Chapitre 2 Le brassage génétique et sa contribution à la diversité génétique

Chapitre 2 Le brassage génétique et sa contribution à la diversité génétique

(3 semaines)

Page 10 à 33 du livre nathan + plan de travail classe inversée.

Introduction :

On repart du cycle de développement de la plante. On positionne la fécondation, la méiose.

On fait de même avec le cycle de reproduction de l’Homme. Cycle à construire de manière collaborative.

Les organismes pluricellulaires présentant une reproduction sexuée évoluent selon des cycles, où une phase haploïde (un seul exemplaire de chaque chromosome : n) et une phase diploïde (deux exemplaires de chaque chromosome 2 n avec n le nombre de paire) alternent.

La reproduction sexuée comprend toujours deux phénomènes fondamentaux : la méiose et la fécondation

  • la méiose fait passer le nombre de chromosome par cellule de 2 n à n

  • la fécondation en réunissant deux cellules à n chromosomes, reconstitue les paires de chromosomes homologues, rétablit la diploïdie et conduit à une cellule œuf (zygote), cellule diploïde.

A l’échelle des temps de plusieurs milliers d’années, qui permet de mesurer sa durée de vie, une espèce est stable, car son caryotype se conserve de générations en générations.

Comment expliquer la formation de cellules haploïdes à partir d’une cellule diploïde ?

I. La méiose est le mécanisme à l’origine de la production de cellules haploïdes

Texte à trou accessible en ligne.

TP4 : les étapes de la méiose

Comment la méiose et la fécondation permettent-elles un brassage génétique à l’origine de la diversité des individus ?

Chez les mammifères la méiose se déroule dans les organes de reproduction (testicules et ovaires) et aboutit à la formation des gamètes.

Dans tous les cas la méiose est :

  • toujours précédée d’une phase de réplication semi conservative de l’ADN qui forme 2 chromatides identiques de chaque chromosome,

  • se compose de deux divisions cellulaires successives.

  1. La première division de méiose est une réduction chromatique

La première division est dite réductionnelle, elle permet le passage de 2 n à n avec séparation des chromosomes homologues de chaque paire.

Prophase I : Condensation de la chromatine (filaments d’ADN) et appariement des chromosomes homologues. Cet appariement permet un enchevêtrement des chromatides au niveau de ce que l’on appelle des chiasmas.

Observation microscopique de cellule d’anthère de Lys Source image : Getty Images/ Photolibrary/Ed Reschke/

 

Métaphase I : Les paires de chromosomes homologues se rassemblent au niveau de l’équateur de la cellule et les centromères se disposent de part et d’autre de cet équateur.

Observation microscopique de cellule d’anthère de Lys Source image : Getty Images/ Photolibrary/Ed Reschke/

 

Anaphase I : Séparation des chromosomes homologues de chaque paire (il n’y a pas de division du centromère, chaque chromosome reste à deux chromatides). Chaque nouvelle cellule aura n chromosomes à deux chromatides. Phase fondamentale de la méiose où il y a réduction du nombre de chromosomes.

Observation microscopique de cellule d’anthère de Lys Source image : Getty Images/ Photolibrary/Ed Reschke

Télophase I : décondensation de la chromatine et séparation des deux cellules.

Observation microscopique de cellule d’anthère de Lys Source image : Getty Images/ Photolibrary/Ed Reschke

 

 

  1. La deuxième division de méiose est une séparation des chromatides

La 2eme division de méiose est équationnelle, c’est à dire que le nombre de chromosomes se maintient, seules les chromatides de chaque chromosome se séparent (anaphase II), c’est pour cela qu’elle est comparable à une mitose.

Elle présente également 4 phases, dont l’anaphase 2 qui permet la séparation des chromatides par rupture des centromères. A l’issue de cette deuxième division, 4 cellules haploïdes sont formées.

