Grégoire Raboud

Lycée-Collège de la Planta, SionBiologie

Génétique

Lycée-Collège de la Planta, Sion Martine Morend Gattlen, Blaise Perruchoud, Grégoire Raboud, Sonia Sierro

Génétique et biotechnologie

Avant-propos 1 Introduction 2 Mitose

2.1 Où et quand s'observe la mitose? 2.2 Comment se déroule la mitose?

2.2.1 La prophase 2.2.2 La métaphase 2.2.3 L'anaphase 2.2.4 La télophase

3 Les chromosomes 4 L'ADN, substance essentielle des chromosomes

4.1 Constitution chimique et structure 4.2 L'autoreproduction de l'ADN 4.3 Les chromosomes, éléments essentiels de la cellule

5 La transmission des caractères héréditaires 5.1 Le monohybridisme

5.1.1 Analyse qualitative 5.1.1.1 Gène (facteur) et caractère 5.1.1.2 Phénotype et génotype 5.1.1.3 Dominant et récessif

5.1.2 Analyse quantitative 5.1.3 Dominance intermédiaire

5.1.3.1 Codominance 5.1.3.2 Phénotype intermédiaire

5.1.4 Croisement-test 5.2 Le dihybridisme

5.2.1 Croisement entre drosophiles: 1ère expérience 5.2.2 Croisement entre drosophiles: 2ème expérience

5.3 Les chromosomes, support de l'hérédité 6 La méiose 6.1 La 1ère division méiotique 6.2 La 2ème division méiotique 6.3 Chromosomes et transmission des gènes

6.3.1 La disjonction des allèles d'un couple 6.3.2 La recombinaison génétique

6.3.2.1 La recombinaison totale: gènes indépendants

6.3.2.2 La recombinaison partielle: gènes liés 6.3.3 La transmission des gènes par les chromosomes

sexuels 6.3.4 La localisation des gènes 6.3.5 La notion de gène

7 Lois de Mendel et exceptions 7.1 Début de la génétique 7.2 Approche expérimentale de Mendel 7.3 Lois de Mendel

7.3.1 Loi d’uniformité ou de réciprocité 7.3.2 Loi de pureté des gamètes ou loi de disjonction ou ségrégation des couples d’allèles 7.3.3 Loi d’indépendance ou loi de la libre recombinaison des gènes

7.4 Exceptions aux lois de Mendel 7.4.1 Azygotie mâle 7.4.2 Transmission liée au sexe 7.4.3 Transmission contrôlée sexuellement 7.4.4 Transmission limitée sexuellement

8 Le message héréditaire 8.1 La correspondance gène-protéine 8.2 Le code génétique

8.2.1 La nécessité théorique d’un code 8.2.2 La réalité du code

8.3 La transcription 8.4 La traduction 8.5 La notion de gène 9 L'hérédité humaine

9.1 Difficultés de l’étude de l’hérédité humaine 9.1.1 Des difficultés à surmonter 9.1.2 Des méthodes d’études possibles

9.1.2.1 Les pedigrees 9.1.2.2 Les biotechniques

9.2 Exemples de transmissions de caractères héréditaires 9.2.1 Hérédité autosomique

9.2.2 Hérédité gonosomique (liée au sexe) 9.2.3 Transmission des groupes sanguins

9.2.3.1 Système ABO 9.2.3.2 Facteur Rhésus

9.3 Mutations 9.3.1 Causes des mutations 9.3.2 Mutations géniques

9.3.2.1 Mucoviscidose (fibrose cystique) 9.3.2.2 Drépanocytose 9.3.2.3 Hémophilie 9.3.2.4 Myopathie de Duchenne

9.3.3 Mutations chromosomiques 9.3.3.1 Nombre de chromosomes 9.3.3.2 Structure des chromosomes

10 Transmission extra-chromosomique et empreinte génomique

10.1 Transmission extra-chromosomique 10.2 Empreinte génomique

11 Génétique appliquée 11.1 Culture et élevage 11.1.1 La sélection 11.1.2 Le croisement 11.2 L'effet hétérosis ou vigueur hybride 11.2.1 Le blé hybride ou le bâtard surdoué 11.2.2 Obtention de variétés hybrides de blé 11.2.3 Dangers économiques et écologiques 12 Biotechnologie et génie génétique 12.1 Biotechniques 12.1.1 Les cultures de cellules et de tissus 12.1.2 Le clonage 12.1.3 La technique enzymatique 12.1.4 La fusion cellulaire 12.1.5 Le transfert d'embryons 12.1.6 Le génie génétique 12.1.7 Les chimères 12.2 Biotechnologie appliquée

Génétique

Dans l'opinion publique, qui dit génétique dit souvent manipulation génétique , fécondation in vitro, bébé-éprouvette. Cette association d'idées, erronée, est tout aussi dangereuse que l'idée que se fait l'opinion publique des manipulations. Les nouvelles connaissances en génétique, en biochimie, en biologie ont donné à l'homme non seulement de nouvelles clés de compréhension du vivant, mais surtout des techniques nouvelles pour intervenir directement sur l'information génétique, pour franchir les barrières entre les espèces, pour développer des organismes transgéniques.

Les nouvelles techniques faisant appel au vivant (biotechniques ou biotechnologie) doivent beaucoup à la génétique. Leurs applications sont prometteuses (développement de médicaments, de vaccins, de plantes résistantes aux maladies et ravageurs,...). Mais que penser lorsqu'à des populations pauvres recherchant des plantes résistantes à des ravageurs, les bio-industries développent des plantes tolérant ses propres herbicides? Que penser lorsque des multinationales cherchent à s'approprier le vivant par les brevets sur des gènes, gènes gratuits provenant souvent du Sud?

La génétique et la biotechnologie vont toucher tous les secteurs de l'activité humaine (santé, énergie, agro-alimentaire, industrie, environnement). Méconnaître la génétique constituera un handicap très lourd, autant pour le diplomate, l'économiste, le politicien, l'industriel que le citoyen. Car l'équilibre entre les nations dépend plus de l'issue des négociations sur le brevetabilité des gènes que sur les bébés-éprouvettes. Elle dépendra d'une certaine génét(h)ique.

1 Introduction

La génétique est la branche de la biologie qui traite de l'hérédité des caractères. Les caractères héréditaires sont extrêmement variés. Ce sont des traits physiques repérables, anatomiques, physiologiques ou biochimiques. L'hérédité, c'est l'ensemble des caractères transmis des parents au descendant. C’est aussi l’ensemble des caractères transmis par une cellule souche à ses cellules-fille. Le développement de ces caractères est contrôlé par un code chimique qui est transmis au descendant par les cellules reproductrices de ses parents. Ce code est contenu dans les gènes qui composent les chromosomes. C'est pour cette raison que l'on nomme génétique cette branche de la biologie qui traite des mécanismes et des modalités de l'hérédité. La génétique étudie donc la manière dont le couple gène/caractère est transmis à la descendance au cours de la reproduction asexuée et de la procréation (« reproduction sexuée »).

Dans le règne vivant, les organismes ont la propriété de transmettre la vie. Une bactérie peut, par division, donner naissance à deux bactéries, une levure à deux levures. Un pommier peut donner naissance à plusieurs pommiers, une souris à plusieurs souris, un hommes à plusieurs enfants.

Cette transmission se caractérise, chez tout organisme, par une ressemblance. Une bactérie ne donnera jamais naissance à une levure, mais à une bactérie, une souris jamais à un homme mais à une souris.

Les organismes nouveaux héritent l'information de leur(s) géniteur(s). Cette transmission se réalise suivant deux modes fondamentaux qui se sont développés au cours de l'évolution:

- la reproduction asexuée: à partir d'une cellule ou d’un individu, on en obtient deux ou plusieurs identiques (scission, division simple, division multiple, bourgeonnement, parthénogénèse, polyembryonie, pédogénèse, segmentation, fragmentation, stolonage, formation de rhizomes, tubercules, bulbes).

- la procréation (rendue possible par l'"invention" du sexe): à partir de deux cellules on en obtient une. La procréation repose sur la fusion de deux cellules spécialisées, les gamètes ou cellules sexuelles.

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La reproduction asexuée autorise souvent l'apparition d'un grand nombre de descendants génétiquement identiques en peu de temps, ce qui en fait un mode de reproduction idéal lorsqu'il faut coloniser rapidement un habitat. Théoriquement, la reproduction asexuée est le processus le plus avantageux dans des milieux stables.

La procréation (reproduction sexuée) augmente la variabilité des descendants parce qu'elle forme des combinaisons uniques à partir des informations provenant des deux parents. Comme la reproduction sexuée donne naissance à des descendants aux caractères variés, de nombreux biologistes pensent qu'elle favorise le succès reproductif des parents dans certaines circonstances (dans un environnement changeant, par exemple).

Le mécanisme qui se situe à la base de la transmission de l'information est la division cellulaire:

- on parle de mitose dans le cas de la reproduction asexuée et multiplication cellulaire;

- on parle de méiose dans le cas de la procréation, processus qui repose sur la formation de gamètes (cellules sexuelles).

Tout organisme supérieur, pluricellulaire, provient d'une cellule qui s'est divisée. Chez les organismes inférieurs, la mitose prédomine, chez les organismes supérieurs, la mitose et la méiose sont souvent complémentaires.

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2 La mitose

Le corps de l'homme est formé de quelques 5.1013 cellules (50 billions) qui descendent toutes d'une seule cellule initiale (zygote ou oeuf = ovule fécondé). Elles sont le résultat d'innombrables divisions cellulaires ou mitoses.

2.1 Où et quand s'observe la mitose?

La mitose s'observe dans des tissus particuliers et à des moments particuliers.

Chez les animaux, la mitose assure:- le développement de l'embryon;- la croissance du jeune;- le renouvellement de nombreuses cellules qui meurent (p.ex. globules rouges); - la réparation de tissus endommagés.

Chez les végétaux, la mitose assure:- le développement de l'embryon;- la croissance du végétal;- la réparation des tissus endommagés.

Les cellules en division se trouvent dans des zones spécialisées, les méristèmes, situés à l'extrémité des tiges et des racines et sous l'écorce.

2.2 Comment se déroule la mitose?

Sur une coupe méristématique, on distingue:- des cellules avec des filaments colorés, les chromosomes (corps colorés); il s'agit de cellules en

division. Le mot mitose signifie "filament".

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- des cellules sans filament, avec un noyau contenant de la chromatine (fibres colorables) et un ou plusieurs nucléoles; il s'agit de cellules en interphase, improprement dites "au repos" (en référence à la division), car métaboliquement très actives.

On distingue quatre phases dans une mitose (bien que le processus de division soit progressif ou continu): la prophase, la métaphase, l'anaphase et la télophase.

2.2.1 La prophase

C'est la phase la plus longue: elle dure de 15 à 60 minutes. Elle se caractérise par différentes modifications cellulaires:

- la condensation de la chromatine sous forme de filaments ou bâtonnets colorables, les chromosomes, présentant une constriction appelée centromère; puis clivage longitudinal en deux filaments, les chromatides;

- la disparition de l'enveloppe nucléaire et du (des) nucléole(s);- l'apparition d'un fuseau de fibres polaires, non colorables, appelés achromatiques.

2.2.2 La métaphase

De courte durée (quelques minutes), cette phase se caractérise par:- le regroupement des centromères dans le plan équatorial du fuseau; l'ensemble des

chromosomes clivés, ainsi rangés, forme la plaque équatoriale.

2.2.3 L'anaphase

Cette phase dure de 2 à 3 minutes durant laquelle on observe:- la division en deux des centromères, chacun étant solidaire d'une chromatide;- la migration en sens opposé de chaque chromosome (centromère + chromatide) vers chaque pôle

du fuseau; les chromosomes sont identiques.

2.2.4 La télophase

Elle dure de 30 à 60 minutes et se caractérise par:- la formation d'un noyau au niveau de chaque lot de chromosomes;- la désindividualisation des chromosomes en une masse diffuse de chromatine;- la disparition du fuseau achromatique;- la reconstitution de la membrane nucléaire et des nucléoles;- la division du cytoplasme en deux;- la formation, chez les végétaux, d'une nouvelle paroi pectocellulosique.

Après la télophase, qui marque la fin de la mitose, les cellules rentrent en interphase.

Chez les animaux, le processus est identique, à quelques différences près:- les fibres polaires du fuseau de division se forment à partir des centrosomes (absents chez les

végétaux à l'exception de certaines algues et champignons);- la division cytoplasmique en télophase se fait par étranglement de

la cellule entre les deux noyaux.

La division cellulaire comporte un mécanisme de reproduction du matériel chromosomique.

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2.3 Différences entre une mitose animale et végétale

Le processus d'une mitose est le même, qu0il s'agisse d'une cellule animale ou végétale. Les différences observées reposent sur les différences structurelles des cellules. A la différence d'une cellule végétale, une cellule animale possède un centrosome formé de deux centrioles intervenant lors de la division cellulaire. A la différence d'une cellule animale, la cellule végétale possède une paroi cellulaire, une vacuole et des plastes (chloroplastes, leucoplastes, amyloplastes).

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Mitoses:végétale en haut et animale en bas.

3 Les chromosomes

Les chromosomes sont visibles seulement au cours de la mitose. C'est en métaphase qu'ils sont le mieux individualisés. Leur dénombrement se fait lorsqu'on a une vue polaire de la plaque équatoriale. Leur nombre varie d'une espèce à l'autre, mais il reste constant à l'intérieur d'une même espèce.

Chez l'homme, par exemple, l'analyse des chromosomes suit la procédure suivante:

- prélèvement de globules blancs (les plus favorables à l'observation) par prise de sang;

- adjonction d'une substance mitotique, c'est-à-dire qui stimule la division cellulaire;

- coloration spécifique mettant en évidence la chromatine et les chromosomes respectivement;

- observation et photographie des cellules en métaphase, plus particulièrement de la plaque équatoriale en vue polaire.

Cette dernière observation révèle que la plaque métaphasique est constituée de 46 chromosomes, identiques deux à deux, soit 23 paires. Les critères morphologiques utilisés pour les différencier sont:

- la taille du chromosome, - la position du centromère;- la distribution des bandes sombres.

Cet équipement chromosomique n'est pas particulier à la cellule étudiée (dans ce cas les globules blancs). On le retrouve dans toutes les cellules humaines en division, qu'elles appartiennent au même individu ou à des individus différents. Quelle que soit notre appartenance ethnique et quelle que soit notre origine géographique , nous partageons donc tous un même ensemble de chromosomes, qui constitue le caryotype

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de l'espèce humaine. Toutes les cellules humaines ont ainsi le même nombre de chromosomes. Mais le caryotype de la femme diffère cependant de celui de l'homme.

Dans le cas de l'homme, comme dans le cas des mammifères, des amphibiens, de beaucoup de poissons, de diptères, de punaises, de coléoptères,

- le sexe femelle est homogamétique (2A + XX),- le sexe mâle est hétérogamétique (2A + XY).

Le chromosome Y n'est pas, en soi, déterminant pour le sexe. En effet, la détermination chromosomique du sexe varie selon les animaux. Dans d'autres classes d'animaux et d'autres familles comme chez les papillons, les oiseaux, certains poissons et amphibiens (Xenopus),

- la femelle est hétérogamétique (2A+ZW),- le mâle est homogamétique (2A+ZZ).

Chez les criquets, les sauterelles et les cafards, il n'y a qu'un type de chromosome sexuel, le chromosome X:

- les femelles sont XX,- les mâles XO.

Chez d'autres organismes (certains insectes, ornythorynque), c'est le rapport entre le nombre de chromosomes sexuels qui déterminent le sexe.

Chez d'autres enfin, c'est l'environnement physique (température d'incubation pour les reptiles), l'environnement social (déséquilibre des genres chez certains poissons), l'âge (certians poissons) qui déterminent le sexe.

Le stock chromosomique de tous les organismes est composé d'un ensemble de n types de chromosomes tous différents, cet ensemble ou lot de base du caryotype constitue le lot haploïde.

Chez l'homme, les animaux et la grande majorité des espèces végétales, le caryotype comprend en fait deux lots haploïdes; les cellules sont alors dites diploïdes (2n types de chromosomes).

Certaines espèces qui possèdent plus de deux lots haploïdes sont dites polyploïdes (trois lots, triploïdes; quatre lots, tétraploïdes). C'est le cas de certains végétaux cultivés.

