13.5: Replication in Prokaryotes
13.5: Réplication chez les procaryotes
Overview
DNA replication has three main steps: initiation, elongation, and termination. Replication in prokaryotes begins when initiator proteins bind to the single origin of replication (ori) on the cell’s circular chromosome. Replication then proceeds around the entire circle of the chromosome in each direction from two replication forks, resulting in two DNA molecules.
Many Proteins Work Together to Replicate the Chromosome
Replication is coordinated and carried out by a host of specialized proteins. Topoisomerase breaks one side of the double-stranded DNA phosphate-sugar backbone, allowing the DNA helix to unwind more rapidly, while helicase breaks the bonds between base pairs at the fork, separating the DNA into two template strands. Proteins that bind single-stranded DNA molecules stabilize the strands as the replication fork travels along the chromosome. DNA can only be synthesized in the 5’ to 3’ direction, so one strand of the template—the leading strand—is elongated continuously, while the other strand—the lagging strand—is synthesized in shorter pieces of 1000-2000 base pairs called Okazaki fragments.
Multiple Polymerases Take Part in Elongation
Much of the research to understand prokaryotic DNA replication has been performed in the bacterium Escherichia coli, a commonly-used model organism. E. coli has 5 DNA polymerases: Pol I, II, III, IV, and V. Pol III is responsible for the majority of DNA replication. It can polymerize about 1,000 base pairs per second. This astonishing pace allows the machinery present at the two replication forks to duplicate the E. coli chromosome—4.6 million base pairs—in roughly 40 minutes. DNA polymerase I is also well-characterized; its primary role is to remove the RNA primers from the start of Okazaki fragments on the lagging strand.
When Division Outpaces Duplication
Under favorable growth conditions, E. coli will divide every 20 minutes, about half the amount of time that it takes to replicate the genome. How is this possible when both daughter cells must have their own DNA? Scientists found that the bacteria can begin another round of DNA replication from the origin of replication before the first round is complete; this means that daughter cells receive a chromosome that is already in the process of being copied and are prepared to divide again very quickly.
Aperçu
La réplication de l’ADN comporte trois étapes principales : l’initiation, l’allongement et la fin. La réplication des procaryotes commence lorsque les protéines de l’initiateur se lient à l’origine unique de la réplication (ori) sur le chromosome circulaire de la cellule. La réplication se poursuit ensuite autour du cercle entier du chromosome dans chaque direction à partir de deux fourches de réplication, résultant en deux molécules d’ADN.
De nombreuses protéines travaillent ensemble pour reproduire le chromosome
La réplication est coordonnée et réalisée par une foule de protéines spécialisées. La topoïsomerase brise un côté de la colonne vertébrale à double brin de phosphate-sucre d’ADN, permettant à l’hélice d’ADN de se détendre plus rapidement, tandis que l’hélicase brise les liens entre les paires de base à la fourche, séparant l’ADN en deux brins de modèle. Les protéines qui lient les molécules d’ADN à brin unique stabilisent les brins au fur et à mesure que la fourche de réplication se déplace le long du chromosome. L’ADN ne peut être synthétisé que dans la direction de 5' à 3', de sorte qu’un brin du modèle , le brin principal, est allongé en continu, tandis que l’autre brin, le brin à la traîne, est synthétisé en morceaux plus courts de 1000-2000 paires de base appelées fragments d’Okazaki.
Plusieurs polymérases participent à l’élongation
Une grande partie de la recherche pour comprendre la réplication de l’ADN procaryote a été effectuée dans la bactérie Escherichia coli, un organisme modèle couramment utilisé. E. coli a 5 polymérases d’ADN : Pol I, II, III, IV, et V. Pol III est responsable de la majorité de la réplication d’ADN. Il peut polymériser environ 1 000 paires de base par seconde. Ce rythme étonnant permet aux machines présentes dans les deux fourches de réplication de dupliquer le chromosome E. coli — 4,6 millions de paires de base — en environ 40 minutes. L’ADN polymérase I est également bien caractérisé; son rôle principal est d’enlever les amorces d’ARN dès le début des fragments d’Okazaki sur le brin à la traîne.
Quand la division dépasse la duplication
Dans des conditions de croissance favorables, E. coli se divisera toutes les 20 minutes, soit environ la moitié du temps qu’il faut pour reproduire le génome. Comment est-ce possible lorsque les deux cellules filles doivent avoir leur propre ADN? Les scientifiques ont constaté que les bactéries peuvent commencer une autre série de réplication de l’ADN à partir de l’origine de la réplication avant le premier tour est terminé; cela signifie que les cellules filles reçoivent un chromosome qui est déjà en cours de copie et sont prêts à se diviser à nouveau très rapidement.
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