Thème 1-A Transmission, expression et variation du patrimoine génétique Chapitre 3 : la variabilité de l’ADN, source de la diversité individuelle et spécifique

Introduction : en seconde, nous avons vu que la biodiversité est l’ensemble des êtres vivants qui peuplent ou ont peuplé notre planète depuis l’apparition de la vie (3,8GA).

Cette diversité est écologique, en fonction des écosystèmes et de la particularité de leurs conditions de vie

Cette diversité est spécifique : les espèces sont apparues, ont évolué puis ont disparu au cours de l’histoire de la vie. La diversification des espèces peut être expliquée par les mécanismes de l’évolution

Cette diversité est aussi individuelle : au sein des espèces les individus présentent des phénotypes différents, ils présentent des versions très différentes de leurs caractères

Comment expliquer, à l’échelle génétique, cette diversification ? YQuelques définitions : Phénotype : ensemble des caractères observables : il peut être défini à l’échelle de l’organisme (macroscopique), à l’échelle des cellules (microscopique), à l’échelle des molécules (protéines). Génome : ensemble des gènes caractéristiques d’une espèce. C’est le plan de « fabrication » d’une espèce. Tous les individus d’une même espèce ont le même génome, les mêmes gènes (portés par les mêmes chromosomes => caryotype =) Génotype : C’est l’ensemble des allèles d’un individu. Allèles : Les allèles sont les différentes versions (séquences différentes) d’un même gène, situés sur le même chromosome, au même locus. Mutations : ces allèles sont le résultat de mutations = modifications de la séquence de nucléotides d’un gène. I/ Quelques exemples pour poser les problèmes

1. Nous avons poursuivi notre travail sur le problème de l’intolérance au lactose …maintenant que nous connaissons mieux les enzymes, leur nature et leur caractéristique, nous faisons l’hypothèse que le site actif de la lactase est anormal chez les personnes intolérantes Si le substrat (lactose) ne peut se fixer sur la lactase (enzyme) il ne pourra pas être hydrolysé, l’excès de lactose dans le colon, subit l’action des bactéries qui, par fermentation produisent des composés responsables des symptômes de cette affection (Exercice 6 page141)

Nous avons étudié l’enzyme avec libmol : une séquence de 1023 acides aminés (doc1) …

… repliés dans l’espace de façon spécifique (en fonction de la séquence) (doc2)

…Ce qui détermine un site actif où le lactose peut se fixer, on dessine la surface de ce site :

L’étude des interactions montrent des interactions avec Les AA 100, 102, 103, 418, 461, 502, 503, …… Qui délimitent le site actif,

Donc on fait l’hypothèse que chez les intolérants, la séquence d’acides aminés est différente, certains AA du site actif ont pu être modifié, modifiant sa forme, empêchant la fixation du lactose. Afin de pester cette hypothèse on réalise une électrophorèse (FT page 456) On réalise des dépôts de lactase extraite d’une personne tolérante et non tolérante, les protéines vont migrer dans le champ électrique en fonction de leur charge (ó séquence) et la tache sera d’autant plus foncée que la quantité est importante. Si notre hypothèse est juste, la migration sera différente pour les 2 protéines

Les résultats ne sont pas en accord avec notre hypothèse ! Les protéines migrent au même niveau, leur séquence est la même, mais elle est présente en plus faible quantité ! Nous savons qu’une protéine est codée par un gène, donc afin de bien vérifier que notre hypothèse est fausse, on peut étudier les gènes de la lactase chez les personnes tolérantes ou non !

