Stabilitéet variabilitédes génomes au cours de la reproduction sexuée

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1 Stabilitéet variabilitédes génomes au cours de la reproduction sexuée 1 1

2 Reproduction sexuée et stabilitéde l espèce 2 2

3 L évolution du nombre de chromosones au cours de la reproduction sexuelle Le cycle biologique d un mammifère diploïde 3 L évolution du nombre de chromosones au cours de la reproduction sexuelle 1- Le cycle biologique d un mammifère diploïde Chez les mammifères, dont l homme, toutes les cellules, hormis les cellules sexuelles appelées gamètes, sont diploïdes (2n chromosomes). La production de gamètes (spermatozoïdes et ovules) ou gamétogénèse s'effectue dans les glandes génitales ou gonades. L ensemble des cellules àl origine ou issues de la gamétogénèse forme la lignée germinale. 3

4 Caryotype 4 Le diapo vous présente deux caryotypes effectués chez l'homme, le premier sur une cellule souche des gamètes appelée spermatogonie, le second sur une cellule non encore différenciée en spermatozoïde appelée spermatocyte II. Des cellules de la lignée germinale humaine sont prélevées, isolées et mises en culture. Les divisions cellulaires sont bloquées grâce àla colchicine. Un traitement destinéàfaire gonfler les cellules permet de bien séparer les chromosomes. Les cellules sont alors étalées sur une lame et colorées puis photographiées ; on procède ensuite au découpage et au rangement des chromosomes selon des critères de taille, morphologie bien déterminés. Les documents obtenus sont des caryotypes classés. La spermatogonie possède un caryotype à2n = 46 chromosomes. Elle peut être qualifiée de cellule diploïde. La seconde cellule (spermatocyte II) est une cellule àn = 23 chromosomes appelée cellule haploïde. Entre la spermatogonie et le spermatocyte II, on note un passagede la diploïdie à l'haploïdie, passage caractéristique d un ensemble de divisions appelé méiose. Un processus équivalent àcelui qui vient d'être étudiéexiste au niveau des ovaires chez tous les mammifères femelles et aboutit àla formation de gamètes femelles ou ovules haploïdes. La gamétogénèse produit donc des cellules haploïdes, les gamètes, à partir de cellulessouches diploïdes : il y a eu réduction du nombre de chromosomes ; on parle de réduction chromatique. Cette phase importante de la gamétogénèse permettant le passage de la diploïdie à l'haploïdie s appelle la méiose. 4

5 Le prélèvement de cellules Seulement les lymphocytes du sang sont utilisés pour réaliser le caryotype 5

6 Le prélèvement de cellules 6

7 Le prélèvement de cellules 7

8 Technique de création d un caryotype 8

9 Pour en savoir plus sur le caryotype 9

10 Méiose et fécondation 10 La reproduction sexuée d'un mammifère doit être complétée par un second phénomène, la fécondation, qui, par l'union de deux gamètes mâle et femelle, permet la mise en place d'une celluleoeuf ou zygote, point de départ d'un nouvel individu La fécondation rétablit, dans la cellule-oeuf, la diploïdie. 10

11 Cycle diploide 11 Au cours de ce cycle biologique, la phase diploïde domine, la phase haploïde étant réduite à la gamétogénèse. Ce cycle est qualifié de cycle diploïde. 11

12 Le cycle biologique d un champignon haploïde : Sordaria macrospora Le cycle biologique d un champignon haploïde : Sordaria macrospora Sordaria macrospora est un champignon de la famille des Ascomycètes (moisissures) dont le mycélium est forméde nombreux filaments ramifiés. Les cellules de ces filaments mycéliens sont haploïdes (n chromosomes). Lorsque deux filaments du même mycélium ou de deux mycéliums différents se rencontrent, ils peuvent fusionner, donnant naissance àdes cellules àdeux noyaux (2 x n chromosomes), chaque noyau contenant une information génétique spécifique. Ces cellules se multiplient formant le périthèce. Dans certaines cellules du périthèce, les deux noyaux fusionnent : c'est une fécondation ou caryogamie. Les cellules obtenues dont le noyau est maintenant diploïde (2n chromosomes) sont des cellules oeufs ou zygotes. Sitôt cette fusion réalisée, les cellules oeufs subissent une suite de deux divisions particulières : la méïose, aboutissant àla formation de quatre noyaux haploïdes. Une mitose simple suit la méïose ce qui donne huit noyaux haploïdes. Ces trois divisions s'accompagnent progressivement de trois divisions cytoplasmiques. On obtient alors un ensemble contenant huit cellules haploïdes appeléasque. Les huit cellules sont des spores, plus précisément des ascospores. Les ascospores libérées germent en donnant naissance àun nouveau mycélium dont les noyaux sont haploïdes. Ce qui vient d'être décrit sous le nom de «cycle biologique»est essentiellement la reproduction sexuée de Sordaria. Deux phénomènes essentiels caractérisent làencore cette reproduction sexuée : 12

13 Schéma simplifié du cycle d un organisme haploïde 13 la fécondation qui permet le passage de l'haploïdie àla diploïdie (2 noyaux àn chromosomes donnent 1 noyau à 2n chromosomes) ; la méïose qui permet le passage de la diploïdie àl'haploïdie (1 noyau à2n chromosomes donne 4 noyaux à n chromosomes). Le cycle biologique de Sordaria est un cycle haploïde. La phase diploïde est réduite ; la méïose suit immédiatement la caryogamie. 13

