ADN polymérase
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| IUBMB | Entrée IUBMB |
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| IntEnz | Vue IntEnz |
| BRENDA | Entrée BRENDA |
| KEGG | Entrée KEGG |
| MetaCyc | Voie métabolique |
| PRIAM | Profil |
| PDB | RCSB PDB PDBe PDBj PDBsum |
| GO | AmiGO / EGO |
Une ADN polymérase est un complexe enzymatique intervenant dans la réplication de l’ADN au cours du cycle cellulaire, mais aussi dans des processus de réparation et de recombinaison de l'ADN. Les ADN polymérases utilisent des désoxyribonucléosides triphosphate comme pour la synthèse d'un brin d'ADN, en utilisant un autre brin d'ADN comme matrice. Ce processus réplicatif utilise la complémentarité des bases pour guider la synthèse du nouveau brin à partir du brin matrice. Il existe plusieurs familles de polymérases qui diffèrent selon leurs séquences en acide aminé et leurs propriétés catalytiques.
Mécanisme
Démarrage
Toutes les ADN polymérases synthétisent l’ADN dans le sens 5'-3', chez tous les organismes vivants, et aucune n’est capable de commencer la synthèse d'un brin de novo. Elles ne peuvent que rajouter des nucléotides à une extrémité hydroxyle libre, en général le 3'-OH du brin en cours de synthèse. Pour cette raison l'ADN polymérase a besoin d’une amorce (ou primer), sur laquelle elle pourra ajouter de nouveaux désoxyribonucléotides.
L’amorce peut être formée d’ADN ou d’ARN. Dans le cas de la réplication, l'amorce constituée d'ARN est synthétisée par une autre enzyme, appelée primase, au sein du complexe de réplication appelé réplisome. Celui-ci contient également une enzyme, l'hélicase qui est requise pour séparer les deux brins de l’ADN et ainsi permettre l’accès des ADN polymérases et la réplication. Dans le cas des processus de réparation et de recombinaison, l'amorce est constituée d'un segment d'ADN résultant de la coupure du brin endommagé ou recombiné par une endonucléase, qui libère une extrémité 3'-OH libre.
Élongation et processivité
Les diverses ADN polymérases se différencient par leur capacité à allonger l'ADN sans se dissocier du brin matrice, une caractéristique qui s'appelle la processivité. Certaines ADN polymérases sont faiblement associées à leur substrat et se détachent après avoir polymérisé seulement quelques nucléotides. On parle alors d'ADN polymérases distributives, ce qui est une caractéristique de beaucoup de polymérases impliquées dans les processus de réparation. Les ADN polymérases réplicatives au contraire, sont très fortement liées au brin matrice et ne se dissocient pas. Elles peuvent polymériser plusieurs centaines de milliers de nucléotides en une seule fois. On parle alors d'ADN polymérases processives. Un cofacteur protéique, le clamp (appelé PCNA chez les eucaryotes et complexe β chez les bactéries) se lie aux polymérases réplicatives et augmente considérablement leur processivité.
L'activité des ADN polymérases nécessite la présence d’ion magnésium comme cofacteurs qui se fixent en particulier sur les groupements phosphate des nucléotides et de l'ADN.
Fidélité et activité de relecture
Certaines ADN polymérases, qui disposent aussi d'une activité exonucléase 3’-5’, ont la capacité de corriger les erreurs d'incorporation dans le brin néoformé. Lorsque l'ADN polymérase fait une erreur et qu'un mésappariement est formé au niveau du site actif de l'enzyme, celle-ci va revenir en arrière et hydrolyser le nucléotide incorrect, c'est l'activité exonucléase 3’-5’ aussi appelée fonction d'édition. Elle peut alors réinsérer la base correcte, et reprendre la réplication. Ce processus de relecture par l'ADN polymérase améliore la fidélité du processus réplicatif et fait baisser le taux d'erreur.
Au contraire, certaines ADN polymérases sont peu fidèles et font des erreurs d'incorporation de nucléotides avec une fréquence plus élevée. Ces ADN polymérases sont utilisées spécifiquement dans les processus de réparation de l'ADN. Leur spécificité relâchée leur permet de répliquer de l'ADN contenant des lésions, c'est-à-dire des bases altérées par des modifications chimiques, résultant par exemple de l'action de rayonnement UV, ionisant ou d'agents mutagènes. On parle d'ADN polymérases "translésionnelles".