Le site actif

Doc 1

Doc 2

Dépô

t

D

épot

Remarque : Est-ce héréditaire ? La méthode du calcul relatif :

Pour déterminer si un caractère, une maladie est d’origine génétique ou non, on peut utiliser le calcul relatif, basé sur des études familiales. On calcule la fréquence de la maladie dans la population générale, puis sa fréquence chez les apparentés au premier degré (les frères et sœurs) dans des familles où l’un des enfants présente le caractère, est atteint de la maladie. Le résultat du calcul : prévalence chez les apparentés (la prévalence dans la population permet d’établir si la maladie est héréditaire). Ainsi, si le résultat est supérieur à 1, celle-ci est bien d’origine génétique. Dans une étude réalisée en Finlande, on constate que sur 29 enfants, 16 sont malades. En utilisant la méthode du calcul relatif, on compare la prévalence de la maladie dans ces familles avec celle de la population finlandaise : le risque relatif trouvé est de plus de 14.000, ce qui indique un déterminisme génétique très élevé. On réalise une étude dans des familles qui présentent les symptômes d’une intolérance. On étudie la séquence codante du gène de la lactase, situé sur le chromosome 2. Dans cette famille, seul un des 2 enfants est intolérant, et ce depuis la naissance, c’est un cas très particulier dit d’intolérance congénitale.

On étudie les 2 allèles du gène chez chaque membre de la famille On rappelle que nus possédons 2 exemplaires de chacun de nos chromosomes, donc 2 exemplaires de chacun de nos gènes. Le père, la mère et l’enfant 1 sont tolérants, mais l’enfant 2 présente une intolérance congénitale, il ne consomme aucun produit contenant du lactose depuis sa naissance. On voit que le père, la mère et l’enfant 1 possèdent 2 versions différentes pour le gène de la lactase, une dite « Normale », présente chez tous les individus tolérants, responsable de la synthèse d’une lactase normale ; une présentant une séquence différente, dite « mutée », responsable de la synthèse d’une lactase anormale. On parle d’ALLELES. L’allèle muté provient d’une MUTATION de l’allèle normal : une modification accidentelle de la séquence des nucléotides du gène.

Ici, un nucléotide A remplace le nucléotide T entre les nucléotides 4140 et 4150

Arbre généalogique (transmission) • Père : allèle 1 et 2 ≠ ; 1 « Normal » un « muté », on dit

qu’il est hétérozygote : on note N//m* • Mère : allèle 1 et 2 ≠ ; 1 « Normal » un « muté », on dit

qu’elle est hétérozygote : on note N//m* Au cours de la reproduction, ils ont chacun transmis UN de leurs allèles, soit N soit m

Pour étudier cette transmission, on réalise un échiquier de croisement

Echiquier de croisement à Spermatozoïde* produits

à ovules * produits

Père Mère N/ m/

N/ N//N

[Tolérant] N//m

[Tolérant]

m/ N//m

[Tolérant] m//m

[Intolérant]

Le père et la mère et l’enfant 1 sont tolérants alors qu’ils possèdent l’allèle muté, il ne s’exprime pas lorsqu’il est associé à l’allèle normal, mais uniquement lorsqu’il est présent sur les 2 chromosomes comme chez l’enfant 2, on dit qu’il est Homozygote - l’allèle normal est dominant (on note avec une majuscule) - l’allèle muté est récessif (on note avec une minuscule)

Dans les spermatozoïdes et les ovules, cellules haploïdes, il y a un seul chromosome de chaque paire, on note N/ ; m/

• On observe 2 phénotypes alternatifs (noté entre [ ]) : différentes versions d’un caractère : [Tolérant] (père, mère, enfant 1) et [Intolérant] (enfant 2) mais ces phénotypes correspondent à des génotypes différents.