14 Conclusion La reproduction sexuée apparaît chez tous les êtres vivants comme un enchaînement de deux phénomènes complémentaires : la méiose qui permet le passage de la diploïdie à l'haploïdie. la fécondation qui permet le passage de l'haploïdie à la diploïdie 14 Conclusion La reproduction sexuée apparaît chez tous les êtres vivants comme un enchaînement de deux phénomènes complémentaires : la méiose qui permet le passage de la diploïdie àl'haploïdie. la fécondation qui permet le passage de l'haploïdie à la diploïdie. 14

15 La méiose : passage de la diploïdie à l haploïdie 15 3-La méiose : passage de la diploïdie àl haploïdie La méiose comporte 2 divisions cellulaires successives permettant de passer d une cellule à2n chromosomes à4 cellules àn chromosomes Une cellule diploïde contient n paires de chromosomes homologues. Quel est le comportement des chromosomes au cours de ces 2 divisions? Le déroulement de la méiose dans les testicules du criquet migrateur mâle (2n = 24) Les 2 divisions de la méiose comportent 4 phases (la prophase, la métaphase, l anaphase et la télophase) comme la mitose, mais la première division méiotique présente des particularités par rapport à la mitose. 15

16 La méiose -étapes La première division de méiose Première division ouméiosei : réductionnelle exemplethéoriqueavec unecellule de départà4 chromosomes (n = 2) Danscetexemple, 2 chromosomes proviennentde la mère, les 2 autresdu père. Un chromosome maternelet le chromosome paterneléquivalentformentcequel'onappelledes chromosomes homologues car cesontles deuxchromosomes d'unemêmepaire. Pendant la phase S, les chromosomes sont dupliqués et les deux chromatides sœurs d'un même chromosome restent étroitement associées. Dans une division normale(mitose- voir chap. 3), les chromatides sœurs s'alignentsurle fuseau, leursfibreskinétochoriennesdirigéesversles pôlesopposés. C'estpendant l'anaphase qu'elles se séparent pour devenir des chromosomes individualisés. De cette façon, chaque cellule filleforméepar division cellulaire"normale" hérited'un homologue de chaquechromosome. Dans la méiose, qui aboutit à la formation des gamètes, les cellules ne doivent finalement contenir qu'un seul élément de chaque paire de chromosomes homologues, l'homologue maternel ou l'homologuepaternelet doncla moitiéseulementdu nombreinitial de chromosomes. Il y a de cefait deux divisions successives, mais une seule réplication de l'adn. a) Prophase 1 De nombreux phénomènes se produisent pendant cette prophase de la première division, ce qui explique qu'ellesoitsilongue, couvrantàelleseule90% de la duréetotalede la méiose. Les chromosomes dupliqués se condensent progressivement, comme dans la mitose, mais s'unissent ensuitedeuxpar deux, formant des pairesd'homologuesappeléesbivalents(voirschémaci-dessous). 16

17 La méiose étapes 17 b) Métaphase 1 Les bivalents sont disposés sur le plan équatorial de la cellule de telle manière que les centromères des chromosomes homologues sont de part et d'autre du plan équatorial. Les bivalents sont accrochés aux fibres du fuseau. c) Anaphase 1 Séparation et migration vers chacun des pôles de la cellule des chromosomes homologues de chaque bivalent Ces chromosomes possèdent toujours 2 chromatides. En fin d'anaphase : àchaque pôle on a un lot de n chromosomes à2 chromatides. d) Télophase 1 Souvent écourtée, elle correspond à2 cellules-filles haploïdes (n chromosomes) dont les chromosomes possèdent 2 chromatides La deuxième division de méiose Elle suit en général immédiatement la première division. Elle se déroule comme une mitose ordinaire mais concerne des cellules haploïdes. Elle assure la séparation des chromatides de chaque chromosome, si bien qu'en finde deuxième division on obtient 4 cellules-filles haploïdes dont les chromosomes possèdent 1 chromatide. Bilan de la méiose La première division est appelée division réductionnelle car elle permet de passer d'une cellule diploïde à2 cellules haploïdes. La deuxième division de méiose est appelée division équationnelle ; elle ne modifie pas le nombre de chromosomes mais le nombre de chromatides par chromosome. 17

18 La méiose étapes La deuxième division de méiose Cettedeuxièmepartiede la méioseesten touspoints comparable àunemitoseet c'est la raison pour laquellecettepartiese limiteàen montrerle résultatet la conséquence au niveau de la diversité génétique. La prophase II estbrève. L'enveloppenucléairedisparaîten mêmetemps quele nouveau fuseau se forme. Pendant la métaphase, les chromosomes se placentsurle plan équatorialdu fuseauet les centromères s'accrochent aux kinétochores(un par chromatide). L'anaphaseestmarquéepar l'allongementdes cellules et la brusque rupture des kinétochores. Les chromatidessœurssontentraînéesversles pôles, au hasard, cequi augmente la diversité génétique. Bilan de la méiose La première division est appelée division réductionnelle car elle permet de passer d'une cellule diploïde à2 cellules haploïdes. La deuxième division de méiose est appelée division équationnelle ; elle ne modifie pas le nombre de chromosomes mais le nombre de chromatides par chromosome.