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Caryotype humain22 paires identiques de chromosomes ou

autosomes23ème paire = chromosomes sexuels ou

gonosomes

23ème paire semblableXX

23ème paire différenteXY

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4 L'ADN, substance essentielle des chromosomes

4.1 Constitution chimique et structure

L'analyse chimique montre que les chromosomes sont formés d'acide désoxyribonucléique ou ADN et de protéines organisées en forme de filaments très pelotonnés. Il s'agit d'une macromolécule, la plus grosse du monde vivant; son poids moléculaire est de plusieurs millions à plusieurs milliards. L'ADN est constitué: - d'acide phosphorique;- d'un sucre, le désoxyribose;- de bases azotées (adénine, guanine, cytosine, thymine).

La molécule d'ADN est une double chaîne spiralée; chaque chaîne est un polymère de nucléotides, formé chacun par:- une molécule d'acide phosphorique (P);- un sucre, le désoxyribose (D);- une base organique azotée (A, G, C ou T).

Il existe donc quatre nucléotides différents, enchaînés par des liaisons chimiques solides (liaisons covalentes).

Les deux chaînes de la molécule d'ADN sont reliées entre elles par des liaisons transversales plus fragiles (les liaisons hydrogène), où l'adénine se lie uniquement à la thymine, la cytosine à la guanine. L'ordre ou la séquence des bases joue un rôle de premier ordre, à l'instar de la séquence des lettres dans un mot.

4.2 L'autoreproduction de l'ADN

Toutes les cellules, à l'exception des hématies, des cellules nerveuses et des fibres musculaires squelettiques, sont susceptibles de se diviser, c'est-à-dire de former par mitose deux cellules filles ayant les mêmes caractères morphologiques et physiologiques que la cellule mère. La quantité d'ADN double avant la mitose. Il existe donc une phase de synthèse, appelée phase S de l'interphase, correspondant à la réplication de l'ADN.

4.2.1 Expérience de TaylorDes expériences comme celle de Taylor ont montré que le doublement de la quantité d'ADN était dû à une réplication de la molécule. Le mécanisme de la réplication se fait selon le mode semi-conservatif. Les deux chaînes de la molécule d'ADN se séparent au niveau des liaisons faibles reliant les bases; chacune peut alors synthétiser la moitié qui lui manque en incorporant des nucléotides présents dans la cellule à l'état dispersé. Par le jeu de la complémentarité des bases, la chaîne de nucléotides néoformée est identique à la moitié perdue et chaque molécule fille d'ADN est rigoureusement identique à la molécule mère.

4.2.2 Le cycle cellulaireLe cycle cellulaire est l'ensemble des modifications qu'une cellule subit entre sa formation, par division de la cellule mère, et le moment où cette cellule a fini de se diviser en deux cellules filles, grâce à la mitose au cours de laquelle les chromosomes se condensent et deviennent visibles en microscopie optique. Ce cycle comprend l'interphase et la mitose.

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La plus grande partie du cycle est occupée par l'interphase, période comprise entre la fin d'une division et le début de la suivante: le noyau est alors mécaniquement inactif, c'est-à-dire qu'il ne se divise pas. L'interphase se décompose en une phase Gl, une phase S et une phase G2 (G: initiale de gap, intervalle).

La durée de cette phase non proliférative varie en fonction de la nature et des conditions physiologiques de la cellule: les cellules intestinales se divisent deux fois par jour, les cellules hépatiques une à deux fois par an. Ce sont là des cas extrêmes. Pendant le cycle cellulaire, la cellule passe par les phases G1, S, G2, M. Cette dernière phase s'achève par la formation de deux cellules filles A1 et A2, qui peuvent suivre la même évolution. Le trait épais représente la quantité d'ADN au cours de chaque phase.

4.2.2.1 La phase G1Immédiatement après la phase M (mitose), trois éventualités se présentent à la cellule:

• mûrir, fonctionner et mourir• entrer dans un nouveau pool mitotique• entrer dans la phase GO, phase

quiescente ( = tranquille) ou phase de différenciation

• La durée de G1 varie en fonction de la nature de la cellule (en général de 1 heure chez l'embryon à six mois-un an dans le foie chez les Mammifères; sa durée diminue sensiblement pour les cellules cancéreuses.

• À la fin de G1, la cellule peut:• entrer en phase GO• entrer en phase S puis atteindre la mitose: elle pénètre dans le pool de prolifération. En effet,

dès qu'une cellule sort de la phase G1, elle parcourt les phases S, G2, M, en dépit des conditions de l'environnement. Il existe un point de non-retour, point de restriction (R) au-delà duquel les cellules entrent obligatoirement dans cette succession de phases, quelles que soient les conditions du milieu. Ce point de non-retour découvert chez les levures en culture existe aussi chez les cellules eucaryotes. Il se situe à un stade tardif de la phase G1.

En G1 la cellule néoformée contient la quantité d'ADN caractéristique de l'espèce, correspondant dans les cellules somatiques à 2n chromosomes (par exemple 46 dans l'espèce humaine); cette quantité reste constante pendant toute la phase G1. A ce stade, les chromosomes sont formés par un filament sinueux de chromatine spiralisée ou non. Durant cette phase, chaque chromosome est formé d'une molécule d'ADN (double hélice) associée à des protéines (nommées histones). Au début de la phase G1, les cellules viennent de se diviser: elles possèdent donc un faible volume cytoplasmique. Au cours de cette phase, les cellules élaborent les enzymes et toutes les molécules qu'elles possédaient avant la phase M. La phase G1 est une phase de synthèse, au cours de laquelle la réplication de l'ADN ne se produit pas. Au cours de la phase G1, la synthèse d'ARN messager assure la production des protéines nécessaires à l'accroissement de la cellule .

4.2.2.2 La phase S (synthèse de l’ADN)Le déclenchement de la phase S se produit grâce à des signaux très précis. Au cours de la fusion d'une cellule en phase S avec une cellule en phase G1 ou GO (GO: cellule très différenciée), le noyau de la cellule GO ou G1 entre en phase S: un signal, produit par la cellule en phase S, provoque donc la mitose de la cellule GO ou G1. Par contre, les cellules en phase S sont sans action sur les cellules en phase G2. Ce signal cytoplasmique, capable de stimuler une cellule en phase Gl ou GO, est appelé activateur de la phase S. Lorsque l'ADN est répliqué, les modifications des chromosomes interdisent une nouvelle réplication.

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4.2.2.3 La phase G2 La phase G2, courte, d'une durée de 4 à 5 heures, débute dès que la réplication de l'ADN est achevée. La cellule contient le double de la quantité habituelle d'ADN: c'est une cellule diploïde. Cette phase prépare la mitose: un certain nombre de facteurs sont synthétisés, en particulier les facteurs de condensation des chromosomes (facteurs qui interviennent dans la condensation de la chromatine en chromosomes). Il se produit aussi vraisemblablement des changements au niveau des protéines qui structurent l’ADN (phosphorylations des histones H1). Dans certaines cellules, la phase G2 peut être allongée (cellules épithéliales de l'intestin et épiderme).

Les synthèses d'ARN, les protéosynthèses continuent. Une protéine, la cycline B chez les Eucaryotes (cycline A chez les Procaryotes), continue à être synthétisée. Elle s'accumule dans le noyau au repos, puis dans le noyau en prophase. Or cette cycline B, injectée dans une cellule interphasique, produit un réarrangement structural du cytosquelette, comparable à celui observé dans la période prémitotique. Cependant, il ne se forme pas de fuseau mitotique et l'enveloppe nucléaire ne disparaît pas.

Le déclenchement de la mitose est soumis à des régulations. Une cellule en phase M, fusionnée avec une cellule en phase G1, induit une condensation prématurée des chromosomes, une dissociation de l'enveloppe nucléaire: la cellule acquiert les caractéristiques d'une cellule en mitose. Il existe donc en phase M un facteur très puissant qui peut modifier le comportement des noyaux: il s'agit du facteur promoteur de la mitose (MPF).

4.2.2.4 La phase MLa mitose est l’une des deux parties de la phase M du cycle cellulaire, il s’agit de la division du noyau (matériel génétique), son but est de répartir l’ADN entre les deux cellules filles. La deuxième partie est la cytocinèse, elle consiste en la division du cytosol et de la membrane plasmique. Ce processus de répartition de l’ADN, du cytosol et de la membrane est complexe pour diverses raisons:

• l'ADN est réparti entre plusieurs chromosomes (les fibres de chromatine)• les chromosomes sont séparés du cytoplasme par l'enveloppe nucléaire• les organites subissent des modifications

Le cycle cellulaire est parfaitement surveiller par un système de contrôle. Ce système de contrôle agit un peu comme le système de contrôle d’un lave-linge automatique. Le lave-linge fonctionne par une série d’étapes. Ces processus essentiels du cycle de lavage sont analogues aux processus du cycle cellulaire, la réplication, la mitose et ainsi de suite.Le système de contrôle peut arrêter le cycle cellulaire au niveau de points contrôles spécifiques. Il existe trois points :

- fin de la phase G1,- fin de la phase G2,- fin de la phase M.

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4.3 Les chromosomes, éléments permanents de la cellule

Les chromosomes sont des éléments permanents de la cellule qui se présentent:- soit sous forme diffuse (la chromatine du noyau) pendant l'interphase;- soit sous forme condensée au cours de la mitose.

La chromatine est en fait constituée par de l'ADN et des protéines (appelées histones). Cet ensemble forme la chaîne nucléosomique ou nucléofilament, de 10 nanomètres de diamètre, qui constitue la chromatine du noyau, c'est-à-dire le chromosome interphasique. Le chromosome mitotique est une condensation progressive de la chromatine au cours de la mitose. Son diamètre atteint entre 250 et 2000 nanomètres.

Dans un organe ou tissu en développement, les cellules qui se divisent régulièrement effectuent un cycle qui peut être subdivisé en deux phases:

- la division cellulaire proprement dite ou mitose;

- une période de croissance, entre deux divisions successives, l'interphase.

Dans des conditions optimales de température et de nutrition, la longueur du cycle est constante pour un type de cellule donné. Par exemple, pour un cycle complet de 20 heures, la mitose dure une heure seulement, l'interphase 19 heures.

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5 La transmission des caractères héréditaires

La notion d'hérédité est vieille comme l'humanité: on sait depuis toujours que les enfants ressemblent plus ou moins à leurs parents. "Tel père, tel fils" exprime ce savoir empirique. Pour chacun, l'hérédité désigne avant tout la transmission des ressemblances. Cette transmission est restée longtemps obscure, parce que les observateurs ont recherché la transmission d'une ressemblance globale. Mendel, au siècle passé, fut le premier à entreprendre des études statistiques. Son génie réside non dans l'étude de la ressemblance d'une génération à l'autre mais celle des différences (transmission d'un nombre limité de caractères différentiels). Sa méthode: l'hybridation entre individus de races pures.

Sélection et lignée pure

Dans une population d’une espèce donnée, la souris par exemple, on pratique des croisements entre individus présentant le même caractère, par exemple la couleur du poil. A chaque génération, tous les individus ne présentant pas le caractère choisi sont isolés de leurs congénères et ne participent pas à la procréation de la génération suivante. Un tel élevage permet de sélectionner une population dans laquelle, au cours des générations successives, il y a invariance du caractère choisi. Par définition, les individus de cette population sont dits de race pure (ou de lignée pure) pour ce caractère.

Mutation et somation

Dans une population de race pure, peuvent apparaître brusquement des individus qui ont un caractère différent, par exemple des poils de couleur différente ou bien l’absence de poils. Ces individus, soigneusement sélectionnés à leur tour, donnent naissance à la nouvelle lignée pure où tous les sujets présentent le nouveau caractère. On appelle mutation l’apparition brusque de ce caractère nouveau qui se transmet héréditairement. Ainsi, les souris « obèses » élevées dans les mêmes conditions que la race sauvage, accumulent des lipides de manière excessive alors que les autres ne le font pas. Cette variation héréditaire, ou mutation, consiste en une différence de métabolisme. Il est évident que l’obésité dépend du régime alimentaire et que les souris normales peuvent accumuler une quantité anormale de graisse si elles reçoivent une alimentation trop riche ; cependant, leurs descendants ne seront pas obèses s’ils sont nourris normalement. Il s’agit donc dans ce cas d’une variation individuelle fluctuante, due à l’action de l’environnement sur l’individu, mais non transmissible à la descendance : on parle alors de somation.

5.1 Le monohybridisme

Le monohybridisme est le croisement de deux races (ou variétés) pures qui diffèrent que par un seul caractère.

Des expériences de croisement entre races (animaux) ou variétés (végétaux) qui ne diffèrent que par un seul caractère (couleur, forme) permettent d'obtenir des résultats reproductibles, et au niveau des caractères et au niveau des statistiques. Nous suivrons ici des expériences réalisées sur des souris, des pois et des fleurs (la belle-de-nuit).

5.1.1 Analyse qualitative

5.1.1.1 Gène (facteur) et caractère

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La génération F1 ne comporte que des souris grises, alors que la génération F2 comporte des souris grises et des souris blanches. Puisque le caractère "poils blancs" réapparaît à la génération F2, il faut admettre que les souris grises de la génération F1 le portent à l'état potentiel sous forme d'un facteur qui ne s'exprime pas dans leur organisme, mais qu'elles transmettent à leurs descendants F2. Un tel facteur qui se transmet héréditairement en gardant son intégrité est un gène.

Le caractère est donc "ce qui se voit", et le gène "ce qui se transmet". La "transmission des caractères" est en quelque sorte un abus de langage.

5.1.1.2 Phénotype et génotype

On appelle phénotype l'ensemble des caractères observés dans un croisement, et génotype l'ensemble des gènes responsables de ce phénotype et transmissible par un individu.

5.1.1.3 Dominant et récessif

Les individus de la génération F1 qui rassemblent les deux catégories de gènes sont des hybrides. Le caractère "poils gris", seul exprimé chez ces hybrides, est dit

dominant ainsi que le gène correspondant. Le caractère "poils blancs", non exprimé à la génération F1, est dit récessif ainsi que le gène correspondant.

5.1.2 Analyse quantitative

Pour rendre compte des proportions relatives de souris grises et de souris blanches à la génération F2, on admet, depuis Mendel, l'existence d'un gène déterminant le caractère "poils gris" et d'un gène déterminant le caractère "poils blancs". Ces deux gènes (appelés "facteurs" par Mendel) sont rassemblés dans les cellules des hybrides F1, mais ils se séparent lors de la formation des gamètes de ces hybrides, de telle sorte qu'un gamète ne peut emporter que l'un ou l'autre de ces gènes avec une égale probabilité. Nous avons ainsi défini un couple de gènes allèles (ou couples d'allèles) qui s'excluent mutuellement lors de la gamétogénèse: on parle de disjonction ou ségrégation des gènes allèles.

Soit G le gène dominant pour la couleur grise du pelage et b le gène récessif pour la couleur blanche. Les hybrides F1 qui transmettent les caractères "poils blancs" et "poils gris" ont tous pour génotype G/b (l'écriture sous forme de fraction indique que les gènes sont allèles). Tous les individus de la génération F1 ont le même phénotype puisqu'ils ont le même génotype; la dominance du gène G rend compte de l'expression du seul caractère "poils gris".

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La génération F2 comporte trois génotypes: G/G, b/b et G/b, de fréquences respectives 25%, 25% et 50%. Les souris porteuses de deux allèles identiques sont dites homozygotes; les unes, de génotype G/G sont grises; les autres, de génotype b/b sont blanches. Les souris porteuses de deux allèles différents, de génotype G/b, sont dites hétérozygotes. Elles sont aussi de couleur grise et ne peuvent être distinguées des homozygotes G/G, ce qui explique que l'on ait, en F2, 75% de souris grises. Les homozygotes F2 sont de lignée pure comme les souris de la génération parentale P, alors que les hétérozygotes F2 sont hybrides comme les individus de la génération F1.

Dans les croisements précédents (souris, pois, belles-de-nuit), on obtient toujours en F2 des fréquences statistiques "stables" pour les différents phénotypes: 3/4, 1/4 dans le cas de la dominance complète; 1/4, 1/2, 1/4 dans le cas de la codominance (belles-de-nuit). Ces fréquences ont un aspect prévisionnel.

¡Des organismes de même phénotype n'ont pas forcément le même génotype!

5.1.3 Dominance intermédiaire

Il est possible que des allèles s'expriment avec la même intensité et ne sont donc pas dominants l'un sur l'autre. On appelle cette situation une dominance incomplète.

