Le patrimoine génétique joue un rôle important dans le fonctionnement cellulaire. Comment des...

Le patrimoine génétique joue un rôle important dans le fonctionnement cellulaire.

Comment des mutations apparaissent-elles dans ce patrimoine ?

THEME 1 – AEXPRESSION, STABILITE ET VARIATION DU PATRIMOINE

GENETIQUE

CHAPITRE 2VARIABILITE GENETIQUE ET

MUTATION DE L’ADNNous avons vu que l’information

génétique est conservée dans les cellules-filles.

Vous savez que des mutations, qui correspondent à des modifications de la molécule d’ADN, peuvent se produire.

Ces mutations apparaissent-elles spontanément ou sont-elles provoquées

par des facteurs externes ?

I / LES MUTATIONS SPONTANEES DE L’ADN

Est-ce qu’il existe des mutations spontanées de l’ADN ?

Dans un clone de bactéries tous les individus proviennent de la division

par scissiparité d’une bactérie souche.

Ils possèdent donc la même information génétique (Voir le chapitre 1 du thème 1 – A et la

réplication de l’ADN).

Mise en évidence de mutations spontanées dans une culture

bactérienne.

Voir TP

Une culture d’une souche bactérienne sauvage [CanS], sensible à la

canavanine (analogue toxique de l'arginine elle entraîne la mort des

cellules sauvages), est partagée en deux fractions de même volume. L'une

est étalée sur un milieu minimum, l’autre est étalée sur un milieu minimum

contenant de la canavanine.

Un milieu minimum est un milieu comportant les éléments chimiques strictement nécessaires à la croissance d'un organisme.

Composition d'un milieu minimum:Une source de carbone et d'énergie, généralement le glucoseDu potassium et du phosphoreDe l'azote et du soufreDu magnésium, du calcium et du ferDes oligo-élementsDe l'eau distillée.

Formule semi-développée de la canavanine et de l’arginine

Pour être sûr de voir des colonies séparées on va étaler plusieurs dilutions

de la suspension cellulaire (Une suspension est diluée d’un facteur 100 (dilution au 1/100) lorsque l’on prend 1

volume de la suspension et qu’on y ajoute 99 volumes d’eau (ViCi=VfCf, V=volume,

C=concentration, i pour initial, f pour final).

Résultats obtenus

Dilution 1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7

Témoin non

irradié

Milieu minimum

100 colonies 10 colonies Milieu

minimum +canavanine

Culture diluéeCulture non diluée

Quel est le nombre de cellules présentes dans le milieu sans canavanine et dans le milieu avec

canavanine au début de l’expérience ?

Après une dilution de 10-7 il reste 10 colonies.

Il y avait donc au départ

10 x 107 = 108 cellules

dans les deux milieux au début de l’expérience.

Combien de colonies aurait-on du trouver dans le milieu avec canavanine ?

Cette souche [CanS] étant sensible à la canavanine aucune colonie

n’aurait du se développer.

Combien de colonies se sont développées dans le milieu avec

canavanine ?

4 colonies de mutants [CanR] se sont développées dans un milieu

contenant de la canavanine.

Quelle est la fréquence spontanée d’apparition de mutants [CanR] ?

4 / 108 , c’est une fréquence très faible

Les mutations spontanées ont une fréquence d’apparition très faible.

L’expérience étudiée montre que dans un clone de bactéries sensibles à la

canavanine [CanS], apparaissent des individus résistants à la canavanine

[CanR].

Un caractère différent, la résistance à la canavanine, est apparu spontanément

dans cette culture microbienne avec une fréquence faible, ici de 4/108.

Cette modification résulte d’une modification de la séquence de

nucléotides de la molécule d’ADN. C’est une mutation. La réplication de l’ADN se fait donc parfois avec

des erreurs.

Une mutation est un phénomène spontané, rare et aléatoire.

Les différents types de mutations

Quels sont les différents types de mutations observés sur ce document ?

- Substitution : remplacement d'une ou plusieurs paires de nucléotides par une ou plusieurs autres (C par T en 9 dans

betavar ou A par T en 21 dans drepcod).

- Délétion : perte d'une ou plusieurs paires de nucléotides (perte de A en 21 dans tha4cod ).

- Insertion : ajout d'une ou plusieurs paires de nucléotides (ajout de C en 28 dans tha7cod)

Est-ce que des facteurs peuvent favoriser l’apparition de mutations ?

II / LES AGENTS MUTAGENES

Nous allons étudier l’influence des rayons UV sur la fréquence des mutations.

Une culture d’une souche de bactéries sensibles à la canavanine [CanS], est exposée aux UV. Puis elle est partagée en deux fractions de même volume. L'une est étalée sur un milieu minimum, l’autre est

étalée sur un milieu minimum contenant de la canavanine.

Les résultats obtenus

Dilution 1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7

Fraction traitée

aux UV

Milieu minimum

Milieu

minimum +canavanine

100 colonies

10 colonies

Quel est le nombre de cellules présentes dans le milieu sans

canavanine et dans le milieu avec canavanine au début de l’expérience ?