• * La notation des génotypes (ensemble des allèles présents chez les individus) est codifiée :

La paire de chromosomes n° 2 à Phénotypes [tolérant] [Intolérant]

(à // = les 2 chromosomes) Le gène est présent sur les 2 chromosomes 2, au même locus - N//N l’individu est homozygote normal : [Tolérant] - m//m l’individu est homozygote muté : [Intolérant] - N//m l’individu est hétérozygote [Tolérant]

• Ces allèles codent pour des protéines différentes :

- l’allèle normal code pour une lactase normale de 1927 AA - l’allèle muté provoque l’apparition d’un codon UAU à stop au codon 1390 (au lieu de UAAà Tyr) ce qui conduit à l’arrêt prématuré de la protéine à 1389 acides aminés au lieu de 1927. L'enzyme est incomplète, sa forme est anormale, son site actif n’est pas défini, l’enzyme n'est donc pas fonctionnelle, et l'enfant ne peut pas digérer le lactose.

• Du génotype au phénotype : Si on résume le phénotype est le résultat du génotype, des allèles possédés par l’individu. Ces allèles codent pour des protéines différentes (échelle moléculaire) Le rapport de dominance de ces allèles va déterminer, à l’échelle des cellules, de l’organe, puis de l’organisme l’expression du caractère

Père Mère

Enfant1 Enfant 2

Locus du gène de la lactase

Cellule œuf, résultat de la fécondation

Échelle génétique Gène de la lactase sur le chromosome 2 Mutation TàA : 2 allèles 1à normal (N) 1 à muté (m),

Échelle moléculaire Allèle N à protéine normale, enzyme fonctionnelle pouvant hydrolyser le lactose Allèle m à protéine incomplète, apparition anticipée d’un codon STOP, sans site actif, non fonctionnelle ne pouvant hydrolyser le lactose L’allèle N est dominant, La production de 50% de lactase normale suffit à assurer une hydrolyse efficace du lactose

Échelle cellulaire Les entérocytes, cellules intestinales, produisent - chez N//N : 100% de lactase normale - chez N//m : 50 % de lactase normale (mais cela suffit pour hydrolyser normalement le lactose) - Chez m//m : 100% de lactase anormale

Échelle de l’organe Pour les 2 premiers génotypes, la lactase produite est suffisante le lactose est correctement digéré Pour le troisième, la lactase est absente, le lactose n’est pas digéré

Échelle de l’organisme Pour les 2 premiers génotypes : tolérance Pour le troisième : Intolérance, symptômes de mauvaise digestion

Remarque : le génotype N°2 correspondrait au cas du résultat de notre électrophorèse où la lactase est

présente mais en plus faible quantité mais ici il n’y a pas intolérance ! Les adultes humains, (hors cas précédent de l’intolérance totale qui correspond à l’absence de production de la lactase) se répartissent en deux phénotypes en ce qui concerne l’aptitude à digérer le lactose. - Les uns n’ont qu’une aptitude très faible à digérer le lactose car ils ne produisent plus de lactase (ou très peu). Ils sont dits « lactase non persistants » (LNP) ou intolérants au lactose. - Les autres dits « lactase persistants » (LP) gardent l’aptitude à digérer le lactose durant toute leur vie car leurs cellules intestinales continuent à produire de la lactase. Il faut bien voir que tous ces individus LP ou LNP durant les premières années de la vie produisaient de la lactase. Chez les individus au phénotype « lactase non persistant », les manifestations d’intolérance au lactose débutent généralement vers 3-5 ans et se traduisent par un ballonnement abdominal, des douleurs abdominales, des borborygmes et, dans les cas les plus nets, des diarrhées. L’analyse des séquences codantes du gène dans une famille présentant ce type d’intolérance ne PRESENTE ACUNE DIFFERENCE… Nous devrons faire une hypothèse plus précise pour expliquer la faiblesse de production de cette enzyme, nous y reviendrons plus tard !

2. Mutation n’est pas forcément synonyme de maladie ! Un autre exemple : aimer ou pas les brocolis (page 64/65)

Si comme 70% des individus vous n’aimez pas les brocolis, il est temps de comprendre pourquoi !

Certains aliments sont concentrés en PTC (Phényl Thio Carbamide), molécule à la saveur amère, c’est le cas des brocolis, par exemple. Mais tous les êtres humains ne sont pas capables de percevoir cette saveur.

