SVT - 1 SP

Activité C3_1 Origines des mutations Durée

2h TP Démarche

Compétences Pratiquer des démarches scientifiques

Concevoir, créer, réaliser Utiliser des outils et mobiliser des méthodes pour apprendre Pratiquer des langages

Capacités Interpréter des résultats et en tirer des conclusions. Réaliser un protocole pour étudier l'action d'un agent mutagène (les UV) sur la survie des cellules de levures Ade2 et sur l'apparition de mutants. Quantifier. Extraire et organiser des informations. Utiliser des logiciels d’acquisition et de traitement de données. Communiquer dans un langage scientifiquement approprié : écrit, graphique, numérique.

Miseensituationetobjectif Un gène est une portion d’ADN qui intervient dans la réalisation d’un caractère.Il existe le plus souvent différentes versions de ce gène appelées allèles qui diffèrent par leur séquence de nucléotides. Les mutations sont à l’origine de l’apparition de nouveaux allèles d’un gène. Ce sont des phénomènes aléatoires dont la fréquence d’apparition est très faible. Certains facteurs de l’environnement, chimiques (comme certaines substances cancérigènes) ou physiques (comme les rayons UV ou les rayonnements radioactifs), augmentent la fréquence d’apparition des mutations : ce sont des agents mutagènes. On cherche à caractériser les mutations et à déterminer comment l'exposition à un agent mutagène peut augmenter le risque de mutations.

1.Desmodificationsdel’informationgénétique Une mutation est une modification de l’information génétique qui peut affecter un petit nombre de nucléotides de l'ADN (mutations ponctuelles) ou des segments entiers de chromosomes en provoquant des modifications de la structure ou du nombre de chromosomes (mutations chromosomiques). Les mutations ponctuelles peuvent être dues à des erreurs de réplication de l’ADN ou à des événements survenant en dehors de la réplication. On souhaite caractériser les différents types de mutations ponctuelles. Pour cela on va utiliser l’exemple des allèles du gènes codant la chaîne β de l’hémoglobine, qui sont à l’origine de maladiers appelées β-thalassémies.

Lesβ-thalassémies

L’hémoglobine est une protéine localisée dans les hématies (globules rouges) qui a pour fonction de transporter le dioxygène dans le sang pour approvisionner les cellules. Elle est formée de quatre chaînes polypeptidiques (chaînes d’acides aminés) identiques deux à deux : 2 chaines alpha (α) et 2 chaînes bêta (β). Les chaînes β de l’hémoglobine sont codées par un gène situé sur le chromosome 11 et sont constituées chacune de 146 acides aminés. On connaît actuellement plusieurs centaines d’allèles du gène codant pour la chaîne β issus de mutations de ce gène : certains sont assez répandus dans la population humaine, d’autres rarissimes. Certains de ces allèles sont à l’origine de maladies appelées thalassémies. Les thalassémies se traduisent par des anémies hémolytiques plus ou moins sévères, une morphologie des hématies très irrégulière et par un retard stato-pondéral et des modifications du squelette en rapport avec l’hémolyse chronique. Elles imposent des transfusions d’hématies répétées ; l’espérance de vie des malades ne dépasse généralement pas la vingtaine d’années et parfois beaucoup moins. Les thalassémies sont relativement fréquentes dans les pays du pourtour méditerranéen, en Afrique et dans le Sud-est Asiatique.

Structure de l’hémoglobine humaine adulte

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ETAPE (consignes

données aux élèves) SUPPORTS PRODUCTION CRITERES /

INDICATEURS Utilisez les fonctionnalités du logiciel Anagène pour caractériser les différents types de mutations ponctuelles.

Logiciel Anagène avec le fichier « thalassémies » et sa fiche technique – Document 1 : Protocole Anagène

Identification des différents types de mutations ponctuelles

Séquences de nucléotides du gène codant pour la chaîne β de l’hémoglobine et de 3 allèles de ce gène impliqués dans l’apparition de thalassémies (tha1, tha5, tha6) comparées judicieusement (type de comparaison choisi pertinent) ; séquence normale prise comme référence. Schémas titrés et légendés des trois types de mutations ponctuelles. Avec séquence initiale, séquence mutée, position et nature de la mutation. Travail soigné.

