Retour à Partie 1 : Génétique et évolution

Chapitre 1 : l’origine du génotype des individus

I. La conservation des génomes : stabilité génétique et évolution clonale

Les différentes cellules produites par des mitoses successives à partir d’une cellule mère constituent un clone cellulaire qui peut être formé de cellules adhérentes entre elles formant un tissu solide (intestin, peau …) ou de cellules séparées (globules rouges, globules blancs, bactéries ….). Les mitoses assurant une transmission conforme de l’information génétique (cf 1eSpe), les cellules d’un même clone cellulaire partagent la même information génétique.

Cependant, des accidents génétiques peuvent se produire au cours de la réplication, comme des mutations (modifications ponctuelles ou non d’une séquence de nucléotides) ou des pertes de gènes (accidents chromosomiques). Si de tels accidents ne sont pas réparés, ils peuvent alors se transmettre aux descendants des cellules touchées, ce qui contribue à l’évolution clonale. Ces descendants cellulaires modifiés forment alors un ensemble appelé sous-clone. De telles modifications génétiques peuvent s’accumuler au cours des générations induisant une évolution importante et pérenne des sous-clones.

Rappels : voir cours 1ère Spé (transmission et variation du patrimoine génétique)

II. La reproduction sexuée contribue au brassage des génomes à chaque génération.

Le brassage génétique peut être défini comme le phénomène conduisant à l’apparition, dans une cellule ou dans un individu, de combinaisons d’allèles ou de gènes différentes de celles observées chez les cellules ou individus parentaux. La reproduction sexuée qui génère des individus différents entre eux (frères – sœurs) et différents de leurs parents, contribue donc au brassage génétique.

A. Fécondation et brassage génétique

La fécondation réunit deux gamètes haploïdes, portant chacun un seul lot de chromosomes (23 chez l’Homme) et donc un seul lot d’allèles. La fécondation aboutit à la formation d’une cellule-œuf diploïde et conduit ainsi au rétablissement de la diploïdie (reconstitution des paires de chromosomes). La cellule-œuf contient donc des paires d’allèles qui peuvent être identiques (homozygotie) ou différents (hétérozygotie) (on dit qu’un individu est homozygote ou hétérozygote pour tel gène).

La fécondation contribue donc au brassage génétique en créant des combinaisons originales d’allèles issues de la réunion aléatoire de deux gamètes.

En raison du caractère dominant ou récessif des allèles, la diversité du génotype ne s’exprime pas toujours au niveau du phénotype (deux génotypes différents pouvant conduire au même phénotype). En effet, un allèle dominant s’exprime systématiquement dans le phénotype alors qu’un allèle récessif ne s’exprime qu’en absence d’un allèle dominant (remarque : le caractère dominant ou récessif d’un allèle peut s’exprimer différemment selon le niveau du phénotype – exemple : TD2 – allèle i).

B. Méiose et brassage génétique

1. Les caractéristiques de la méiose : la méiose consiste en deux divisions cellulaires successives et inséparables, chacune d’elles étant scindée en 4 phases (prophase, métaphase, anaphase et télophase). La méiose affecte toujours des cellules mères diploïdes, dont les chromosomes possèdent deux chromatides (la méiose étant précédée d’une phase de réplication).

– la première division méiotique (ou division réductionnelle) consiste en une séparation des deux chromosomes homologues de chaque paire. Elle produit donc des cellules filles haploïdes, contenant n chromosomes à deux chromatides.

– la seconde division méiotique (ou division équationnelle) consiste en une séparation des 2 chromatides de chaque chromosome. Elle produit donc des cellules filles (toujours haploïdes), contenant n chromosomes à une chromatide.

Une méiose produit donc 4 cellules filles qui reçoivent chacune un seul des deux allèles portés par chaque paire de chromosomes de la cellule mère.

