Nous savons que le phénotype des individus est déterminé par son génotype (ensemble de ces allèles) et l'environnement. Nous allons chercher à mettre en évidence le devenir du génotype (et donc le phénotype au cours des différentes générations cellulaires et des êtres vivants.

I. La conservation des génomes : stabilité génétique et évolution clonale

A/ Stabilité (Activité 1) Un individu est constitué de cellules qui résultent de divisions cellulaires à partir d'une cellule œuf initiale. Ce processus de multiplication permet d'obtenir un ensemble de cellules en théorie génétiquement identique : un clone. Ces clones sont constitués de cellules séparées (cas des nombreuses bactéries ou de nos cellules sanguines) ou associées de façon stable (cas des tissus solides).

B/ Évolution clonale La multiplication par mitose d'une cellule initiale produit un clone, ensemble de cellules génétiquement identiques. En réalité des mutations peuvent se produire et diversifier les lignées cellulaires. En effet, pour se diviser à nouveau, chaque cellule subit une réplication de l'ADN qui permet une copie de l'information génétique. Cependant cette réplication n'est pas totalement fiable : le taux d'erreur est 1 pour un milliard de nucléotides copiés créant des mutations. Ainsi bien qu'en l’absence d’échanges génétiques avec l’extérieur, la diversité génétique dans un clone résulte de l’accumulation de mutations successives dans les différentes cellules. Tout accident génétique irréversible (perte de gène par exemple) devient pérenne pour toute la lignée (sous-clone) qui dérive du mutant. Il s'agit d'événements peu fréquents, car l'ADN polymérase duplique l'ADN avec une grande fidélité. A chaque division, la probabilité qu'un nucléotide soit modifié est d'environ 10-9 chez l'Homme

En prenant en compte le génome humain : 6,4 milliards de nucléotides et le nombre de divisions qui ont lieu au cours de la vie 1017 : il existe une diversité génétique

chez les cellules d'un même individu.

II. Le brassage génétique au cours de la fécondation et méiose : reproduction sexuée des eucaryotes

A/ La fécondation : retour de la diploïdie

La fécondation entre gamètes haploïdes (n) rassemble, dans une même cellule diploïde, deux génomes d’origine indépendante apportant chacun un lot d’allèles. Chaque paire d’allèles résultant est constituée de deux allèles identiques (homozygotes) ou de deux allèles différents (hétérozygotes).

La Terre, la vie et l'organisation

du vivantGénétique et

évolutionChapitre I

L'origine du génotype des individis

Dans une cellule diploïde, il y a donc deux allèles pour chaque gène : si le phénotype résulte de l'expression d'un seul des deux allèles : on parle de dominance, au contraire si le phénotype alternatif nécessite que les deux allèles soient identiques pour être exprimé, il est qualifié de récessif. Dans le cas où les deux allèles interviennent à part égale dans la réalisation du phénotype, on parle de codominance.

B/ La méiose : formation des gamètes et brassage génétique La méiose permet la formation de cellules haploïde (gamète, grain de pollen ou spore) à partir d'une cellule diploïde. La méiose succède toujours à une phase de réplication d'ADN qui permet d'avoir des chr à 2 chromatides. Il s'agit d'une succession de deux divisions.

Les étapes de méiose (Rappels) Prophase 1 :

Apparition des chromosomes

bichromatidiens et disparition du noyau.

Appariement des chromosomes homologues bichromatidiens sur toute leur longueur et formation d’un bivalent (=tétrade).

Métaphase 1 :

Les chromosomes homologues appariés /

bivalents se mettent en

place sur le plan équatorial de la

cellule.

Anaphase 1 :

Séparation des chromosomes

homologues qui migrent vers des pôles opposés

de la cellule.

Télophase 1 :

Décondensation des chromosomes. Reformation du

noyau puis cytodiérèse = séparation des deux cellules.

Les futures cellules filles possèderont un exemplaire de

chaque chromosome homologue. Elles sont donc

haploïdes.

