Notre compréhension de la structure tri–dimensionnelle de l’ADN, déduite en 1953 par James Watson et Francis Crick, a été la base de la biologie moléculaire actuelle. À l’époque des travaux de Watson et Crick, on savait que l’ADN était un polymère composé de quatre bases d’acide nucléique – deux purines (adénine [A] et guanine [G]) et deux pyrimidines (cytosine [C] et thymine [T]) – liées à des sucres phosphorylés. Étant donné le rôle central de l’ADN en tant que matériel génétique, l’élucidation de sa structure tridimensionnelle est apparue essentielle pour comprendre sa fonction. La réflexion de Watson et Crick sur ce problème a été fortement influencée par la description faite par Linus Pauling de la liaison hydrogène et de l’hélice α, élément commun de la structure secondaire des protéines. En outre, des données expérimentales sur la structure de l’ADN étaient disponibles grâce aux études de cristallographie aux rayons X menées par Maurice Wilkins et Rosalind Franklin. L’analyse de ces données a révélé que la molécule d’ADN est une hélice qui tourne tous les 3,4 nm. En outre, les données ont montré que la distance entre les bases adjacentes est de 0,34 nm, ce qui signifie qu’il y a dix bases par tour d’hélice. Une découverte importante est que le diamètre de l’hélice est d’environ 2 nm, ce qui suggère qu’elle est composée non pas d’une mais de deux chaînes d’ADN.
À partir de ces données, Watson et Crick ont construit leur modèle d’ADN. Les caractéristiques centrales du modèle sont que l’ADN est une double hélice avec les squelettes de sucre phosphate à l’extérieur de la molécule. Les bases sont à l’intérieur, orientées de telle sorte que des liaisons hydrogène se forment entre les purines et les pyrimidines sur les chaînes opposées. L’appariement des bases est très spécifique : Le A s’apparie toujours avec le T et le G avec le C. Cette spécificité explique les résultats antérieurs d’Erwin Chargaff, qui avait analysé la composition des bases de divers ADN et constaté que la quantité d’adénine était toujours égale à celle de la thymine, et la quantité de guanine à celle de la cytosine. Grâce à cet appariement spécifique des bases, les deux brins d’une molécule d’ADN sont complémentaires. Chaque brin contient toutes les informations nécessaires pour spécifier les séquences de bases sur l’autre. Un complément concernant la transmission de l information génétique en suivant ce lien : https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9944/
Réplication de l’ADN
La découverte de l’appariement complémentaire des bases entre les brins d’ADN a immédiatement suggéré une solution moléculaire à la question de savoir comment le matériel génétique pouvait diriger sa propre réplication – un processus nécessaire chaque fois qu’une cellule se divise. Il a été proposé que les deux brins d’une molécule d’ADN puissent se séparer et servir de modèles pour la synthèse de nouveaux brins complémentaires, dont la séquence serait dictée par la spécificité de l’appariement des bases. Le processus est appelé réplication semi-conservative car un brin de l’ADN parental est conservé dans chaque molécule d’ADN de la descendance.
Réplication semi-conservative de l’ADN. Les deux brins de l’ADN parental se séparent, et chacun sert de matrice pour la synthèse d’un nouveau brin fille par appariement de bases complémentaires.
Un soutien direct à la réplication semi-conservative de l’ADN a été obtenu en 1958 à la suite d’élégantes expériences, réalisées par Matthew Meselson et Frank Stahl, dans lesquelles l’ADN était marqué avec des isotopes qui modifiaient sa densité. E. coli ont d’abord été cultivées dans des milieux contenant l’isotope lourd de l’azote (15N) à la place de l’isotope léger normal (14N). L’ADN de ces bactéries contenait donc 15N et était plus lourd que celui des bactéries cultivées dans du 14N. Cet ADN lourd pouvait être séparé de l’ADN contenant du 14N par centrifugation à l’équilibre dans un gradient de densité de CsCl. Cette capacité à séparer l’ADN lourd (15N) de l’ADN léger (14N) a permis d’étudier la synthèse de l’ADN. E. coli qui avaient été cultivés dans du 15N ont été transférés dans des milieux contenant du 14N et autorisés à se répliquer une fois de plus. Leur ADN a ensuite été extrait et analysé par centrifugation en gradient de densité au CsCl. Les résultats de cette analyse ont indiqué que tout l’ADN lourd avait été remplacé par de l’ADN nouvellement synthétisé avec une densité intermédiaire entre celle des molécules d’ADN lourd (15N) et celle des molécules d’ADN léger (14N). Cela signifie que, pendant la réplication, les deux brins parentaux d’ADN lourd se sont séparés et ont servi de modèles pour les brins d’ADN léger nouvellement synthétisés, produisant des molécules à double brin de densité intermédiaire. Cette expérience a donc fourni une preuve directe de la réplication semi-conservative de l’ADN, soulignant clairement l’importance de l’appariement complémentaire des bases entre les brins de la double hélice.
Démonstration expérimentale de la réplication semi-conservative. Des bactéries cultivées dans un milieu contenant l’isotope normal de l’azote (14N) sont transférées dans un milieu contenant l’isotope lourd (15N) et cultivées dans ce milieu pendant plusieurs générations.
La capacité de l’ADN à servir de matrice pour sa propre réplication a été encore établie avec la démonstration qu’une enzyme purifiée de E. coli (ADN polymérase) pouvait catalyser la réplication de l’ADN in vitro. En présence d’ADN servant de matrice, l’ADN polymérase a pu diriger l’incorporation de nucléotides dans une molécule d’ADN complémentaire.
