de l’ADN permettant la transmission d’informations génétiques aux cellules filles de génération en génération.

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Edité par Christina Swords, Ph.D.

Aspects biochimiques des ADN polymérases

Activité polymérase

La polymérase permet la liaison chimique de molécules individuelles (monomères) pour former une chaîne (polymère). Dans le cas de l’ADN polymérase, le polymère formé est l’acide désoxyribonucléique (ADN). Les monomères sont des désoxyribonucléotides, plus précisément des désoxynucléosides triphosphates (dNTP). L’ADN polymérase dépendante de l’ADN utilise toujours un ADN simple brin déjà existant comme matrice pour la synthèse d’un nouveau brin complémentaire dont la séquence nucléotidique est ainsi déterminée par la matrice. Cette préservation de la séquence d’ADN est déterminante pour la capacité de l’ADN polymérase à copier l’information génétique codée dans l’ADN. La copie correcte de la matrice est obtenue par appariement de bases complémentaires des bases nucléotidiques incorporées avec les bases de la matrice d’ADN, médiée par des liaisons hydrogène. La synthèse du nouveau brin d’ADN a lieu de l’extrémité 5 ‘à l’extrémité 3’. Chimiquement, une attaque nucléophile du groupe 3′-hydroxy terminal du brin d’ADN sur le phosphate α du dNTP a lieu, libérant du pyrophosphate. Cette étape est catalysée par la polymérase.

Contrairement aux ARN polymérases (produit de l’ARN qui est utilisé pour synthétiser des protéines à partir d’acides aminés), la synthèse du brin d’ADN complémentaire dans les ADN polymérases ne peut avoir lieu que si une extrémité 3′-hydroxy libre est disponible pour la polymérase. Le premier nucléotide est alors attaché à cette extrémité. Dans la réaction en chaîne par polymérase (PCR), un ADN simple brin (amorce) d’environ 15 à 20 nucléotides de longueur est utilisé comme point de départ de la réaction. Les enzymes nécessitent généralement des ions magnésium comme cofacteur.

La catalyse de la formation de la liaison diester est fonctionnellement analogue à la réaction correspondante des ARN polymérases. Le dernier nucléotide de la section déjà synthétisé et le nucléotide à ajouter sont coordonnés à l’un des deux ions magnésium chacun dans le centre catalytique du domaine polymérase. Le premier groupe phosphate du nucléotide à ajouter est coordonné aux deux ions magnésium. La position spatiale permet au groupe hydroxy du nucléotide précédent d’attaquer le groupe phosphate du nucléotide à ajouter. Dans le processus, un résidu de pyrophosphate est séparé.

Les fonctions au niveau des sites actifs de l'ADN polymérase.
Les processus au niveau des sites actifs de l’ADN polymérase où les réactions d’acide nucléique sont catalysées.

Activité d’exonucléase

De nombreuses polymérases ont également d’autres fonctions enzymatiques. En présence de faibles concentrations de dNTP, l’activité d’exonucléase 3 ‘→ 5’ pour l’élimination des nucléotides prédomine. Certaines polymérases ont également une activité d’exonucléase 5 ‘→ 3’. Pour s’assurer qu’aucune erreur ne se produit lors de la lecture de la matrice d’ADN, ils ont cette fonction de relecture, c’est-à-dire qu’ils sont capables de détecter l’insertion d’un nucléotide inadapté puis de l’éliminer de l’ADN au moyen de l’activité exonucléase. Cela permet la dégradation d’un brin d’ADN ou d’ARN existant qui est déjà apparié avec le brin matrice pendant la formation d’un nouveau brin. Il en résulte un échange de l’ancien brin contre un nouveau brin. Cette activité d’exonucléase est exploitée par la méthode de traduction de pseudo.

Différentes ADN polymérases

Dans des bactéries telles que Escherichia coli, il existe trois ADN polymérases différentes dépendant de l’ADN. L’un d’eux, l’ADN polymérase I (Pol I) a été isolé en 1955 par Arthur Kornberg et a été la première polymérase jamais découverte. Cependant, ce n’est pas la polymérase la plus importante pour la réplication dans E. coli, car elle ne catalyse qu’environ 20 étapes de synthèse (c’est-à-dire qu’elle n’a qu’une faible puissance de traitement). Cependant, il est responsable de la dégradation de l’amorce lors de la réplication en raison de son activité d’exonucléase 5 ‘→ 3’. L’ADN polymérase II et l’ADN polymérase III, les deux autres ADN polymérases d’E. Coli, ont été isolées 15 ans seulement après la découverte de l’ADN polymérase I, après que des mutants d’E. Coli présentant un défaut dans le gène de la polymérase I se soient néanmoins avérés compétents pour réplication. Cependant, ces mutants étaient particulièrement sensibles aux rayons UV et aux substances alkylantes, c’est pourquoi on suppose que l’ADN polymérase I effectue principalement des tâches de réparation. La polymérase III, qui effectue la réplication proprement dite dans E. coli, est composée d’un total de sept sous-unités et n’apparaît qu’en très peu de copies par cellule bactérienne.

Les ADN polymérases eucaryotes, y compris les ADN polymérases humaines, sont classées dans les familles suivantes:

  • Famille A: ADN polymérases γ, θ et ν
  • Famille B: ADN polymérases α, δ, ε et ζ
  • Famille X: ADN polymérases β, λ, σ et μ
  • Famille Y: ADN polymérases η, ι et κ

La polymérase γ n’apparaît que dans les mitochondries.

Seuls cinq types existent chez les mammifères: α, β, γ, δ et ε. On suppose que les polymérases δ et ε, qui sont décisives pour la réplication, sont caractérisées par une puissance de traitement et une fonction de relecture élevées. En revanche, les polymérases α et β ne présentent qu’une faible puissance de traitement et aucune fonction de relecture.

En outre, il existe des ADN polymérases dépendantes de l’ARN qui utilisent l’ARN comme matrice et y attachent des dNTP. Celles-ci sont appelées transcriptases inverses, qui comprennent également la télomérase. La seule ADN polymérase indépendante connue est la désoxyribonucléotidyltransférase terminale.

Chez les archéobactéries, il existe des types thermostables qui sont également utilisés pour la PCR.

Importance biologique

Les ADN polymérases sont d’une importance capitale pour la réplication de l’ADN. Ils permettent la copie fidèle d’informations génétiques sous forme d’ADN, donc une étape décisive dans la reproduction et la procréation des organismes vivants. Les enzymes jouent également un rôle important dans les processus associés à la réparation de l’ADN.

Importance biotechnologique

En laboratoire, les ADN polymérases sont souvent utilisées pour la réaction en chaîne par polymérase et les méthodes associées (par exemple, RT-PCR, qPCR), pour la traduction des entailles, l’amorçage aléatoire et le séquençage de l’ADN. Un grand nombre de types thermostables différents (par exemple Taq polymérase de Thermus Aquaticus ) sont utilisés, dont certains sont modifiés par l’ingénierie des protéines. En plus de la stabilité à haute température, les ADN polymérases thermostables d’origine archaïque, telles que la Pfu polymérase, fournissent une relecture, car la PCR ne doit entraîner aucune modification de l’ADN produit. En outre, des ADN polymérases à déplacement de brin telles que l’ADN polymérase φ29 sont utilisées dans divers procédés d’amplification d’ADN isotherme à température ambiante. Le précurseur des ADN polymérases utilisées aujourd’hui était l’ADN polymérase T4.

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