19 La méiose quantité d ADN 19 Si l'on mesure la quantitéd'adn par cellule au cours de la méiose on obtient le graphe présenté dans le diapo. Il n'y a qu'une seule synthèse d'adn qui se produit pendant l'interphase précédant la méiose ; en conséquence les cellules-filles issues de la première division de méiose contiennent la même quantitéd'adn que la cellule-mère bien que possédant 2 fois moins de chromosomes (car ceux-ci possèdent 2 chromatides) et les cellules-filles issues de la deuxième division de méiose contiennent 2 fois moins d'adn que la cellule-mère (car pas de nouvelle synthèse d'adn entre les 2 divisions). 19

20 Evolution de la quantité d'adn par cellule avant et pendant la méiose et évolution d'une paire de chromosomes : 20 20

21 La fécondation : passage de l haploïdie à la diploïdie La fécondation L'union d'un gamète mâle et d'un gamète femelle ou en général de deux cellules haploïdes aboutit àla formation d'un oeuf ou zygote diploïde : la fécondation assure ainsi le retour à la diploïdie. La caryogamie est l'événement important de la fécondation. Elle assure la mise en commun des n chromosomes d'origine paternelle et des n chromosomes d'origine maternelle et aboutit àla reconstitution des paires de chromosomes homologues dans la cellule-oeuf diploïde. Ainsi la caryogamie assure non seulement le retour àla diploïdie mais permet également un «mélange»des chromosomes paternels et maternels et donc de leurs gènes. 21

22 Le brassage génétique : variabilité des individus d une espèce 22 22

23 Rappel du problème biologique Rappel du problème biologique Après avoir montré en quoi la reproduction sexuée est source de stabilité des espèces à notre échelle de temps, nous allons maintenant nous pencher sur les mécanismes qui fondent le brassage génétique des individus d une espèce. Le brassage des gènes, assurélàencore par la reproduction sexuée, sera mis en évidence par l étude de croisements entre individus, réalisés aussi bien chez les haploïdes (Sordaria) que chez les diploïdes. 23

24 Les relations entre le génotype et le phénotype Le cas des êtres vivants haploïdes Les relations entre le génotype et le phénotype 2.1- Le cas des êtres vivants haploïdes Sordaria est un champignon haploïde dont le cycle de développement a été étudié précédemment. On connaît plusieurs variétés de Sordaria qui diffèrent par la couleur de leurs spores : noires, blanches... Si l on cultive une souche àspores noires, les périthèces qui se forment contiennent des asques remplies exclusivement de spores noires. Il en est de même avec une variétéàspores blanches ou àspores jaunes La couleur des spores est donc héréditaire. Considérons que celle-ci est le résultat de l'expression d'un gène. Les spores sont haploïdes (n chromosomes). Les gènes ne sont donc présent qu en un seul exemplaire, c est-à-dire un seul allèle. Cet allèle, en s exprimant, est responsable de la couleur de la spore. Le phénotype des spores (leur couleur) traduit donc directement la forme du gène (l allèle) appelée génotype. Chez les organismes haploïdes, le phénotype est l'expression directe du génotype Le cas des êtres vivants diploïdes Toutes les cellules d'un organisme diploïde (sauf les cellules sexuelles) possèdent n paires de chromosomes homologues, chaque paire comprenant un chromosome d'origine paternelle et un chromosome d'origine maternelle. Chacun des chromosomes homologues d'une même paire porte l'information génétique correspondant au caractère étudié, c'est-à-dire un allèle provenant du père et un allèle provenant de la mère. Ainsi, dans une cellule diploïde, chaque caractère est gouverné au moins par un gène comportant 2 allèles. a) Cas des individus homozygotes Comme chez les êtres vivants haploïdes, le phénotype est là encore l expression directe du génotype puisque les deux allèles sont identiques. b) Cas des individus hétérozygotes Il faut là encore considérer deux cas que nous allons envisager à travers deux exemples de croisement. 24

25 Les relations entre le génotype et le phénotype Le cas des êtres vivants haploïdes Les plantes àfleurs roses sont donc des individus hétérozygotes. Le phénotype intermédiaire «rose»est le résultat de l expression àparts égales des deux allèles R et B. On parle de Codominance des allèles R et B 25 Ex 1: Chez les Belles de Nuit, plantes diploïdes, la couleur des fleurs est gouvernée par un gène dont on connaît deux allèles : un allèle R qui, lorsqu il s exprime seul, donne des fleurs de couleur rouge ; un allèle B qui, lorsqu il s exprime seul, donne des fleurs de couleur blanche. On croise une variétéhomozygote de Belle de Nuit àfleurs rouges avec une variété homozygote de Belle de Nuit à fleurs blanches. On obtient des plantes à fleurs roses. N.B. L obtention du phénotype intermédiaire [Rose] s interprète facilement en suivant le devenir des deux allèles R et B au cours de la reproduction sexuée de ces plantes à fleurs. 25