2. Méiose, brassages et combinaisons alléliques : à l’issue de la méiose, les 4 cellules filles produites sont génétiquement différentes. La diversité génétique des gamètes produits dépend du nombre de gènes à l’état hétérozygote étudié et de la localisation chromosomique de ces gènes : gènes indépendants car disposés sur des paires différentes de chromosomes ou gènes liés car portés par une même paire de chromosomes. A l’issue de la méiose, il existe :

– pour 2 gènes indépendants à l’état hétérozygote, 4 combinaisons alléliques équiprobables

– pour 3 gènes indépendants à l’état hétérozygote, 8 combinaisons alléliques équiprobables ; le nombre de combinaisons augmentant lorsque le nombre de gènes à l’état hétérozygote augmente (= 2n) ;

– pour 2 gènes liés à l’état hétérozygote, 4 combinaisons alléliques, mais les combinaisons parentales sont plus nombreuses.

Les différentes combinaisons alléliques possibles chez les gamètes résultent de phénomènes de brassage chromosomique qui se déroulent au cours de la méiose :

a. le brassage interchromosomique : ce brassage résulte de la disposition relative de chaque paire de chromosomes dans le plan équatorial lors de la métaphase 1. En effet, chaque paire de chromosomes peut se disposer selon deux positions aléatoires et équiprobables qui vont déterminer ensuite la cellule-fille qui sera héritière de l’un ou l’autre des chromosomes homologues. Ce brassage ne peut être mis en évidence qu’avec l’étude de la transmission de gènes indépendants, c’est-à-dire portés par au moins deux paires différentes de chromosomes. (voir TP4).

b. le brassage intrachromosomique : lors de l’appariement (=formation de paires) des chromosomes homologues à la prophase 1, il existe des zones de contact entre chromatides appelées chiasmas. C’est à ce niveau que peuvent se réaliser des échanges réciproques de fragments de chromatides également appelés crossing-over. A l’issue du crossing-over, les deux chromatides d’un même chromosome ne possèdent plus la même information génétique. Les crossing-over ne peuvent avoir lieu qu’entre 2 chromatides de 2 chromosomes homologues et uniquement lorsque les deux chromosomes homologues sont réunis (prophase 1).

L’existence d’un crossing-over entre deux gènes permet l’apparition d’une nouvelle combinaison d’allèles et donc la formation de chromatides différentes des chromatides originales (portées par la cellule mère). Ce phénomène ne peut donc être mis en évidence qu’avec l’étude de la transmission de gènes liés, c’est-à-dire portés par la même paire de chromosomes.

Une cellule-mère diploïde, possédant deux couples d’allèles (AB//ab), portés par la même paire de chromosomes, produit donc 4 types différents de gamètes :

2 gamètes de type parental, car leurs chromosomes contiennent des combinaisons alléliques identiques à celles portées par les chromosomes de la cellule mère (donc identiques aux combinaisons alléliques de chacun des « parents » de la cellule mère). Les cellules haploïdes de type parental sont en proportion importante car la majorité des méiose se réalise sans crossing-over;

2 gamètes de type recombiné, dont les chromosomes portent une nouvelle combinaison allélique (aB et Ab). Ces deux types ont été générés par les crossing-over. La fréquence d’apparition de ces types recombinés est faible car les méioses avec crossing-over sont rares (voir TP5).

III. Les méthodes et les apports de l’analyse génétique

A. L’analyse génétique et son approche statistique

L’exploitation de résultats de différents croisements, réalisés chez des espèces à descendance abondante (drosophiles, pois, …), peut permettre de déterminer les caractéristiques de la transmission héréditaire des caractères observables : gènes liés ou indépendants ; gènes portés par des autosomes ou non.

Les études reposent souvent sur un croisement initial entre individus de lignée pure, généralement complété par des croisements-tests. Selon les résultats de ces différents croisements, il est possible de déterminer le nombre de gènes impliqués et leur localisation chromosomique.

