Chapitre 1 : L’origine du génotype des individus

Dans le monde vivant, une grande diversité de phénotypes est observable : à l’échelle de l’espèce, de l’écosystème (2^nde). Les mutations contribuent pour une part à cette diversité en formant de nouveaux allèles d’un gène (1^èreSpé). La reproduction sexuée joue également un rôle essentiel car à chaque génération elle réalise un brassage génétique à l’origine d’individus uniques.

Lors du passage d’une génération à une autre par reproduction sexuée, on constate que les caractères spécifiques de l’espèce sont conservés. Ces caractères sont déterminés par les gènes répartis sur les chromosomes. La conservation des caractères de l’espèce dépend donc des mécanismes qui participent à la transmission des chromosomes d’une génération à l’autre.

Plusieurs activités peuvent être réalisées en ligne pour réactiver certaines notions de spécialité première :

Comment la reproduction sexuée permet-elle à la fois le maintien des caractéristiques de l’espèce et participe également à la diversification du vivant ?

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

A. Des mutations dans le clone cellulaire qui constitue un individu

Un individu est constitué de cellules qui résultent de mitoses à partir d’une cellule-œuf initiale. Ce processus de multiplication permet d’obtenir un ensemble de cellules en théorie génétiquement identiques, c’est-à-dire un clone, puisque la mitose est précédée d’un mécanisme efficace de copie de l’information génétique, la réplication de l’ADN.

Cependant, cette copie de l’ADN n’est pas totalement fiable : on estime que le taux d’erreur est de 1 pour 10⁹ nucléotides copiés, à l’origine des mutations. En prenant en compte la taille du génome humain (6,4 x 10⁹ paires de nucléotides) ainsi que le nombre de divisions qui ont lieu au cours d’une vie humaine (estimé à 10¹⁷), on peut affirmer qu’il existe une diversité génétique chez les cellules constituant un individu.

Variation de la quantité d’ADN dans le noyau d’une cellule somatique au cours d’un cycle mitotique.

B. Un individu : une mosaïque de sous-clones génétiquement différents

Chaque individu est donc constitué d’une mosaïque de clones présentant de faibles variations génétiques liées à ces mutations accumulées. Ces clones sont constitués de cellules séparées (cas des cellules sanguines) ou de cellules restant associées. Les mutations et autres accidents génétiques affectant une cellule deviennent pérennes pour toute la lignée cellulaire qui dérive du mutant, formant ainsi un sous-clone particulier.

II. Le brassage des génomes assuré par la reproduction sexuée à chaque génération

La fécondation est la fusion de deux gamètes apportant chacun un lot haploïde (n) de chromosomes.

La cellule-œuf qui en résulte est donc diploïde (2n).

La méiose permet donc d’obtenir des cellules haploïdes à partir de cellules diploïdes.

Document : cycle de vie d'un animal

A. Fécondation et diversification du génome
L’observation des états de caractère au sein d’une famille nous indique que la reproduction sexuée, grâce à la formation de gamètes (méiose) et leur rencontre aléatoire (fécondation) permet de générer des individus aux phénotypes différents.
L’expression d’un caractère gouverné par un gène est le résultat de l’interaction des deux allèles de ce gène qui se rencontrent lors de la fécondation. Ces allèles peuvent être identiques (= homozygote) ou différents (= hétérozygote). L’expression du phénotype résulte alors des relations de dominance et de récessivité des allèles.

B. Mendel, une première approche de la génétique
Un croisement de deux individus de lignée pure (homozygotes) différant pour un seul caractère aboutit à l’obtention d’une première génération homogène de même phénotype (F1) et permet de définir les relations de dominance et de récessivité entre les allèles qui sont apportés de manière indépendante par les gamètes lors de la fécondation.

Document : La formation des gamètes à partir de deux génotypes (gènes indépendants)

L’observation des phénotypes de drosophiles différant par deux caractères à l’issue d’un croisement test (F1 x homozygote récessif) révèle l’apparition de deux nouveaux phénotypes qualifiés de « recombinés » et témoignant d’une nouvelle association d’allèles, différente de celle observée chez les parents : on parle de brassage allélique.

Le comptage et le calcul des proportions des phénotypes résultant de ce croisement test permet de savoir si les gènes sont liés, c’est-à-dire situés sur le même chromosome ou non. Si les deux gènes considérés sont portés par des paires de chromosomes différentes, le résultat du test cross présente 4 phénotypes équiprobables (50% de phénotypes parentaux et 50% de phénotypes recombinés). De tels résultats s’expliquent par une répartition aléatoire des chromosomes de chaque paire au cours de l’anaphase I de méiose : on parle de brassage allélique interchromosomique.

Le nombre de combinaisons génétiques possibles dans les gamètes résultant de ce brassage allélique est d’autant plus élevé que le nombre de gènes à l’état hétérozygote est plus grand chez les parents : pour n paires de chromosomes, un individu peut former 2ⁿ gamètes différant par leur assortiment de chromosomes.