26 Étude d un croisement entre souris différant par un caractère gouverné par un gène. 26 Ex 2: Étude d un croisement entre souris différant par un caractère gouvernépar un gène. Les souris de la génération F1 ont le même phénotype que celui d une des lignées parentales. Seul l allèle codant pour un pelage gris s exprime. Qu est devenu l autre allèle? Les parents sont homozygotes vis àvis du caractère étudié. Chacune de ces souris fabrique des gamètes haploïdes comprenant soit l allèle codant pour un pelage gris, soit l allèle codant pour un pelage blanc. Les souris F1 reçoivent un allèle paternel et un allèle maternel, elles sont donc hétérozygotes, mais seul l allèle codant pour un pelage gris s exprime : cet allèle est appelé allèle dominant, noté G, l autre allèle est appelé allèle récessif, noté b. 26

27 Expérience d hybridation chez Sordaria macrospora Le brassage du matériel chromosomique chez les êtres vivants haploïdes Le croisement de deux souches de Sordaria macrospora Le diapo présente le résultat du croisement entre deux souches de Sordaria macrospora qui diffèrent par la couleur des spores : la souche sauvage dont les spores sont pigmentées en noir ; une souche mutante dont les spores, non pigmentées, sont blanches. La culture des deux souches dans une même boîte de pétri, permet d'observer quelques jours plus tard dans la zone d'affrontement des mycéliums, la formation de périthèces contenant des asques hybrides, c'est à dire contenant 4 spores blanches et 4 spores noires. Comment peut-on expliquer les différents types d'asques obtenus? Nous sommes en présence dans ce croisement de deux allèles du gène gouvernant la couleur des spores : l'allèle normal ou sauvage N qui, lorsqu'il s'exprime, donne des spores noires ; un allèle mutéb qui donne des spores blanches (allèle amorphe c'est-à-dire allèle non fonctionnel). Pour expliquer les différents arrangements des spores dans les asques hybrides, il suffit de suivre le devenir des deux allèles au cours de la reproduction sexuée du champignon. Chaque cellule de Sordaria contient un lot haploïde de chromosomes, soit 7 chromosomes différents. Le gène qui gouverne la couleur des spores est portépar un de ces chromosomes. Pour expliquer les résultats du croisement présenté, il faut donc s'appuyer sur le comportement des chromosomes au cours de la fécondation et de la méïose qui la suit. 27

28 Schématisez le comportement des chromosomes portant le gène «couleur des spores»au moment de la fécondation? 28 La cellule oeuf contient deux exemplaires de chaque type chromosomique, soit 7 paires de chromosomes homologues. Une des paires de chromosomes porte donc les 2 allèles responsables de la couleur «blanche»ou «noire»des spores. N.B. Il s'agit bien de gènes allèles ; ils occupent donc le même emplacement ou locus sur les deux chromosomes de la paire concernée. 28

29 Expérience d hybridation chez Sordaria macrospora 29 4-Schématisez le comportement des allèles au cours de la méïose? Deux cas peuvent se présenter : il n y a pas de crossing-over entre les deux chromosomes concernés ou au contraire, on note la présence d un crossing-over. Pouvez vous alors retrouver les trois types d'asques observés précédemment, sachant que les produits des 3 divisions successives restent ordonnés dans l'asque formé(3 divisions = méïose + 1 mitose)? Vous schématiserez les 2 chromosomes homologues en indiquant les allèles N ou B qu'ils portent dans la cellule-mère et les cellules-filles issues de chaque division. 29

30 Expérience d hybridation chez Sordaria macrospora 30 30

31 Conclusion La méiose assure la disjonction des allèles d un gène -Pour les asques de type 4/4 (spores de la même couleur groupées), les allèles N et B ont étéséparés lors de la première division méiotique car il n'y a pas de crossing-over durant la prophase. -Pour les asques de types 2/2/2/2 et 2/4/2, la séparation (ou disjonction) des allèles n'a lieu qu'à la seconde division méiotique à cause des crossing-over. La méiose assure le brassage du matériel chromosomique -Durant la prophase de la méiose, les crossing-over génèrent chez Sordaria des échanges réciproques de segments de chromatides. Ces échanges sont àl origine de chromosomes recombinés qui ne possèdent plus sur leurs deux chromatides, la même combinaison d allèles. On assiste donc àun brassage des allèles du gène codant pour la couleur des spores, brassage nommébrassage intrachomosomique Le bilan de cette étude chez Sordaria macrospora La méiose assure la disjonction des allèles d un gène Pour les asques de type 4/4 (spores de la même couleur groupées), les allèles N et B ont été séparés lors de la première division méiotique car il n'y a pas de crossing-over durant la prophase. Pour les asques de types 2/2/2/2 et 2/4/2, la séparation (ou disjonction) des allèles n'a lieu qu'à la seconde division méiotique à cause des crossing-over. La méiose assure le brassage du matériel chromosomique Durant la prophase de la méiose, les crossing-over génèrent chez Sordaria des échanges réciproques de segments de chromatides. Ces échanges sont àl origine de chromosomes recombinés qui ne possèdent plus sur leurs deux chromatides, la même combinaison d allèles. On assiste donc à un brassage des allèles du gène codant pour la couleur des spores, brassage nommébrassage intrachomosomique. 31