B. L’analyse génétique dans le cas de l’espèce humaine

Dans l’espèce humaine, compte-tenu du faible nombre de descendants, il n’est pas possible de disposer de données statistiques pour déterminer les caractéristiques de la transmission héréditaire des phénotypes. L’analyse s’appuie alors sur une étude au sein de la famille (arbre généalogique), en appliquant les principes de transmission héréditaire des caractères.

Le développement de techniques de biologie moléculaire (séquençage de l’ADN, amplification des gènes) permet aujourd’hui d’accéder facilement et rapidement au génotype de chaque individu comme à ceux de ces ascendants et descendants. L’utilisation de bases de données informatisées permet d’identifier des associations entre certains gènes mutés et certains phénotypes.

IV. Les accidents génétiques de la méiose participent à la diversification du génome

A. Anomalies chromosomiques provoquées par un mouvement anormal des chromosomes

Certains individus possèdent un caryotype anormal, caractérisé par une anomalie du nombre de chromosomes appelée anomalie chromosomique. Par rapport au caryotype normal (46, XX ou 46, XY), l’individu possède alors un chromosome supplémentaire dans une paire (= trisomie) ou au contraire un chromosome absent dans une paire (= monosomie). Exemple : trisomie 13, trisomie 18, trisomie 21, syndrome de Klinefelter (47, XXX); syndrome de Turner (45, X); la plupart sont des trisomies; les monosomies étant létales sauf si elles concernent les chromosomes sexuels (syndrome Turner).

Ces anomalies apparaissent après fécondation lorsqu’un des gamètes impliqués apporte un nombre anormal de chromosomes (22 ou 24 chromosomes). Cette situation s’explique par une anomalie de la séparation des chromosomes au cours de la 1ère division ou des chromatides au cours de la 2de division.

B. Anomalies chromosomiques provoquées par un crossing-over inégal

Dans certains cas, les deux chromosomes homologues qui sont appariés en prophase sont décalés, ce qui engendre, lors d’un éventuel crossing-over, un échange « inégal » de fragments de chromatide. Dans ce cas, à la fin du crossing-over, une des chromatides recombinées est privée d’un ou plusieurs gènes et l’autre chromatide recombinée possède un ou plusieurs gènes en plus. Le crossing-over inégal conduit donc à une duplication génique (=copie d’un ou plusieurs gènes).

Lorsqu’une fécondation implique un gamète porteur d’un tel chromosome, un zygote peut donc porter ce type d’anomalie (gènes surnuméraires ou gènes absents). En règle générale, la perte d’un gène étant létale, le chromosome dépourvu d’un ou plusieurs gènes ne se maintient pas dans la population puisque les zygotes porteurs de ce type d’anomalies ne peuvent se développer. En revanche, le gain d’un gène n’est pas dangereux. Il peut même représenter un avantage pour l’individu et, dans ce cas, le chromosome porteur d’une copie d’un gène se maintiendra au cours des générations .

Ce mécanisme est à l’origine des familles multigéniques qui réunissent chacune différentes copies d’un gène ancestral, chaque copie ayant évolué ensuite par mutations successives. Ces différentes copies, qui présentent donc une origine commune, possèdent des similitudes importantes dans leur séquence. Chez l’Homme, on a identifié différentes familles multigéniques, comme les globines (protéines de transport de l’O2), les hormones hypophysaires ou les opsines (pigments rétiniens).

Les conséquences de ces deux types d’anomalies chromosomiques sont donc variables :

– les anomalies chromosomiques sont très souvent létales, donc elles ne se maintiennent pas dans la population;

– les duplications géniques et les mutations qui suivent peuvent permettre la formation de nouvelles protéines et éventuellement de nouvelles fonctions biologiques. Ces dernières peuvent générer des potentialités nouvelles, susceptibles d’être maintenues dans les populations et les espèces. Il s’agit donc d’un mécanisme génétique important pour la diversification et l’évolution des espèces.

Histoire de la famille multigénique des globines

Rappels : étapes de la mitose