Il y avait au départ 10 x 105 = 106 cellules dans les deux milieux au

début de l’expérience.

Combien de bactéries ont survécu dans le milieu avec canavanine ?

102 cellules ont survécu dans le milieu contenant de la canavanine.

Comparer les résultats des deux expériences.

Dans les cultures de bactéries exposées aux rayons UV il n’y a que

106 cellules contre 108 dans les cultures non exposées.

Quelle est l’action des rayons UV sur les bactéries ?

Les rayons UV ont une action létale sur les bactéries.

Quelle est la fréquence d’apparition des mutants [CanR] dans la culture

exposée aux rayons UV ?

102 / 106 = 1 / 104

La fréquence d’apparition des mutants est de 1 / 104 pour les cultures avec

rayons UV contre 4 / 108 pour les cultures sans UV.

Donc les rayons UV ont une action mutagène, ils induisent l’apparition

de mutations.

D’autres agents sont mutagènes :

• Les rayons X• Les rayons gamma• Le benzopyrène : une cigarette de

tabac produit de 18 à 50 ng de benzopyrène

• Etc.

Quelle est l’action des UV sur l’ADN ?

III / ACTION DES RAYONS UV SUR L’ADN

Les rayonnements ultraviolets (UV) sont des rayonnements

électromagnétiques dont la longueur d’onde est comprise entre 100 et

400 nm.

Les cycles aromatiques des bases constituant la molécule d’ADN absorbent

l’énergie des photons associés à une longueur d’onde comprise

entre 230 et 290 nm. Thymine

L’énergie absorbée au niveau de deux thymines adjacentes fournit

l’énergie nécessaire à la formation d’une liaison covalente entre ces

deux bases, au détriment des liaisons hydrogène établies entre

deux bases complémentaires

Formation de dimère de thymine

Quelle conséquence vont avoir ces dimères de thymine ?

RÉPLICATION 1MAUVAIS APPARIEMENT

RÉPLICATION 2MUTATION INSTAURÉE

Lors de la réplication, si l’ADNpolymérase arrive à franchir

les dimères de thymine cela entraînera des erreurs

d’appariements.

Ces erreurs seront à l’origine de mutations.

Certaines mutations provoquées par les rayons UV vont entraîner la cancérisation

des cellules, c'est-à-dire une multiplication incontrôlée des cellules.

Que deviennent les molécules d’ADN modifiées ?

IV / LE DEVENIR DES MOLECULES D’ADN MODIFIEES

Etude d’individu présentant une hypersensibilisation aux rayons UV

(Xeroderma pigmentosum).

Les individus atteints par cette pathologie sont plus connus sous le

terme « Enfants de la Lune »

Une combinaison pour se protéger des rayons UV.

Le Xeroderma pigmentosum est une maladie rare qui touche une

personne sur 1 million en France. Elle est caractérisée par l’apparition de taches brunes sur les zones de la

peau exposées aux rayons ultra-violets du Soleil.

Cette pigmentation anormale est due à une mortalité cellulaire importante.

De plus la maladie multiplie en effet par 1000 le risque de développer un

cancer cutané.

Quelle particularité possèdent ces cellules vis-à-vis des rayons UV?

Variation du nombre de dimères de thymine en fonction de la dose d’UV reçue

Interpréter ces résultats.

Pour une même dose de rayons UV le nombre de dimères de thymine est plus élevé chez un individu atteint de Xeroderma pigmentosum que chez

un individu sain.

Ces cellules ont une particularité que ne possèdent pas les cellules saines.

Exposées aux rayons UV le nombre de dimères de thymine est plus

élevé.

Pour tenter de trouver une explication à ces résultats suivons

l’évolution d’une population cellulaire après exposition aux rayons UV.

Interpréter ces résultats

Après exposition aux rayons UV les cellules saines possèdent autant de dimères de thymine que les cellules malades.

Mais dès que l’exposition aux rayons UV cesse le nombre de dimères de thymine reste constant dans les cellules malades

et diminue dans les cellules saines.

Les dimères de thymine sont donc défaits dans les cellules saines.

Il reste à comprendre comment ?

Une enzyme, la XPf se fixe sur l’ADN au niveau des dimères de

thymine et permet leur réparation.

Le gène qui code l'enzyme XPf est porté par le chromosome 16 et

possède divers allèles.

Les personnes qui possèdent l'allèle xpf Norm ne sont pas malades alors que

celles qui possèdent l'un des allèles xpf1 à xpf6 en double exemplaire sont

atteintes de Xeroderma pigmentosum à des degrés divers selon la nature de

l'allèle qu'elles portent.

C’est une mutation au niveau d’un gène codant pour une enzyme

assurant la réparation de l’ADN qui est responsable de cette maladie.

C’est une maladie génétique.

Chez les individus sains les dimères de thymine se formant au cours d’une exposition aux UV sont

réparés par l’enzyme XPf alors que chez les individus malades une mutation rend cette enzyme non

fonctionnelle.