5.1.3.1 Codominance

La codominance est un cas de dominance incomplète où les deux allèles s'expriment avec la même intensité. Par exemple, si on croise un taureau roux avec une vache blanche, les descendants ne sont ni roux, ni blancs, mais rouans. Un bovin rouan possède des poils roux qui alternent avec des poils blancs. Les deux allèles s'expriment.

5.1.3.2 Phénotype intermédiaire

Certaines dominances incomplètes sont à la source de phénotypes intermédiaires. Comme dans la codominance, deux allèles en dominance incomplète se croisent et forment un phénotype qui ne tient ni d'un allèle ni de l'autre. La différence ici c'est que le phénotype est un mélange des deux phénotypes exprimés par chaque allèle. Au lieu de former un phénotype différent, c'est un phénotype moyen qui s'exprime.

C'est le cas chez plusieurs fleurs. Par exemple, la Gueule-de-loup est une fleur qui possède un allèle qui code pour le pigment rouge et un autre qui code pour un pigment blanc (différent d'une absence de pigment qui donnerait plutôt la transparence). Les deux allèles sont de dominance incomplète et, lorsque les deux allèles forment le génotype, on obtient une pigmentation rosée, soit un phénotype intermédiaire entre le rouge et le blanc.

5.1.4 Le croisement-test

Le croisement-test (souvent désigné par le terme anglais "test-cross") consiste à croiser un hybride avec un "récessif". C'est un moyen de vérifier facilement le génotype d'un hybride. Les gènes des gamètes-tests (produits par les individus récessifs) ne risquent pas de faire écran aux gènes des gamètes que l'on veut tester (produits par les individus F1). Ainsi, tout gamète F1 fécondant, porteur du gène dominant, sera à l'origine d'un individu de phénotype dominant; et tout gamète F1 fécondant,

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porteur du gène récessif, sera à l'origine d'un individu de phénotype récessif. L'avantage du croisement-test est que la génération qu'il produit (symbolisée par F’2) traduit fidèlement dans les proportions de ses phénotypes les proportions des génotypes des gamètes produits par les hétérozygotes.

5.2 Le dihybridisme

Le dihybridisme est le croisement de deux races (ou variétés) pures qui diffèrent entre elles par deux caractères.

Les études ont été basées sur la drosophile ou mouche du vinaigre (Drosophila melanogaster), sur des croisements entre souche sauvage et souches mutées (obtenues et maintenues en laboratoire).

5.2.1 Croisement entre drosophiles: 1ère

expérience

Dans le croisement entre une drosophile sauvage (corps gris et ailes longues) et une drosophile mutante (corps ébène et ailes vestigiales), on observe que:

- les caractères "ébène" et "vestigial" sont récessifs;- les caractères "gris" et "long" sont dominants.

Analyse du croisement-test

On obtient les mêmes résultats quel que soit le sexe des hybrides de F1

utilisés pour ce croisement. Les effectifs de la F’2 ne s'expliquent que si l'on considère que les gamètes produits par les hybrides F1 se répartissent en deux groupes égaux, les uns porteurs de l'un des allèles du couple, les autres porteurs de l'autre allèle. Les caractères portant sur la couleur du corps et la longueur des ailes sont ainsi chacun gouvernés par un couple d'allèles qui subit, au moment de la formation des gamètes, une ségrégation ou disjonction. Un gamète emporte un seul gène de chaque couple, ce qui donne a priori quatre combinaisons possibles: GL, ev, Gv, eL. Les deux premières combinaisons sont dites parentales, car elles caractérisent les gamètes produits par les parents; les deux autres sont dites recombinées car elles réassocient les gènes parentaux d'une façon nouvelle. La nature et la fréquence des phénotypes fournis par le croisement-test traduisent fidèlement la nature et la fréquence des combinaisons géniques des gamètes produits par les hybrides de la génération F1. Cette équiprobabilité des quatre combinaisons géniques signifie que, à la formation des gamètes des hybrides F1, le gène G se retrouve indifféremment avec le gène v ou avec le gène L. En d'autres termes, la disjonction du couple Ge est indépendante de la disjonction du couple Lv.

5.2.2 Croisement entre drosophiles: 2ème expérience

Dans le croisement entre une drosophile sauvage (ailes longues, yeux rouges) et une drosophile mutante (ailes vestigiales, yeux pourpres), on observe que:

- les caractères "long" et "rouge" sont dominants;- les caractères "vestigial" et "pourpre" sont récessifs.

Analyse du croisement-test

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Les résultats des croisements-tests sont différents selon qu'on croise un mâle hybride ou une femelle hybride avec le parent double récessif.

5.2.2.1 Femelle hybride x mâle double récessif

Les proportions des phénotypes de la F’2 mettent en évidence une prédominance très nette des génotypes parentaux dans la population des gamètes produits par les femelles F1. Lors de la formation de ces gamètes, chaque gène tend donc à rester solidaire du gène de l'autre couple qui lui était associé chez le parent. On dit que les deux couples d'allèles sont liés.

Cependant cette liaison n'est pas indéfectible puisque, dans 13% des cas, les deux couples d'allèles se recombinent. De plus, chaque fois que l'on recommence ce croisement, on retrouve le même pourcentage de recombinaisons. Celui-ci est donc stable et caractéristique des deux couples d'allèles. La force de telles liaisons est donnée par le pourcentage des recombinaisons. Un pourcentage très faible, voisin de 0%, exprime une liaison très forte. A l'opposé, un pourcentage très élevé, voisin de 50%, exprime une liaison très faible: les deux couples d'allèles se comportent alors de façon presque indépendante; en effet, s'il y avait disjonction indépendante des deux couples d'allèles, il y aurait 50% de recombinaisons.

5.2.2.2 Mâle hybride x femelle double récessive

On observe, dans la population F’2, 100% de phénotypes parentaux et 0% de recombinés. Il y a donc liaison absolue entre les deux couples d'allèles.

5.3 Les chromosomes, support de l'hérédité

Parmi les structures cellulaires pouvant constituer le support de l'information héréditaire, les chromosomes se sont révélés les meilleurs candidats, en raison du remarquable parallélisme observé entre leur comportement et celui des gènes. En effet,

- les chromosomes sont des éléments permanents de la cellule comme doit l'être l'information héréditaire;

- les chromosomes se "dupliquent" au cours de la mitose comme le fait l'information;- chaque gamète ne reçoit, lors de sa

formation, que l'un ou l'autre des deux chromosomes d'une même paire, comme c'est le cas pour les deux gènes d'un même couple;

- la cellule oeuf, par la fécondation, reçoit un stock de gènes de chacun des deux parents.

Dès 1902, Sutton postule que les gènes sont situés sur les chromosomes, hypothèse rapidement confirmée par le mécanisme chromosomique de l'hérédité.

Deux événements primordiaux et complémentaires affectent les chromosomes lors de la reproduction sexuée:

- la méiose, processus de division particulier, qui permet le passage de la diploïdie (2n chromosomes) à l'haploïdie (n chromosomes);

- la fécondation, qui rétablit la diploïdie.

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6 La méiose

Alors que la mitose était l'équivalent eucaryote de la division des procaryotes, rendue plus complexe par la présence de plusieurs chromosomes et d'une enveloppe nucléaire, la méïose est un mécanisme original, spécifique des eucaryotes, certainement à l'origine de leur succès évolutif. La mitose était la division conforme, une cellule mère donne deux cellules filles au génome identique. La méïose est une division non conforme, à partir d'une cellule mère diploïde, on obtient quatre cellules filles haploïde toutes ayant un génome différent. Puis deux cellules haploïdes (provenant de deux individus différents) vont fusionner et redonner une cellule diploïde, c'est la fécondation. Ainsi la méïose et la fécondation sont les moyens que les eucaryotes ont pour provoquer un brassage de gènes aux sein d'une population cellulaire. Ceci permet de créer rapidement un génome totalement différent, n'ayant jamais existé auparavant, la variabilité génétique que cela crée permet à la fois de résister aux mutations, très nombreuses sur un génome aussi gros que celui des eucaryotes et de mieux résister aux variations du milieu: dans toutes les combinaison géniques, il y a de la chance que l'une d'elle soit capable de résister.

La méiose est un ensemble de deux divisions successives qui, à partir d'une cellule à 2n chromosomes (cellule diploïde), donne naissance à quatre cellules à n chromosomes (cellules haploïdes). Elle se situe donc au moment de la gamétogénèse où les cytes I (spermatocytes I et ovocytes I) subissent la méiose et se transforment respectivement en spermatides et ovules.

6.1 La 1ère division méiotique

Bien que comprenant les quatre phases d'une mitose normale, la 1ère division de la méiose présente de remarquables particularités.

La prophaseElle est plus longue et plus complexe que celle d'une mitose normale:

- la chromatine du noyau se condense en chromosomes;- les deux chromosomes homologues de chaque paire s'apparient et s'accolent étroitement sur toute

leur longueur, centromère contre centromère. Chaque paire ainsi accolée est appelée bivalent.- les deux chromosomes homologues se fissurent en deux chromatides, ce qui donne quatre

chromatides par bivalent, ou une tétrade de chromatides;

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- les deux chromosomes homologues s'écartent l'un de l'autre; cette séparation qui débute au niveau des centromères laisse cependant des zones de contact, au niveau d'entrecroisements des chromosomes appelés chiasmas ou "crossing-over".

La métaphaseLes tétrades se disposent à l'équateur du fuseau de division. Les extrémités des bras de chaque bivalent se rangent dans le plan équatorial, alors que les centromères des deux chromosomes sont situés de part et d'autre de celui-ci.

L'anaphaseContrairement à ce qui se passe dans une mitose normale, il n'y a pas séparation des deux chromatides d'un chromosome au niveau du centromère: en effet, c'est un chromosome entier, formé de deux chromatides, qui migre à chaque pôle. Les chromosomes homologues sont ainsi séparés; c'est là un aspect fondamental de la méiose qui a pour conséquence la présence, à chaque pôle de la cellule, de n chromosomes déjà clivés.

La télophaseElle est écourtée par rapport à une mitose normale.

Bilan intermédiaire:- une cellule-mère à 2n chromosomes donne deux cellules filles à n

chromosomes;- une seconde division, dite équationnelle, suit immédiatement cette première

division, dite réductionnelle.

6.2 La 2ème division méiotique

Très comparable à celle d'une mitose ordinaire, la 2ème division méiotique en diffère par le fait que, dans chaque cellule en division, il n'y a plus qu'un seul exemplaire des n types morphologiques de chromosomes:- prophase: rapide, elle débute immédiatement après la télophase;-métaphase: les centromères des n chromosomes se disposent sur la plaque

équatoriale;- anaphase: les deux chromatides se séparent et migrent vers les pôles;- télophase: les deux noyaux fils haploïdes se reconstituent.

Bilan de la méioseSur le plan quantitatif, il n'y a qu'une réplication de l'ADN pour deux disjonctions successives des chromosomes lors des anaphases. Chaque cellule ne contient donc plus que la moitié de la quantité de chromosomes: il y a passage de la diploïdie (2n) à l'haploïdie (n).Sur le plan qualitatif, chaque cellule haploïde hérite d'une seule des quatre chromatides de chaque tétrade.

Bilan mitose et méioseLa mitose est une division qui maintient la diploïdie : d’une cellule à 2n chromosomes on obtient deux cellules à 2n chromosomes.La méiose est une division qui permet de passer de la diploïdie à l’haploïdie : d’une cellule à 2n chromosomes, on obtient quatre cellules à n chromosomes.

6.3 Chromosomes et transmission des gènes

6.3.1 La disjonction des allèles d'un couple

Dans les exemples de croisements étudiés (souris, pois, belles-de-nuit, drosophiles), nous avons toujours observé une disjonction des deux allèles d'un même couple au moment de la formation des gamètes, puis recombinaison au hasard des rencontres entre gamètes, lors de la fécondation. Ces faits s'expliquent très bien si l'on admet que deux gènes allèles sont portés par les deux chromosomes homologues d'une même paire en des sites (ou locus) homologues. Ainsi, lors de la première division de

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la méiose, la séparation des chromosomes homologues entraîne le fait qu'un gamète ne peut posséder que l'un ou l'autre des chromosomes homologues, et donc l'un ou l'autre des allèles considérés, cela à chances égales.

6.3.2 La recombinaison génétique

6.3.2.1 La recombinaison totale: gènes indépendants

Nous avons observés dans le croisement entre drosophiles sauvages et drosophiles à corps d'ébène et ailes vestigiales que:

- la disjonction du couple d'allèles déterminant la couleur du corps se faisait indépendamment de la disjonction du couple d'allèles déterminant la longueur de l'aile;

- les caractères parentaux pouvaient ainsi se trouver dissociés et recombinés chez les descendants.

Ces faits s'expliquent si l'on admet que les deux couples d'allèles gouvernant les caractères considérés sont portés par deux paires différentes de chromosomes. Ainsi,

- au cours de la méiose, la disjonction des deux chromosomes (et donc des deux allèles de la première paire se fait indépendamment de celle des chromosomes de la deuxième paire;

- chaque gamète ne reçoit qu'un chromosome (et donc un seul allèle) de chaque paire;- des individus hétérozygotes pour les deux couples d'allèles produisent quatre types équiprobables de

gamètes dont le hasard des rencontres, au moment de la fécondation, entraîne l'association ou la recombinaison des caractères parentaux selon des proportions statistiques bien définies.

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6.3.2.2 La recombinaison partielle: gènes liés

Dans les croisements entre drosophiles sauvages et drosophiles à yeux pourpres et ailes vestigiales, la population obtenue par croisement-test montre une prédominance significative des phénotypes parentaux par rapport aux phénotypes recombinés. Dans l'un des croisements-tests (mâle F1 x femelle récessive) il n'y a même aucun phénotype recombiné: dans ce cas, l'hybride F1 a produit seulement deux types de gamètes, au lieu de quatre comme on s'y attendait. Les deux couples se comportent comme un seul couple; on doit admettre qu'ils sont portés par la même paire de chromosomes en deux locus différents, et donc transmis en bloc à la cellule-fille lors de l'anaphase de la deuxième division méiotique. Ceci explique la liaison des gènes (linkage en anglais) ainsi constatée. De nombreuses expériences de croisements ont montré que deux couples liés à un même troisième sont toujours liés entre eux. De proche en proche, on peut ainsi définir un ensemble de gènes liés entre eux, ou groupe de liaison.

Morgan et ses élèves ont pu décrire quelques 400 mutations différentes chez la drosophile et ont montré que les 400 gènes correspondants se répartissent en quatre groupes de liaison. Or, l'observation au microscope de plaques métaphasiques de cellules en mitose chez la drosophile montre la présence de 8 chromosomes. Le nombre de groupes de liaison est égal au nombre haploïde de chromosomes.

Le mécanisme chromosomique de la recombinaison des gènes liésComment le comportement des chromosomes lors de la formation des gamètes peut-il rendre compte de la recombinaison partielle observée dans certains croisements? Dès les débuts de la génétique, une hypothèse due à Janssens proposait d'expliquer l'association nouvelle des gènes dans les gamètes par un échange possible de fragments chromosomiques entre chromatides homologues. En effet, des contacts entre ces chromatides, appelés chiasmas, s'observent lors de la prophase de la première division méiotique. Cette intuition, qui utilisait les apports de la cytologie et de la génétique, a été maintes fois confirmée depuis: le chiasma est la signature cytologique de ce que les généticiens appellent un enjambement (ou crossing-over en anglais), et il aboutit à un échange réciproque de segments de chromatides. Si cet enjambement se produit entre les locus de deux gènes liés, une association nouvelle, différente de l'association parentale, se trouve réalisée: ainsi se forment les gamètes de type recombiné. La fréquence de l'événement "enjambement" étant généralement plus faible que la fréquence de l'"absence d'enjambement", les gamètes de type recombiné sont moins abondants que les gamètes de type parental, ce qui donne un pourcentage de phénotypes recombinés inférieur à 50%. Le pourcentage de recombinaison est toujours le même pour deux couples d'allèles donnés.

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6.3.3 La transmission de gènes par les chromosomes sexuels

Tous les croisements entre races pures étudiés jusqu'ici fournissent les mêmes résultats, que l'on effectue le croisement "mâle race A x femelle race B" ou le croisement "femelle race A x mâle race B". En croisant deux races pures de drosophiles différant par la couleur des yeux, Morgan n'a pas toujours obtenu les résultats habituels du monohybridisme.

Le premier croisement semble conforme à tout ce que nous avons vu jusque-là puisqu'il y a homogénéité des hybrides de première génération et que dans cette population F1 il y a équiprobabilité d'apparition de chacun des sexes.

