Définition
L’ADN polymérase est un groupe d’enzymes important impliqué dans la synthèse, la réparation et la réplication de l’ADN; ces enzymes se trouvent dans tous les organismes vivants. Découvert à l’origine lors de recherches sur la bactérie Escherichia coli, nous connaissons maintenant plusieurs variétés avec des structures similaires mais des fonctions différentes. Ces variétés sont regroupées en familles selon leur fonction et sont également utilisées dans le domaine du génie génétique.
Fonction de l’ADN polymérase
L’ADN polymérase joue divers rôles dans les mécanismes de synthèse de l’ADN, réparation et réplication. L’ADN polymérase est classée en sept familles différentes chez les eucaryotes, les virus, les levures et les bactéries. Ces sept familles sont A, B, C, D, X, Y et la transcriptase inverse (RT). Des recherches futures pourraient découvrir d’autres groupes.
Chacune de ces familles contient un sous-ensemble d’ADN polymérases qui ont leur propre gamme de fonctions. Par exemple, l’ADN polymérase I est un membre de la famille A; L’ADN polymérase IV ou DinB fait partie de la famille X. Vous n’aurez pas besoin de mémoriser chaque nom, mais la fonction de base par groupe vous aidera également à mieux comprendre la synthèse des protéines, la mutation génique et la modification génétique.
La structure de l’ADN polymérase est assimilée à une main droite avec la paume, les doigts et le pouce. Vous pouvez imaginer un brin d’ADN se déplaçant à travers une molécule d’ADN polymérase comme le ruban à travers une machine à écrire. En termes simples, les doigts aident à positionner soigneusement le brin d’ADN décompressé en reconnaissant les nucléotides, la paume est le site actif où se produit la phosphorylation (ajout du squelette phosphate) et le pouce lie l’ADN en une forme de double hélice à sa sortie. la molécule d’ADN polymérase. Mais toutes les familles d’ADN polymérase n’ont pas les mêmes composants structurels. Regardons les différentes familles un peu plus en détail.
Polymérase Famille A
La famille A est un groupe d’enzymes de réplication de l’ADN ou de réparation de l’ADN. Dans la réplication de l’ADN, ils associent une base nucléotidique au bon partenaire. Cela est nécessaire chaque fois qu’une cellule se prépare à se diviser et que le chromosome simple brin est dupliqué pour que les deux cellules, mère et fille, aient un ensemble complet d’ADN.
Si une copie de l’ADN doit être faite, les molécules d’ADN polymérase passent sur le brin matrice décompressé et le copient avec les nucléotides opposés. Cela produit une copie exacte du brin codant d’ADN. Différentes enzymes de la famille A aident à la réparation de l’ADN – elles vérifient les brins nouvellement produits pour les bases défectueuses et les remplacent si des défauts sont trouvés.
Des exemples d’ADN polymérases de la famille A sont Pol I, Pol γ (gamma) et Pol θ (thêta). Souvent appelée la famille Pol I (Pol est l’abréviation de polymérase), chaque sous-type a une action spécifique.
Vous pouvez toujours savoir si une ADN polymérase se trouve dans des cellules procaryotes ou eucaryotes en regardant leurs noms. Lorsqu’une polymérase se voit attribuer des chiffres romains (Pol III, Pol I, etc.), cette enzyme se trouve dans les organismes procaryotes (unicellulaires). Chez les eucaryotes, les sous-types sont nommés selon l’alphabet grec (Pol delta, Pol theta, etc.). Les familles peuvent contenir des ADN polymérases pour des organismes unicellulaires et / ou multicellulaires.
Pol γ est la seule ADN polymérase capable de répliquer l’ADN mitochondrial (et seules les ADN polymérases de la famille X réalisent la réparation de l’ADNmt).
Pol thêta (ADN polymérase thêta) répare les cassures double brin dans l’ADN en rejoignant les extrémités cassées. Les dommages au gène qui code pour la production de Pol thêta (θ) signifie que les cassures commencent à s’accumuler sans être réparées; cependant, la jonction terminale à médiation thêta (TMEJ) augmente le risque de mutation par rapport à certains autres mécanismes de réparation de l’ADN. Pour cette raison, des gènes Pol θ défectueux ont été liés à de nombreuses formes de cancer.
