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Chapitre 1 : Transmission et variation du patrimoine génétique


Cancer Cells Dividing, Biology, McDougal Littell, 2008

Introduction

Les divisions cellulaires sont des mécanismes qui interviennent au cours du développement embryonnaire, puis lors du renouvellement des cellules ou des tissus (sang, peau, intestin ….). Même si les cellules se divisent, les caractéristiques chromosomiques et génétiques des cellules se maintiennent. En effet, le nombre de chromosomes (donc le caryotype) et l’information génétique portée par les cellules, restent constants entre chaque génération cellulaire. L’identité génétique d’un individu est donc conservée au cours de sa vie.

Chez tous les organismes eucaryotes, organismes dont les cellules possèdent un noyau, l’information génétique est portée par des structures identiques et universelles, les chromosomes. Les cellules humaines possèdent ainsi, dans leur très grande majorité, 46 chromosomes, organisés par paires d’homologues. Pour cette raison, ces cellules sont qualifiées de diploïdes (on note ces cellules 2n=46, avec n, nombre de paires). Seuls les gamètes (ovules et spermatozoïdes) disposent de 23 chromosomes, soit 1 chromosome de chaque paire (on les note n=23). Les gamètes sont donc qualifiés de cellules haploïdes.

Nous allons chercher à comprendre comment l’information génétique des cellules diploïdes de l’organisme peut être transmise de manière conforme entre génération cellulaire et déterminer les mécanismes particuliers permettant la formation des gamètes, au caryotype différent.

I. Division cellulaire et transmission de l’information génétique

A. Le cycle cellulaire

On appelle cycle cellulaire la période comprise entre la formation d’une cellule et sa propre division. Un cycle cellulaire est toujours constitué des mêmes étapes :

l’interphase, elle même scindée en 3 phases G1 – S – G2. L’interphase se caractérise par un doublement du nombre de chromatides de chaque chromosome, réalisé par réplication ou duplication de l’ADN au cours de la phase S (=synthèse). Pendant l’interphase, l’ADN est sous forme décondensée, les chromosomes ne sont donc pas visibles.

la mitose : cette phase est marquée par une séparation des deux chromatides de chaque chromosome et se termine par la formation de deux cellules filles. Pendant cette phase, les chromosomes sont visibles car l’ADN qui les constitue est sous forme condensée.

Ainsi, le cycle cellulaire est marquée par une alternance de l’état de l’ADN (condensé-décondensé) et du nombre de chromatides par chromosome.

Le cycle cellulaire en images : Dossier sagascience-CNRS

Pour aller plus loin : le cycle cellulaire et sa régulation

B. La mitose, une division cellulaire conforme

La mitose est la phase de répartition homogène des chromosomes dans les deux cellules filles et elle s’effectue après une interphase qui est indispensable pour la bonne répartition du matériel génétique.

La mitose se réalise en 4 étapes, consécutives et inséparables :

– la prophase : phase marquée par la condensation de l’ADN et donc l’apparition des chromosomes, tous constitués de deux chromatides.

– la métaphase : phase marquée par le positionnement des chromosomes dans le plan équatorial de la cellule. Cette disposition caractéristique est liée à la formation du fuseau mitotique, structure temporaire constitué de filaments sur lesquels sont fixés les chromosomes.

– l’anaphase : phase marquée par la séparation des chromatides sœurs qui se déplacent guidées par les filaments constituant le fuseau mitotique.

– la télophase : phase marquée par le regroupement de deux lots de chromosomes (à 1 chromatide) aux deux pôles de la cellule. Les deux cellules filles se séparent définitivement (=cytodiérèse) pendant que l’ADN se décondense.

A l’issue d’une mitose, les deux cellules filles conservent donc leur caractéristique chromosomique (chez l’Homme, cellules à 2n=46 chromosomes). Seule la composition des chromosomes a été modifiée (de 2 chromatide en prophase à 1 chromatide en fin de télophase).

La mitose en live !

La mitose : une animation dynamique

C. La méiose, une division non conforme à l’origine des gamètes.

La méiose est une double division cellulaire qui permet la formation des cellules haploïdes chez l’Homme, c’est-à-dire les gamètes. Seule la 1ère division de méiose est précédée d’une réplication de l’ADN.

1ère division de méiose : constituée des 4 étapes (prophase, métaphase, anaphase et télophase), elle est marquée par la séparation des deux chromosomes de chaque paire. Ainsi, les deux cellules filles formées sont haploïdes (n=46 chromosomes) et sont donc génétiquement différentes entre elles.

2de division de méiose: également constituée de 4 étapes, elle se caractérise par la séparation des deux chromatides de chaque chromosome (comme au cours de la mitose).

La méiose aboutit donc à la formation de 4 cellules haploïdes possédant chez l’Homme, 23 chromosomes à 1 chromatide.

Ressource : étapes de la mitose étapes de la méiose

II. La structure des chromatides

Chaque chromatide est constituée d’une molécule d’ADN associée à différentes protéines, dont les histones. Ces dernières sont responsables de la structure de l’ADN et en particulier de son état de condensation. Ainsi, la transition entre l’état décondensé de l’ADN en interphase et son état condensé pendant la mitose, s’explique par des modifications qui affectent les histones.