32 Innovations génétiques et évolution 32 32

33 Du polymorphisme des protéines au polymorphisme génique 33

34 La diversitébiologique àl échelle des protéines L électrophorèse sur gel La diversité biologique à l échelle des protéines Le polymorphisme au sein d une espèce (ou polymorphisme intraspécifique) peut être de nos jours étudiéplus finement, au niveau même des protéines et des enzymes, grâce à la technique de l'électrophorèse. Lors d'une électrophorèse (diapo ci-dessus), les protéines sont soumises àl'action d'un champ électrique et migrent vers l'anode ou la cathode selon leurs charges. Si les protéines diffèrent entre elles par leur charges, mais aussi dans une certaine mesure par leur taille et leur structure, leur mobilité électrophorétique sera différente et on pourra ainsi les distinguer. Toutes les études par électrophorèse des protéines de différents tissus animaux ou végétaux d'individus de la même espèce concordent et révèlent l'existence d'isoenzymes (ou isozymes) c'est-à-dire de différentes formes moléculaires de protéines de même spécificité enzymatique. 34

35 Rappel : la notion d'allèle Locus de l'allèle B Locus de l'allèle b 35 Une même protéine peut donc, au sein d'une population d'individus de la même espèce, exister sous plusieurs formes ou phénotypes moléculaires. Un même gène peut exister sous différentes formes ou versions appelés allèles ou gènes allèles. Les allèles d'un même gène sont des séquences d'adn portées par le même chromosome et occupent le même locus (emplacement donné) sur ce chromosome. Les êtres vivants étant dans leur grande majoritédiploïdes, c'est àdire possédant 2n chromosomes, chaque gène existe en deux exemplaires chez ces individus, un exemplaire sur chaque chromosome homologue. Autrement dit, chaque individu possède deux allèles de chaque gène. Si ces deux allèles sont identiques, l'individu est qualifié d'homozygote. Par contre, si les deux allèles sont différents, l'individu est hétérozygote. 35

36 L'importance de la variabilité génétique des organismes Un exemple de polymorphisme allélique : le système ABO des groupes sanguins L'importance de la variabilité génétique des organismes 2.1- Un exemple de polymorphisme allélique : le système ABO des groupes sanguins Dans une grande population, on peut constater l existence de plusieurs allèles àun locus donné, chaque individu n en possédant que deux. On parle de polyallélisme. Étudions l exemple des groupes sanguins. Le groupe sanguin est un caractère qui participe àla définition du phénotype d un individu. Une carte de groupe sanguin porte plusieurs mentions. Elle indique en particulier l appartenance à l un des quatre groupes A, B, O ou AB. Les groupes sanguins correspondent àla présence ou à l absence de certaines molécules appelées «marqueurs»àla surface des hématies. Le système ABO est le principal système de marquage des globules rouges mais il en existe d autres comme le système Rhésus par exemple. La synthèse des marqueurs du système ABO se fait par étapes. La dernière étape est catalysée par une enzyme codée par un gène situésur le chromosome 9. Il existe plusieurs allèles de ce gène : -l allèle A code pour une enzyme A qui catalyse la synthèse du marqueur A -l allèle B code pour une enzyme B qui catalyse la synthèse du marqueur B -l allèle O ne code pas pour une enzyme fonctionnelle de sorte qu il n y a pas dans ce cas de synthèse de marqueur spécifique. Un individu du groupe sanguin A possède le marqueur A ce qui signifie qu il possède soit deux fois l allèle A, ou bien l allèle A et l allèle O (rappel : tout individu diploïde possède deux allèles de chacun de ces gènes). De même un individu du groupe sanguin B possède le marqueur B ce qui signifie qu il possède soit deux fois l allèle B soit l allèle B et l allèle O. 36

37 Notions de gènes polyalléliques et de gènes polymorphes Notions de gènes polyalléliques et de gènes polymorphes Pour beaucoup de gènes, il existe un nombre plus ou moins grand d allèles : ces gènes sont qualifiés de gène polyalléliques (exemple : le gène qui code pour la globine : 476 allèles connus à ce jour). La plupart du temps, un allèle est présent àune fréquence beaucoup plus élevée que les autres allèles du même gène, on le considère alors comme l allèle normal (allèle de référence). Un gène est dit polymorphe quand il présente au moins deux allèles dont le plus rare est présent dans plus de 1 % de la population. Le gène ABO des groupes sanguins est donc bien un gène polymorphe d après les tableaux du document 3. Ce n est pas le cas de tous les gènes polyalléliques. Prenons l exemple du gène qui code pour l hormone hypophysaire LH. On connaît 4 allèles de ce gène mais la fréquence de l allèle normal est de 99,99 %, les 3 autres allèles ne sont présents qu à 0,01 %. Ce gène n est donc pas polymorphe. Les antigènes majeurs d histocompatibilité ou HLA sont des glycoprotéines membranaires, présentesàla surface de toutesnoscellules (pour les moléculeshla de classei) et codéespar un ensemble de gènespolymorphesdu chromosome 6, le CMH oucomplexemajeurd histocompatibilité. ChaquegèneHLA a plusieursallèles. La variabilitégénétique des vertébrés est très importante : 30 % des protéines sont variables et les individus sont en moyenne hétérozygotes pour 6 % de leurs gènes. Les invertébrés ainsi que les plantes sont encore plus polymorphes avec des valeurs de leurs hétérozygoties de l'ordre de 15 à17 %. 37