Grâce à de telles études sur la maladie et l’ADN, les ADN polymérases de la famille A nous ont aidés à comprendre et à traiter diverses formes de cancer. Un autre exemple de la famille A est Pol nu, qui aide à décrocher des liaisons croisées interstrand (ICL). Qu’est-ce qu’une liaison croisée interstrand? Avez-vous déjà entendu parler du gaz moutarde, utilisé pendant la Seconde Guerre mondiale? Respirer ce gaz en grande quantité pourrait tuer, mais des milliers de soldats ont survécu à l’exposition. Au fil du temps, les médecins ont découvert que ces hommes courageux étaient plus susceptibles de mourir d’un cancer du système respiratoire que les personnes qui n’avaient jamais été exposées au gaz moutarde.Le gaz est entré dans les poumons et a réagi directement avec l’ADN des cellules pulmonaires, liant ensemble un brin nucléotidique à des nucléotides opposés qui n’étaient pas leurs partenaires (diagonales ou réticulations). Ces liaisons supplémentaires ont rendu difficile la décompression de l’ADN avant la réplication et, lorsque la réplication s’est produite, des erreurs ont été commises lors de la copie du code. Ces erreurs se sont multipliées avec le temps, provoquant de nombreux défauts d’ADN copiés et provoquant des mutations génétiques. Ces mutations ont conduit à la production de cellules défectueuses ou à un cancer. Dans le cas du gaz moutarde, il s’agissait d’un cancer du poumon.
Pol nu (POLν) est spécifiquement produit pour essayer de résoudre ces liens croisés interbrins très dommageables. Il n’est pas fabriqué en grande quantité et semble être davantage une enzyme de secours, mais il peut y avoir plus que cela. Bien que découvertes seulement en 2003, les ADN polymérases moins connues comme Pol nu reçoivent beaucoup d’attention. L’une des raisons est qu’environ 50% des cellules cancéreuses du sein présentent des zones supprimées à l’emplacement cytogène (position) 4p16.2 – c’est-à-dire le chromosome 4, bras court (p), région 16, bande 2). Dans l’image ci-dessous, c’est la position la plus à gauche. Il est également important de noter que c’est exactement là que se trouve le gène de la synthèse Pol nu.
Fonction de la famille B de la polymérase
Les enzymes de la famille de l’ADN polymérase B sont importantes au cours du processus de division cellulaire. Ils vérifient l’ADN nouvellement répliqué et synthétisé. La famille comprend à la fois des polymérases procaryotes et eucaryotes.
Pol alpha (une lettre grecque, donc une polymérase eucaryote) lance le processus de réplication de l’ADN et communique les zones de dommages à d’autres ADN polymérases de la famille B telles que Pol delta et Pol epsilon. Parce que ces défauts sont immédiatement corrigés, ils ont beaucoup plus de chances de réussir et le risque de réparation de mésappariement (faire correspondre le mauvais nucléotide à un brin d’ADN endommagé) est faible.
Un exemple de réparation de mésappariement est le remplacement d’une paire de guanine et de thymine précédemment liée pour produire une paire de guanine et de cytosine dans l’ADN, où la thymine est à tort substituée par la cytosine. Les ADN polymérases bactériennes et eucaryotes sont au cœur des mécanismes de reconnaissance et de réparation des dommages.
Fonction de la famille C de la polymérase
Alors que les fonctions de l’ADN polymérase C ne se trouvent que dans les bactéries, il ne faut jamais oublier que les bactéries sont dix fois plus nombreuses que les cellules humaines dans le corps moyen. La majorité d’entre eux sont essentiels pour notre santé, aident le système digestif et produisent des produits chimiques qui améliorent le fonctionnement du système et des organes. Moins souvent, les bactéries pathogènes colonisent pour produire des symptômes de maladie et de maladie. La famille C – souvent appelée PolC – est le groupe de polymérase de réplication de l’ADN bactérien le plus important. La famille C n’est pas une polymérase réparatrice.
Avec l’augmentation des bactéries résistantes aux médicaments, de nouveaux agents antibactériens sont de plus en plus nécessaires. Les nouveaux domaines de recherche incluent le développement d’antibiotiques qui ciblent directement les PolC. Ce nouveau médicament potentiel à large spectre pourrait empêcher la réplication dans tous les types de bactéries, saines et pathogènes, mais plus important encore, ces médicaments – qui en sont encore aux premiers stades de développement – évitent les mécanismes qui conduisent à la résistance bactérienne aux antibiotiques.