Dans le deuxième croisement, la proportion des sexes est toujours respectée (50% de mâles et 50% de femelles), mais on note un fait nouveau: il n'y a pas d'homogénéité des phénotypes des hybrides de première génération. Cette génération des phénotypes différents est fonction du sexe: tous les mâles F1

possèdent le phénotype de leur mère, et toutes les femelles F1 celui de leur père (hérédité croisée).

Les résultats du deuxième croisement sont explicables par un mécanisme chromosomique. On sait, en effet, que de nombreuses espèces animales et quelques végétaux présentent une exception à la règle de parité des chromosomes. Chez la drosophile, comme chez les mammifères, le caryotype montre que le mâle porte dans ses cellules un chromosome X et un chromosome Y non homologues. En revanche, la femelle de drosophile, sexe homogamétique, produit donc un seul type de gamètes contenant trois autosomes A + X; le mâle, sexe hétérogamétique, fournit deux types de gamètes contenant les uns trois autosomes A + X, les autres trois autosomes A + Y.

Les résultats du deuxième croisement ne s'expliquent que si la coloration des yeux correspond à un couple d'allèles portés par les chromosomes sexuels. De plus, ces allèles ne peuvent pas être portés à la fois par X et par Y, sinon les résultats seraient conformes à tout ce que nous avions vu précédemment; et il ne peut pas s'agir d'un gène porté uniquement par Y, car ce caractère n'existerait alors que chez les mâles. Nous devons donc admettre que ce gène est porté par X et qu'il n'y a pas d'allèle de ce gène sur Y. D'autre part, dans les deux croisements, une femelle de première génération, ayant reçu un chromosome X du père et un autre chromosome X de la mère, possède deux allèles différents du gène étudié. Comme elle a les yeux rouges, c'est que le gène gouvernant la couleur rouge est dominant par rapport à celui responsable de l'œil blanc. Nous symboliserons donc "œil rouge" par R, et "œil blanc" par w (white).

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6.3.4 La localisation des gènes

Les résultats de la recombinaison des gènes liés permettent de dire que les gènes sont situés sur les chromosomes. Mais est-il possible de les localiser ?

6.3.4.1 Cartes factoriellesLe pourcentage de recombinaison entre deux gènes liés étant toujours le même, Morgan, qui s’est rendu célèbre grâce à ses travaux sur la drosophile, a pensé que la localisation, ou locus, d’un gène sur le chromosome était constante et que la valeur du pourcentage de recombinaisons pouvait être utilisée pour traduire la distance entre les gènes. Son argumentation est la suivante : si les gènes sont disposés de façon linéaire (à la manière d’un collier de perles) sur un chromosome cité, et si les chiasmas (« crossing-over ») se produisent au hasard le long des chromatides, on peut affirmer que plus deux gènes sont éloignés, plus un enjambement (« crossing-over ») a de chances de survenir entre eux, et donc plus le taux de recombinaisons est élevé.

Ainsi, le pourcentage de recombinaison traduit la distance entre deux gènes appartenant à un même groupe de liaisons ; par convention, l’unité de distance entre les gènes, ou unité Morgan, est égale à 1% de recombinaisons. Par exemple, chez la drosophile, dans le croisement entre une femelle hybride à yeux rouges et ailes longues et un mâle à yeux pourpres et ailes vestigiales, la présence chez les descendants de 13% de phénotypes recombinés permet de dire que la distance entre les gènes considérés est de 13 unités Morgan.

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Deux gènes liés à un même troisième sont forcément liés entre eux. Ainsi, connaissant la distance entre deux gènes et un troisième lié à l’un d’entre eux, on peut calculer successivement le pourcentage de recombinaisons entre ce gène et les deux précédents (en effectuant les croisements-tests appropriés) et établir la position respective des trois gènes. Si, au lieu des trois gènes, on considère l’ensemble des gènes d’un même groupe de liaison, on peut, de proche en proche, à partir des valeurs du pourcentage de recombinaisons entre les différents gènes, établir leur position relative sur le chromosome correspondant. Ceci peut être réalisé pour l’ensemble des groupes de liaison, donc pour l’ensemble des n types de chromosomes.

La localisation linéaire relative des gènes (ou facteurs héréditaires) sur les chromosomes constitue la carte factorielle de l’espèce considérée. Chez la drosophile, par exemple, on connaît à l’heure actuelle plusieurs milliers de mutations. Des cartes factorielles ont pu être établies chez d’autres espèces, notamment chez la souris et chez l’homme, par des techniques différentes cependant.

6.3.4.2 Cartes cytologiquesChaque fois que l'on a réussi à établir, pour un organisme, à la fois la carte factorielle et le nombre haploïde de chromosomes par des observations cytologiques, on a constaté qu'il y avait toujours autant de groupes de liaison que de chromosomes, Chez la drosophile,

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l'investigation a pu être poussée beaucoup plus loin du fait de l'existence de chromosomes géants dans le noyau des cellules des glandes salivaires de la larve. Ces derniers résultent d'une multiplication des chromatides (il peut y en avoir un millier) qui restent intimement accolées et sont ainsi facilement visibles au microscope photonique. Après coloration, ces chromosomes géants présentent un aspect hétérogène: on observe une succession de bandes (en réalité des disques) plus ou moins colorées dont l'ordre, pour un chromosome donné, est constant. Cependant, chez certains individus, cette séquence est parfois perturbée: certaines bandes par exemple peuvent manquer. On constate alors que, chez de tels individus, un ou plusieurs gènes font défaut. La correspondance entré un gène et une région du chromosome géant est ainsi établie.

La cartographie des bandes permet donc d'élaborer de véritables cartes cytologiques des locus, que l'on peut comparer a la carte factorielle. Dans les deux cas, l'ordre linéaire des gènes est le même mais la distance relative entre eux ne correspond pas obligatoIrement. La fréquence de l'événement « crossing-over » peut aboutir à une surestimation de la distance indiquée sur la carte factorielle.

6.3.5 La notion de gène

Dès le XVIIIe siècle, Maupertuis pensait que des «particules» transmises par les parents expliquaient les phénomènes d'hérédité; les «facteurs», ou «déterminants», postulés par Mendel et que nous appelons gènes, apparaissent comme des «atomes» d'hérédité. Ils constituent des unités qui se matérialisent non seulement par leur fonction mais aussi lors de mutations et de recombinaisons.

• Unités de fonction: l'analyse de la relation gène-caractère montre que chaque gène détermine l'expression d'un caractère et donc gouverne la synthèse d'une protéine spécifique ayant une fonction enzymatique ou intervenant dans les structures. Il détient donc l'information nécessaire à l'édification d'une molécule informationnelle.

• Unités de mutation: chaque gène peut subir des altérations qui le transforment en gènes allèles capables d'induire des caractères différents. Il y a alors modification de l'information génétique.

• Unités de recombinaison: chaque gène apparaît comme une unité indépendante pouvant être séparée des autres et participer à des combinaisons génétiques multiples lors du brassage chromosomique assuré par la reproduction sexuée.

Chaque gène occupe un emplacement déterminé sur un chromosome. Cet emplacement ou locus est le même pour tout allèle dérivé d'un gène donné par mutation. Un chromosome apparaît ainsi comme un « chapelet » de gènes.

Chaque gène est capable d'autoreproduction: l'information qu'il détient est reproduite par copie conforme au cours de la mitose. Cette conception du gène comme unité indivisible est en fait une première approximation. Les développements récents de la génétique ont permis de disséquer cette entité et de constater que l'unité de fonction, celle de mutation et celle de recombinaison ne coïncidaient pas exactement. Ces recherches ont permis de déterminer la nature même du matériel constitutif du gène, d'éclairer son mode de fonctionnement, de mieux comprendre donc ce qu'est ce «message héréditaire».

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7 Lois de Mendel et exceptions

7.1 Début de la génétique

Gregor Mendel est aujourd’hui reconnu comme le père fondateur de la génétique, mais il n’en fut pas ainsi de son vivant. Johann Gregor Mendel naît le 22 juillet 1822 à Heisendorf, petit village de Moravie (Autriche), dans une famille de paysans. En 1843, il entra comme novice dans le couvent des Augustins où il fut ordonné prêtre en 1847. De 1851 à 1853 il étudia les sciences naturelles à Vienne. A partir de 1854 il entreprit dans le jardin du couvent des expériences de croisement sur des pois, des haricots et d’autres plantes.

À la suite de ces recherches, Mendel proposa une théorie particulaire de l'hérédité. Dans la théorie de Mendel, les caractères sont déterminés par des unités discrètes qui se transmettent intactes au fil des générations. La cellule n’étant pas encore suffisamment étudiée en 1865, on ne reconnu pas alors l’importance de ses découvertes. L'importance de ses idées ne fut reconnue qu'aux environs de 1900 par Correns, Tschermark et De Vries, bien après sa mort. Le travail de Mendel est le prototype de l'analyse génétique. Il établit les règles d'une approche expérimentale et logique qui est toujours d'usage aujourd'hui.

7.2 Approche expérimentale de Mendel

Mendel, publia en 1866, les résultats d'un travail magistral sur les principes de l'hérédité.Mendel choisit d'étudier le pois (Pisum sativum) pour deux raisons principales:

- vaste éventail de variétés de pois, de formes et de couleurs distinctes, facilement identifiable ;- possibilité d'autofécondation ou fécondation (ou pollinisation) croisée.

Les fleurs de pois s'autofécondent car les parties mâles (anthères) et femelles (ovaires) de la fleur qui produisent respectivement le pollen et les ovules sont enfermées dans une carène formée par les deux pétales inférieurs.Ainsi, on peut procéder au croisement (ou pollinisation croisée) de n'importe quelle paire de variétés. Les anthères d'une fleur sont retirées avant d'avoir produit le pollen ce qui empêche l'autofécondation. Le pollen d'une autre plante est alors transféré sur le stigmate à l'aide d'un pinceau ou en se servant d'anthères entières.

Il obtint énormément de données ce qui lui permit de faire une analyse quantitative. Il réussit ainsi à formuler des hypothèses qui ont force de loi encore aujourd'hui. Les biologistes actuels s'appuient encore sur les conclusions de Mendel et parlent de génétique mendélienne.Les travaux de Mendel semblent encore plus remarquables lorsqu'on considère qu'il fit toutes ses observations et formula ses lois sans avoir aucune connaissance des mécanismes cellulaires de l'hérédité (noyau, chromosomes, ADN….).

7.3 Lois de Mendel

Suite à ses travaux, Mendel a formulé trois lois : la loi d’uniformité ou de réciprocité, la loi de pureté des gamètes ou la loi de disjonction ou ségrégation des couples d’allèles, et la loi d’indépendance ou la loi de la libre recombinaison des gènes.

7.3.1 Loi d’uniformité ou de réciprocité

En croisant des individus de race ou de variété pure (homozygotes), tous les hybrides de la première génération F1 sont semblables entre eux.

Croisement monohybride : AA x aa = Aa

Croisement dihybride : AABB x aabb = AaBb

Les individus, suivant le rapport de dominance, ressemblent phénotypiquement, suivant le caractère considéré, soit à la mère ou soit au père (ou intermédiaire) :

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AA x aa = Aa

ou réciproquement: aa x AA = aA

Les hybrides réciproques (Aa et aA) sont semblables.

7.3.2 Loi de pureté des gamètes ou loi de disjonction ou ségrégation des couples d’allèles

En croisant des hybrides F1 qui sont hétérozygotes pour un couple d’allèles (croisement monohybride), la génération F2 se répartit en différents génotypes en proportion 1 :2 :1,

Aa x Aa = AA, Aa, aA, aa

Lors d’une dominance complète, les individus Aa, Aa et aA sont de même (dominant) phénotype, ceux de aa d’un autre (récessif) phénotype, dont la répartition est 3 :1. En cas de codominance ou dominance intermédiaire de Aa, la répartition du phénotype est de 1 :2 :1.

Les individus Aa forment (en égale proportion) des gamètes A et a : les couples d’allèles se séparent (lors de la réduction méiotique), les gamètes sont « pures », n’ont donc aucun caractère hybride, puisqu’ils sont haploïdes (soit A ou a).

7.3.3 Loi d’indépendance ou loi de la libre recombinaison des gènes

Les individus croisés de race pure se différenciant par plus d’un (couple de) caractère resp. couple d’allèles (croisement di-, tri-, polyploïde), chaque gène sera transmis (hérité) indépendamment des autres.

Cette dernière loi n’est valable seulement pour les gènes qui se trouvent sur différents chromosomes, puisque cette indépendance repose sur la libre recombinaison de chaque chromosome, consécutif à la disposition indépendantes des tétrades. Les gènes situés sur le même chromosome ne seront pas transmis de manière indépendante les uns des autres, mais liés les uns aux autres. Cette liaison peut être cassée par l’enjambement lors de chiasmas (crossing-over).

7.4 Exceptions aux lois de Mendel

Il existe des exceptions aux lois de Mendel. Ne seront abordées dans ce chapitre que celles concernant le sexe. Elles affectent la loi d’uniformité ou de réciprocité.

7.4.1 Azygotie mâle

L’azygotie mâle se rencontre chez les hyménoptères. Alors que les femelles sont diploïdes ( = 2n), car elles sont issues de la fusion de deux gamètes mâle et femelle, les mâles sont haploïdes ( = n), car ils proviennent d’une gamète femelle (ovule) non fécondée, parthénogénétique. Il n’y a aucun apport du mâle (pas de père). Le mâle possède un jeu unique de tous les gènes provenant uniquement de la mère.

7.4.2 Transmission liée au sexe

La transmission liée au sexe concerne les gènes situés sur les chromosomes X ou Y ( respectivement W ou Z).

Lorsque les gènes sont situés sur le chromosome X (ou W), on distingue deux cas : l’hétérogamétie mâle et l’hétérogamétie femelle.

Hétérogamétie mâle : elle se rencontre chez les mammifères, les diptères (p.ex. Drosophila), les coléoptères, les punaises, les sauterelles, beaucoup de poissons et d’amphibiens (Rana).

2A + XX

2A + XY : le mâle est hémizygote pour les gènes situés sur le chromosome X

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Calvitie chez l’Hommegénotype phénotype

BB chauve chauveBb non chauve chauvebb non chauve non chauve

rapport de dominance :b > BB > b

Comme exemple, il y a la transmission de la couleur des yeux chez la drosophile (w+/w), la transmission d’anomalies ou de maladies génétiques comme l’hémophilie, le daltonisme, la glucose-6-phosphate-déhydrogénase chez l’homme.

Hétérogamétie femelle : elle se rencontre chez les oiseaux, les papillons, les reptiles, certains poissons et amphibiens.

2A + ZW: la femelle est hémizygote pour les gènes situés sur le chromosome W

2A + ZZ La transmission est liée absolument au sexe lorsque les gènes sont situés sur la partie différentielle du chromosome X ou W. Elle est liée partiellement au sexe lorsque les gènes sont situés sur la partie homologue de X et Y ou de W et Z.

Lorsque les gènes sont situés sur le chromosome Y (ou Z), on rencontre également deux cas :

- l’hétérogamétie mâle, où la transmission est dite holandrique :

- l’hétérogamétie femelle, où la transmission est dite hologyne :

7.4.3 Transmission contrôlée (influencée, modifiée) sexuellement

La transmission contrôlée sexuellement concerne les gènes dont la manifestation (par ex. dominance) est différente suivant le sexe. Dans les exemples suivants, les gènes considérés sont autosomals, où chacun des deux allèles se manifeste dans les deux sexes, cependant de manière différente chez les femelles que chez les mâles (du moins dans l’une des trois combinaisons possibles).

7.4.2.1 Cas des hétérozygotesDans ce cas, seuls les hétérozygotes montrent une manifestation sexuellement différente ; le rapport de dominance des deux allèles alternatifs l’un par rapport à l’autre est différent chez les femelles et chez les mâles (cas de changement de dominance).

7.4.2.2 Cas des hétérozygotes et des homozygotes

Les hétérozygotes aussi bien que les homozygotes montrent une manifestation sexuellement différente, à l’exemple du timbre de la voix chez l’Homme.

7.4.3 Transmission limitée sexuellement

La transmission limitée sexuellement concerne les gènes situés sur les autosomes ou les gonosomes qui se manifestent dans un des deux sexes uniquement. Il s’agit, par exemple, du gène de la lactation, qui s’exprime uniquement chez la femelle.

