Les Acides Nucléiques sont les macromolécules fournissant les informations nécessaires au développement et au maintient de la vie. Elles ont pour fonctions la transmission du patrimoine génétique de génération en génération, et le contrôle de la fabrication des protéines nécessaires à la vie.

L'ADN (Acide DéoxyriboNucléique) est le support dépositaire de l'Information Génétique.
Les ARN (Acides RiboNucléiques) sont les vecteurs et médiateurs de l'Information.

D'un point de vue chimique, les Acides Nucléiques sont des polymères géants obtenus par condensation de sous-unités appelées Nucléotides.

Un nucléotide est constitué par :

• une Base azotée de type purine (Adénine (A) ou Guanine (G)) ou de type pyrimidine (Cytosine (C) ou Thymine (T) (ou Uracile (U) pour ARN)).
• un Sucre: déoxyribose (ADN) ou ribose (ARN).
  
• un groupe Phosphate.

Un sucre et une base forment un Nucléoside.
Un nucléotide est un nucléoside phosphorylé .
Le lien inter-nucléotide est constitué par une liaison phosphodiester entre le phosphate (5') d'un nucléotide et une fonction alcool en position 3' sur le sucre du nucléotide suivant.

L'arrangement des nucléotides encode l'information nécessaire à la construction des protéines.

• A la fin des années 1860, un pharmacien suisse nommé Friedrich Miescher, isola un précipité issu du traitement de noyaux de globules blancs par une solution alcaline. L'analyse quantitative montra que ce précipité contenait du Carbone, de l'Azote, de l'Hydrogène, de l'Oxygène et du Phosphore. Miescher baptisa cette substance Nucléine.

• En 1930, Kossel & Levene démontrèrent que la Nucléine était principalement constituée d'Acide DéoxyriboNucléique.

• Au tout début des années 50, Chargaff découvrit une relation d'équimolarité entre certaines bases azotées ([A]=[T], [G]=[C]). Il définit alors le coefficient de spécificité ((G+C)/(A+T)) caractérisant chaque molécule d'ADN.

• En 1952, Hershey & Chase démontrèrent de manière irréfutable que l'ADN était bien le support de l'héridité.

• En 1953, James Watson & Francis Crick proposèrent une structure de l'ADN en double hélice, en se basant sur d'important travaux de diffraction X effectués par Rosalind Franklin.

• En 1962, Watson, Crick et Wilkins reçurent le prix Nobel de chimie pour leur découverte.
  
  
  
  

L 'Acide DeoxyriboNucléique

L'information génétique est constituée d'un ensemble d'instructions (génome) permettant de créer et de maintenir la vie. L'ADN est le support universel de cette information.

La molécule d'ADN (Acide DéoxyriboNucléique) est constituée de deux brins polynucléotides antiparallèles, associés par des liaisons hydrogène entre bases puriques et pyrimidiques. L'appariement spécifique entre Adénine et Thymine, Guanine et Cytosine, induit une complémentarité entre les brins. La séquence (ou code) d'un des brins détermine la séquence du brin complémentaire et antiparallèle.

Les deux brins polynucléotides sont enroulés autour d'un axe commun, sous la forme d'une double hélice à pas droit. Ainsi la molécule d'ADN est souvent représentée sous la forme d'une échelle torsadée dont les barreaux seraient constitués par l'appariement des bases et les montants par l'enchaînement sucre-phosphate.

La structure en double hélice est essentiellement stabilisée par des liaisons hydrogène entre les paires de bases. Toutefois, les bases hétérocycliques hydrophobes étant empilées à l'intérieur de l'hélice et l'enchaînement sucre-phosphate (hydrophile) étant dirigé vers l'extérieur, des interactions de type Van der Waals et de type hydrophobe interviennent également dans la stabilisation de la structure hélicoïdale.