Prophase 2

La deuxième division de méiose n’est pas précédée

par une duplication de l’ADN.

Métaphase 2

Les chromosomes

s’alignent sur la plan équatorial

Anaphase 2

Séparation des chromatides de chaque

chromosome bichromatidien qui

migrent vers des pôles opposés de la cellule.

Télophase 2 :

Chacune des 4 cellules formées possédera donc un lot haploïde

de chromosomes monochromatidiens.

En fin de méiose, chaque cellule produite reçoit un seul des chromosomes de chaque paire avec une probabilité équivalente L'association des chr de chaque paire se fait de manière aléatoire : ce sont des évènements indépendants. Un tel brassage est appelé d'interchromosomique. Le nombre d'assortiment de chr différents produit au cours de la méiose est de 2n. (ex: Homme : 223).

1

2

La méiose modifie également la répartition des allèles sur les chromosomes. Au cours de la prophase de première division de méiose les chr s'apparient pour former des paires. Il se produit alors des échanges de matériel chromosomique au niveau de point de contact (chiasmas) entre deux homologues: ce phénomène est appelé crossing over. On se trouve alors dans le cas d'échanges d'allèles qui augmentent ainsi les combinaisons des gamètes possibles.

Le brassage intrachromosomique modifie la distribution des allèles portés par les chromosomes homologues, avant que ceux-ci ne soient distribués au hasard. La probabilité de CO est variable et est d'autant plus faible que les locus des gènes étudiés sont proches. Les quatre combinaisons d'allèles ne sont pas équiprobables (les recombinés sont minoritaires, les parentaux majoritaires) Ainsi, la méiose est à l'origine d'un double brassage. Pour chaque gène à l'état hétérozygote, chaque cellule issue de la méiose recevra au hasard un seul des deux allèles présents. Le nombre de combinaisons génétiques possibles dans les gamètes est d’autant plus élevé que le nombre de gènes à l’état hétérozygote est plus grand chez les parents. Pour deux paires d’allèles, quatre combinaisons d’allèles sont possibles, équiprobables ou non en cas de gènes liés.

III. Comprendre les résultats de la reproduction sexuée : bases de la génétique

A/ L'étude des croisements et la mise en évidence des brassages au cours de la méiose (Activité 2) L’analyse génétique peut se fonder sur l’étude de la transmission héréditaire des caractères observables (phénotype) dans des croisements issus le plus souvent de lignées pures (homozygotes) et ne différant que par un nombre limité de caractères. Ces études permettent de mettre en évidence des brassages réalisés au cours de la méiose (comprendre la position des gènes : sur le même chr ou non) et de la fécondation. Dans la plupart des croisements des lignées parentales pures sont croisées. Les individus issus de ce croisement constituent la première génération, nommée F1. Leurs parents étant homozygotes mais différents, ces descendants sont nécessairement …....................pour les gènes étudiés. L'observation de leur phénotype permet de déterminer la ….................. ou la ………………………..des allèles présents. L'étude se poursuit par un …........................ : un individu hétérozygote de la génération F1 est croisé à son tour avec un individu porteur des allèles récessifs à l'état homozygote. Ce dernier produit des gamètes qui ont tous le même génotype, et qui n'apportent que des allèles récessifs. La descendance obtenue ne devra sa diversité qu'à celle des gamètes produits par l'individu F1.

• Dans le cas de deux gènes indépendants : la descendance contiendra autant d'individus à phénotypes parentaux que recombinés (possédant un caractère de chaque parent) car seul le brassage interchromosomique est impliqué dans l'obtention des gamètes.