Cornes chez le moutongénotype phénotype

HH cornes cornesHh sans corne corneshh sans corne sans corne

rapport de dominance :h > HH > h

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Voix chez l’Hommegénotype phénotype

A1A1 soprano basseA1A2 mezzosoprano bariton A2A2 alto tenor

8 Le message héréditaire

Les gènes, structures permanentes des chromosomes, sont responsables de l'expression des caractères d'un individu et de leur transmission à ses descendants. Ils détiennent donc l'information génétique. Plusieurs questions se posent alors: quel est le support matériel des gènes et sous quelle forme se trouve l'information? Comment s'exprime l'information génétique?

Nous savons que le gène est une partie du chromosome; mais, quelle est sa nature? Un chromosome contient essentiellement de l'ADN et des protéines associées. Or, par essence, le matériel génétique doit pouvoir satisfaire trois exigences:

- être le support d'une information; - être capable de s'autoreproduire, et par là d'autoreproduire l'information; - pouvoir communiquer cette information.

Les acides nucléiques, avant même que l'on connaisse les remarquables propriétés de l'ADN, ont été considérés comme susceptibles d'intervenir dans les phénomènes d'hérédité. Depuis 1940, de nombreuses expérimentations ont montré que le matériel génétique est effectivement constitué par l'ADN, comme l’expérience de Griffith.

8.1 La correspondance gène-protéine

Une analyse critique de la notion de caractère conduit à conclure que - les caractères résultent de l'activité de protéines spécifiques ; - chaque gène dirige la synthèse d'une protéine déterminée.

En terme de biologie moléculaire, on définit le gène comme la plus petite fraction d'ADN capable de diriger la synthèse d'une protéine.

Les molécules d'ADN et de protéines ont des points communs. Il s'agit de macromolécules caractérisées par un enchaînement linéaire de molécules élémentaires, respectivement les nucléotides et les acides aminés. La protéine est formée d'une seule chaîne d'acides aminés, alors que l'ADN est formé de deux chaînes complémentaires de nucléotides. Chaque molécule d'ADN est formée par l'enchaînement précis (en nombre et en place) de nucléotides déterminés (parmi les quatre possibles) ; de la même façon, chaque molécule protéique est formée par un enchaînement précis (en nombre et en place) d'acides aminés (parmi les vingt possibles).

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On appelle séquence l'ordre défini dans lequel s'enchaînent les nucléotides dans un brin d'ADN et les acides aminés dans une protéine. Les différentes molécules d'ADN (de même que les différentes protéines) se distinguent les unes des autres par leur séquence.

Quelle est "la signification biologique de ce concept de séquence? Les protéines doivent la spécificité de leur fonction, par exemple la catalyse d'une réaction biochimique, à la spécificité de leur séquence. Ainsi, deux protéines exercent deux fonctions différentes parce que leurs séquences sont différentes. On conçoit dès lors toute l'importance, pour le bon fonctionnement de la vie, que revêt une biosynthèse correcte de chaque protéine. Il importe en effet qu'à chaque étape du montage de la chaîne soit « accroché » le bon acide aminé, en fonction de son numéro d'ordre. Cette opération d'une haute précision nécessite une information, et la synthèse de deux protéines différentes nécessite deux informations différentes. Or, celles-ci sont portées par deux gènes différents et sont représentées par deux segments différents de molécules d'ADN, caractérisés eux-mêmes par la séquence de leurs nucléotides.

8.2 Le code génétique

8.2.1 La nécessité théorique d'un code

Le passage de l'ordre du gène à l'ordre de la protéine fait nécessairement intervenir un système de correspondance que l'on appelle le code génétique.

Dans les protéines, on peut trouver 20 acides aminés différents. Comme leur séquence est sous la dépendance de l'ADN, il faut donc un code capable de désigner au moins 20 objets différents.

Puisque deux segments d'ADN, portant l'information pour deux protéines différentes, ne diffèrent que par la séquence des nucléotides, on est amené à situer l'information génétique dans la séquence même des nucléotides de l'ADN.

L'ordre dans lequel s'enchaînent les acides aminés dans la protéine est déterminé par l'ordre dans lequel s'enchaînent les nucléotides dans le brin « informatif» d'ADN.

Sachant que l'ADN contient quatre types de nucléotides qui diffèrent par la base azotée, et que la protéine est formée par 20 acides aminés différents, le problème est donc de savoir comment, à partir d'un alphabet à quatre lettres, nous pouvons composer 20 vocables différents capables de désigner les 20 objets que sont les acides aminés. Il est clair que quatre nucléotides ne suffisent pas à désigner vingt acides aminés. L'information élémentaire, c'est-à-dire la désignation d'un acide aminé, est donc portée par un groupe de nucléotides consécutifs. Quel est le nombre minimal de nucléotides requis pour cette fonction? Si les nucléotides sont associés deux à deux, on peut obtenir 42 = 16 combinaisons; or il existe vingt acides aminés. Si les nucléotides sont associés par trois, on peut former 43 = 64 triplets de nucléotides, c'est-à- dire beaucoup plus qu'il n'en faut pour représenter les vingt acides aminés.

8.2.2 la réalité du code

A partir de 1961, de nombreuses expériences ont montré que cette dernière hypothèse était la bonne: - l'information élémentaire est portée par un triplet de nucléotides, ou codon; - l'information est redondante, c'est-à-dire que la plupart des acides aminés sont désignés par

plusieurs codons.

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La succession des acides aminés est déterminée par la succession des codons adjacents. Le début et la fin du message sont commandés par des codons particuliers.

La correspondance entre l'information génétique (séquence d'un brin d'ADN) et sa signification (séquence d'une protéine) n'est pas immédiate ; elle est définie par un système de règles qui constitue le code génétique. L'exploitation de l'information génétique (la « lecture du message »), au moment de la biosynthèse des protéines, implique donc une opération de décodage (« déchiffrage» du code) dont nous évoquerons maintenant le processus. Remarquons que les termes de message, lecture, code, décodage, utilisés pour décrire l'information génétique, soulignent les analogies qui l'apparentent aux langages.

L'information génétique siège dans le noyau alors que la synthèse des protéines s'effectue dans le cytoplasme. Comment se fait le transfert du message d'un site dans l'autre?

8.3 La transcription

A la suite de travaux réalisés sur des bactéries, Jacob et Monod (prix Nobel 1965 avec A. Lwoff) ont postulé l'existence d'un messager, chimiquement voisin de l'ADN: l'acide ribonucléique ou ARN. L'ARN diffère de l'ADN sur trois points :

- le sucre n'est pas du désoxyribose mais du ribose, - la thymine est remplacée par l'uracile, les trois autres bases (adénine,

guanine, cytosine) sont les mêmes que dans l'ADN, - l'ARN est (généralement) formé d'une seule chaîne de nucléotides au

lieu de deux pour l'ADN.

On a pu isoler, dans les cellules, différents types d'ARN ; parmi ces variétés, l'une joue précisément le rôle pressenti par Jacob et Monod, c'est l'ARN messager ou ARNm. La molécule d'ARNm est formée d'un seul brin et on a pu montrer expérimentalement que la séquence des nucléotides dans l’ARNm était complémentaire de la séquence des nucléotides d'un des deux brins du segment de la molécule d'ADN correspondant à un gène. D'où l'hypothèse formulée qu'une molécule d'ARN se forme, en quelque sorte, en « négatif» du brin d'ADN qui sert de matrice. Il en résulte que l'information est « écrite» de la même façon pour les deux molécules: le transfert de l'une à l'autre est une simple opération de transcription.

8.4 La traduction

Chez les eucaryotes (êtres vivants qui possèdent des cellules avec un noyau véritable et sont donc différents des bactéries et virus), l'ARN messager, formé dans le noyau, passe dans le cytoplasme. Le message qu'il porte doit être décodé et traduit en une séquence d'acides aminés, c'est-à-dire une protéine. Cette seconde phase du traitement de l'information, beaucoup plus complexe que la première, nécessite l'intervention de nombreux facteurs et organites cytoplasmiques que nous ne décrirons pas ici en détail. Signalons simplement qu'il existe des molécules d'ARN d'un autre type qui jouent un rôle d'adaptateur (ARN de transfert ou ARNt) et qui véhiculent les acides aminés jusqu'à des organites minuscules où se fait leur assemblage. Ces organites, les ribosomes, sont seulement décelables au microscope électronique et contiennent une troisième sorte d'ARN, l'ARN ribosomal.

8.5 La notion de gène

La génétique classique a permis de définir les gènes comme des unités de fonction induisant les caractères, et localisées sur les chromosomes. Grâce aux développements récents de la biologie moléculaire, on a pu déterminer la nature chimique du gène, comprendre sous quelle forme matérielle se trouve conservée l'information génétique et savoir comment elle s'exprime; c'est la découverte du rôle de l'ADN et le décryptage du code génétique.

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Un gène est donc essentiellement constitué d'ADN; c'est une séquence d'ADN de plusieurs centaines à plusieurs milliers de nucléotides. En effet, la molécule d'ADN répond aux caractères fondamentaux du gène:

- sa structure est le support d'une information par les combinaisons de quatre nucléotides qui réalisent le code génétique.

- elle est capable de s'autoreproduire par réplication, reproduisant ainsi l'information dont elle est le siège. Ce processus est fondamental et constitue la base moléculaire de la pérennité du vivant.

- les modifications accidentelles de cette structure conduisent à des modifications du message; ce sont les mutations créatrices de nouvelles formes alléliques des gènes; elles alimentent la variabilité génétique des populations.

- l'expression de l'information génétique met en jeu une machinerie cellulaire complexe. Chaque gène induit la synthèse d’une protéine spécifique; il correspond à une structure moléculaire définie dans la cellule (enzyme ou protéine de structure).

Or, les cellules d'un organisme, toutes issues d'un même œuf, ont le même patrimoine génétique et cependant elles vont évoluer de façon différente et former des tissus variés: c'est la différenciation cellulaire. Ainsi, une cellule de foie ou une cellule de pancréas vont assurer deux fonctions très différentes, bien que possédant toutes deux le même génome. Toute l’information génétique contenue dans le noyau ne s’exprime donc pas dans chaque cellule : certains gènes sont traduits alors que d’autres sont inhibés. Il existe dans la cellule des mécanismes de régulation des gènes. A côté des gènes de structure, porteurs de l’information nécessaire à la synthèse de protéines spécifiques, le génome comporte des gènes de régulation qui assurent l’adaptation du fonctionnement des gènes à l’environnement cellulaire.

La découverte du code génétique a une portée scientifique et économique considérable. Tous les organismes, de la bactérie à l’homme, traduisent de la même façon le message génétique écrit dans le même langage chez tous les êtres. Cette universalité du code témoigne de l’unité du vivant. Elle permet des applications nouvelles d’une portée considérable : un gène d’une espèce donnée, isolé puis incorporé dans le génome d’une autre espèce, peut fonctionner et induire chez le receveur la synthèse de protéines spécifiques du donneur. Ceci est le fondement du génie génétique.

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9 L’hérédité humaine

L’hérédité humaine obéit aux mêmes lois que l’hérédité des autres êtres vivants ; c’est pourquoi depuis les travaux de Mendel et de ses successeurs, et malgré les difficultés rencontrées par les chercheurs, elle a perdu beaucoup de ses mystères. 9.1 Difficultés de l'étude de l'hérédité humaine 9.1.1 Des difficultés à surmonter

Certains caractères génétiques simples sont transmis chez l'homme selon les lois définies par Mendel chez le petit pois. Toutefois, les études sur ces transmissions sont généralement beaucoup plus délicates à réaliser, et ce pour plusieurs raisons.

• D'une part, le généticien ne peut pas contrôler les croisements entre différents génotypes humains, comme il le fait lors d'expériences menées sur les animaux ou sur les plantes. Il doit donc se fonder sur des résultats constatés à l'issue d'enquêtes épidémiologiques.

• D'autre part, l'homme possède un nombre élevé de chromosomes (2n = 46) et de gènes (environ 30 000).

• De plus, à chaque génération, le nombre de descendants est relativement faible, or, en génétique, les résultats sont d'autant plus fiables que les populations étudiées sont numériquement importantes.

• Enfin, le développement d'un individu est lent, et le généticien doit parfois attendre plusieurs années pour observer l'expression éventuelle du caractère recherché.

Toutes ces contraintes réduisent la génétique humaine à son aspect médical: elle cherche à déterminer les gènes responsables des maladies héréditaires.

9.1.2 Des méthodes d’études possiblesBien que l'étude de l'hérédité qui traite des humains soit plus fastidieuse que celles des plantes ou des animaux, des méthodes permettent d'analyser la descendance des familles. Deux méthodes sont employées, les biotechniques et les pedigrees. Les pedigrees sont surtout utilisés pour étudier les maladies ou anomalies héréditaires d'une famille. On peut de nos jours, à l'aide des biotechniques savoir si l'on est porteur d'un gène défectueux.

9.1.1.1 Les pedigreesEn génétique humaine, on recueille des informations sur l'histoire d'un caractère particulier dans une famille, et on regroupe ces données dans un arbre généalogique qui décrit les relations entre les parents et les enfants d'une génération à l'autre : il s'agit du Lignage de la famille ou du Pedigree.

Dans ces arbres généalogiques, les carrés représentent les hommes et les cercles, les femmes. Les lignes horizontales correspondent aux couples, dont les enfants figurent au-dessous par ordre de naissance, de gauche à droite. On colore les symboles pour les personnes ayant le caractère que l'on suit à travers le Lignage.

En génétique humaine et en médecine, on a fréquemment recours à l'analyse du lignage afin de déceler l'origine d'une maladie invalidante ou létale (mortelle) et d'en déterminer la probabilité d'apparition. En plus, cette l'analyse peut nous permettre de découvrir son mode de transmission génétique.

9.1.1.2 Les biotechniquesUne approche préventive peut être adoptée dans le domaine des maladies génétiques, parce que, dans certains cas, il est possible de déterminer les risques d'apparition d'une maladie génétique avant même la conception d'un enfant ou cours des premiers mois de grossesse.

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Dépistage des transmetteurs sains

La plupart des enfants victimes de maladies récessives naissent de parents au phénotype normal; pour évaluer le risque génétique représenté par une maladie donnée, il s'avère essentiel de déterminer si les futurs parents sont des transmetteurs hétérozygotes du caractère récessif. Dans le cas de certaines maladies héréditaires, il existe des tests permettant de savoir si un individu normal est homozygote dominant ou hétérozygote. À titre d'exemple, citons les tests de dépistage des transmetteurs sains des allèles de la maladie de Tay-Sachs, de l'anémie à hématies falciformes et de la forme la plus répandue de la fibrose kystique. Ces tests permettent aux individus dont les antécédents familiaux comportent des maladies génétiques de prendre des décisions éclairées s’ils désirent des enfants.

Les types de tests de dépistage génétiques. Les tests génétiques consistent à analyser l'ADN d'une personne, en temps normal à partir d'un échantillon de sang. Parfois, une simple mutation peut déclencher une maladie chez une personne, mais la plupart des maladies génétiques sont causées par une combinaison de facteurs génétiques et environnementaux. Ainsi, l'information génétique ne rend compte que d'une partie de l'histoire d'un individu. Il existe aujourd'hui 5 types différents de tests génétiques :

• Identification des porteurs ou dépistage: tests génétiques utilisés par les couples qui souhaitent avoir des enfants, et dont les familles ont des antécédents de troubles génétiques récessifs.

• Diagnostic prénatal: test génétique des cellules d'un fœtus. Il peut être effectué lorsqu'il existe un risque de porter un enfant ayant des gènes liés à une déficience mentale ou à des malformations physiques graves.

• Dépistage néonatal: utilisé fréquemment comme mesure préventive. Lorsque le traitement est disponible, il représente un avantage indéniable pour le nouveau-né.

• Tests génétiques des troubles tardifs: pour détecter les gènes de maladies touchant les adultes, comme les cancers et les maladies du cœur. Ces maladies sont complexes et ont des causes à la fois génétiques et environnementales.

9.2 Exemples de transmissions de caractères héréditaires

9.2.1 Hérédité autosomique

L'albinisme se rencontre dans tout le règne animal. Ainsi les souris blanches sont des albinos. Dans l'espèce humaine, les sujets albinos ont la peau d'un blanc laiteux,

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les cheveux blancs ou blond pâle, l'iris rose, la pupille rouge car elle laisse voir les vaisseaux sanguins de l'œil. L'albinisme est dû à l'absence d'un pigment noir, la mélanine : les réactions chimiques qui conduisent à sa synthèse sont bloquées par l'absence d'un enzyme. Cette anomalie est liée à un gène dont il existe deux allèles, l'un permet la fabrication du pigment, il est normal et l'autre ne la permet pas, il est responsable de l'albinisme.