Les liaisons N-glycosidiques (Sucre-Base) n'étant pas diamétralement opposées d'un brin à l'autre, la surface de la double hélice est parcourue par deux sillons de largeur différente. Ces deux sillons rendent certaines bases directement accessibles à toute molécule du milieu. Certains composés pourront donc interagir avec l'ADN sans qu'il soit nécessaire de dérouler la double hélice.

D'un point de vue conformationnel, il existe trois types d'ADN (A, B et Z). Ces différentes formes ont essentiellement pour origine, la conformation de la partie sucre (C2'-endo / C3'-endo) et l'orientation de la base par rapport au sucre (syn/anti).

Ainsi en fonction de la composition en base et des conditions physiques (hydratation/salinité), l'ADN peut prendre différentes conformations (A, B, Z).

Chaque conformation possède des caractéristiques spécifiques : diamètre de l'hélice, nombre de bases par tour et distance entre chaque plan de bases.

• La forme B est la forme naturelle prévalant dans les conditions physiologiques les plus courantes. L'hélice possède 10 paires de nucléotides par tour, tous de conformation C2'-endo/anti. Les bases sont situées dans un plan quasi perpendiculaire à l'axe de l'hélice. Entre les chaînes déoxyriboses-phosphates se dessinent deux sillons profonds, l'un majeur, l'autre mineur.

• La forme Z (en ZigZag) est observée sur les portions d'ADN riche en Guanine-Cytosine. L'ADN Z possède une hélice gauche et un seul sillon profond résultant de l'alternance des nucléotides à base purine (C3'-endo/syn) et à base pyrimidine (C2'-endo/anti).

• La forme A est quelquefois observée dans certaines régions d'ADN naturel, en présence d'une importante concentration en cations (Mg++, Ca+) ou lorsque le degré d'hydratation est plus faible (<65%). Elle possède 11 paires de nucléotides par tour, tous de conformation C3'-endo/anti. Deux sillons se déssinent à sa surface, l'un étroit et profond, l'autre large et superficiel.

• Les formes C et D, sous-classes du type B, sont plus rarement rencontrées. La forme C est observée lorsque le degré d'hydratation descend au-dessous de 45%. La forme D est uniquement observée sur des ADN artificiels.

Certaines modifications locales de la forme de l'hélice semblent jouer un rôle important durant les étapes de transcription ou de réplication. Ainsi l'interaction d'un brin d'ADN avec certaines protéines de régulation semble être affectée par un changement conformationnel local faisant apparaître une hélice de type A.

Chez les prokaryotes (cellules sans noyaux), les deux extrémités de l'hélice sont reliées de manière covalente et forment un ADN circulaire. Ce dernier prend à son tour la forme d'une super-hélice, qui associé à diverses protéines, peut s'organiser en une structure plus compacte nommée nucleoïde.

Chez les eukaryotes l'ADN est localisé au sein du noyau. Associé à des protéines spécifiques, il est conditionné sous forme de chromatine.

Les Nucléosomes constituent les unités fondamentales de conditionnement de l'ADN en chromatine.
Un Nucléosome est un complexe ADN-protéine dans lequel l'hélice d'ADN est enroulée autour d'une protéine constituée de sous-unités appelées Histones.
Le coeur d'un nucléosome est constitué de 2 tétramères d'histones 2x[H2A + H2B + H3 + H4] . L'enroulement de l'ADN autour de l'octamère d'histones est assuré par des interactions électrostatiques entre les charges négatives des groupes phosphates de l'ADN et les charges positives des acides aminés des histones. Une neuvième histone dite de liaison (H1) adhère au nucléosome et forme un chromatosome.

Les Nucléosomes sont séparés les uns des autres par une portion d'ADN de longueur variable (20 à 200 paires de nucleotides) appelée segments de liaisons. Cela donne aux filaments nucléo-protéiques de la chromatine non condensée, l'apparence d'un "chapelet" ou "collier de perle".

Grâce aux histones H1, un filament nucléo-protéique peut s'enrouler régulièrement en spirale, à raison de six à huit nucléosomes par tour. Il forme alors un solénoïde ou fibre nucléo-protéique de 30nm de diamètre (30.10^-9m).