38 Les mutations, source d innovation génétique Rappel : la notion de mutation Les mutations, source d innovation génétique 3.1-Rappel : la notion de mutation Il arrive parfois qu'au sein d'un clone cellulaire apparaisse unnouveau caractère. Si ce nouveau caractère se transmet d une génération de cellule àune autre, on parle de mutation. La fréquence des mutations au sein d'une population homogène de cellules est un événement rare dont la probabilité est de l'ordre de 10-5 à10-7 (touche une cellule sur àune cellule sur 10 millions). L'analyse biochimique des mutations se ramène dans la plupart des cas àune modification de la structure et par voie de conséquence de l'activitéde certaines enzymes par rapport au caractère naturel dit encore caractère sauvage. Les mutations étant transmissibles, il faut admettre qu'elles touchent le matériel génétique de la cellule, c'est-à-dire l'adn. Une mutation est donc une modification de l'information génétique gouvernant l'expression d'un caractère. 38

39 Origine des mutations L origine des mutations Même dans des circonstances parfaitement normales, les mécanismes de la réplication de l'adn admettent toujours une certaine marge d'erreurs. Des mutations peuvent donc se produire de manière spontanée chez tous les êtres vivants. La fréquence d'un tel événement reste cependant très faible (probabilité de 10-5 à 10-7). Ces fréquences spontanées peuvent augmenter dans des proportions importantes si l'on soumet le patrimoine génétique àl'action de certains agents qualifiés de mutagènes. Les agents mutagènes agissent au niveau de l'adn. Ils sont responsables de lésions variées : modification chimique de certaines bases azotées, rupture des liaisons chimiques entre les bases Les mutations sont la conséquence directe de ces lésions. Elles interviennent le plus souvent dans les processus de réparation des molécules d'adn qui sont susceptibles de faire des erreurs ou des oublis. Les mutagènes connus se répartissent en deux catégories : les agents physiques et les agents chimiques. Le premier groupe comprend toutes les radiations ionisantes (rayons g, rayons X ) et certaines parties du spectre de l'ultra-violet. Les agents mutagènes chimiques sont nombreux et variés (acide nitreux, esters sulfuriques, 5-bromo uracile par exemple). Il faut noter que les poisons de la mitose constituent une catégorie àpart d'agents mutagènes. Ils peuvent produire des mutations de la garniture chromosomique. Le plus connu est la colchicine dont l'action conduit, dans la cellule, au doublement du nombre de chromosomes (polyploïdie). 39

40 Les différents types de mutations Les différents types de mutations Le terme de mutation peut être appliquéaux changements de toute nature intéressant le matériel génétique. On distingue les mutations géniques et les mutations chromosomiques. A- Les mutations géniques Un exemple : origine d'une maladie, la drépanocytose. Cette maladie, qui atteint surtout les populations humaines africaines, est aussi appelée anémie àhématies falciformes car elle se caractérise par la présence d hématies en forme de faux. Les individus atteints ont une hémoglobine anormale appelée hémoglobine «s»(s pour sickle = faucille, en anglais) de telle sorte qu'elle ne peut plus jouer son rôle de transporteur d'oxygène depuis les poumons jusqu'aux cellules. Cette hémoglobine anormale ne diffère de l'hémoglobine normale (hémoglobine «A») que par la substitution d'un seul acide aminé de la chaîne b (la molécule d'hémoglobine comporte 4 chaînes polypeptidiques (2 chaînes a et 2 chaînes b). 40

41 Principaux types de mutations ponctuelles 41 B- Principaux types de mutations ponctuelles Ces mutations peuvent être localisées au niveau d'un triplet de nucléotides (mutations ponctuelles) ou plus étendues (addition ou perte de longues séquences de nucléotides). Il existe 4 principaux types de mutations géniques ponctuelles : la substitution = remplacement d'un nucléotide par un autre ; l'inversion = retournement d'un triplet de nucléotides ; la délétion = perte d'un nucléotide ; l'insertion = introduction d'un nucléotide supplémentaire. Il fautbiencomprendrequ'unemodification nucléotidiquesurl'adnde cellules somatiques, c'est-à-dire non reproductrices, n'affecte que les cellules issues de cette cellule mutée, mais ne se transmet pas à la descendance. Pour qu'un nouvel allèle soit transmisde générationen génération, ilestnécessairequela mutation affecteles cellules germinales, c'est-à-direcellesqui sontàl'originedes gamètes. 41

42 Le polymorphisme génique de la chaîne βde l'hémoglobine. 42 C-Les mutations étendues Dans le cas des mutations étendues, le changement se situe au niveau de segments de chromosomes. Une mutation chromosomique comporte deux étapes : la première est une production de cassures sur les chromosomes ; la seconde, l'établissement de connexions nouvelles entre les segments. Ces accidents, affectant tout ou partie d'un chromosome sont visibles sur le caryotype de la cellule alors que les mutations géniques ne le sont pas D- La création d'allèles d'un même gène Les mutations touchant le matériel génétique sont àl'origine des versions modifiées d'un même gène, appelées allèles. Chaque nouvel allèle d un gène peut être considéré comme une innovation génétique. 42