Document1:Protocoleanagènepourcaractériserlesdifférentstypesdemutations• Dans le logiciel Anagène, aller dans : "Fichier » puis dans « Banque de séquences »,

choisissez « Les chaînes de l’hémoglobine » et parmi ces chaînes « Bêta ». Sélectionnez alors :

o "les séquences normales" puis "betacod.adn" o "les séquences mutées" et dans ces séquences " les "thalassémies" à savoir

«tha1cod.adn », « tha5cod.adn », « tha6cod.adn » ; • En utilisant la fonction information, rechercher la taille des molécules. Pour comparer toutes ces séquences à betacod.adn (qui sera placé en première ligne) : • Sélectionnez toutes les séquences ; • Allez dans la barre de menu, choisissez « Traiter" puis "Comparer les séquences" • Choisir Comparaison simple si les séquences étudiées ont la même longueur ou

Alignement avec discontinuité si les séquences ont des longueurs différentes ; Utiliser la règle et le grand curseur

• La première séquence sert de référence ; seules les différences apparaissent (substitution d’un nucléotide par un autre), les identités sont soulignées par des tirets - ; _ indique la perte d’un nucléotide (délétion), * indique l’ajout d’un nucléotide (addition)

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2.Actiondesagentsmutagènessurl’ADN Un agent mutagène est un facteur (substance chimique, phénomène physique) qui augmente le taux de mutation de l’ADN. L’exposition aux rayons ultraviolets (UV), par exemple, est bien connue pour sa dangerosité vis-à-vis des cellules de la peau. En effet, les UV peuvent augmenter la fréquence des mutations et même rendre les cellules cancéreuses. On souhaite vérifier l’effet d'un agent mutagène (les UV) sur la survie des cellules et sur l'apparition de mutations en prenant comme « cobaye » des organismes unicellulaires, les levures.

Présentationdeslevuresade2utilisées Les levures sont des champignons unicellulaires que l’on utilise fréquemment dans notre alimentation (pour faire « lever » la pâte par exemple). L’industrie agroalimentaire en a sélectionné de nombreuses souches, chacune ayant ses propres caractéristiques, par exemple la forme des colonies (qui peut être variable selon les espèces : sphérique, ovoïde, en bouteille...) mais surtout par leur capacité à réaliser certaines réactions chimiques. Le caractère « couleur de la colonie » dépend de l’expression de plusieurs gènes. Les levures rouges ade2 sont normalement incapables de synthétiser l’adénine contrairement aux levures blanches. Levures de boulanger observées au MEB

Boîte de culture sur milieu nutritif gélosé. Les levures microscopiques ont été étalées et chacune a produit par mitoses un petit groupe de cellules génétiquement identiques (un clone), formant ainsi une colonie visible à l’œil nu.

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ETAPE (consignes

données aux élèves) SUPPORTS PRODUCTION CRITERES / INDICATEURS

1. Schématisez la voie métabolique réalisée par les colonies de couleur rouge et Expliquez, à l’échelle moléculaire, l’existence des deux phénotypes « rouge » et « couleur crème » 2. Proposez une stratégie opérationnelle permettant de montrer que les UV ont une action mutagène sur les levures, à partir du matériel proposé dans les ressources. Appeler le professeur pour obtenir le protocole expérimental (Document 2) et un exemple de résultats 5. Réalisez le protocole fourni. 6. Traitez les résultats expérimentaux en vue de leur exploitation. 7. Exploitez les résultats expérimentaux.

document 1 chaîne de synthèse de l’adénine Protocole pour l’étude des effets d’une irradiation par les UV sur une culture de levures Kit mutagenèse (matériel pour la réalisation du protocole) Logiciel tableur et sa fiche technique

Schémas expliqués Tableau des résultats expérimentaux complété Graphique Texte

Schémas titrés des voies métaboliques des deux types de levures avec explications Stratégie présentée dans un texte argumenté précisant : - ce que l’on fait ; - comment on le fait ; - ce que l’on attend (résultats attendus…). Règles concernant la manipulation des levures en conditions stériles et étapes du protocole expérimental respectées Graphique « Nombre de colonies de levures et pourcentage de colonies blanches en fonction de la durée d’exposition aux UV » complété (titre, ordonnée, abscisse) à imprimer Exploitation des résultats en relation avec l’objectif proposé Travail soigné

Document1.Voiemétaboliquepermettantlasynthèsedel’adénine

M3 M1 adéninee

Enzyme 1 Enzyme 2 Enzyme 3

Chaîne de synthèse de l’adénine dans les levures blanches

M2

La chaîne de biosynthèse de l’adénine fait intervenir trois enzymes (enzymes 1, 2 et 3). Ces trois enzymes (protéines) sont chacune codée par un gène différent. M1 est le précurseur au début de la chaîne de biosynthèse de l’adénine. M2 est un pigment rouge. L’adénine est le produit final. On s’intéresse ici au gène Ade2 qui code pour l’enzyme 2. Le gène Ade2 existe sous deux formes alléliques : les levures ade2 (phénotype « couleur rouge ») possèdent un allèle déficient codant une enzyme inefficace. Dans de rares cas, on voit apparaître des levures blanches ; celles-ci résultent d’une mutation qui rend l’allèle fonctionnel.