Thème 1A : Expression, stabilité,

variation du patrimoine génétique

Introduction:

Des cancérologues veulent stocker les

cellules souches des ouvriers de

Fukushima Le Monde.fr avec AFP | 15.04.2011

Virginie Marquet-lycée français de Vienne

Problématique

- Toutes les cellules ont le même caryotype, mais ont-elles la même

information génétique ?

- Comment l’information génétique s’exprime-t-elle dans une cellule ?

- Quelle est l’origine des mutations ?

-Qu’est-ce que le cancer ?

I/ Reproduction conforme de la

cellule et réplication de l’ADN

A/ Les chromosomes au cours du cycle

cellulaire

TP1 : Le matériel génétique au cours du

cycle cellulaire.

Activités

• Réalisation de préparations microscopiques (racines d’ail) préparation aux ECE

• Observation de différentes phases du cycle

cellulaire chez des organismes variés.

La mitose est classiquement divisée en plusieurs phases permettant de comprendre le phénomène :

• prophase (pro : en avant)

La chromatine du noyau se condense et les chromosomes à deux chromatides deviennent visibles au microscope optique, l’enveloppe nucléaire se déchire.

• métaphase (meta : transformation)

Les chromosomes à deux chromatides sont condensés au maximum et alignés, centromères sur l’équateur de la cellule. L’ensemble des chromosomes alignés forme une plaque équatoriale.

• anaphase (ana : en haut)

Clivage des centromères de chaque chromosome et séparation des chromatides de chaque chromosome qui migrent chacune en un sens opposé vers chaque pôle cellulaire.

• télophase (télos : fin)

Les chromosomes à une chromatide se décondensent, l’enveloppe nucléaire se reforme dans chaque nouvelle cellule fille et le cytoplasme se sépare. La cytodiérèse (séparation en deux du cytoplasme) sépare les deux nouvelles cellules et marque la fin de la mitose.

Conclusion

B/ Le prélude nécessaire à la

mitose : la duplication de l’ADN TP 2 : La duplication de l’ADN

Conclusion

Un cycle cellulaire est la succession d’une interphase et d’une mitose.

• La mitose est la division d’une cellule (cellule mère) en deux cellules filles identiques : les caractéristiques du caryotype (nombre et morphologie des chromosomes) sont conservées.

• Au cours de ce cycle cellulaire, les chromosomes, supports de l’information génétique, présentes des états de condensation variable qui ne les rendent visibles qu’au moment de la mitose.

• L’interphase est constituée de plusieurs étapes : G1 (croissance cellulaire), S (doublement des chromosomes) et G2 (préparation de la mitose). Les chromosomes sont décondensés lors de l’interphase et sont sous forme de chromatine, invisible au microscope optique.

II/ Variabilité génétique et mutation de l’ADN

Comment expliquer la variabilité génétique

entre les cellules et les individus?

TP3 : Les mutations de l’ADN, à l’origine de

la variabilité

A/ Les mutations sont des

modifications aléatoires de l’ADN

Activité 1 TP3

Tache complexe: Xeroderma Pigmentosum

Problématique

- Comment cette maladie se manifeste-t-elle ?

- Quels sont les effets du rayonnement ultra-violet sur les cellules de la peau ?

- Quels sont les effets des UV sur l'ADN ?

- Pourquoi les protéines réparatrices sont-elles efficaces chez la plupart des individus et peu (ou pas) efficaces chez les individus xérodermiques ?

- Quelle relation y-a-t-il entre gène et protéine produite dans la cellule ?

• Le phénotype macroscopique dépend du phénotype cellulaire, lui-même induit par le phénotype moléculaire.

• Le phénotype malade comporte des aspects macroscopiques qui s’expliquent par la modification d’une protéine.

• En général les modes de vie et le milieu interviennent également, et le développement d’une maladie dépend alors de l’interaction complexe entre facteurs du milieu et génome.

• On limite les effets de la maladie en agissant sur des paramètres du milieu.

Conclusion Pendant ou en dehors de la réplication de l’ADN, des modifications

spontanées de nucléotides peuvent survenir.

L'unité de mutation d'un gène est le nucléotide (En moyenne 1 mutation spontanée et aléatoire pour 1 milliard de nucléotides répliqués).

II existe trois types de mutations (voir séquence du gène xpc3):

-les substitutions d'un nucléotide par un autre,

-les additions ou ajouts d'un ou plusieurs nucléotides

-les délétions ou pertes d'un ou plusieurs nucléotides.

Les mutations peuvent affecter un gène :

• d’une cellule somatique (mutation non héréditaire non transmise à la descendance qui disparaît à la mort de l’individu)

• D’une cellule germinale qui se différencie en gamète (mutation héréditaire transmise à la descendance). Les mutations germinales sont la source de l’apparition des différents allèles des gènes et donc à l’origine de la biodiversité génétique des espèces (biodiversité individuelle), l’un des trois niveaux de biodiversité du monde vivant.