On parle également d'une fonction de "correction d'épreuves" ou de "correction sur épreuves" ("proofreading" en anglais) des ADN polymérases.
ADN polymérases procaryotes
Cinq ADN polymérases ont été identifiées chez les bactéries:
- Pol I : impliquée dans la réparation et la réplication de l’ADN. Elle possède une activité polymérase 5'→3', une activité exonucléase 3'→5' pour la relecture et enfin une activité exonucléase 5'-3', qui lui permet d'éliminer les amorces d'ARN des fragments d'Okazaki pendant la réplication. Son activité polymérase lui permet de synthétiser de l'ADN à la place qui sera suturé juste après par une ADN ligase.
- La Pol I est peu processive et se dissocie de la matrice après l'ajout d'une vingtaine de nucléotides.
- En biologie moléculaire, seule une partie de la protéine, appelée "fragment de Klenow", est employée. Ce fragment contient l'activité polymérase 5'→3' et l'activité exonucléase 3'→5'.
- Pol II : impliquée dans la réplication de l'ADN endommagé et possède activité polymérase 5'→3' et exo 3'→5'.
- La Pol II est peu processive.
- Pol III : c’est la principale polymérase bactérienne qui intervient dans l'élongation de la chaîne d'ADN lors de la réplication au niveau du brin avancé et de la synthèse des fragments d’Okazaki. Elle est constituée de dix sous-unités plus un complexe gamma, aussi appelé chargeur de clamp. Il est lui-même constitué des sous unités delta, delta', gamma, gamma', phy et xy. On définit le core enzyme comme l'assemblage des trois sous unités principales (catalytiques) α,ε,θ. La sous-unité α a l'activité polymérase ( 5'→3'), la sous-unité ε exonucléase 3'→ 5' et la sous-unité θ augmente l'affinité entre les sous unités alpha et téta en diminuant le Km (= constante de dissociation) 1000 fois. On a donc 6 sous-unités soit deux fois le core enzyme. Autrement dit, un core enzyme par brin matrice.
Pendant la réplication, le complexe gamma (chargeur de clamp) se place à l'ouverture de la fourche de réplication en contact avec l'hélicase. Il déplace les sous unités bêta (appelées aussi "clamp bêta") autour de chaque brin d'ADN matrice comme des pinces pour permettre au core enzyme qui lui est lié de "glisser" sur le brin matrice. De plus, le complexe gamma est lié aux deux sous-unités to qui agissent comme de grands "bras" en faisant le lien entre les deux cores enzyme puisque les sous-unités to sont aussi liées à la sous-unité alpha du core enzyme. On a rajouté un clamp bêta et une sous-unité to par brin donc 4 sous unités en plus des six premières, cela fait bien 10 sous-unités soit 5 par brin plus le complexe gamma. Ces dix sous-unités avec le complexe gamma représente l'ADN pol III holoenzyme (=ADN pol III constitué de toutes ses sous unités). La Pol III est très processive.
- Pol IV : ADN polymérase de la famille Y.
- Pol V : ADN polymérase de la famille Y.
ADN polymérases eucaryotes
- ADN Pol α-primase: Aussi nommée ARN Pol, ce complexe synthétise de courtes amorces ARN à l'origine de la réplication sur le brin avancé ainsi que des amorces ARN pour les fragments d'Okazaki du brin retardé. Cette polymérase ne possède pas de fonction exonucléasique 3'→ 5'.
- ADN Pol β: Cette polymérase est impliquée dans des processus de réparation de l'ADN. Elle ne possède pas de fonction exonucléasique. Elle correspond à la Pol I bactérienne.
- Pol γ: Cette polymérase intervient dans la réplication de l'ADN mitochondrial.
- ADN Pol δ: C'est la polymérase principale qui intervient dans la réplication de l'ADN chez les eucaryotes, avec l'ADN Pol ε, dans la synthèse du brin avancé et du brin retardé. Elle possède aussi une activité exonucléasique 3' vers 5' intervenant dans la correction des erreurs et dans des processus de réparation. La polymérase δ est hautement processive lorsqu'elle est associée au PCNA. Cette polymérase correspond à la Pol III bactérienne.