43 Le polymorphisme génique de la chaîne βde l'hémoglobine. 43 E-Les conséquences phénotypiques des mutations Les mutations somatiques n'ont de conséquences que pour l'individu qu'elles affectent et sont une cause importante de cancérisation. Les mutations germinalesse transmettentpar mitoses àl'ensembledes cellules de l'organisme héritier et peuvent avoir des conséquences variables: certaines sont muettes ou silencieuses: le code génétique étant redondant(un acide aminé peut être codé par plusieurs triplets), une substitution d'un nucléotide à un autre peutne pas modifier la séquencedes acidesaminésdu polypeptide produit. les autressontefficientes: -unemutation faux-sensentraînele remplacementd'un acideaminépar un autre: selonquecelui-ciestessentielounon àla structure et la fonctionde la protéine, la conséquencesera plus oumoinsimportante. - une mutation non-sens fait apparaître un codon-stop et entraîne la formation d'une protéineécourtée, souventnon fonctionnelle. - les mutations par addition ou délétion sont décalantes et modifient ainsi profondémentla séquencedes acidesaminésissusde la traduction. Beaucoup de mutations sontdésavantageuses, voiredélétères, maisilarrive, mêmesile casestrare, qu'unemutation confèreun avantageàl'organisme, luiouvrantainsine nouvelles possibilités: la conséquence peut ainsi être déterminante en terme d'évolution. Nous termineronscepassage en revue par le casdes mutations affectantdes gènesdu développementougènesarchitectes, contrôlantle plan d'organisationdes animaux. Les mutations homéotiques ont ainsi pour effet de transformer une partie du corps en une autre. 43

44 Conséquences des mutations Mutation antennapedia 44 -Chez la drosophile, la mutation "bithorax" transformele 3e segment thoraciquesans aileen 2e segment thoraciqueailé; la mutation "antennapedia" provoquela formation d'unepatteen lieu et place d'uneantenne. Ces gènes sont également connus chez les Vertébrés: les mutations qui les affectent ont des effets spectaculaires sur le phénotype et ont pu peut-être jouer un rôle considérabledansl'évolutiondes espèces. 44

45 Familles multigéniques Une forme de complexification du génome : les familles multigéniques La famille des globines humaines Au cours du développement de l organisme humain, différentes molécules d hémoglobine sont synthétisées (diapo ci-dessus). Toutes les chaînes des deux groupes de globines (groupe a et groupe b) sont codées par des gènes différents. Les gènes du groupe alpha sont situés sur le chromosome 16, ceux du groupe beta, sur le chromosome 11. Il ne s agit pas d allèles d un même gène mais bien de gènes différents, exprimés à différents moments du développement embryonnaire. Toutes les hémoglobines humaines sont constituées de quatre chaînes polypeptidiques deux à deux identiques. Avant la naissance, les hématies du fœtus contiennent de l'hémoglobine fœtale constituéede deuxchaînesaet de deuxchaînesg. Après la naissance, les hématies contiennentde l'hémoglobineadultea, trèslargementmajoritaire(97%), de l'hémoglobine D (2%) et de l'hémoglobine F (environ 1%). L'hémoglobine A est constituéede deuxchaînesaet de deuxchaînesb. L'hémoglobineD estconstituéede deuxchaînesaet de deuxchaînesd. 45

46 Gènes codant pour les différentes chaînes de globine Les pseudogènes dans chaque groupe ne codent pour aucune chaîne polypeptidique fonctionnelle mais présentent une structure semblable àcelle des gènes actifs. 46 Toutes les chaînes de l hémoglobine comportent un nombre d acides aminés voisins (de 141 à146 acides aminés). 46

47 Gènes codant pour les différentes chaînes de globine 47 Toutes les chaînes de l hémoglobine comportent un nombre d acides aminés voisins (de 141 à146 acides aminés). Le diapo ci-dessus compare les séquences polypeptidiques des principales globines humaines (seuls, les 35 premiers acidesaminés vous sont proposés à titre d exemple). Cette comparaison permet d estimer le nombre de différences entre les séquences prises deux à deux. 47

48 Gènes codant pour les différentes chaînes de globine 48 Les ressemblances entre les polypeptides témoignent d une grande similitude entre les gènes qui codent pour ces globines. Ces gènes présentent donc une grande parenté. On dit que ces gènes appartiennent àun même ensemble appeléfamille multigénique. Dans une famille multigénique, tous les gènes dérivent d un gène ancestral commun. Pour passer d UN premier gène ancestral àtoute une famille de gènes différents et présents chez un même individu, il est nécessaire dans un premier temps que le gène de départ soit copié ou dupliqué une ou plusieurs fois. La duplication génique est un mécanisme génétique complexe àpartir duquel il se forme 2 gènes identiques àla place d un seul sur un même chromosome. Puis, dans un deuxième temps, les copies de ces gènes se déplacent ou se transposent d un endroit àun autre sur le même chromosome ou sur un autre chromosome. Enfin, les gènes dupliqués sont susceptibles d évoluer séparément par mutations ce qui explique la divergence constatée entre les gènes. Comme pour les gènes homologues, les gènes issus d une duplication sont d autant plus semblables que la duplication est récente. 48