Le conditionnement en nucléosomes puis sous forme d'un solénoïde permet de réduire la longueur de l'ADN d'un facteur 50.

Entre deux divisions cellulaires (interphase), la chromatine existe sous forme d'un écheveau de fibres de 10 à 30nm de diamètre et 0.25 à 2mm de longueur. Suivant le degré de condensation, on distingue des régions riches en euchromatine (chromatine sous forme de chapelet) ou en hétérochromatine (chromatine conditionnée en solénoides).

Avant la division cellulaire (métaphase), la chromatine se condense en chromosomes.
Durant cette étape, le compactage des molécules d'ADN s'amplifie et atteint un facteur de compression de l'ordre de 7000. L'organisation structurelle et les mécanismes mis en jeu ne sont toujours pas clairement élucidés. Toutefois, il est généralement admis que les fibres nucléo-protéiques de 30nm sont associées à des protéines non-histones définissant des sous-domaines en forme de boucles, eux-mêmes arrangés en spirale. Finalement, l'ensemble serait stabilisé par un réseau de protéines spécifiques appelé matrice nucléaire, responsable de la forme en X du chromosome.

Un chromosome est constitué de deux molécules d'ADN identiques appelées chromatides Les chromatides sont disposées symétriquement et joint par un centromère qui les relie au faisceau mitotique.
Chaques chromosomes comporte également 4 télomères (extrémités des molécules d'ADN) et de nombreux sites d'initiation de la réplication (ARS : Séquences de Réplication Autonome).

Les organismes diploïdes comme ceux des mammifères, possèdent deux jeux de chromosomes, chaque jeu provenant d'un parent. Ainsi les cellules humaines contiennent 46 chromosomes répartis en 23 paires. On compte 22 paires d'autosomes et deux chromosomes sexuels définissant le sexe du porteur: X pour la femelle (XX), Y pour le mâle (XY).

Les gènes sont les sous-unités fonctionnelles de l'hérédité. Un gène est une région d'un brin d'ADN dont la séquence code l'information nécessaire à la synthèse d'une protéine.

Trois types d'ADN différents constituent le génome :
L'ADN "à copie localisée" représentant environ 75% du génome, est formé de gènes présent en un seul exemplaire ou en un nombre limité de copies. Toutefois, par extension ce type d'ADN englobe également certains gènes spécifiques dit à multicopies, comme ceux des ARN ribosomaux ou bien ceux codant les histones. Ces derniers existent sous forme de larges amas de copies (50-10000 copies) localisés sur un ou plusieurs chromosomes.
L'ADN répétitif et dispersé (15% du génome) est caractérisé par de courtes séquences nucléotidiques (6 à 10 paires) répétées un très grand nombre de fois (100000 - 1000000 de fois) en de nombreuses régions du génome.
L'ADN satellite (10% of génome) est constitué de séquences hautement répétitives, essentiellement localisées dans les régions des centromères et des télomères.

Le génome humain comprend environ 3 Milliards de paires de nucléotides représentant près de 100000 gènes.
Toutefois, il ne semble pas y avoir de relation systématique entre le nombre de paires de nucléotides par génome haploïde et le degré de complexité d'un organisme. Ainsi, certaines plantes et certains organismes amphibiens possèdent un génome comptant plus de 100 Milliards de paires de nucléotides soit 30 fois plus qu'un génome humain.
De fait le génome des cellules eukaryotes semble contenir un large excès d'ADN. Chez les mammifères, moins de 10% du génome serait utile à l'expression en protéine ou à la régulation de cette expression. Cette excès d'ADN est supposé servir de camouflage, prévenant les gènes de certaines mutations accidentelles.