L’ADN est une molécule constituée de deux brins complémentaires enroulées l’un autour de l’autre. Chaque brin est constitué d’une suite de nucléotides, dont il existe 4 types différents déterminés par la base azotée (adénine, cytosine, guanine et thymine). Ces bases sont complémentaires 2 à 2, déterminant des liaisons spécifiques : l’adénine est toujours associée à la thymine et la cytosine est toujours associée à la guanine. La complémentarité des deux brins d’une molécule d’ADN est donc déterminée par la complémentarité des nucléotides qui constituent ces brins.

III. La réplication de l’ADN

A. Les mécanismes de la réplication semi-conservative

La réplication ou duplication de l’ADN consiste en la synthèse de deux molécules d’ADN à partir d’une molécule d’ADN parentale. Cette synthèse se réalise pendant la phase S (synthèse) de l’interphase et nécessite l’intervention d’une enzyme, l’ADN Polymérase.

Au début de la réplication, les deux brins de la molécule d’ADN se séparent. Puis, l’ADN Polymérase assure la mise en place progressive et ordonnée des nucléotides sur chaque nouveau brin d’ADN (ou brin néo-formé) en respectant la complémentarité entre les nucléotides du brin parental et du nouveau brin d’ADN.

A l’issue de la réplication, chaque molécule d’ADN conservant 1 brin de la molécule d’ADN originelle, la réplication est qualifiée de semi-conservative.

Ressource : la réplication de l’ADN

Replication … in english !

B. Les conséquences de la réplication de l’ADN

A l’issue de la phase S, la molécule d’ADN qui forme les deux chromatides d’un même chromosome est génétiquement identique. Elle est également identique à la molécule d’ADN originelle. A la fin de la mitose, les deux cellules filles récupérant chacune une des deux chromatides sœurs, seront donc génétiquement identiques entre elles. Ainsi, les cycles cellulaires produisent donc des cellules génétiquement identiques qui constituent un clone cellulaire.

IV. Les mutations de l’ADN

A. Des modifications variées de l’information génétique

L’information génétique de nos cellules est organisée en gènes (environ 30000 chez l’Homme) qui correspondent à des fragments de l’ADN, précisément localisés sur nos différents chromosomes. Ces gènes contrôlent nos caractères héréditaires.

Si tous les humains partagent les mêmes gènes, ils se distinguent par leurs allèles, versions particulières d’un même gène. Les allèles d’un même gène possèdent des séquences nucléotidiques très semblables mais qui se distinguent par quelques différences. Ces modifications de la séquence correspondent à des mutations. Les mutations sont donc à l’origine de la diversité des allèles.

On distingue différents types de mutations, selon la nature de la modification de la séquence d’ADN : substitution : remplacement d’un nucléotide par un autre ; addition d’un ou plusieurs nucléotides ; suppression ou délétion d’un ou plusieurs nucléotides.

B. Les origines des mutations

Certaines mutations sont spontanées et aléatoires. Dans ce cas, elles surviennent au cours de la réplication par dysfonctionnement de la réplication contrôlée par l’ADN-Polymérase (environ 1 erreur pour 1000000 de nucléotides recopiés).

La fréquence des mutations peut être amplifiée sous l’effet de facteurs mutagènes (substances chimiques, rayonnements …). Ces derniers agissent en perturbant la réplication ou en modifiant la structure même de la molécule d’ADN. Ces actions peuvent conduire à la mise en place d’une séquence d’ADN différente de la séquence d’origine.

Enfin, on inclut dans les mutations les modifications du génome induites par l’Homme en particulier dans le cas de la transgenèse (transfert d’un gène étranger dans le génome d’une espèce) ou les exemples de thérapie génique (insertion d’un allèle sain dans une cellule humaine pour pallier une anomalie génétique).

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C. Les mécanismes de réparation

Différentes enzymes permettent de détecter et de réparer spontanément des erreurs, telles que les anomalies d’appariement (une base positionnée en face d’une base non complémentaire). Cependant, ces réparations ne sont pas totalement efficaces et certaines mutations ne sont pas corrigées par ces enzymes.

D. Les conséquences des mutations

Si une mutation n’est pas correctement réparée, elle se maintient alors dans la cellule mutée et ses conséquences varient selon le type de cellule mutée et la nature de la mutation :

1. influence du type de cellule mutée :

– si la cellule mutée appartient à la lignée germinale, c’est-à-dire aux cellules à l’origine des gamètes, la mutation pourra éventuellement être transmise à la descendance de l’individu et deviendra alors héréditaire. Le nouvel allèle créé pourra se répartir dans les générations futures et contribuer ainsi à la biodiversité génétique de la population.

– si la cellule mutée appartient à la lignée somatique, donc aux cellules autres que les futurs gamètes, la mutation ne sera transmise qu’aux éventuelles cellules filles de la cellule mutée, donc au clone cellulaire issu des divisions successives de cette cellule.

2. influence de la nature de la mutation :

– certaines mutations n’ont aucun effet sur le phénotype des cellules et de l’individu,

– certaines mutations sont à l’origine de caractéristiques nouvelles pour l’individu aux effets très variables : apparition de cancers, de maladies génétiques mais aussi d’aptitudes nouvelles.

Institut Curie : les effets des mutations des gènes BRCA