49 Histoire des gènes codant pour les différentes chaînes de globine 49 Les ressemblances entre les chaînes polypeptidiques a et b (de l ordre de 40 %) indique sans conteste une parentéentre les gènes du groupe a et ceux du groupe b. Ainsi a-t-il étémontréque tous les gènes des globines actuels sont issus d une série de duplications, de transpositions et de mutations àpartir d un gène ancestral, la première duplication ayant probablement eu lieu chez un vertébré de la classe des poissons il y a 450 MA. Une telle famille de gène illustre bien comment a pu s établir la complexification du génome par duplications de gènes puis mutations successives. 49

50 Importance et variétédes duplications géniques 50 L importance et la variété des duplications géniques La famille des gènes de la globine n est qu un exemple parmi beaucoup d autres de famille multigénique montrant l évolution du génome par duplication. Ainsi les protéines qui servent àl emballage de l ADN, les histones, sont elles aussi codées par de multiples gènes. Dans ce cas, tous les gènes sont quasiment identiques. Gènes multiples et identiques encore pour les ARN des ribosomes : jusqu à5000 copies du même gène. 50

51 Conclusion 51 Conclusion Les mutations sont àl origine des différents allèles d un gène. Spontanées, aléatoires, elles apparaissent chez des individus avec une fréquence faible mais touchent néanmoins de nombreux gènes. Toutes ces modifications géniques sont source d innovations. Parmi ces innovations génétiques, seules celles qui affectent les cellules germinales peuvent être transmises à la descendance. La complexification du génome est une sorte de «bricolage moléculaire»(f. Jacob), comprenant les phénomènes de duplications et de mutations géniques. Le génome des organismes complexes comprend ainsi de nombreuses familles multigéniques, source d évolution des populations et des espèces. En effet, les gènes dupliqués peuvent être l objet d une évolution indépendante par mutations successives, enrichissant ainsi progressivement le génome de différentes espèces apparentées et pouvant rendre compte de l apparition de fonctions nouvelles. 51

52 Les relations entre mécanismes de l évolution et génétique 52 52

53 L avantage sélectif de certaines mutations Évolution des populations de Biston betularia, la Phalène du bouleau : répartition géographique L avantage sélectif de certaines mutations Le chapitre précédent a montréàplusieurs reprises (globines humaines, hormones hypophysaires) que les innovations génétiques sont conservées lorsqu ils représentent un avantage sélectif, c est-à-dire que les nouveaux organismes sont mieux adaptés à leur environnement. Prenons un exemple précis d adaptation au milieu. Un exemple remarquable d adaptation au milieu : la Phalène du bouleau La Phalène du bouleau (Biston betularia) est un papillon essentiellementnocturne. Il passe la journée immobile, posé, ailes étendues, sur les tronc d arbres, principalement les hêtres et les chênes. En Grande Bretagne, jusqu au XIXe siècle, les populations de phalènes étaient exclusivement représentées par des individus de couleur claire, ne montrant que quelques tâches foncées. A cette époque, dans la région de Manchester, fut capturé un premier spécimen d une forme noire de phalène. La fréquence de cette forme (carbonaria) a ensuite augmenté jusqu àdevenir prépondérante dans certaines régions de Grande Bretagne. N.B. Le nom du papillon, la «Phalène du bouleau», provient du fait que la chenille de ce papillon se nourrit principalement de feuilles de bouleau. L adulte, par contre, vit de préférence sur des troncs de chênes et de hêtres. 53

54 L adaptation au milieu du papillon Biston betularia Phalènes du bouleau sur écorce sombre dépourvue de lichens Phalènes du bouleau sur écorce de chêne recouvert de lichens clairs L adaptation au milieu du papillon Biston betularia La «pigmentation industrielle»de la Phalène du bouleau est un bel exemple d adaptation au milieu. Les polluants de l air détruisent les lichens qui devraient normalement recouvrir l écorce des troncs d arbre. Sur le bois sombre des chênes sans lichen près de Liverpool en Angleterre, région fortement industrielle, on a constaté que le papillon de couleur noire était plus difficile à repérer que le papillon sauvage de couleur claire (voir photographiegauche). Par contre, sur l écorce recouverte de lichen d un chêne de la campagne du Pays de Galles, le type sauvage est presque invisible (photographie droite). Ce type de «camouflage» est appelé homochromie. 54

55 L adaptation au milieu du papillon Biston betularia 55 L industrialisation a entraîné l évolution de la population de phalènes. La forme typique est parfaitement camouflée sur des troncs clairs recouverts de lichens (camouflage par homochromie) et échappe ainsi plus facilement àces prédateurs naturels (oiseaux insectivores) que la forme noire (voir tableau). Au contraire, la forme carbonaria est moins visible sur les troncs de chênes dépourvus de lichens des régions industrielles de la Grande Bretagne et échappe ainsi plus facilement aux oiseaux que la forme sauvage. Les papillons les mieux camouflés sont épargnés par les oiseaux d oùles proportions inversées des formes claires et sombres selon les régions : formes claires avantagées en zone rurale peu polluée et formes sombres avantagées en zone industrielle. Il en résulte une transmission privilégiée des allèles selon le milieu. Les résultats des mesures anti-pollution prises en Grande Bretagne depuis cette époque confirment la pression sélective exercée par le milieu : il y a de plus en plus de formes typiques en zone industrialisée et ceci coïncide avec la réapparition des troncs clairs recouverts de lichens. 55