Première S - Cours 1 suite

EXPRESSION, STABILITÉ ET VARIATION

DU PATRIMOINE GÉNÉTIQUE

III. Relations complexes entre génotype et phénotype :

1°) Les différentes échelles d’un phénotype : Rappel : Le génotype (donc l’ADN) est responsable de la production de protéines résultant de la

polymérisation d’acides aminés en une ou plusieurs chaînes polypeptidiques.

a- Relation entre la séquence du polypeptide, la forme et la fonction de la protéine

L’étude de nombreuses maladies révèle que les phénotypes pathologiques sont généralement associés

à des protéines anormales (exemple de la drépanocytose)

L’ordre d’enchaînement de ces acides aminés définit la séquence de la protéine (=structure

primaire) Le repliement dans l’espace des chaînes polypeptidiques définit la structure spatiale de la

protéine (=structures secondaire et tertiaire) Plusieurs protéines peuvent s’associer pour former

un complexe protéique (=structure quaternaire)

Les protéines sont soit directement responsable du phénotype (ex de la drépanocytose) soit

indirectement en permettant la fabrication, la dégradation ou le transport d’une autre molécule (ex

des enzymes dans le cas des groupes sanguins)

b- Le phénotype peut être défini aux différentes échelles d’organisation du vivant.

Phénotype macroscopique décrit par observation morphologique, anatomique, physiologique ou

comportementale d’un individu ;

Phénotype cellulaire basé sur les techniques de microscopie ;

Phénotype moléculaire basé sur les techniques biochimiques ;

Ces différents niveaux d’expression du phénotype sont liés entre eux.

- Les molécules interviennent dans les structures et les activités cellulaires = le phénotype

moléculaire conditionne le phénotype cellulaire.

- L’organisme est constitué de cellules fonctionnant de manière intégrée = le phénotype

cellulaire à des répercutions sur le phénotype macroscopique.

Voir tableau fait en classe sur le cas de la drépanocytose

Structure primaire.

Séquence d’acides

aminés (= chaîne)

Structure secondaire.

Séquence d’acides

aminés prenant la forme

d’hélices et/ou de

feuillets

Structure tertiaire. Repliement de la séquence

d’acides aminés dans l’espace (liaisons fortes).

Acquisition de la

configuration spatiale

Structure quaternaire.

Association de plusieurs

séquences d’acides

aminés par des liaisons

faibles (liaisons

hydrogène)

LA STRUCTURE DES PROTEINES.

2°) Le polymorphisme des gènes à l’origine de phénotypes différents :

a- Les allèles :

Pour un gène donné (portion d’une molécule d’ADN codant pour une protéine donnée), il peut exister

différentes versions appelées allèles (voir le cours de seconde)

La différence entre deux allèles d’un même gène réside dans de légères différences dans la

séquence des nucléotides.

Deux allèles d’un même gène peuvent donc coder pour des protéines ayant des séquences d’acides

aminés différentes et donc qui peuvent avoir des propriétés différentes.

Ces protéines donneront donc des phénotypes différents appelés phénotypes alternatifs

b- Les phénotypes alternatifs :

Pour un caractère donné, il existe plusieurs phénotypes, qualifiés d’alternatifs.

Le phénotype le plus répandu dans la population est qualifié de « sauvage », ses variantes sont dites

« mutants ».

Puisque les protéines sont le support moléculaire du phénotype, les phénotypes alternatifs sont dus à

des différences dans les protéines concernées.

Différences moléculaires qualitative : différences sur la longueur, sur la séquence des acides

aminés, sur la structure spatiale de la protéine. (drépanocytose)

Différences moléculaires quantitatives : la protéine est fabriquée en plus ou moins grande

quantité ou n’est pas fabriquée. (phénylcétonurie)

Différences fonctionnelles : la protéine n’a pas la même activité biologique. (enzymes)

c- Expression des allèles dans un organisme :

La plupart des organismes possèdent dans leurs cellules 2n chromosomes. On dit qu’elles sont diploïdes.

