Quelques définitions et notions génétiques pour commencer

• Le GÈNE, unité de fonction du matériel héréditaire, est l'information qui code pour un caractère, en général une protéine. La notion de gène existait longtemps avant la découverte de l'ADN, c'est à dire longtemps avant qu'on en connaisse le support moléculaire et physique (Mendel, 1865 / Watson et Crick, 1953)

• Le LOCUS est l’emplacement du gène sur le chromosome

• Les ALLÈLES sont les différentes séquences du même gène que l'on peut trouver à cet endroit, qui correspondent à différentes protéines déterminant un même caractère. Ils sont souvent créés par mutation ou ils correspondent à des formes différentes du même gène (notion de série pluriallélique)

• Le GÉNOTYPE d’un individu à 1 locus donné est l'ensemble des allèles que possède cet individu à ce locus, soit 2 allèles pour les individus diploïdes, et 1 allèle pour les haploïdes

– un génotype homozygote possède des allèles semblables au locus considéré– un génotype hétérozygote possède des allèles différents au locus considéré

• Le PHÉNOTYPE d’un individu est l’expression de son génotype dans un environnement donné ce qui produit le caractère observable chez cet individu

• La DOMINANCE l’effet phénotypique d’un allèle (récessif) est masqué par un autre allèle (dominant), et le phénotype de l’hétérozygote est alors celui de l’homozygote dominant

• La CODOMINANCE le phénotype de l’hétérozygote est intermédiaire entre les phénotypes des deux homozygotes, et on a 1 génotype = 1 phénotype

Le support de l’hérédité

• L’ADN est contenu dans les chromosomes sous la forme de long filaments très fins et très compactés

• Les chromosomes sont situés dans le noyau des cellules vivantes

• ADN humain = 3 x 109 nucléotides (A, T, C ou G)

• ADN des virus = qq milliers de nucléotides

• ADN du blé = 16 x 109 nucléotides

• ADN de la Pomme de Terre = 840 x 106 nucléotides

• ADN du riz = 450 x 106 nucléotides

• ADN d’Arabidopsis thaliana = 125 x 106 nucléotides

• ADN de la levure de boulangerie (Saccharomyces cerevisiae) = 12 x 106 nucléotides

• ADN de l’agent de la malaria (Plasmodium falciparum) = 12 x 106 nucléotides

• ADN d’une entérobactérie (E. coli) = 4 x 106 nucléotides

Support de l’information génétique = ADN = Acide DésoxyriboNucléique

Le support de l’hérédité• Le fonctionnement des gènes

Transcription TraductionSon activité est particulièrement responsable du phénotype observé

Le support de l’hérédité• Le code génétique est UNIVERSEL

Les mutations: moteurs de l’évolution

• Exemples de mutations: les mutations géniques

Les mutations: moteurs de l’évolution

• Exemples de mutations: les mutations chromosomiques

Comment sont transmis les gènes à la descendance ?

• Diploïde = 2n : 1 n du père et 1 n de la mère

Voir la présentation de Herman Höfte pour le détail

Schéma du réseau d’interactions responsable du phénotype observé

D’autres notions génétiques…• Létalité : notion qui est rattachée à l’existence d’un type particulier

d’allèles qualifiés de « létaux » qui se manifestent par la mort de l’individu porteur avant sa maturité (en période pré- ou post-natale)– Si allèle dominant : mort rapide de l’individu hétérozygote et disparition de

l’allèle létal de la population (pas d’individus porteurs)

– Si allèle récessif : mort rapide des individus homozygotes mais maintien desindividus hétérozygotes « porteurs » (peuvent présenter des altérations par rapport au « sauvage »)

• Redondance : c’est la capacité pour un gène ou le produit d’un gène de compenser au moins partiellement la perte de l’activité d’un autre gène non allélique (voir exemple de jeudi matin à propos du métabolisme de l’amidon)

• Pléiotropie : résultat de la mutation d’un gène chez un individu qui conduit à l’apparition de plusieurs modifications phénotypiques apparemment non liées entre elles.– exemple de la biosynthèse de l’amidon: pois lisses et ridés de Mendel!

D’autres notions génétiques…• Epistasie : c’est un phénomène

d’interaction génique qui s’établit chaque fois que 2 gènes ou plus codent des enzymes qui catalysent différentes étapes de la même voie de biosynthèse

Génotypes gA+ - /gB

+ - gA+- /gB

- gB- gA

-gA- / gB

+ - gA-gA

- /gB- gB

-

Proportions classiques

gA+ gA

- /gB+ gB

- x gA+ gA

-/gB+ gB

-9 3 3 1

Epistasie dominante 12 (P2) 3 (P3) 1 (P1)

Epistasie récessive 9 (P3) 3 (P2) 4 (P1)

gèneenzyme (en) produit des gènes correspondants

gX+ gB

+gA+

eBeAeX P1P (précurseur) P3 (produit final)P2

gX+

gB+

gA+

eB

eA

eX P1P

(précurseur)

P3

P2

Epistasie dominante

Epistasie récessive

Exemple d’épistasie récessive du métabolisme de l’amidon: mutation au niveau de l’ADPGlucosepyrophosphorylase qui synthétise le nucléotide sucre précurseur de la synthèse du polymère de réserve.

gA+ domine sur gA

- et gB+ domine sur gB

-

Notion de gènes orthologues et paralogues

• Séquences homologues:Orthologues et Paralogues sont 2 types de séquences homologues

• L’ Orthologie définit des gènes dans différentes espèces qui drivent d’un ancêtre commun.

