Nature, transmission et expression de l’information

génétique

I : A la recherche du support matériel de l’hérédité

A : Caractéristiques d’une information génétique et évolution des idées

• Une des caractéristiques du vivant est le maintien dans le temps des

structures (caractères, attributs) et des fonctions :

o Au sein d’un même individu

o De générations en générations

Ces caractères se transmettent de générations en générations.

Simpson family

Ils sont spécifiques

La discipline qui étudie l'hérédité biologique est la génétique

(William Bateson, 1906 utilise le terme génétique).

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• D’un point de vue historique l’héritabilité des caractères a été expliquée de

différentes manières :

➢ Antiquité : les fils héritent des pères les caractères : pouvoir, arc et

flèches…, intervention de facteurs extérieurs comme le vent d’ouest etc. (il faut du

temps pour définir les concepts : acquis, inné ne sont pas encore séparés)

➢ Aristote, IV av JC : Il y a un dessein dans la nature ; déterminisme ; la

matière ne peut pas s’auto organiser ; la femme fait une matière informe et la

semence du père lui donne forme et l’anime (le papa met une petite graine dans le ventre de la

maman : une telle métaphore donne à l'enfant l'idée qu'il est issu de la graine du père et que la mère n'a été qu'un terreau

nourricier.)

➢ XVII, avènement du microscope : théorie de la préformation

(préformationnisme versus épigenèse) avec l’homoncule

➢ L’idée la plus répandue jusqu’au début du XXe siècle était celle du mélange

des caractères. Prenons, par exemple, la couleur des yeux d’un enfant. On pensait

que la couleur des yeux résultait du mélange des couleurs des yeux de ses parents.

➢ XIX, Mendel (1865 ; Moravie, d’abord empire d’Autriche puis Austro-Hongrois, act.

République tchèque) : travail sur sept caractères (forme et couleur de la graine, couleur de l'enveloppe, etc.) des pois comestibles, dont chacun peut se retrouver sous deux formes différentes (états de caractère). Quand il croise des pois jaunes avec des pois verts, il obtient toujours des pois jaunes. Chez les petits pois, l’état de caractère jaune domine le vert : uniformité des hybrides de première génération

Mais quand Mendel décide de recroiser entre eux les pois jaunes, il obtient, contre toute attente,

des pois jaunes et des pois verts, toujours dans les mêmes proportions : trois plants de pois

jaunes pour un plant de pois verts. L’état de caractère caché, récessif, la couleur verte,

réapparait à la deuxième génération : ségrégation indépendante des états de caractère

héréditaires

Il en déduit que ce n'est pas l’état de caractère qui se transmet lors de la

reproduction, mais des "facteurs" (un de chaque parent ; dominant ou

récessif) responsables de ces états de caractère.

De plus, les état de caractère ne se mélangent pas. Ils gardent toujours une

identité séparée. Le concept de l'hérédité par mélange est réfuté.

Pisum sativum

Homunculus de Hartsoeker (1694)

Histoire de la procréation humaine : Croyances et savoirs dans le monde occidental Broché – 7 novembre 2012 de Jacques Gonzalès (Auteur) Albin Michel

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August Weismann postula en 1883 l'existence d'un support

matériel de l'hérédité.

En 1909, Wilhelm Johannsen fait la différence entre l'aspect d'un être, l’ensemble

de ses caractères (phénotype) et l’information qui permet l’expression, la

mise en place de ces caractères (génotype).

Chaque individu est l’expression d’une information génétique.

Problème : D'où provient l'information nécessaire à la mise en place des caractères d'un individu ?

• Nécessité de localiser l’information :

➢ Théorie cellulaire au XIX : La cellule est l’unité structurale,

fonctionnelle et reproductrice des êtres vivants. Elle a la propriété de se

diviser :

✓ Espèces unicellulaires : multiplication asexuée

✓ Espèces pluricellulaires : édification et maintien de l’organisme

Fin XIX et début XX la découverte de la mitose et de la méiose et les travaux de Morgan suggèrent que le noyau et les chromosomes jouent un rôle prépondérant dans la transmission des caractères. (Le modèle de séparation des chromosomes supporte tout à fait la théorie de Mendel) https://www.youtube.com/watch?v=xvOll8rRQSg https://www.canal-u.tv/video/cerimes/mitose_dans_l_endosperme_iii_b_1.10798

B : Quelques expériences historiques

1) Expériences de Griffith (1928) : la transformation bactérienne

• Présentation du matériel d’étude

Au tableau schéma bactérie

Avantages : cycle rapide de reproduction, mise en culture, gain d’espace.