- ADN Pol ε: Elle possède une activité polymérase 5' vers 3' et une activité exonucléase 3' vers 5' et intervient dans la réplication et la réparation de l'ADN. Elle lit dans le sens 3' ⇒ 5' et synthétise 5' ⇒ 3' la zone du télomère qui ne peut être synthétisée par l'ADN Pol δ (une amorce préalable doit être posée par la primase sur l'extrémité 3' allongée du télomère). Une ligase recollera ensuite les 2 brins.
- η, ι, κ, et Rev1 : polymérase de la famille Y
- ADN Pol ζ
ADN polymérases chez les archées
- Polymérase B : Toutes les ADN polymérases de type B identifiées chez les Archaea présentent une activité 5' vers 3' et une activité exonucléasique 3' vers 5'. Elles sont constituées d'une seule sous-unité.
- Polymérase D : Ces ADN polymérases trouvées chez les Euryarchaeotes sont constituées de deux sous-unités différentes. La grande sous-unité DP2 possède l'activité catalytique, mais seulement en présence de la petite sous-unité DP1.
Familles d'ADN polymérases
Sur la base d’homologie de séquence protéique et de structure, les polymérases peuvent être divisées en différentes familles : A, B, C, D, X, Y et RT.
Famille A
Les polymérases de la famille A contiennent des polymérases réplicatives et des polymérases de réparation. Les polymérases réplicatives de cette famille comprennent notamment la polymérase du bactériophage T7 et l’ADN polymérase eucaryote γ. Parmi les ADN polymérases de réparation, on peut trouver l’ADN Polymérase I de E. coli, de Thermus aquaticus et de Bacillus stearothermophilus. Ces polymérases de réparation sont impliquées dans des processus de réparation par excision et dans la synthèse des fragments d’Okazaki du brin retardé lors de la réplication.
Famille B
Cette famille comprend essentiellement des ADN polymérases réplicatives et inclut les ADN polymérases majeurs eucaryotes α, δ, et ε. Une ADN polymérase de la famille B a été identifiée chez toutes les espèces d’Archaea examinées. La famille B contient aussi des ADN polymérases provenant de bactéries et de bactériophages, dont les mieux caractérisées sont celles des phages T4 et RB69. Ces enzymes sont impliquées dans la synthèse du brin avancé et du brin retardé.
Famille C
Les ADN polymérases de cette famille ont été isolées chez des bactéries. Elles possèdent aussi une activité exonucléase 5’→3’.
Famille D
Les ADN polymérases de la famille D restent encore peu caractérisées et sont trouvées seulement chez les Euryarchaeota, un groupe d’Archaea.
Famille X
La famille X comprend l'ADN polymérase β bien caractérisée chez les eucaryotes et d'autres ADN polymérases comme pol σ, pol λ, pol μ. L'ADN polymérase β est nécessaire au processus de réparation de l'ADN appelé BER (Réparation par excision de base). Pol λ et Pol μ interviennent dans des processus de réparation de l'ADN impliquant des cassures doubles brins.
Famille Y
Les polymérases de la famille Y sont caractérisées par leur capacité à tolérer des lésions de l’ADN lors de la réplication. Elles sont appelées les polymérases de translésion (TLS pour translesion sythesis polymerases). Elles ne possèdent pas de fonction exonucléase 3’ vers 5’. Leur fidélité lors de la synthèse d’ADN est faible, même en absence d’ADN endommagé.
Famille RT
La famille des reverse-transcriptases comprend des ADN polymérase de rétrovirus et d’eucaryotes. Ces polymérases sont capables de synthétiser de l’ADN à partir d’une matrice ARN.
Notes et références
- Garg, P. et P. M. Burgers. 2005. DNA polymerases that propagate the eukaryotic DNA replication fork. Crit Rev Biochem Mol Biol 40:115-28.
- Hubscher, U., G. Maga, et S. Spadari. 2002. Eukaryotic DNA polymerases. Annu Rev Biochem 71:133-63.
- Kelman, Z. 2000. DNA Replication in the Third Domain (of Life). Current Protein and Peptide Science 1:139-154.
- Johnson, A., and M. O'Donnell. 2005. Cellular DNA replicases: components and dynamics at the replication fork. Annu Rev Biochem 74:283-315.
- Nohmi, T. 2006. Environmental Stress and Lesion-Bypass DNA Polymerases. Annu Rev Microbiol.