• Des gènes orthologues peuvent ou non avoir la même fonction

• La Paralogie définit des gènes homologues à l’intérieur d’une même espèce. Ces gènes ont divergés suite à un phénomène de duplication.

2 gènes paralogues « initiaux » issus d’un événement de duplication ancestral

Div

erge

nce

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ours

de

l’évo

lutio

n

pour

don

ner d

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ènes

orth

olog

ues

Génétique classique et Génétique inverse : quelle

différence?• Génétique classique : c’est l’observation et la description

d’un phénotype particulier engendré par une mutation qui va servir de base à l’identification fonctionnelle d’un gène et de son produit (le plus souvent une protéine)

= Démarche à l’aveugle mais ouverte

• Génétique inverse : c’est l’analyse de l’impact sur le phénotype consécutive à la modification dirigée d’un gène sélectionné (génotype)

= Démarche sélective et prédéfinie

Génétique classique ou inverse ?analyse comparative

• Génétique « classique »

Le « plus » :

1. Facile à mettre en œuvre (faire de la mutagenèse)

2. Permet de découvrir des fonctions inconnues (approche « a priori »)

Le « moins » :

1. Requiert le criblage de milliers de clones mutants (pas toujours facile selon l’organisme étudié)

2. Nécessite l’existence d’un crible phénotypique simple, rapide et efficace

3. Limitée par la redondance fonctionnelle ou l’absence de phénotype facilement observable

• Génétique « inverse »Le « plus » :1. Limite les problèmes de détection phénotypique liés particulièrement aux redondances fonctionnelles2. On s’intéresse tout de suite à la fonction souhaitéeLe « moins » : 1. Requiert l’existence de collections de mutants2. Le génome de l’organisme étudié doit être décodé3. Ne permet pas de découvrir des fonctions inconnues dans le métabolisme étudié(approche « a posteriori »)4. Nécessite une connaissance préalable du métabolisme étudié

Comment mettre en œuvre la génétique inverse à grande échelle chez les plantes?

• L’exemple d’Arabidopsis thaliana– On a détourné la fonction normale d’une séquence particulière, l’ADN-T, provenant de la bactérie phytopathogène Agrobacterium tumefaciens

Un exemple: la collection de mutants d’insertion de l’INRA de Versailles

* Insertion aléatoire de l’ADN-T modifié d’A. tumefaciens

* Séquençage des extrémités flanquant le site d’insertion de l’ADN-T (FST)

* Mise à disposition des FSTs sur Internet

Permet la recherche de mutants d’intérêt in silico

• Environ 40.000 FST disponibles dans la collection de Versailles• A travers toutes les collections de mutants du Monde: 350 000 mutants étiquetés dispo avec les FST correspondantes (environ 26 000 gènes chez A. thaliana)

Transformation d’A.thaliana par l’ADN-T modifié d’A. tumefaciens

Plante T0 (WS)

Graines T1

Plantes T1Hémizygotes pour l’ADN-T

Graines T2

Transformation (suspension Agrobacterium +

Silwet)

Sélection sur terreau + BASTASeules les graines bastaR sont en

capacité de croître sur un tel milieu

Auto-pollinisation

¼ WT ½ Hétérozygotes ¼ Mutants

Certaines graines possèdent une copie de l’ADN-T intégrée dans leur génome nucléaire

Ce sont ces graines qui sont maintenues dans les collections et dont certaines sont transmises aux chercheurs qui en font la demande

Homozygote WT+/+

Homozygote mutant-/-

Hétérozygote+/-

ADN-T

ADN-T

ADN-T

Pas de bande

Couple« rouge »

Couple« bleu »

Pas de bande

Couple« rouge »

Couple« bleu »

Couple« rouge »

Couple« bleu »

Sélection des lignées mutantes par une stratégie de double PCR

Copie « WT » Copie « ADN-T »

Pour résumer surArabidopsis thaliana

• Génome nucléaire totalement décodé et annoté (125 Mb organisés en 5 chromosomes; environ 26 000 gènes)

• Vastes collections de mutants étiquetés par insertion d’un dérivé de l’ADN-T

• Large collection d’ESTs (418 202 au 01/03/2005)

• Croissance rapide, croisements facilement réalisables, infrastructures légères (pièces de culture confinées et/ou serres)

• Modèle végétal particulièrement adapté à l’approche de génétique inverse

D’autres modèles végétaux ?• Le riz : même type d’approche que pour Arabidopsis

thaliana. Génome totalement décodé, vastes collections de mutants d’insertion engendrées par l’utilisation d’une forme modifiée de l’ADN-T

• Le maïs : mutagenèse insertionnelle par le transposon « mu » modifié (RescueMu). Génome non séquencé. Production d’une Gene-Machine (machine à gènes) pour permettre la sélection d’individus mutants à partir d’un gène d’intérêt (existence de collections de graines mutantes

• La pomme de terre : stratégie des ARN antisens…Intéressante mais a ses limites (problème lié àl’extinction incomplète de l’activité des gènes)