2 souches de Pneumocoques (streptocoques) :

- S, smooth (lisse) : pathogène avec capsule protectrice (capsule faite de

mucopolysaccharides ; élément majeur de la virulence car inhibe la

phagocytose)

- R, rough (rugueuse) : non pathogène sans capsule

Schéma d’un procaryote

Griffith 1936, anglais

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• Protocole expérimental et résultats :

L’expérience de Griffith Souche S : souche de Streptococcus pneumoniae capsulée. Souche R : souche de Streptococcus pneumoniae non capsulée. Expérience 1 : injection de la "souche S". Septicémie mortelle due à des bactéries de type S retrouvées dans le sang des cadavres (mises en culture) Expérience 2 : injection de la "souche R". La souris survit Expérience 3 : injection de la "souche S tuée". La souris survit Expérience 4 : injection d'un mélange "souche S tuée" et "souche R". Septicémie mortelle due à des bactéries de type S retrouvées dans le sang des cadavres (mises en culture)

On cultive couramment les bactéries sur des milieux nutritifs solides. Il s'agit généralement d'une gelée additionnée d'éléments nutritifs qu'on dépose au fond d'un contenant plat. Sur ces milieux, chaque bactérie déposée se multiplie rapidement et forme un amas dense de bactéries identiques. Ce sont ces amas de bactéries que l'on appelle des colonies.

Colonies de bactéries sur un milieu

solide. Chaque petit point est une colonie résultant de la multiplication d'une bactérie ensemencée à cet endroit.

2 souches de Pneumocoques qui différent au niveau d’1 caractère

(pathogénicité) qui se présente sous deux états de caractère différents

(virulence ; absence de virulence) aux deux échelles phénotypiques

observables : échelle phénotypique macroscopique, aspect des colonies

(lisses, virulence ; rugueuses, absence de virulence), et échelle phénotypique

cellulaire (capsule, virulence ; absence de capsule, absence de virulence).

Protocoles

expérimentaux

Résultats

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• Interprétation ?? (voir correction sur Gépi)

2) Expériences d’Avery (1944) (McCarty et MacLeod) :

• Protocole expérimental et résultats :

Il isole différentes fractions moléculaires (criblage, screening) et réitère pour

chacune d’elles les expériences de Griffith. La transformation des souches R n’est

réalisée qu’avec l’ADN.

De plus, la DNAse anéantit ce pouvoir, alors que la RNAse ou des protéinases le

laisse intact.

• Interprétation ?? (voir correction sur Gépi)

L'ADN est le facteur transformant mis en évidence par Griffith

La découverte d’Avery a été accueillie avec beaucoup de scepticisme.

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Remarque : notion de bactéries compétentes (protéines de surface) ; hydrolyse

d’un des brins d’ADN et l’énergie qui en découle permet l’introduction de l’autre

brin ; recombinaison homologue

3) Expériences de transduction : Hershey et Chase, 1952

Au tableau schéma du phage

Étapes de la transformationÉtapes de la transformation

entrée de l’ADN

3’

complexe nucléoprotéique19,5 kDa (Morrison et Mannarelli, 1979)

ADN chromosomique

recombinaison homologue ADN transformant

RecA

Oswald Avery

médecin américain d'origine

canadienne

Alfred Hershey and Martha Chase

Schéma d’un bactériophage T2

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• Protocole expérimental et résultats :

Mise en place de 2 populations virales : l’une rendue radioactive au niveau de l’ADN du phage

avec du 32P et l’autre au niveau des protéines du phage avec du 35S.

Le phosphore est présent dans l'ADN mais dans aucun des acides aminés composant les

protéines.

Le soufre est présent dans les protéines (au niveau de deux acides aminés, la cystéine et la

méthionine) mais est absent de l'ADN

La fabrication des nouveaux virions s'effectue à l'intérieur de la bactérie qui éclate en

dispersant les virus dans le milieu extérieur.

Dans leur première série d'expériences, Hershey et Chase ont tout d'abord infecté une souche

d’Escherichia coli avec des phages dont l’ADN était marqué avec du 32P et ont pu observer la

présence de radioactivité, et donc d'ADN du phage, dans le cytoplasme de la bactérie.

Dans leur deuxième série d'expériences, ils ont infecté la souche d’Escherichia coli avec des

phages dont les protéines étaient marquées avec du 35S. À la suite de l'infection de la bactérie

E. coli, ils ont ensuite, après un certain temps de contact, détaché les capsides des cellules

infectées en utilisant un mélangeur à haute vitesse, puis séparé les capsides virales (ghosts)

des bactéries à l'aide d'une centrifugeuse.

Après la séparation, le traceur radioactif 35S a été observé dans les capsides, mais pas dans

les bactéries infectées.