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Première loi : Loi d’uniformité des hybrides de première génération (tous les hybrides de F1 sont 100% identiques)

Deuxième loi : Loi de disjonction des allèles (1 caractère ne s’étant pas exprimé lors de la 1ère génération peut s’exprimer à la seconde génération)

Troisième loi : indépendance de la transmission des caractères

C. Des cas échappant aux lois de l’hérédité de Mendel

Certains croisements tests à partir d’une F1 hétérozygote pour 2 gènes aboutissent à l’obtention de 4 phénotypes non équiprobables (>50% de phénotypes parentaux et <50% de phénotypes recombinés). Cela indique que les deux gènes considérés sont portés par la même paire de chromosomes (gènes liés). De tels résultats s’expliquent par le fait que durant la prophase I les chromosomes sont étroitement accolés et voient leurs chromatides entrer en contact en certains points nommés chiasmas. Les chromosomes se cassent et se ressoudent, conduisant à un échange d’une portion de chromosome.

Ce mécanisme est appelé crossing-over, est aléatoire quant à sa localisation et permet l’échange d’allèles entre deux chromosomes homologues. On parle de brassage allélique intrachromosomique. Ce n’est pas une anomalie : il se produit fréquemment et contribue de manière très importante à a diversité génétique des individus.

La méiose est donc à l’origine d’un double brassage génétique : pour chaque gène à l’état hétérozygote, chaque cellule issue de la méiose recevra au hasard un seul des deux allèles présents, les combinaisons obtenues étant d’autant plus nombreuses que le nombre de gènes à l’état hétérozygote est élevé.

III. Les accidents génétiques de la méiose

Rarement, il se peut qu’un crossing-over échange des portions inégales de chromosomes homologues.

Ce crossing-over inégal et non réciproque conduit le plus souvent à une duplication génique : le chromosome porte alors une copie supplémentaire d’un gène sur une chromatide. Chaque copie du gène accumule alors des mutations au fil des générations, indépendament de l’autre copie. L’ensemble forme une famille multigénique.

Ce mécanisme génétique joue alors un rôle essentiel dans l’évolution biologique, en permettant par exemple la vision trichromatique de certains primates.

L’observation de caryotypes présentant un nombre différent de chromosomes permet de mettre en évidence d’autres particularités méiotiques, souvent létales.

L’inégale disjonction des chromosomes de chaque paire d’homologues en première division de méiose ou l’inégale disjonction des chromatides sœurs en deuxième division de méiose peut aboutir à des gamètes ne possédant aucun ou deux exemplaires de chromosome. La fécondation avec le gamète normal aboutit alors à l’obtention d’un individu trisomique ou monosomique.

IV. Comprendre les principes de base de l’analyse génétique

Chez l’espèce humaine, l’analyse génétique s’opère avant tout au niveau de la famille. Le rescensement des phénotypes des individus permet de construire un arbre généalogique dont l’étude renseigne sur le mode de transmission de l’allèle responsable du caractère étudié (pathologie génétique ou non) :

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

· Si le caractère étudié est récessif mais concerne de façon beaucoup plus importante les hommes que les femmes, cela signifie que le gène est localisé sur le chromosome X. En effet, il suffit d’un allèle muté pour qu’un homme exprime le phénotype correspondant alors qu’il faudra la réunion des deux allèles mutés pour que la femme exprime le caractère.

Remarque : Le cas de gènes situés sur les chromosomes sexuels obéit à une logique particulière : chez de nombreuses espèces, les femelles possèdent deux chromosomes homologues (et donc deux allèles pour chaque gène). Les mâles, qui ont deux chromosomes sexuels différents, possèdent alors certains allèles qui ne sont présents qu’en un seul exemplaire.

La détermination du mode de transmission d’un allèle permet, par exemple dans le cas d’une maladie d’origine génétique, de procéder à une évaluation du risque.

Les progrès dans le domaine de la génétique moléculaire (techniques de séquençage de l’ADN, PCR) permettent un accès de plus en plus rapide et de moins en moins coûteux aux données génétiques individuelles. Il est ainsi possible, grâce à des tests rapides, de déterminer dans une famille où un risque de maladie génétique existe quels allèles sont présents chez les parents et leurs enfants.

Par exemple, certaines maladies comme la mucoviscidose sont liées à un gène qui présente de nombreux mutants, ce qui a conduit les

généticiens à établir des banques de données qui recensent tous les allèles des gènes (plus de 2000 dans le cas du gène CFTR impliqué dans la mucoviscidose). Grâce aux techniques de séquençage de l’ADN, on a accès directement au génotype des individus.

La bio-informatique permet aujourd’hui d’accéder à des bases de données provenant de milliers de personnes dans le monde. Les chercheurs peuvent, en exploitant ces masses d’informations, relier certains phénotypes obsercés à des mutations précises, faisant avancer la recherche génétique et la prise en charge médicale des patients.

L’existence des bases de données informatisées de séquençage des génomes et leur accès soulèvent cependant des questionnements à l’origine des lois de bioéthique.

Séquence à séquencer :

Commence la synthèse du brin complémentaire de l’ADN à séquencer par l’ADN polymérase.

D'après Belin (SVT Tle)