Cela veut dire que dans chaque cellule, un chromosome est présent en deux exemplaires appelés

chromosomes homologues.

Ces chromosomes homologues possèdent les mêmes gènes mais ces gènes

peuvent être représentés par des allèles différents.

- Si les deux allèles sont identiques, on dit que l’individu est homozygote

pour ce gène.

- Si les deux allèles sont différents, on dit que l’individu est hétérozygote

pour ce gène.

D’autre part, lorsque les deux allèles sont différents, ils peuvent tous les deux

s’exprimer en même temps (deux protéines sont formées) On parle alors de

codominance des allèles (c’est le cas pour les groupes sanguins)

Si un seul des deux allèles s’exprime (une seule protéine est formée), on parle

d’allèle dominant pour celui qui s’exprime et d’allèle récessif pour celui qui ne

s’exprime pas.

Remarque : si l’individu est homozygote pour deux allèles récessifs, ceux-ci pourront s’exprimer.

3°) Un phénotype peut être gouverné par plusieurs gènes. Il est en fait très rare que la réalisation d’un phénotype ne nécessite qu’un seul gène (on parle alors de

phénotype monogénique) La phénylcétonurie en est un exemple. (Voir exercice)

La plupart des phénotypes nécessite presque toujours l’intervention de plusieurs gènes (phénotype

multigénique) exemple les groupes sanguins, la couleur de la peau …

Ainsi, un même phénotype peut

correspondre à plusieurs génotypes.

Exemple : un individu de phénotype

« groupe A » peut posséder les allèles

A et 0 ou seulement l’allèle A.

Autre exemple : l’albinisme.

Voir exercice 7 p.83

4°) L’expression du génotype peut être modifié par l’environnement : L’intervention d’une protéine dans la réalisation du phénotype peut dépendre des conditions de

l’environnement : les effets des gènes sont alors modulés.

Exemple 1 = la polymérisation de l’hémoglobine S (drépanocytaire) dépend de la température

ou du taux d’oxygène dans le sang (voir livre page 79)

Exemple 2 = la quantité de mélanine produite par la peau humaine dépend de la quantité de

lumière reçue (bronzage)

Exemple 3 = la couleur des poils de certains animaux (chats, lapins …) dépend de la température

du corps (leur tyrosinase est sensible à la t°)

Certaines molécules exercent une action inhibitrice ou activatrice sur l’expression de certains gènes.

Les produits de l’expression peuvent aussi être activés par des molécules dont l’action elle-même

dépend de l’environnement (ce sont souvent des enzymes …)

BILAN :

Comment les allèles se forment-t-ils ?

IV. Les mutations à l’origine du polymorphisme des gènes : 1°) Définition d’une mutation :

Une mutation est un processus biologique par lequel un allèle nouveau apparaît par modification d'un

allèle préexistant. C'est un phénomène :

- aléatoire (lié au hasard) ;

- rare (fréquence très faible)

2°) Localisation et nature des mutations :

Elles se font au niveau du nucléotide de l’ADN lors de la copie de la molécule (réplication).

Les mutations peuvent être de plusieurs types :

- substitution = remplacement d'un ou plusieurs nucléotides ;

- addition = insertion d'un ou plusieurs nucléotides ;

- délétion = suppression d'un ou plusieurs nucléotides.

3°) Conséquences des mutations :

- Mutation silencieuse = la traduction donne un acide aminé identique (aucun changement dans le

polypeptide)

- Mutation neutre = la traduction change l'acide aminé sans changer la fonction de la protéine

- Mutation faux sens = la traduction change l'acide aminé et provoque un changement de propriété

de la protéine.

- Mutation non-sens = la mutation donne un codon non-sens (codon stop), le polypeptide est écourté et

donc non fonctionnel.

Les mutations sont dites conservatrices dans la mesure où elles ne modifient pas les propriétés du

polypeptide.

Les mutations sont dites non conservatrices si elles entraînent un changement plus ou moins

important de la structure et donc de la fonction et des propriétés de la protéine (pouvant aller

jusqu’à la perte totale d’activité).