• Dans le cas de gènes liés : les phénotypes parentaux seront en nombre plus important que les recombinés, ces derniers étant alors issus du brassage intra (donc moins fréquent)

Exemple : Dans cet exemple, on étudie la transmission de 2 gènes : l’un gouvernant la longueur des ailes et l’autre la couleur du corps. Chaque gène possède deux allèles : Longueur des ailes : Ailes longues noté vg+ et ailes vestigiales noté vg Couleur du corps : Corps clair noté b+ et corps black noté b. Dans un premier croisement, on croise deux drosophiles de lignées pures donc homozygotes. Le phénotype du ♂ est ailes longues, corps clair [vg+,b+] et le phénotype de la ♀ est ailes vg, corps black [vg,b] Écriture des génotypes : Comme elles sont homozygotes, elles ne peuvent produire qu’un type de gamète : (vg,b) et (vg+,b+). Tableau de croisement :

(vg,b) (vg+,b+)

F1 : [vg+,b+]

La descendance est notée F1, on voit qu’elle est composée à 100% de drosophiles à ailes

longues et corps noir. On en déduit donc que le caractère ailes longues et dominant sur ailes vestigiales et que le caractère corps clair est dominant sur corps clair. On réalise un croisement test entre la F1 hétérozygote et un double homozygote récessif puisqu’exprimant le phénotype récessif. On voit que 4 phénotypes différents apparaissent : - 2 phénotypes parentaux de fréquence élevée identique - 2 phénotypes nouveaux, des phénotypes recombinés de fréquence faible identique

On fait donc l’hypothèse que les gènes sont liés. En effet, ces phénotypes étant le reflet

des gamètes produits par F1 (car c’est un croisement-test), on en déduit que certains gamètes portent sur un même chromosome les allèles des deux gènes normalement présents sur un chromosome différent.

On ne peut expliquer la création de ces nouvelles combinaisons d’allèles que par un échange

de fragments de chromosomes entre homologues lors de la prophase 1 de méiose. Ce sont les crossing over. Ils forment des chromatides recombinées à l’origine des phénotypes recombinés.

La fréquence d’apparition des CO explique le faible % de ces nouvelles combinaisons alléliques. Ainsi on peut expliquer l’apparition de 4 gamètes (2 majoritaires et 2 minoritaires) du parent F1 : (vg,b) et (vg+,b+) majoritaires, (vg,b+) et (vg+,b) minoritaires. L’autre parent ne produisant qu’un seul type de gamète (vg,b) On peut alors écrire le tableau de croisement suivant :

(vg,b) (vg+,b+) (vg,b+) (vg+,b) Proportions MAJORITAIRE MINORITAIRE

(vg,b)

Phénotype [vg,b] [vg+,b+] [vg,b+] [vg+,b] Proportions MAJORITAIRE MINORITAIRE

Les résultats du croisement sont cohérents avec ceux prédits par le tableau de croisement : les gènes longueur des ailes et couleur du corps (black) sont liés c’est-à-dire portés par la même paire de chromosomes homologues. Remarque : Si les résultats d’un croisement test (avec d’autres gènes et allèles) avaient été de 50% de phénotypes parentaux et 50% de phénotypes recombinés, nous aurions fait l’hypothèse de gènes indépendants (portés par deux paires de chromosomes différents). Ainsi on peut écrire les génotypes des 4 gamètes du parent F1 (vg,eb), (vg+,eb+), (vg,eb+) et (vg+,eb) équiprobables et faire le tableau de croisement pour valider l’hypothèse.

(vg,eb) (vg+,eb+) (vg,eb+) (vg+,eb) Proportions

(vg,eb)

Phénotype [vg,eb] [vg+,eb+] [vg,eb+] [vg+,eb] Proportions

B/ Les études au sein des familles (Activité 3)

Dans le cas de l’espèce humaine, l’identification des allèles portés par un individu s’appuie d’abord sur une étude au sein de la famille, en appliquant les principes de transmission héréditaire des caractères.

• Si le caractère étudié apparaît chez un individu alors qu'il est absent chez ses deux parents, l'allèle responsable est récessif, tandis que s'il est présent dans toutes les générations cet allèle est dominant (il faut cependant aussi considérer la probabilité d'une mutation nouvelle apparue chez l'enfant alors que ces parents ne le possèdent pas).

• Si le caractère étudié est récessif mais concerne plus d'hommes que de femmes, on peut supposer que le gène est localisé sur le chromosome X.