B/ Des agents mutagènes de l’environnement augmentent

les probabilités de mutations

Activité 2 TP3

• Saccharomyces cerevisiae,

souche ade2 (incapacité à

synthétiser l'adénine)

Photo et texte d’après www.didier-pol.net/4MUT-LEV.html

Les colonies blanches observées

correspondent à une mutation dont

l'effet phénotypique est la disparition

du pigment rouge.

Colonie blanche – colonie rouge

La chaîne de biosynthèse de l'adénine et les mutations ade

La mutation ade 2

Lorsqu’une levure possède la mutation ade 2, l’interruption de la chaîne de

biosynthèse au niveau de l’enzyme 6 a pour conséquence que l’AIR n’est pas

transformé en CAIR et qu’il s’accumule dans les cellules: cette substance

conduit à un pigment rouge.

Sous UV, le gène ade2 subit une mutation (mutation réversion) qui restaure

l’activité de l’enzyme 6, ce qui rétablit la couleur crème.

Temps

d’exposition

Nombre

total de

clones

Nombres

de clones

blancs

% de blanc

0 seconde 3100 0 0

15 secondes 1700 1 3 0,7

30 secondes 520 7 1,34

60 secondes 40 3 7,5

120

secondes

7 1 14

Résultats obtenus

Des facteurs de l’environnement comme les

ultraviolets, les rayonnements radioactifs,

des produits chimiques (benzène…)

augmentent les fréquences des mutations.

• Pendant la réplication de l’ADN

surviennent des erreurs spontanées et

rares, dont la fréquence est augmentée

par l’action d’agents mutagènes. L’ADN

peut aussi être endommagé en dehors de

la réplication.

C/ Réparation de l’ADN

Activté 3 TP3

Des allèles mutés pour le gène Xpa, ou pour le gène Xpc chez les individus atteints de Xeroderma pigmentosum

Un système de réparation qui fait intervenir des protéines

spécifiques

Exemple : protéine de réparation codée par le gène Xpa localisé

sur le chromosome 9, ou par le gène Xpc localisé sur le

chromosome 3.

Un système de réparation normalement très efficace : 80 %

de l’ADN réparé en 15 mn)

Un système de réparation défaillant

chez les personnes atteintes de

Xeroderma pigmentosum le taux

de réparation n'est que de 10%.

Le plus souvent, les modifications sont

réparées par des systèmes

enzymatiques. Certaines modifications

échappent au système de réparation et

deviennent des mutations. Si la mutation

n’est pas létale, elle sera transmise aux

cellules issues des divisions de la cellule

mutée (clône)

Les U.V. peuvent provoquer des mutations dans l’ADN (erreurs lors de la réplication de l’ADN)

Il existe dans la cellule une protéine capable de réparer les erreurs de l’ADN

Des mutations qui surviennent dans la cellule et qui ne sont pas réparées peuvent être à l’origine de cancers

Y a-t-il d’autres agents mutagènes responsables de cancers ?

Comment des mutations peuvent aboutir à des cancers ?

Ces nouvelles mutations peuvent-elles se transmettre ?

III/L’expression du patrimoine génétique

A/ Les protéines sont le support des phénotypes moléculaires

Les acides aminés sont des petites molécules organiques (C, H, O =vivant)

azotée (N) constitutives des protéines possédant :

une fonction acide : COOH;

une fonction amine : NH2;

une chaîne latérale ou radical dont la nature (acide, soufrée basique…)

détermine les propriétés de chaque acide aminé.

Il existe 20 acides aminés nécessaires pour fabriquer les protéines qui diffèrent

par leur radical R. Chez l'Homme 8 acides aminés sont indispensables et

doivent être amenés par l’alimentation.

Valine

Une protéine est caractérisée par :

• le nombre d’acides aminés qu’elle contient (ex:

séquence protéique de la protéine de

reconaissance),

• la séquence de ces acides aminés qui

détermine sa structure primaire (multitude de

combinaisons possibles entre les 20 acides

aminés ce qui explique la diversité des

protéines) Une protéine peut être constituée de

plusieurs chaînes peptidiques.

• une configuration spatiale tridimensionnelle

qui résulte du repliement de la structure primaire

et dépend donc de l’ordre d’enchaînement des

acides aminés.

Conclusion:

La fonction d’une protéine dépend de sa

structure spatiale tridimensionnelle,

elle-même déterminée par sa séquence

en acides aminés. Des modifications de

la séquence des acides aminés peuvent

avoir des répercussions sur l’activité

de la protéine, ce qui peut entraîner des

modifications du phénotype au niveau

cellulaire et donc macroscopique.