Les substitutions sont souvent à l’origine de mutations silencieuses ou neutres, plus rarement elles peuvent donner des mutations faux sens ou non sens

Les délétions ou et les insertions d’un nucléotide ou d'un nombre de nucléotides non multiples de trois aboutissent à un changement complet de la chaîne polypeptidique par modification du cadre de lecture. Elles sont très souvent responsables de mutations non sens.

4°) L’origine des mutations

a- Mutations et réplication de l’ADN

À chaque réplication de l’ADN en phase S, les ADN polymérases ajoutent 6 milliards de nucléotides

en respectant la complémentarité des bases azotées.

Ce mécanisme n’est pas infaillible et des erreurs peuvent apparaitre (voir les différents cas au 2°)

L’ADN polymérase se trompe peu, on estime qu’elle se trompe une fois pour 100 000 nucléotides insérés.

b- Les agents mutagènes

Ce sont des facteurs de l’environnement qui augmentent la fréquence des mutations. On distingue :

Les substances chimiques comme le benzène et certains colorants qui sont des molécules capables

de s’intercaler entre les nucléotides

Les radiations électromagnétiques comme les rayons X et les UV. Les UV modifie la structure de

l’ADN en formant des dimères de thymine ce qui perturbe le fonctionnement de l’ADN

polymérase. Ils sont à l’origine des cancers de la peau.

La cellule possède des systèmes de réparation de l’ADN

5°) Les mécanismes de réparation de l’ADN :

Une mutation est rarement réversible après la mitose mais, le plus

souvent, l'erreur est réparée avant.

Les cellules possèdent des systèmes enzymatiques capables de vérifier

l’ADN et de réparer les erreurs d’appariement. Ils interviennent

pendant et après la phase de réplication de l’ADN.

Plusieurs mécanismes peuvent intervenir pour réparer l’erreur :

Généralement, l’erreur est d’abord repérée et signalée par une enzyme

qui parcourt l’ADN puis une autre enzyme coupe le segment avec

l’erreur et une ADN polymérase remplace les nucléotides manquants.

D’autres mécanismes font intervenir une copie du brin correct pour

remplacer la partie erronée (voir doc ci-contre) Dans une cellule plusieurs douzaines d’enzymes de réparation

interviennent et corrigent 99.9% des erreurs.

Les erreurs qui persistent correspondent aux mutations.

Même si au départ la mutation porte sur un brin de l’ADN, lors de la

réplication suivante c’est une paire de nucléotides qui sera modifiée et

qui pourra se transmettre au cours des cycles cellulaires suivants.

6°) Le devenir des mutations

Une cellule qui subit une mutation et qui ne meurt pas va transmettre par mitose cette mutation à toute

une population de cellules (= clone cellulaire) porteuse de cette mutation. On obtient alors une zone

mutante dans l’organisme.

Deux cas sont possibles :

La mutation somatique qui touche les cellules du corps autres que les cellules sexuelles. Dans ce

cas la mutation disparaitra au plus tard avec la mort de l’organisme, elle ne sera pas transmise à sa

descendance.

Mais cette mutation peut être à l’origine d’un disfonctionnement localisé entraînant

parfois un cancer.

La mutation germinale qui touche les cellules à l’origine des gamètes (spermatozoïdes et ovules).

Il se forme alors un allèle nouveau pour le gène touché par la mutation. Ce nouvel allèle pourra

ensuite se répandre dans les générations suivantes.

Avec la formation de nouveaux allèles il y a un enrichissement du génome de l’espèce (= polyallélisme

des gènes).

Les mutations sont donc à l’origine de la biodiversité intraspécifique.

Beaucoup de mutations sont à l’origine d’allèles provoquant des maladies ou des dysfonctionnements.

Mais certaines mutations peuvent apporter une caractéristique favorable à l’individu qui la porte (on

parle d’avantage sélectif) Elles sont également à l’origine de la formation de nouvelles espèces et

contribuent donc à l’évolution.

Exemple de biodiversité intraspécifique la coccinelle asiatique (Harminia axyridis)