Dans les cellules eucaryotes, la réplication de l’ADN est fortement conservée et étroitement régulée. Plusieurs chromosomes linéaires doivent être dupliqués avec une grande fidélité avant la division cellulaire ; il existe donc de nombreuses protéines qui remplissent des rôles spécialisés au cours de ce processus de réplication. La réplication se fait en trois phases : l’initiation, l’élongation et la terminaison, et se termine par deux ensembles complets de chromosomes dans le noyau.
La réplication eucaryote suit plusieurs des mêmes principes que la réplication de l’ADN procaryote, mais comme le génome est beaucoup plus grand et que les chromosomes sont linéaires plutôt que circulaires, le processus nécessite plus de protéines et comporte quelques différences essentielles. La réplication se produit simultanément à plusieurs origines de réplication le long de chaque chromosome. Les protéines initiatrices reconnaissent l’origine et s’y lient, recrutant des hélicases pour dérouler la double hélice de l’ADN. À chaque point d’origine, deux fourches de réplication se forment. La primase ajoute ensuite de courtes amorces d’ARN aux brins simples d’ADN, qui servent de point de départ pour que l’ADN polymérase se lie et commence à copier la séquence. L’ADN ne peut être synthétisé que dans la direction de 5’ à 3’, de sorte que la réplication des deux brins à partir d’une seule fourche de réplication se dirige dans deux directions différentes. Le brin en avance est synthétisé en continu, tandis que le brin en retard est synthétisé en de courtes portions de 100 à 200 paires de bases en longueur, appelées fragments d’Okazaki. Une fois que la majeure partie de la réplication est terminée, les enzymes RNase éliminent les amorces d’ARN et la ligase d’ADN relie tous les trous dans le nouveau brin.
La charge de travail de la copie de l’ADN dans les eucaryotes est divisée entre plusieurs types différents d’enzymes d’ADN polymérase. Les principales familles d’ADN polymérases dans tous les organismes sont classées selon la similitude de leurs structures protéiques et de leurs séquences d’acides aminés. Les premières familles à être découvertes ont été appelées A, B, C et X, les familles Y et D ayant été identifiées plus tard. Les polymérases de la famille B dans les eucaryotes incluent Pol α, qui fonctionne également comme une primase à la fourche de réplication, et Pol δ et ε, les enzymes qui font la plupart du travail de réplication de l’ADN sur les brins en avance et en retard de la matrice, respectivement. D’autres ADN polymérases sont responsables de tâches telles que la réparation des dommages de l’ADN, la copie de l’ADN mitochondrial et plastidial ainsi que le remplissage des trous dans la séquence d’ADN sur le brin en retard après que les amorces d’ARN aient été enlevées.
Parce que les chromosomes d’eucaryotes sont linéaires, ils sont sensibles à la dégradation aux extrémités. Pour protéger les informations génétiques importantes contre les dommages, les extrémités des chromosomes contiennent de nombreuses répétitions non codantes d’ADN riche en G hautement conservé : les télomères. Un court surplus simple brin en 3’ à chaque extrémité du chromosome interagit avec des protéines spécialisées, ce qui stabilise le chromosome dans le noyau. En raison de la façon dont le brin en retard est synthétisé, une petite quantité de l’ADN télomérique ne peut pas être répliquée à chaque division cellulaire. En conséquence, les télomères deviennent progressivement plus courts au cours de nombreux cycles cellulaires et ils peuvent être mesurés comme un marqueur du vieillissement cellulaire. Certaines populations de cellules, comme les cellules germinales et les cellules souches, expriment la télomérase, une enzyme qui allonge les télomères, permettant à la cellule de subir plus de cycles cellulaires avant que les télomères ne raccourcissent.