. Fox, suppose une origine génétique de cette perception La perception des saveurs est réalisée par les bourgeons du goût, ensemble de cellules réceptrices de la langue à la surface desquelles sont exprimées des protéines réceptrices, spécifiques des différentes molécules (doc a)

On connaît plusieurs allèles du gène codant pour la protéine réceptrice du PTC PAV : allèle « normal » AVI, AAI : « mutés »

Brins non transcrits On observe 3 mutations aux nucléotide 145 (CàG), 785 (CàT) et 186 (GàA) Les séquences de ces allèles sont différentes, ils vont coder pour des séquences d’AA différentes.

Molécules gustatives

On distingue les phénotypes : - sensible au PTC à perception du goût - non sensible à aucune perception du goût On fait l‘hypothèse d’un déterminisme génétique de ce caractère.

Position 145 CCAà CCA à Pro GCAà GCA à Ala (AA N° 49) Position 785 GCT à GCUà Ala GTT à GUU à Val (AA n° 262) Position 886 GTCà GUC à Val ATC àAUC à Ileu (AA n° 296)

La transmission du caractère :(on ne considèrera qu’un allèle muté AVI noté i) - 2 phénotypes : [sensible]et [insensible] prenons l’exemple de la famille de Fox, les grands parents étaient sensibles - Je vois que les grands parents ont une fille insensible, qui exprime l’allèle AVI or ils étaient sensibles donc ils possédaient l’allèle AVI qu’ils ont transmis à leur fille mais ne l’exprimaient pas : ils sont hétérozygotes, l’allèle AVI (i) est récessif et PAV dominant (S) Donc en résumé : Le caractère de sensibilité au PTC est gouverné par un gène existant sous 2 formes allèliques : PAV (S) et Insensible (i) ; ils codent pour le récepteur de la molécule situé à la surface des cellules sensibles des bourgeons du goût

Pour l’allèle AVI, Les 3 modifications sont suffisamment proches du site actif pour modifier sa forme et les interactions avec la PTC, qui ne peut plus se fixer.

Mr Fox Mme Fox Sœur

Grand-père

Grand-mère

Fille 2 Fille1 Fils

Petit Fils 1

Petit Fils 2

Gendre Belle fille

Petite fille 1

Petite fille 3

Petite fille 2

Sensible

Insensible

S//i S//i

S//i

S//i

i//i

i//i

i//i i//i

i//i

i//i

S//i S//i ou S//S

S//i ou S//S S//i ou S//S S//i ou S//S

Échelle génétique Gène TAS2R38 situé sur le chromosome 7 Mutations CàG ; CàT ; GàA : 2 allèles 1à normal (PAV ; S) 1 à muté (AVI ; i),

Échelle moléculaire Allèle PAV à protéine normale, Récepteur fonctionnel pouvant fixer la PTC Allèle AVI à protéine avec séquence ≠, 3 AA≠, qui modifient le site actif, non fonctionnel ne pouvant fixer la PTC L’allèle PAV est dominant, La production de 50% de récepteurs normaux suffit à assurer une détection efficace de la PTC

Échelle cellulaire Les cellules sensibles des bourgeons du goût produisent - chez S//S : 100% de récepteurs normaux - chez S//i : 50 % de récepteurs normaux (mais cela suffit pour assurer une détection efficace de la PTC) - Chez i//i : 100% de récepteurs anormaux

Échelle de l’organe Pour les 2 premiers génotypes, les récepteurs produits sont suffisants la PTC est correctement détectée Pour le troisième, les récepteurs sont anormaux, la PTC n’est pas détectée

Échelle de l’organisme Pour les 2 premiers génotypes : sensibilité, vous n’aimez pas les brocolis ! Pour le troisième : insensibilité, vous ne percevez pas la saveur amère des brocolis !