Chaque individu possède 2 allèles de ce gène portés par la paire de chromosome n° 11. Si les 2 allèles sont normaux la pigmentation est normale. Si seul un des deux allèles est normal la pigmentation est également normale. Lorsque les deux chromosomes portent l'allèle de l'albinisme, le porteur aura la peau décolorée, il est atteint d'albinisme. Le gène de l'albinisme est donc un gène récessif. Cette anomalie rare (1 cas sur 20 000 en moyenne) existe aussi chez les Noirs. L'albinisme se rencontre indifféremment dans l'un ou l'autre sexe ; le locus du gène responsable n'est donc pas situé sur un chromosome sexuel mais sur un autosome.

9.2.2 Hérédité gonosomique (liée au sexe)

Le daltonisme est un trouble de la vision, connu depuis le 18e siècle, du nom du physicien anglais John Dalton, atteint de ce type de «cécité des couleurs». John Dalton souffrait de la forme la plus courante de daltonisme, soit l'absence de distinction entre le rouge et le vert. La confusion entre le jaune et le bleu est une forme beaucoup plus rare de daltonisme. Encore plus rare est l'incapacité complète à distinguer les couleurs, où toutes les couleurs sont perçues comme une teinte de gris.

Le daltonisme est donc une anomalie de la vue qui se caractérise par l'absence de perception des couleurs ou par une incapacité à différencier certaines teintes ou couleurs.En France, le daltonisme affecte 8% d'hommes et 0,4 % des femmes. Le gène responsable est porté par le chromosome sexuel X et c'est un gène récessif.

Le daltonisme résulte d'un mauvais fonctionnement de la rétine (la partie de l'œil qui convertit la lumière en énergie électrique et qui la transmet au cerveau). La conversion est effectuée par quatre types de photorécepteurs : les cônes «rouges», «verts», «bleus» et les bâtonnets. Les cellules de ces photorécepteurs sont sensibles aux pigments de couleurs. Si l'une de ces cellules fonctionne mal ou est insensible à un pigment de couleur, elle ne conduira pas le «message» correctement au cerveau, qui ne décodera pas la couleur. Aucune méthode ne permet valablement d'améliorer les performances colorées du daltonien de nos jours.

9.2.3 Transmission des groupes sanguins

9.2.3.1 Système ABOIl existe plusieurs systèmes de classification des groupes sanguins, mais celui du système ABO est le plus usuel: chacun des quatre groupes est caractérisé par la présence ou l'absence d'un agglutinogène (antigène) à la surface de la membrane des globules rouges. Ces agglutinogènes sont de deux types: A et B. Les groupes sont également caractérisés par la présence d'une agglutinine (anticorps) circulant dans le sang, notée anti-A et anti-B.

Il existe quatre combinaisons possibles: les sujets de groupe A (antigène A, agglutinine anti-B), ceux de groupe B (antigène B, agglutinine anti-A), ceux de groupe AB (antigènes A et B, aucune agglutinine) et ceux du groupe O (aucun antigène, agglutinine anti-A, anti-B).

Chaque individu possède un couple d'allèles (sur le chromosome 9). L'allèle A détermine la synthèse de l’agglutinogène A. L'allèle B détermine la synthèse de l’agglutinogène B. L'allèle O ne détermine la

génotype phénotypeXNXN Femme vision normaleXNXd Femme vision normale, porteuseXdXd Femme daltonienneXNY Homme vision normaleXdY Homme daltonien

N = vision normale ; d = daltonisme

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synthèse d'aucune protéine. Les allèles A et B sont dominants par rapport à O et codominants entre eux.

De la distribution des gènes dans les chromosomes, il résulte que six génotypes et 4 phénotypes peuvent être réalisés :

- AA et AO : individus du groupe A- BB et BO : individus du groupe B- AB : individus du groupe AB- O : individus du groupe O.

9.2.3.2 Facteur rhésusUn autre système sanguin, le facteur Rhésus, est également pris en considération lors des transfusions sanguines. Le facteur Rhésus, substance antigénique présente dans le sang, détermine par son absence ou sa présence les individus à Rhésus négatif (Rh-) ou à Rhésus positif (Rh+). Le système Rhésus est génétiquement déterminé par deux allèles: l'allèle Rh+, qui gouverne la synthèse d'un facteur comparable aux agglutinogènes du système ABO, est situé sur la membrane des globules rouges; l'allèle Rh-, qui ne détermine aucune synthèse, est récessif par rapport à l'allèle Rh+. La transmission du caractère Rhésus suit également les lois de Mendel. Il en résultera donc trois génotypes et deux phénotypes :

- Rh+ / Rh- : individus de groupe Rh+

- Rh+ / Rh+ : individus de groupe Rh+

- Rh- / Rh- : individus de groupe Rh-

9.3 Les mutationsLe terme de «mutation», créé par le botaniste néerlandais Hugo De Vries vers 1900, désigne des variations brusques et héréditaires du génotype d'un individu; elles sont classées en deux groupes: les mutations chromosomiques et les mutations géniques.

9.3.1 Causes des mutations génétiques

Les mutations peuvent tout simplement être causées par des erreurs pendant la réplication, la réparation ou la recombinaison de l'ADN, on les appelle alors mutations spontanées. On estime à environ une chance sur un million la probabilité pour un gène de muter de façon spontanée chez un individu donné. Lorsqu'elles se produisent naturellement, les mutations ont une grande importance biologique, car elles font apparaître de nouveaux génotypes. En augmentant le polymorphisme génétique au sein des espèces, elles peuvent avoir un effet bénéfique, neutre ou néfaste. Elles constituent un facteur essentiel de l'évolution génétique des populations et de l'apparition de nouvelles espèces.

Des éléments de l'environnement peuvent aussi provoquer des mutations; on nomme agents mutagènes les facteurs environnementaux qui peuvent provoquer des mutations. Il s’agit d’agents physiques, chimiques ou biologiques. Les agents physiques concernent les radiations dont le rayonnement riche en énergie comme les rayons UV, X et gamma peuvent briser les liens hydrogènes entre les bases et provoquer différents types d’erreurs. Les agents chimiques concernent des substances chimiques qui ont en particulier une certaine affinité pour l'ADN. Les analogues des bases nucléiques sont particulièrement à craindre, car, du fait de leur ressemblance, ils peuvent les remplacer. Les agents biologiques sont des substances biochimiques produites par des organismes et pouvant entraîner des mutations.

9.3.2 Les mutations géniques

Bien que les mécanismes impliqués dans la réplication de l'ADN ou la synthèse des protéines soient très performants, et même s'il existe des enzymes qui peuvent réparer des erreurs produites, il se peut quelquefois que des erreurs surviennent et ne soient pas corrigées. Ces erreurs, qui sont en fait des modifications de la séquence des bases azotées sur l'ADN, peuvent avoir des conséquences plus ou moins graves pour la cellule : une erreur dans la séquence des bases sur l'ADN peut amener une erreur dans la séquence des acides aminés de la protéine. Ces erreurs sont appelées des mutations.

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Les conséquences d'une mutation ne seront pas les mêmes si elle touche des cellules somatiques ou des cellules germinales ou reproductrices (gamètes). Une mutation somatique aura des conséquences pour toutes les cellules issues de la cellule mère; elle restera limitée aux cellules auxquelles ces cellules appartiennent (à moins qu'elle se transforme en cancer et donne des métastases).

Une mutation germinale c'est-à-dire qui se produit dans les gamètes (spermatozoïdes ou ovules) pourra affecter la descendance de l'organisme; si elle provoque des effets graves sur le nouvel organisme on parlera de maladie héréditaire ou d’anomalie génétique. Elle pourra même être létale (mortelle) pour l'organisme.

Les mutations géniques ou ponctuelles ne touchent qu'un seul gène. On peut les classer en deux grandes catégories :

• Substitution : Il y a substitution quand une paire de bases complémentaires est remplacée sur l'ADN. Les conséquences de cette substitution ne sont pas les mêmes selon sa position sur le codon ou génon : si elle touche la troisième base du génon, elle est souvent sans conséquence, on la dit silencieuse car le code génétique est redondant et cette troisième base peut être remplacée sans que l'acide aminé qu'elle détermine change. Par contre, si elle se produit sur la première ou deuxième base, les chances sont beaucoup plus grandes de voir apparaître un acide aminé différent dans la protéine avec les conséquences nuisibles sur sa conformation et sa fonctionnalité. Il se peut aussi que le nouvel acide aminé substitué possède des propriétés semblables à celles de l'ancien, ou qu'il ne se trouve pas dans le segment protéique où il est essentiel pour la fonctionnalité de la protéine. Certaines substitutions pourront produire des génons d'arrêt (mutations non-sens), ce qui évidemment arrêtera le processus de transcription prématurément et il en résultera une protéine beaucoup plus courte de ce qu'elle devrait être et elle ne fonctionnera pas.

• Insertion ou délétion : Une insertion se produit quand une paire ou plus de nucléotides vient s'insérer dans un gène, alors que la délétion est la perte de paires nucléotides. Ces deux types de mutation amènent généralement une protéine non fonctionnelle. Elles provoqueront le décalage du cadre de lecture à toutes les fois que le nombre de nucléotides insérés ou enlevés ne sera pas un multiple de trois.

9.3.2.1 La mucoviscidose (fibrose kystique)Il s’agit d’une maladie héréditaire, d'évolution progressive, présente dès la naissance. Cette maladie est due à la présence d'un gène défectueux qui se trouve sur le chromosome 7. L'anomalie est de type récessif, autosomique. Les sujets qui héritent du gène par un seul de leurs parents sont porteurs du gène: ils n'en ont, en principe, pas connaissance et ne souffrent d'aucun symptôme. C'est la maladie autosomique la plus fréquente en Europe. Dans la population blanche, on considère qu'environ un individu sur 22 est porteur du gène. Le risque pour que l'homme et la femme d'un couple de population blanche soient tous deux porteurs est estimé à environ 1 sur 500. Chez les blancs, l'anomalie touche 1 enfant sur 2 000 environ. Dans les autres populations non blanches, la maladie est très rare. On met énormément d'espoir dans le génie génétique, mais pour l'instant la seule solution reste la greffe pulmonaire.

Symptômes Certaines glandes ne fonctionnent pas correctement. Les glandes de la muqueuse bronchique produisent un mucus épais en

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quantité excessive, qui ne s'évacue pas. Les bactéries restent accrochées à l'intérieur des poumons et trouvent un milieu propice à leur développement, ce qui a pour conséquences les symptômes suivants : toux chronique, respiration sifflante, glaires difficiles à évacuer, insuffisance respiratoire chronique. Le pancréas ne produit pas les enzymes qui interviennent dans la dégradation des graisses et dans leur absorption par l'intestin, avec, pour symptômes, une croissance et une prise de poids insuffisantes, des difficultés de transit, de digestion.

9.3.2.2 La drépanocytose (anémie falciforme)La drépanocytose est une maladie touchant les globules rouges du sang, dans laquelle un enfant ne peut être malade que si ses deux parents sont porteurs du gène (sur le chromosome 11) de la drépanocytose. C'est donc une maladie héréditaire autosomale, récessive, c'est-à-dire qu'elle atteint autant les filles que les garçons. C'est en fait une maladie des gènes (GAG devient GTG) de l'hémoglobine (protéine servant à la fixation de l'oxygène). Ces gènes conduisent à la formation d'une hémoglobine anormale (HB S) dont la présence dans les globules rouges leur confèrent une forme de faucille (blocage des capillaires) et conduit à leur destruction, et donc à une anémie très grave.

SymptômesLes personnes atteintes de drépanocytose sont sujets à accidents circulatoires, cardio-vasculaires (infarctus..), et cérébro-vasculaires. Il n'existe aucun traitement des causes pour cette maladie. C'est pourquoi l'essentiel du traitement consiste à la prise en charge des symptômes résultant des crises. La transfusion simple reste le seul traitement d'urgence en cas d'anémie profonde. La greffe de moelle est réservée aux cas les plus graves.

La drépanocytose est une maladie très répandue: on évalue à 250 en France le nombre de naissances annuelles d'enfants atteints de drépanocytose et à plus de 3’000 le nombre de patients drépanocytaires suivis en région parisienne. Aux Antilles et en Guyane il y a un nouveau-né sur 260 atteint de drépanocytose ; en Afrique Intertropicale, 1 nouveau-né sur 100. Cette maladie s’observe surtout parmi

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les populations noires d’Afrique et d’Amérique. La drépanocytose est ainsi répandue parce qu'à l'état hétérozygote, la présence du gène drépanocytaire contribue à protéger son porteur du paludisme (la présence de protéines d'hémoglobine anormales empêche le parasite Plasmodium de rentrer dans les globules rouges), et lui procure donc un avantage sélectif par rapport aux porteurs des gènes normaux AA, qui eux sont vulnérables au Plasmodium.

9.3.2.3 L'hémophilieL'hémophilie est une maladie héréditaire transmise par un gène récessif situé sur le chromosome sexuel X. A cause de ce gène défectueux, une des protéines nécessaire à la coagulation du sang est absente ou anormale. Il existe deux types d'hémophilie selon la protéine de coagulation défectueuse. On estime qu'un homme sur 10 000 est hémophile. Puisque le gène de l'hémophile est récessif, les hommes qui sont porteurs sont atteints, mais pas les femmes. L’anomalie n’est pas connue chez les femmes, vraisemblablement parce qu’à l’état homozygote ce caractère est létal.

SymptômesActuellement, il n'y a pas de remède définitif à l'hémophilie. Pour l'instant, lorsque les hémophiles se blessent, ils doivent s'injecter un produit appelé "facteur" directement dans une veine. Le produit circule dans les vaisseaux sanguins et répare les blessures. Les scientifiques fondent beaucoup d'espoirs en la thérapie génique. Grâce à ces techniques, il serait peut-être possible de remplacer ou de réparer le gène fautif, soit de prélever des gènes sains et les insérer dans les cellules des hémophiles.

génotype phénotypeXNXN Femme normaleXNXh Femme normale porteuseXhXh †XNY Homme normaleXhY Homme hémophile

N = normal ; h = hémophile

9.3.2.4 La myopathie de DuchenneLa myopathie de Duchenne est une forme de dystrophie musculaire progressive généralisée et héréditaire à transmission récessive liée au chromosome X (le locus responsable est situé sur le bras court du chromosome X ) débutant dans l'enfance et d'évolution grave. Seuls les garçons sont atteints et les femmes sont vectrices. La myopathie de Duchenne touche à la naissance un garçon sur 3500 chaque année en France. Les dystrophies musculaires progressives sont liées au même gène, le gène dit DMD de la dystrophine, le plus long connu de tout notre génome : il est en effet composé de 2,4 millions de paires de bases. Ce gène code pour la dystrophine, protéine du cytosquelette de la fibre musculaire. La dystrophine sert en effet à la bonne tenue et à la bonne cohésion des fibres musculaires entre elles. Sans elle, la fibre musculaire ne peut plus résister aux forces exercées lors de la contraction, et elle finit par dégénérer. Ce qui explique qu'un déficit en dystrophine soit la cause de l'atrophie musculaire progressive dans ce genre de maladie.

SymptômesUn enfant atteint de myopathie de Duchenne présente en général peu de signes de la maladie avant l'âge de 3 ans. Il marche parfois tard, tombe assez souvent et se relève difficilement. Au fil des années, la faiblesse musculaire progressive des membres et du tronc rend impossible la montée des escaliers, puis la marche vers 10-12 ans, et limite progressivement l'utilisation des membres supérieurs. En général, le recours occasionnel au fauteuil roulant est nécessaire vers l'âge de 8-9 ans, puis son utilisation définitive au début de l'adolescence permet au jeune garçon de retrouver une autonomie de déplacement. L'atteinte des muscles respiratoires rend l'enfant particulièrement sensible aux infections broncho-pulmonaires. Des troubles cardiaques sont fréquents (trouble de la conduction, du rythme).Un retard intellectuel est possible mais ne concerne qu'une partie des enfants atteints par la maladie. Grâce à une prise en charge globale et adaptée l'enfant atteint le plus souvent l'âge de 20 - 30 ans.

Traitements : Le traitement est avant tout palliatif : prévention des rétractions, apport des aides techniques, kinésithérapie, surveillance cardiaque, orthopédie. Cette prise en charge pluridisciplinaire est indispensable : elle permet à l'enfant de conserver sa qualité de vie en limitant les conséquences de la

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maladie. On parle aussi de traitements freinateurs. Ils permettent de ralentir la progression de la maladie (médicaments, massages, kinésithérapie, chirurgie, appareillage, ventilation, traitements nutritionnels).