La taille des gènes peut varier de quelques centaines à plusieurs dizaines de milliers de nucléotides. Cependant même les plus longs gènes n'utilisent qu'une faible portion de leur séquence pour coder l'information nécessaire à l'expression en protéine. Ces régions codantes sont appelées exons et les séquences non-codantes introns.
D'une manière générale, plus l'organisme est complexe, plus la quantité et la taille des introns est importante. Ainsi la présence d'introns sur l'ADN d'organismes prokaryotes est extrêmement rare.
Certaines régions de l'ADN sont impliquées dans la régulation de l'expression des gènes. Ces séquences de régulation sont généralement localisées en début (coté 5') ou en fin de gène (coté 3') et plus rarement à l'intérieur d'introns ou d'exons.

Lors de chaque division cellulaire la totalité de l'ADN doit être dupliquée. La duplication d'une molécule d'ADN parent en deux molécules d'ADN fille est appelée Réplication.

Durant la réplication la double hélice d'ADN est déroulée localement et les deux brins sont séparés. Apparaît alors une bulle de réplication comprenant deux fourches de réplication progressant simultanément en sens opposés. Chaque brin d'ADN sert de modèle pour la synthèse d'un brin complémentaire.

Chaque molécule d'ADN fille est une copie exact de la molécule parent. Elle est constituée d'un brin provenant de l'ADN parent et d'un brin nouvellement synthetisé. La réplication est donc semi-conservative.

Chez l'humain, la réplication s'effectue à une vitesse d'environ 50 nucléotides par seconde. Chez les procaryotes, ce taux peut atteindre 500 nucléotides/seconde. Cependant les cellules eukaryotes amplifie la vitesse de réplication en faisant apparaître plusieurs bulles de réplication sur la même molécule.

La réplication de l'ADN s'effectue uniquement dans le sens 5'->3'. Les deux brins parents étant antiparallèles, au sein d'une fourche de réplication, l'un peut être copié en continu (brin principal) alors que le deuxième (brin retardataire) ne peut être répliqué que de manière discontinue. Le brin retardataire est donc constitué de fragments de copies nommés fragments d'Okazaki.

Afin de garantir l'intégrité parfaite de l'information génétique transmise, les mécanismes de la réplication impliquent un très haut degré d'efficacité et de fidélité. Les processi biochimiques mis en jeu sont donc complexes. Ils font intervenir de multiples systèmes enzymatiques et réclament une grande quantité d'énergie.

L'activité enzymatique principale est dévolue aux DNA polymérases. Ces enzymes sont chargées de recruter les nucléotides libres et de les apparier aux nucléotides complémentaires du brin parent.
Chez les prockaryotes il existe deux principaux types de DNA polymerases : pol I et pol III.
Chez les Eukaryotes, les mécanismes de réplication sont un peu plus complexe, mais il existe un équivalent à la pol III et à la pol I nommé respectivement pol-a et pol-b.

Pour permettre à la polymérase III d'accéder à un brin parent, et de commencer la réplication, un certain nombre de protéines dites secondaires sont nécessaires :

• Les Topoisomérases sont chargées d'introduire des supertours négatifs à chaque extrémité de la bulle de réplication. Elles diminuent ainsi le degré de surenroulement de l'hélice et permettent l'ouverture et la progression de la bulle.

• Les Hélicases déroulent l'hélice et séparent les deux brins parents, en rompants les liaisons hydrogènes qui les unissent.

• Les protéines SSB (Single Stranded Binding) stabilisent les brins séparés prévenant leur réunification et la formation de boucles et bourrelets.

• A chaque extrémité de la bulle, une Primase (RNA polymérase) associée à d'autres protéines forme un Primeosome. Elle synthétise de petites portions d'ARN (amorce d'ARN), reconnues par la DNA polymérase III pour initier la réplication.

• Suivant la progression de la polymérase III, la DNA polymérase I détruit les amorces d'ARN et les remplace par les séquences d'ADN correspondantes. Finalement les DNA ligases sont chargées de souder les fragments d'Okazaki.

La combinaison des DNA polymérases et des protéines secondaires compose une activité enzymatique appelée DNA polymérase holoenzyme. L'ensemble de l'activité enzymatique localisée au sein d'une fourche de réplication constitue un Réplisome.