Fonction de la famille D de la polymérase
Euryarchaeota décrit un groupe de bactéries Gram-positives et Gram-négatives dont on dit souvent qu’elles préfèrent les environnements extrêmes (extrémophiles). Cependant, ces bactéries vivent et se multiplient dans toutes sortes d’environnements, des limons marins profonds à nos systèmes digestifs. Ils utilisent les ADN polymérases de la famille D (PolD) pour la réplication de l’ADN. Les taux de mutation dans ce groupe sont très élevés par rapport à ceux des ADN polymérases PolB. Et contrairement aux autres polymérases, la famille D n’a pas de structure en forme de main, probablement parce que ces cellules sont, du point de vue de l’évolution, des types de cellules très précoces.
Fonction X de la famille des polymérases
Le X La famille d’ADN polymérase est limitée aux cellules eucaryotes et joue à la fois des rôles de réplication et de réparation. Certains travaillent pour réparer l’ADN mitochondrial où les environnements hautement oxydants encouragent les dommages à l’ADN. D’autres réparent un à (environ) dix nucléotides consécutifs dans l’ADN du noyau cellulaire. La méthode de réparation (réparation par excision de base) dans la mitochondrie et le noyau est similaire. La réparation par excision de base (BER) est un processus qui utilise divers types d’enzymes, y compris l’ADN glycosylase et les endonucléases. C’est l’ADN polymérase de la famille X (Pol beta et Pol lambda) qui forme le site actif de cette réparation et insère le nucléotide correct. Si le gène des ADN polymérases de la famille X est endommagé, les processus BER sont affectés négativement et cela est associé à certains types de cancer.Certaines nouvelles thérapies ciblées développées pour ces cancers inhibent les mécanismes de réparation par excision de base défectueux.
Fonction de la famille Y de la polymérase
La famille de l’ADN polymérase Y est une enzyme de réplication et de réparation trouvée dans les cellules eucaryotes et procaryotes. Toutes ces polymérases sont très sujettes aux erreurs en ce qui concerne leur rôle dans la réplication et la réparation immédiate ou le contournement de séquences d’ADN défectueuses. Pourtant, dans le même temps, des niveaux trop faibles de cette famille de polymérases peuvent augmenter la sensibilité aux tumeurs malignes. C’est pourquoi la famille Y est parfois assimilée à une épée à double tranchant.
Le groupe de la famille Y s’active lorsque d’autres ADN polymérases sont incapables de produire un effet. Il est censé être un mécanisme de sauvegarde; cela peut expliquer pourquoi les mutations suivant ce type de réparation sont plus fréquentes.
Fonction de transcriptase inverse
Les virus, les rétrovirus et les cellules eucaryotes contiennent des enzymes de transcriptase inverse dépendant de l’ARN. Ces enzymes – qui font partie du groupe de l’ADN polymérase – sont ce qui rend les virus dangereux. Comme un virus ne contient que de l’ARN, il doit inciter un micro-organisme ou une cellule à le reproduire. Si nos cellules ne copiaient que l’ARN, elles pourraient produire une ou deux protéines inhabituelles dans un ribosome, mais cela n’aiderait pas le virus à se multiplier. Au lieu de cela, l’ARN viral doit en quelque sorte faire partie de la matrice d’ADN afin que la cellule subisse des changements permanents. Pour ce faire, il utilise des enzymes de transcriptase inverse.
Ces enzymes produisent de l’ADN double brin à partir d’une matrice d’ARN simple brin dans un processus connu sous le nom de transcription inverse. Les mutations sont courantes. L’image ci-dessous montre comment le virus de l’immunodéficience humaine se réplique dans un lymphocyte T. La transcription inverse déclenche la croissance du virus en incitant la cellule à produire des composants qui s’assemblent pour former davantage de virus à partir d’ADN modifié.
La plupart des processus de transcription inverse sont le résultat d’infections virales nocives, où l’ARN viral simple brin est copié pour former un double brin d’ADN qui produira ensuite des protéines virales. Cela se fait par transcriptase inverse (inverse car la méthode habituelle consiste à utiliser de l’ADN double brin pour produire un simple brin d’ARN).
Test pendant le COVID-19 (SARS-CoV-2) en 2020 – comme pour tous les tests d’infection virale – nécessite une extraction d’ARN viral. Les laboratoires utilisent un processus appelé réaction en chaîne transcriptase-polymérase inverse (rt-PCR). La Rt-PCR n’est pas aussi compliquée à comprendre que cela puisse paraître. Ce test produit un ADN complémentaire (ADNc) ou un ADN qui est copié à partir de petites quantités d’ARN viral. Comme cette procédure ne produit que de très petites quantités d’ADNc, les résultats doivent être amplifiés en le répliquant. Une fois produit en quantité suffisante, le génome viral peut être détecté.