• Mais comment expliqué qu’une aussi grande proportion de notre population est insensible

à la PTC, ce n’est pas le cas de toutes les populations humaines

Cette répartition peut se superposer avec la répartition des allèles PAV et AVI dans les populations humaines (Doc d page 65)

Il a été établi que la sensibilité au PTC est parfaitement corrélée à la sensibilité à une substance naturelle, la l-5- vinyl-2-thio-oxazolidone, produite par les Brassicacées (famille des « choux ») et proche de nombreuses toxines végétales La sensibilité à l’amertume permettrait donc d’éviter l’ingestion de toxines végétales, qui sont souvent amères (exemples : strychnine, quinine, ricine, caféine). Il existe des catégories biochimiques potentiellement toxiques dont le goût provoque d’emblée une réaction de rejet. C’est le cas des alcaloïdes, dont beaucoup sont perçus par l’Homme comme fortement amers, ainsi que des tanins, des acides forts et de nombreux autres produits irritants dont la perception du goût peut reposer sur une stimulation biochimique des bourgeons du goût de la cavité buccale En fait, il existe une forme de reflexe gusto-facial qui permet aux jeunes primates d’éviter l’ingestion de ces produits et en particulier de ceux dont le goût est décrit comme amer par la grande majorité des humains.

- les autres animaux sont-ils sensibles à l’amertume ? De nombreux animaux se révèlent sensibles à la saveur amère mais de façon différente : Les herbivores doivent pouvoir manger un maximum de végétaux différents, même les plus amers. Ils sont de façon générale moins sensibles au goût amer que les omnivores : ils possèdent moins de gènes 'sensibles' à l'amertume.... Tous les primates sont sensibles à l’amertume mais leur sensibilité varie beaucoup en fonction de leur régime alimentaire et de leur environnement et notamment de la richesse de celui-ci en plantes produisant des substances toxiques. Quelques informations complémentaires

- L’Homme est un primate, omnivore dont le régime alimentaire a changé au cours de son évolution : la part de l’alimentation carnée a augmenté dans son régime alimentaire.

- Parallèlement à sa sédentarisation l’apparition de l’agriculture a diminué la part de la cueillette dans son alimentation et s’est traduit par la culture de plantes sélectionnées : nutritives et non toxiques.

On interprète cette distribution des allèles comme une évolution liée à l’environnement plus ou moins riche en substances amères et à l’évolution des comportements. L’apparition de l’agriculture s’est traduite par une sélection des plantes nutritives et donc une réduction des risques d’ingestion de substances toxiques. La capacité à détecter une saveur amère représente un caractère sélectif intéressant dans un environnement dangereux et la fréquence de l’allèle « sensible » est important dans les populations mais cet avantage sélectif diminue quand l’environnement devient moins agressif et la fréquence de cet allèle diminue. La distribution des allèles dans les populations dépend donc de leur caractère avantageux ou désavantageux en fonction de l’environnement et des comportements.

I/ Des mutations entraîne une variabilité de l’ADN : elles modifient la séquence des gènes.

1. Des erreurs de réplication, corrigées…ou pas…

Nous avons vu qu’au cours du cycle cellulaire, le passage d’une phase à la suivante est contrôlé. De nombreuses protéines sont impliquées dans ce contrôle et les éventuelles réparations d’erreurs de réplication par exemple Docs 2, 3 et 4 page 89 Mais des erreurs peuvent intervenir et ne pas être corrigées.

Ø Remarque : ces protéines de contrôle peuvent elles aussi avoir subi des mutations ! à perte d’efficacité des contrôles et des réparations (voir plus loin) Doc 3 page 85

2. Des erreurs rares et aléatoires…ou pas… Ø Doc 1c page 84 : les mutations sont des phénomènes relativement rares, accidentelles et

aléatoires mais… Ø Docs pages 86/87 : certains facteurs peuvent augmenter la fréquence des mutations : les

mutagènes