9.3.3 Les mutations chromosomiques

Les aberrations chromosomiques touchent le nombre et la structure des chromosomes, donc plus d'un gène à la fois. Elles peuvent se produire lors de la méiose ou à la suite de graves perturbations physiques et chimiques. Les conséquences vont être graves pour les cellules et l'organisme qui subissent ces aberrations : si l'organisme survit, il manifestera le plus souvent une série de symptômes car les gènes sont en nombre anormal, soit en trop ou en moins.

DiagnosticCes anomalies chromosomiques sont révélées par l'établissement du caryotype après prélèvement de cellules embryonnaires ou fœtales (par amniocentèse, choriocentèse, biopsie du placenta, cordocentèse...). Ces cellules sont mises en culture et bloquées en métaphase de la mitose. A ce stade, les chromosomes sont bien visibles et parfaitement identifiables.

9.3.3.1 Nombre de chromosomes Des accidents peuvent se produire lors de l'appariement des chromosomes homologues durant la méiose. Normalement, il y séparation (disjonction) des chromosomes homologues et chaque nouvelle cellule en recevra un, elles sont alors haploïdes. Il peut arriver que la disjonction ne se fasse pas : une des cellules filles (gamètes) recevra alors deux exemplaires pour ce chromosome et l'autre aucun exemplaire. Il s'en suivra que lors de la fécondation, si c'est le gamète qui a deux exemplaires du chromosome qui s'unit avec le gamète du sexe opposé (celui en a un exemplaire), l'individu sera trisomique pour ce chromosome; si c'est le gamète qui n'en possède pas, l'individu sera monosomique pour ce chromosome. Il s'agit le plus souvent de trisomies (présence de 3 chromosomes d'une même paire au lieu de 2). Elles peuvent affecter toutes les paires d'autosomes (les trisomies les plus courantes concernent les chromosomes 13, 18, 21) et les chromosomes sexuels. Trisomie 21 ou syndrome de Down. Chaque cellule de l'organisme possède trois chromosomes 21 et par conséquent 47 chromosomes en tout. Sa fréquence est de 1,45 pour mille, soit 1 pour 700 naissances environ. Le risque de voir naître un enfant trisomique 21 augmente de façon exponentielle avec l'âge maternel. Il est de 1 pour 2000 à 20 ans ; il augmente peu à peu jusqu'à 30 ans ; il est de 1 pour 300 à 35 ans ; de 1 pour 100 entre 40 et 45 ans ; il atteint 1 pour 50 après 45 ans. La corrélation avec l’âge de la mère serait due à la diminution de l’efficacité de son système immunitaire. En effet, on estime que dans un couple normal, un embryon sur deux présenterait une anomalie génétique et serait éliminé par la barrière immunitaire de la mère. Comme cette immunité diminue avec l’âge, la proportion de naissances avec malformations augmente avec l’âge de la maman.

Phénotype Hypotonie, crâne petit et rond, nuque plate, visage rond avec profil plat, racine du nez plate, nez court et narines visibles de face, petite bouche, lèvres épaisses, oreilles petites et rondes, main large et trapue, doigts courts, peau marbrée et rêche, pied large, petit et plat avec des orteils courts. Les organes génitaux sont normaux. Certaines malformations viscérales sont fréquentes (cœur, appareil digestif, os). Le déficit mental de la trisomie 21 peut varier dans des limites assez larges, selon les individus. Il varie aussi en fonction de l'âge. En moyenne, le QI se situe à 50 à l'âge de 5 ans. Il décroît ensuite de façon progressive jusqu'à une valeur moyenne de 38 vers 15 ans. On peut aussi voir des malades avec des QI relativement élevés (70 - 80) et d'autres condamnés à une vie végétative. D'une manière générale, ce sont les facultés de raisonnement abstrait qui sont les plus touchées, alors que l'affectivité et la sociabilité sont relativement conservées, du moins chez l'enfant. Évolution : le poids et la taille des enfants restent inférieurs à la normale. La puberté se fait normalement dans les deux sexes. Les filles sont fécondes. Le pronostic vital est conditionné par les malformations cardiaques et digestives, la sensibilité aux infections... La trisomie 21 est la conséquence de la non-disjonction de la paire de chromosome n° 21 chez l'un des parents lors de la méiose. Cette non-disjonction peut aussi bien avoir lieu lors de la formation des spermatozoïdes que lors de la formation des ovules (1/4 des trisomies 21 sont dues à des spermatozoïdes anormaux). La non-disjonction peut se produire pendant la première ou la deuxième division méiotique. Si elle se produit pendant la méiose I, il en résulte trois chromosomes différents,

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alors que si elle survient pendant la méiose II, deux des trois chromosomes sont identiques, car un des chromosomes parentaux passe en double exemplaire dans le gamète. Chez l'homme, environ 70% des anomalies de la non-disjonction se produisent pendant la méiose I, environ 30% pendant la méiose II.

Trisomie 13 ou syndrome de Patau (1cas sur 9’000 naissances). L'individu présente un bec-de-lièvre, le palais fendu et bien d'autres anomalies graves (malformations cardio-vasculaires, malformations sévères du système nerveux central, malformations digestives, uro-génitales, anomalies oculaires graves..…). La plupart des enfants trisomiques 13 n'atteignent pas l'âge de trois mois.

Trisomie 18 ou syndrome d’Edwards (1 cas sur 5’000 naissances). On observe de nombreuses anomalies physiques (cœur, squelette) et un profond retard mental. Les anomalies des mains sont caractéristiques : les poings sont fermés, l'index recouvre le troisième doigt, le cinquième recouvre le quatrième. Les malformations cardiaques sont constantes. D'autres malformations sont souvent associées: poumons, reins, intestin etc. La survie moyenne est de 3 mois chez le garçon et de 10 mois chez la fille. Les malformations cardiaques sont presque toujours responsables de la mort de l'enfant.

Syndrome de Turner (1 cas sur 5’000 naissances). La formule chromosomique est: 45, X0. Cette anomalie est due à une non-disjonction des chromosomes sexuels, où un gamète normal (avec un exemplaire X) fusionne avec un gamète sans X.

Phénotype Il est rare que tous les signes suivants soient présents chez la même malade. Le phénotype complet est le suivant : petite taille (souvent apparente à la naissance, croissance lente), visage triangulaire, dents mal implantées, oreilles souvent basses, le cou est court, le thorax est déformé, les organes génitaux externes demeurent infantiles, pilosité pubienne réduite voire inexistante, atrophie des gonades, aucune cellule germinale, aucune formation folliculaire, les caractères sexuels secondaires n'apparaissent pas, des malformations (du cœur , des vaisseaux, des reins, du squelette, des organes des sens). Le développement psychomoteur est variable ; une débilité légère n'est pas rare, mais le QI peut atteindre également des valeurs élevées.

"Super femelle". La formule chromosomique est: 47, XXX. Ces femmes ne sont pas particulièrement féminines; elles souffrent dans certains cas de troubles d'apprentissage et donnent naissance à des enfants dont le nombre de chromosomes est normal.

Syndrome de Klinefelter (1 cas sur 700 naissances). La formule chromosomique est : 47, XXY. Présence d'un chromosome X surnuméraire.

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Phénotype La personne présente une atrophie testiculaire avec azoospermie (stérilité). Le plus souvent, le diagnostic est porté lors de la puberté. Elle peut présenter d'autres signes inconstants comme une musculature pauvre, une peau fine, une pilosité peu fournie, des bras et jambes généralement allongés de façon disproportionnée. Parfois, il y a présence de caractères sexuels secondaires féminins (les seins peuvent être apparents, les hanches larges, environ 20 % des cas). Une majorité de sujets ont un développement intellectuel normal, mais on note parfois des difficultés d'apprentissage. Ils peuvent éprouver des difficultés à s'adapter socialement et se trouvent parfois condamnés par les tribunaux pour des délits mineurs ou un comportement sexuel anormal.

Hommes à double Y (un homme sur 1’000 environ). La formule chromosomique et : 47, XYY)

PhénotypeIls sont plus grands que la moyenne, souffrent d'acné persistante et possèdent une intelligence souvent tout juste normale. Leur fertilité est normale.

Ces aberrations sont aussi dues à une disjonction non correcte des paires de chromosomes lors de la méiose.

9.3.3.2 Structure des chromosomes Il est possible que la structure physique normal d'un chromosome soit altérée lors du phénomène de l'enjambement pendant la méiose. Il s'en suivra que les gènes qu'il porte pourront subir divers types de réorganisations : des pertes, des gains, des inversions ou des translocations. Ces phénomènes causent la plupart du temps des effets néfastes et souvent entraînent la mort de l'organisme. Il existe cinq grands types de bris structuraux de chromosomes : • Délétion : La délétion est une perte d'un segment de

chromosome. Il manquera alors des gènes sur le chromosome d'où le segment s'est détaché.

• Duplication : La duplication est l'ajout d'un segment d'un chromosome à un autre. Ce dernier aura alors deux copies pour certains gènes.

• Inversion : Dans une inversion, un segment de chromosome se place à l'envers de sa séquence normale des gènes.

• Translocation : Dans la translocation, un segment de chromosome est transféré à un chromosome non homologue.

• Chromosome circulaire : Un chromosome circulaire est un chromosome dont les extrémités se souderont l'une à l'autre (souvent après que leurs parties terminales aient été enlevées). Ceci peut amener des problèmes lors de la division cellulaire pour ce chromosome.

La délétion du bras court du chromosome n° 18 entraîne des anomalies oculaires, des malformations du visage et une retard mental.

La délétion du bras court du chromosome n° 5 (un cas sur 50’000) entraîne un important retard mental et diverses malformations dont celle du larynx. Le malade émet des sortes de miaulement (d’où le nom de « maladie du cri du chat »). Ce miaulement disparaît le plus souvent au cours des deux premières années, la voix devient alors normale, mais conserve un registre aigu. D'autre part, il s'associe à cette dysphonie (difficulté d'émettre des sons) une microcéphalie (dimension de la tête inférieure à la normale), avec un visage rond et des fentes palpébrales (ouverture entre les paupières) obliques. Avec l'âge, la face devient allongée et asymétrique. Une délétion est létale chez un homozygote (les deux chromosomes homologues sont affectés). A l'état hétérozygote (un seul chromosome affecté), la délétion entraîne des anomalies mais pas la mort de l'individu.

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10 Transmission extra-chromosomique et empreinte génomique

La transmission des caractères (il serait plus juste de parler de transmission des gènes) se fait suivant différentes modalités:

- la transmission mendélienne des caractères: cette transmission suit les lois dites de Mendel:

. loi d'uniformité ou de réciprocité,

. loi de la pureté des gamètes ou disjonction des couples d'allèles,

. loi de la libre recombinaison des gènes;- les exceptions ou transmissions particulières: les exceptions aux lois de

Mendel comprennent:. la transmission liée au sexe,. la recombinaison des caractères liés (crossing-over),. les mutations (géniques et chromosomiques);

- la transmission extra-chromosomique: les gènes situés dans les plastes du cytoplasme (mitochondries, chloroplastes,...) se transmettent indépendamment des gènes situés dans les chromosomes du noyau) ; cette transmission se caractérise par:

. des différences réciproques,

. des transmissions non mendéliennes,. l'apparition/disparition de cellules mixtes (recombinaisons des supports héréditaires extra-chromosomiques).

- l’empreinte génomique (parentale) : chez les mammifères, certains gènes produisent un phénotype différent selon qu’ils proviennent de la mère ou du père.

- l’effet hétérosis ou la vigueur hybride (cf. 11.2)

10.1 Transmission extra-chromosomique

Pour illustrer cette hérédité extra-chromosomique, nous allons prendre deux exemples: le mulet et la belle-de-nuit.

Le mulet, principalement élevé au Sud de l'Europe et au Nord de l'Afrique, est spécialement approprié comme bête de trot et bête de somme dans les régions de montagne. Il s'obtient en croisant un âne et une jument. Le croisement réciproque entre une ânesse et un étalon donne un bardot, moins performant que le mulet. Le fait que les deux bâtards (hybrides) ressemblent plus à la femelle s'explique par la plus grande proportion de cytoplasme dans l'ovule que dans le spermatozoïde.Des expériences ont montré qu'il existe des gènes en dehors du noyau. On les nomme gènes extra-chromosomiques ou gènes plasmiques. Les supports de ces gènes sont les plastes (chloro-, chromo-, leuco-, chondroplastes, mitochondries).

Un autre exemple de transmission par les plastes concerne la transmission des taches chez beaucoup de plantes phanérogames. On parle de panachage. Lorsqu'on croise des plantes panachées (feuilles tachetées vertes et blanches) de kiz (Mirabilis jalapa) avec des plantes normales (feuilles entièrement vertes), seule la propriété du parent maternel sera transmise aux descendants. En effet, les plastes (dans ce cas les chloroplastes) sont transmis uniquement avec l'ovule riche en cytoplasme alors que le noyau spermatique, pauvre en cytoplasme, ne contient quasiment pas de chloroplastes.

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10.2 Empreinte génomique

Dans la génétique mendélienne, on a supposé qu’un allèle donné exerce un effet donné, qu’il soit transmis par la mère ou par le père. C’est probablement vrai dans la plupart des cas. Par exemple, lorsque Mendel croisait des pois à fleurs violettes avec d’autres pois à fleurs blanches, il obtenait des résultats identiques, que le parent à fleurs violettes ait fourni le gamète mâle ou le gamète femelle. Cependant, les généticiens ont identifiés récemment chez les mammifères certains caractères (y compris certaines maladies héréditaires humaines) dont l’expression dépend de l’identité du parent qui transmet l’allèle correspondant. Il ne s’agit pas de caractère lié au sexe, car les gènes en question peuvent se trouver ou non sur le chromosome X.

En considérant deux affections appelées syndrome de Prader-Labhart-Willi et syndrome d’Angelman, on remarque que les symptômes ne sont pas les mêmes. Le syndrome de Prader-Labhart-Willi se caractérise par l’arriération mentale, l’obésité, une petite taille, et des mains et des pieds particulièrement petits. Cette maladie génétique affecte 1 nouveau-né sur 12'000 à 15'000. Quant aux personnes souffrant du syndrome d’Angelman (1 bébé sur 100'000 est atteint), elles rient de façon spontanée et inattendue, ont des gestes saccadés et présentent d’autres symptômes sur les plans de la motricité et du développement mental. Les deux maladies semblent avoir la même cause : la délétion d’un certain segment du chromosome 15. Cependant, quand un enfant reçoit le chromosome défectueux de son père, il présente le syndrome de Prader-Labhart-Willi ; quand il le reçoit de sa mère, il a le syndrome d’Angelman. Il semble donc que les gènes de la région ayant subi la délétion aient des effets différents selon qu’ils se trouvent sur le chromosome maternel ou paternel.

Le mécanisme nommé empreinte génomique permet d’expliquer les différences entre ces deux syndromes, ainsi que d’autres phénomènes analogues. Il fait en sorte qu’un gène situé sur un chromosome donné soit « réduit au silence », pendant que son allèle (situé sur un chromosome homologue) est libre de s’exprimer. Chez les mammifères, certains gènes reçoivent une empreinte particulière à chaque génération, selon qu’il se trouve chez un individu de sexe masculin ou chez un individu de sexe féminin. Il semble que les empreintes paternelles et maternelles soient « effacées » dans les cellules germinales primordiales (les cellules productrices de gamètes) de la nouvelle génération et que tous les chromosomes reçoivent une empreinte selon le sexe de l’individu chez qui ils se trouvent. Il résulte de cela que les mêmes allèles peuvent avoir des effets différents selon qu’ils arrivent dans un zygote par l’ovule ou par le spermatozoïde.

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11 Génétique appliquée

La génétique est un mot récent qui remplace celui d’hérédité. Mais les pratiques sont anciennes.

11.1 Culture et élevage

Il existe 400 races de chiens qui descendent toutes du loup. Les catalogues de fleurs des grandes maisons horticoles nous offrent une grande diversité de plantes soit ornementales soit maraîchères comparée aux formes sauvages (p.ex. les roses et l'églantier). L'homme a produit cette diversité chez les animaux domestiques et chez les plantes cultivées par deux méthodes principalement: la sélection et le croisement.