Localisation des différentes parties du phage (capside et ADN) au niveau d’E.coli : - la radioactivité liée au 35S est localisée à l'extérieur d’E.coli (figure a) - la radioactivité due au 32P est localisée à l'intérieur d’E.coli (figure b)

Schéma d’un bactériophage T2

200 nm

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• Interprétation ?? (voir correction sur Gépi)

l’ADN est le matériel héréditaire et non les protéines

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Au tableau schéma du cycle lytique

Description du cycle lytique : 30 mn

Fixation

Injection

Phase d’éclipse

Phase précoce

Phase de synthèse

Phase de

maturation

Libération :

50 à 200 ; lyse

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Remarques :

- le virus se comporte comme un parasite strict ; il détourne le métabolisme

cellulaire à son profit (absence d’ARN) (Rq. : hydroxyméthylcytosine qui permet

de différencier l’ADN viral du bactérien)

- molécules transductantes : gènes bactériens insérés dans l’ADN du phage et

transmis à d’autres bactéries ; évolution

4) Bilan partiel : caractéristiques d’un matériel génétique

Ces expériences révèlent que c’est bien l’ADN qui est le support matériel de

l’information permettant aussi bien la transformation bactérienne que la

multiplication des phages.

• L’ADN dirige l’activité cellulaire. Les caractères qui se manifestent sont

spécifiques de l’organisme d’où provient l’ADN (souche bactérienne d’origine

ou du phage).

• L’ADN permet la transmission de ces caractères de générations en

générations cellulaires ou virales.

Ces caractères font intervenir des protéines : enzyme intervenant dans la

fabrication de la capsule bactérienne ; protéines structurales de la capside.

Remarque : ce sont des phénomènes de parasexualité : recombinaisons génétiques

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5) Précisions sur le rôle du noyau chez les Eucaryotes

a) Mérotomie chez l’amibe

A

B

Division

Dégénérescence

Expérience historique

(1930) de mérotomie

chez l’amibe

• Interprétation ?? (voir correction sur Gépi)

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b) Mérotomie et greffes chez les algues acétabulaires (Hämmerling, 1936)

Organismes unicellulaires (facilitent l’expérimentation) mais qui sont toutefois

suffisamment différenciés, complexes pour en discerner les caractères.

• Protocole expérimental et résultats de la mérotomie :

Acetabularia

Présentation du matériel d’étude : Acetabularia mediterranea et

Acetabularia crenulata ; formes jeunes et adultes

Espèce A

Acetabularia

Mediterranea

Espèce B

Acetabularia

crenulata

Formes adultes Formes juvéniles

chapeau

pédoncule

noyau dans la

partie basale

2 cm

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Le noyau permet la régénération complète de l’algue puis assure les fonctions

vitales. Il a un pouvoir morphogène : mise en place des caractères structuraux.

Le cytoplasme présente également un pouvoir morphogène (il contient donc des

informations permettant l’expression des caractères : ARN ?) mais ne peut assurer seul sur le

long terme la survie de l’individu.

Outre son rôle morphogène et fonctionnel (assure les fonctions vitales), le noyau

détermine de façon spécifique la mise en place des caractères ainsi que leur

transmission de générations en générations.

Mérotomie chez une forme jeune de A. mediterranea

Greffes croisées de noyaux entre deux espèces d’Acétabulaires

Section

Formes juvéniles

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c) Expériences modernes

Protocole expérimental :

Résultat : On obtient des veaux BM

Réalisez un schéma présentant les aspects essentiels du protocole expérimental et du résultat. Réalisez-en de façon rigoureuse l’interprétation (aidez-vous en rappelant le protocole et les résultats).

Expérience de transfert de noyau

Cellule

embryonnaire

https://www.youtube.com/watch?v=DTr1yhZqT0c https://www.youtube.com/watch?v=_VVvMmydZSM https://www.youtube.com/watch?v=O2N2De61h8Q

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Expérience de transfert de noyaux dans des ovules énucléés entre vaches de races différentes

• Interprétation : ?? (voir correction sur Gépi)

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Expérience de clonage : Dolly, 1996 Ecosse Quelle différence constatez-vous par rapport à l’expérience précédente ?

Notion de cellule mère et de cellule filles, de cellules différenciées et indifférenciées

Toutes les cellules d’un même organisme possèdent la même information génétique.

Bilan : L’information qui permet la mise en place des caractères d’un individu pluricellulaire se trouve au niveau du noyau de chacune de ses cellules. Cette information est appelée information génétique : ensemble des informations permettant l’expression des caractères spécifiques et leur transmission de génération en génération. Quelle est la structure du noyau cellulaire ? Comment l'information contenue dans le noyau peut-elle être transmise identique à elle-même d'une génération cellulaire à la suivante ?