(En effet, pour un homme la présence d'un seul récessif est suffisante pour que le phénotype s'exprime. Il faut deux fois l'allèle chez la femme). Les connaissances sur le mode de transmission d'un allèle permettent dans le cas d'une maladie d'origine génétique de procéder à une évaluation du risque.

C/ Le rôle de la bioinformatique (activité 3)

Le développement des techniques de génétique moléculaire tel que le séquençage de l’ADN, les PCR et les progrès de la bioinformatique donnent directement accès au génotype de chaque individu comme à ceux de ces ascendants et descendants. L’utilisation de bases de données informatisées permet d’identifier des associations entre certains gènes mutés et certains phénotypes.

IV. Les accidents au cours de la méiose et leurs conséquences.

1/ Les aneuploïdies : les anomalies du nombre de chromosomes. (doc. 3-4 P29) La méiose assure la production des gamètes chez les espèces diploïdes. Si des anomalies surviennent au cours du processus méiotique, la cellule œuf pourra présenter des aberrations du nombre de chromosomes = aneuploïdies. Les aberrations chromosomiques sont très fréquentes et surviennent probablement dans plus de la moitié des fécondations. Le plus souvent, elles entrainent un avortement précoce et spontané. Elles ne représentent que 0.6% des naissances vivantes, dont un tiers est cliniquement viable. Les aneuploïdies sont parmi les anomalies chromosomiques les plus fréquentes.

Génotype (nombre de chromosomes, anomalie)

Phénotype associé

Aneuploïdies Trisomie 21 (47, 3 chromosomes 21)

Trisomie 18 (47, 3 chromosomes 18)

Trisomie 13 (47, 3 chromosomes 13)

Syndrome de Dawn : handicap mental, malformations…1/700

Syndrome d’Edwards : Anomalie du crâne, de la face, malformations, mort avant 1 an 1/5000

Syndrome de Patau : Non compatible avec la vie 1/9000 Aneuploïdies des chromosomes sexuels

47, XXY

47, XYY Trisomie X (47, XXX)

Monosomie X (45, XO)

Syndrome de Klinefelter : 1 homme/700, Stérilité (azoospermie)

1 homme/500, Fertilité, testicules normaux 1 femme/500, Fertilité, ovaires normaux

Syndrome de Turner, 1 femme/2700, ovaires anormaux, nanisme, impubère.

Ces anomalies chromosomiques résultent d’une séparation anormale des chromosomes homologues en anaphase 1 ou des chromatides en anaphase 2. Les gamètes formés sont alors anormaux à n+1 ou n-1 chromosomes. La fécondation conduit alors respectivement à des zygotes à 2n+1 chromosomes ou 2n-1 chromosomes.

B/ Des accidents chromosomiques au cours du brassage intrachromosomique

Des crossing over peuvent parfois avoir lieu entre deux portions non homologues des chromosomes appariés dans le bivalent : ce sont les crossing over inégaux. A la suite de l‘échange, l’un des chromosomes possède une chromatide dont l’une de ses portions est en double (et donc les gènes qu’elle porte) alors que son homologe a une chromatide qui a perdu sa portion et donc une partie de son information.

Ce mécanisme de duplication des gènes est à l’origine d’une diversification du génome. Les deux copies du gènes, portées par le même chromosome, vont évoluer de manière séparée et accumuler, au cours du temps et des générations, des mutations différentes. Ces deux copies / allèles initialement identiques pourraient, à terme, coder la synthèse de protéines différentes et donc devenir deux gènes différents. Ces gènes gardent cependant de fortes ressemblances et constituent une famille multigénique. Plus les ressemblances sont fortes plus la durée depuis la duplication est courte et inversement. On peut donc utiliser ces gènes comme une sorte d’horloge biologique utile pour reconstituer l’histoire des espèces.

Ce mécanisme de duplication-mutation conduit à un enrichissement et une diversification du génome, jouant un rôle essentiel dans l’évolution.