11.1.1 La sélection

Lorsqu'il commença à planter des plantes sauvages et à élever des animaux sauvages, l'homme commença très tôt à les sélectionner, en utilisant pour cela la variabilité naturelle des êtres vivants. Il choisissait, parmi les plantes ou les animaux, ceux qui présentaient les caractères désirés.

La culture de plantes sélectionnées ou l'élevage d'animaux sélectionnés donne lieu à des succès lorsqu'il s'agit de variations génétiques (mutations, et recombinaisons lorsque différents génotypes se croisent), mais à des échecs lorsque ces variations sont dus à des facteurs environnementaux (modifications).

11.1.2 Le croisement

En croisant différentes variétés de blé, on obtient une nouvelle sorte qui comprend les propriétés des variétés de départ comme un rendement élevé, une résistance au froid, une tige robuste, etc. Ce blé résulte non d'une sélection mais de croisements. En croisant les génomes de différentes variétés, on réunit aussi bien des gènes de valeur que des gènes délétères. Un renforcement comme une détérioration des caractères désirés sont des résultats tout aussi probables l'un que l'autre. Selon les lois de l'hérédité, le choix des types recombinés commence à la génération F2 de même que la multiplication consécutive pour s'assurer de la pureté du génotype choisi.

Chez les animaux, l'élevage consanguin joue un rôle important. Chez les bœufs, par exemple, on croise des bâtards ou hybrides F1 avec les parents, cela pour obtenir dans un laps de temps le plus court possible la combinaison des gènes portant un intérêt. Comparé au croisement des individus F1 entre eux, le nombre des génotypes d'un croisement consanguin sera réduit. Avec 10 paires de gènes à la génération P, on obtient 310 (59'049) génotypes à la génération F2 tandis qu'un croisement consanguin d'individus F1 avec des individus P donne 210 (1'024) génotypes possibles. L'avantage réside dans la découverte plus rapide des gènes recherchés; par contre le désavantage de croisements consanguins réside dans une homozygotie plus rapide de gènes défectueux ou responsables de maladies.

11.2 L'effet hétérosis ou la vigueur hybride

Empreinte génomique chez les mammifères.

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Les éleveurs et les sélectionneurs (producteurs de semences) ont remarqué qu'en croisant différentes races d'animaux ou variétés de plantes ils obtenaient en génération F1 des individus d'une vitalité supérieure à celle des parents. Cet effet hétérosis d'individus hétérozygotes est d'autant plus prononcé que les parents sont de race ou de variété pure. Lorsqu'on croise les hybrides F1 entre eux, l'effet hétérosis se perd. C'est la raison pour laquelle les hybrides doivent être constamment renouvelés à partir de lignées parentales pures.

L'effet hétérosis est utilisé dans l'obtention des semences de tomates, oignons, betteraves, choux, concombres et d'autres plantes cultivées. On l'utilise également dans l'élevage de poules et de porcs.

La signification économique de l'utilisation de l'effet hétérosis ou des hybrides en agriculture est grande. Par exemple, un maïs hybride peut donner des rendements de 30% supérieurs aux rendements des lignées pures parentales. Mais trop souvent, le sélectionneur néglige, dans son processus de sélection, la prise en compte de gènes qualitatifs comme, par exemple, la résistance aux maladies et ravageurs, au profit de ceux du rendement. Résultat: des cultures ou des élevages vulnérables nécessitant des dépenses onéreuses en produits phytosanitaires ou vétérinaires pour palier à ces faiblesses.

11.2.1 Le blé hybride ou le bâtard surdoué

Si pendant longtemps une des préoccupations principales des dirigeants politiques était la production de céréales en suffisance, ces deux dernières décennies c'est plutôt leur excès qui leur pose problème, dans un monde où les gens continuent à souffrir de malnutrition et de faim. Malgré cette situation excédentaire au niveau mondial, nombres de recherches agricoles continuent à suivre le critère quantitatif du rendement, au détriment d'autres facteurs qualitatifs (résistance, tolérance). L'heure n'est plus seulement à la sélection et au croisement mais à l'hybridation. L'effet hétérosis qui confère à l'hybride une supériorité sur la moyenne de ses parents est l'aspect spectaculaire qui masque l'enjeu et les problèmes.

Dans le cas du blé, les semences sur le marché proviennent de lignées pures de génération F2

présentant les caractères recherchés, elles-mêmes résultant de croisements entre F1 hybrides qui eux résultent de lignées pures parentales. Les sélectionneurs qui enregistrent leurs variétés avant de les commercialiser occupent en France le 55% du marché, alors que le 45% restant est constitué par les semences de ferme. En effet le paysan réutilise une partie de sa production pour ressemer son champ, ce qui revient à 2 à 3 fois moins cher que la semence certifiée initiale. Cette situation n'est pas pour plaire aux sélectionneurs qui "inventent" les variétés.

Le blé est une plante autogame, qui s'autofécond. Lorsque l'agriculteur ressème une lignée pure classique, il n'a aucune crainte de voir sa récolte dégénérer.

Dans une variété hybride, il en va tout autrement. Lors de la fécondation de variétés hybrides F1, la génération F2 est hétérogène et donne naissance à des génotypes homozygotes et hétérozygotes. Les caractères récessifs et non désirables, dans le cas d'une homozygotie, s'expriment. S'il s'agit de gènes codant pour des caractères comme la susceptibilité aux maladies, la faible teneur en protéines ou autres, sa récolte peut subir des pertes quantitatives et qualitatives préjudiciables. Pour cette raison, l'agriculteur intéressé par les semences hybrides est tenu de les acheter chaque année: en terme économique, on parle de marché captif. Mais, le prix des semences hybrides est d'environ quatre fois supérieur à celui des meilleures semences classiques. Le sélectionneur a compris que le marché des semences hybrides est un marché naturellement protégé et prometteur. Pour cela, les agriculteurs doivent être convaincus des avantages des variétés hybrides, de la vigueur hybride prometteuse de rendements élevés.

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11.2.2 Obtention de variétés hybrides de blé

Pour obtenir un hybride, il faut féconder l'ovule d'une variété pure avec des grains de pollen (noyaux spermatiques) d'une autre variété pure. Or le blé est autogame. C'est la raison pour laquelle il faut rendre, de manière artificielle, l'une des deux variétés mâle-stérile afin d'obtenir une allofécondation qui s'accorde avec le but poursuivi. Parmi les méthodes de stérilisation se trouvent:

- la méthode manuelle: les étamines contenant les grains de pollen sont extirpés de la fleur avant maturité; cette méthode expérimentale n'est pas pensable à grande échelle;

- la méthode génétique: il existe un gène cytoplasmique responsable de la stérilité mâle dans une variété de blé sauvage qui, lorsqu'implanté dans les variétés qui intéressent le sélectionneur, s'exprime; cette méthode est trop complexe pour l'exploitation commerciale;

- la méthode chimique: certaines industries chimiques ont mis au point récemment des agents chimiques d'hybridation (ACH) capables de provoquer la stérilité mâle, sans toucher à la stérilité femelle. Ces agents sont appelés couramment des gamétocides (tueurs de gamètes); puisqu'un blé traité au gamétocide ne peut s'autoféconder, lorsque ses glumelles s'ouvriront, les stigmates des ovaires seront alors prêts à recevoir du pollen étranger provenant de l'autre variété de blé parentale; l'allofécondation ainsi réalisée donnera naissance à des semences hybrides recherchées.

11.2.3 Dangers économiques et écologiques

A l'heure actuelle, les entreprises chimiques gardent secrète la formule de leur gamétocide car elles entendent dominer le marché en achetant également des sociétés de production de semences. Les variétés de blé, dans leur diversité, étaient autrefois dans les mains des agriculteurs alors fort

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nombreux. Elles sont passées, en moins d'un siècle dans celles moins nombreuses des sélectionneurs qui étaient encore agriculteurs. Avec les hybrides, la partie se joue entre quelques "grands" de la chimie où l'agriculteur n'est plus maître de son champ ni de ses cultures. La terre devient un outil qui attend un travail "imposé", les agriculteurs propriétaires deviennent des "salariés sans assurance" de l'agrobusiness.

L'uniformisation en cours des variétés renferme en soi des dangers comme l'appauvrissement du patrimoine génétique. Aux Etats-Unis, sur 197 sortes de maïs, 6 sortes représentent le 71% des surfaces cultivées. Pour le haricot, 2 des 50 sortes disponibles occupent le 96% des surfaces. Un autre danger réside dans l'expansion rapide des maladies qui se transforment en épidémies dévastatrices. La réponse à ces dangers repose sur l'utilisation exagérée de pesticides. Non sans raison, l'industrie chimique propose des variétés tolérant ses propres herbicides!

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12 Biotechniques

La biotechnologie est ? l’ensemble des techniques de l’utilisation du vivant ou de ses produits à des fins industrielles?. Pour être plus précis, il s’agit de l’ ? application d’organismes, de systèmes [cellules] ou de procédés [molécules] biologiques dans l’industrie des produits et services. ? Ces biotechniques comprennent la culture de cellules et/ou tissus, le clonage et les cellules souches embryonnaires (CSE), la fécondation in vitro et le transfert d’embryons (FIVETE), le génie enzymatique, le génie génétique, la fusion cellulaire ou hybridome, l’amplification génique ou PCR, et la chimérisation. Elles sont interdépendantes pour la plupart d’entre elles. Le génie génétique, par exemple, n’a pas de sens sans culture de cellules et/ou tissus, laquelle est indispensable au clonage. Il en va de même pour le génie enzymatique. La chimérisation n’existerait pas sans la FIVETE, ni l’amplification génique sans génie enzymatique. La biotechnologie est un terme nouveau pour des techniques anciennes pour la plupart.

La culture de cellules est une culture in vitro de cellules non spécialisées (non différenciées) ou spécialisées. On parle de culture de tissus (tissu: ensemble de cellules différenciées de la même manière) lorsque les cellules restent liées entre elles après les multiples divisions. La culture de cellules végétales non spécialisées forme une masse, appelée cal. Un cal donne, une fois que les cellules se différencient, une petite plante. Ce cal peut être coupé en plusieurs morceaux, et chaque morceau, cultivé indépendamment, peut donner une petite plante. Le résultat est un clone, c’est-à-dire une multitude de plantes génétiquement identiques.

La production d’alcool (vin, bière, etc.), la fabrication du fromage et des yaourts, biotechnologie ancienne, repose en fait sur des cultures de cellules (bactéries, levures), tout comme les saumures. De même le rouissage du chanvre et du lin pour en extraire les fibres, ainsi que le tannage des peaux reposaient sur la multiplication et l’activité des bactéries sans le savoir. Les cultures de cellules et tissus (génétiquement modifiés ou non) servent aujourd’hui à la production de substances (enzymes, anticorps, médicaments, arômes, etc.), aux analyses de toxicité de certains produits, au clonage végétal (et animal dans une moindre mesure).

Le clonage est la production d’individus génétiquement identiques. L’ensemble de ces individus (cellules, animaux, végétaux) forment un clone. La culture de cellules animales spécialisées forme un tissu si les cellules restent liées entre elles, ou un clone si les cellules sont indépendantes. Le clonage animal repose sur la fécondation in vitro et le transfert d’embryons. Il se fait le plus facilement par isolation et mise en culture d’une cellule d’un embryon qui, par divisions, va donner un nouvel embryon, identique au premier. Il se fait également en prélevant le noyau d’une cellule embryonnaire, f?tale, voire adulte (cellule peu différenciée) et en l’introduisant dans une ovule fécondé dont on a préalablement retiré le noyau. Ce nouvel ovule est mis en culture et formé un embryon. Le clonage de cellules animales repose sur l’utilisation de cellules souches (CS), embryonnaires (CSE), f?tales (CSF) ou adultes (CSA), plus répandues que prévues.

Le clonage est une stratégie de multiplication d’abord naturelle. La reproduction par fragmentation des lentilles d’eau, par rhizomes des roseaux et des framboisiers, par stolons des fraisiers, par tubercules des pommes de terre, par bulbes des jonquilles n’est rien d’autre que du clonage. La multiplication végétative artificielle par bouturage (canne à sucre), par éclatage (dahlia), par marcottage (vigne) sont des techniques anciennes de clonage.

Aujourd’hui, le clonage est utilisé à la reproduction et multiplication rapide de cellules et de plantes (génétiquement modifiées ou non), destinées à l’industrie, à l’agro-alimentaire, à l’agriculture, voire à l’élevage pour les animaux.

La fécondation in vitro et le transfert d’embryons (FIVETE) consiste à prélever et à rassembler dans une éprouvette des ovules et des spermatozoïdes en vue d’une fécondation. L’ovule fécondé est mis en culture et forme, après quelques divisions cellulaires, un embryon qui est ensuite transféré dans l’utérus d’une femelle.

La FIVETE s’applique aujourd’hui aux bovins, aux caprins, aux ovins, aux porcins et aux équins, sans parler des humains. Elle sert principalement à la multiplication d’individus

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sélectionnés pour leurs caractéristiques génétiques. Elle est aussi utilisée pour la multiplication d’espèces en voie de disparition.

Le génie enzymatique repose sur l’utilisation d’enzymes pour la transformation de produits. Ces enzymes sont produites par culture de cellules clonées, souvent génétiquement modifiées.

Le génie enzymatique est utilisé pour la valorisation et transformation de certains produits bon marché en produits plus chers. La transformation de l’amidon de maïs en sucre (isoglucose), d’huile de palme en substituts de beurre de cacao, d’insuline de porc en insuline humaine en sont quelques exemples.

Le génie génétique consiste à identifier, isoler et transférer le matériel génétique (les gènes) d’une espèce à une autre. Cela est possible car le matériel génétique des êtres vivants, qu’il s’agisse de bactéries, de champignons, de végétaux et d’animaux, voire de virus (qui ne sont pas des êtres vivants à proprement parlé) est non seulement le même (il s’agit de l’ADN ou d’ARN pour les spécialistes), mais il a le même code, la même signification. C’est pourquoi un gène humain peut être compris donc exprimé par une bactérie, un gène animal par une plante, etc. L’expression d’un gène est toujours une protéine (enzyme, toxine, protéine de structure). Les organismes possédant un gène étranger sont dits recombinés ou transgéniques.

Le génie génétique est utilisé pour produire des médicaments, des vaccins, des tests de diagnostique (anticorps monoclonaux), pour traiter des maladies génétiques ou non (thérapies géniques), pour développer des plantes possédant des caractéristiques agro-écologiques (résistances aux maladies, aux ravageurs, aux stress [chaleur, sécheresse, salinité, froid], aux herbicides), agro-alimentaires (amélioration de la valeur nutritionnelle [composition en acides aminés, en acides gras, en amidon], amélioration de la transformation [présure], tests de dépistage [anticorps monoclonaux]), agro-industrielles (production de polymères [plastiques biodégradables], production d’huiles, de médicaments et de vaccins), pour produire des anticorps pour biocapteurs, des animaux transgéniques pour la recherche médicale ainsi que pour la recherche en sciences naturelles [biologie, génétique, évolution].

La fusion cellulaire consiste à fusionner une cellule cancéreuse (dont la caractéristique est la division cellulaire) avec un lymphocyte (cellule du système immunitaire) dont la caractéristique est de ne plus se diviser lorsqu’il produit des anticorps. Le résultat est un hybridome qui se divise, forme donc un clone, et produit des anticorps dits monoclonaux.

Les hybridomes servent à la production d’anticorps monoclonaux, outils indispensables en recherche médicale, biologique, agronomique, médicale, et produits de base pour les tests de dépistage (Sida par ex.).

L’amplification génique consiste à déceler et multiplier un gène ou une séquence de gène, présent en infime quantité sur un échantillon, pour en faire l’analyse. Elle repose sur l’utilisation d’une enzyme appelée polymérase d’où le nom anglais Polymerase chain reaction ou PCR.

L’amplification génique est un outil important en recherche paléontologique, anthropologique, médicale ainsi qu’en médecine légale.

La chimérisation est la production d’individus dont les cellules ont une double origine. On prélève, par exemple, des cellules embryonnaire d’un individus qu’on place dans l’embryon d’un autre. Ce nouvel embryon est dit chimérique et donne naissance à une chimère, c’est-à-dire un individu possédant des cellules de deux origines différentes.

Le greffage est une forme de chimérisation. Pratiquement tous les cépages du vignoble européen sont greffés sur des pieds de vigne américain depuis le siècle passé où le phylloxéra ruina des vignobles entiers. La chimérisation est utilisée en recherche en sciences naturelles [sciences du développement et de l’évolution], de même qu’en sciences médicales.

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