Observation microscopique de cellule d’anthère de Lys
prophase 2– Condensation de la chromatine
Source image : Getty Images/ Photolibrary/Ed Reschke
Observation microscopique de cellule d’anthère de Lys-Métaphase 2
Les chromosomes se rassemblent au niveau de l’équateur de chaque cellule.
Source image : Getty Images/ Photolibrary/Ed Reschke
Observation microscopique de cellule d’anthère de Lys-Anaphase 2
Séparation des chromatides de chaque chromosome.
Source image : Getty Images/ Photolibrary/Ed Reschke

 

Observation microscopique de cellule d’anthère de Lys-Telophase 2
Décondensation de la chromatine et séparation des quatre cellules.  Source image : Getty Images/ Photolibrary/Ed Reschke

Les individus issus de la reproduction sexuée, ressemblent à leurs parents, à leurs frères et sœurs mais sont génétiquement uniques (pas les mêmes allèles de gènes). Ainsi, si la reproduction sexuée assure la stabilité de l’espèce en maintenant le caryotype c’est-à-dire la totalité des gènes de l’espèce, elle est aussi source de variabilité génétique des individus à l’intérieur de l’espèce.

Comment la méiose et la fécondation permettent-elles un brassage génétique à l’origine de la diversité des individus ?

II. La méiose assure un brassage génétique

Texte à trou correspondant à ce cours accessible en ligne.

A) Mise en évidence de ce brassage lors de croisements
Introduction : Correction de la fiche bilan du TP4.

1- Mise en évidence du brassage interchromosomique en anaphase 1

On refait ce qu’on a fait au TP4 mais on rajoute les étiquettes représentant les allèles. Les élèves refont la modélisation pour comprendre le brassage chromosomique. Construction ensuite d’un tableau de gamètes.

Schéma bilan à compléter.

La séparation des chromosomes homologues lors de la formation des deux premières cellules en anaphase 1 se fait totalement aléatoirement. On dit qu’il y a une migration indépendante des chromosomes homologues de chaque paire.

Un chromosome d’une paire peut être associé avec l’un où l’autre des chromosomes d’une deuxième paire, et il en est ainsi pour les 23 paires.

Ainsi avec 2 paires de chromosomes 11′ et 22′, 1 a autant de chance d’aller avec 2 qu’avec 2′. Pareil pour 1 ‘.

La méiose pourra donc donner 4 combinaisons 12, l’2′ ou 12′, l’2.

Le nombre d’assortiments chromosomiques haploïdes différents ainsi produit par l’anaphase 1 est de 2 nombre de paire soit 2n

Pour 2 paires : 4 assortiments possibles à la fin de l’anaphase 1

Pour 3 paires : 8 assortiments possibles (23 = 2x2x2)

Pour 23 paires : 223 assortiments possibles soit 8 388 608.

Un individu a donc 8 388 608 millions de façons de combiner ses chromosomes pour former un ovule ou un spermatozoïde.

2- Mise en évidence du brassage intrachromosomique
TP5 : Mise en évidence d’un brassage génétique au cours de la méiose

Lors de la prophase 1 de la méiose les chromosomes homologues de chaque paire sont étroitement appariés. On observe en effet des enjambements entre leurs chromatides qui se croisent en formant des chiasmas aussi appelés des crossing over. A leur niveau se produisent des échanges des portions de chromatides qui aboutissent à des échanges d’allèles du même gène. On dit qu’il y a eu recombinaison homologue et formation de chromatides recombinées différentes de celles des parents appelées chromatides parentales. Du coup, les chromosomes ne contiennent plus la même information génétique que ceux d’origine. Les emplacements des ces échanges varient d’une méiose à une autre et sont aléatoires, ce qui entraîne une variabilité des résultats de ce brassage.

A la fin de la prophase 1 de la méiose certains chromosomes n’ont pas les 2 chromatides identiques, ils n’ont donc pas les mêmes allèles sur leurs deux chromatides.

Les descendants de première génération (P1 x P2 = F1) permettent de déterminer la dominance ou la récessivité des allèles. 100% de phénotypes identiques confirment que les parents étaient de lignée pure. Le croisement test ou backcross (F1 x double récessif) permet de trouver le génotype des gamètes produits par l’individu de la F1. En effet, les gamètes du double récessifs n’apportent que des allèles récessifs, le phénotype des individus obtenus est donc imposé par les allèles des gamètes de l’individu F1.

Les phénotypes des individus issus du test cross représentent les génotypes des gamètes de l’individu FI.

Les différentes proportions obtenues à l’issu de ces croisements test apportent des informations supplémentaires :

  • Pour un caractère donné si le résultat du test cross donne 50%- 50% c’est que le caractère n’est sous la dépendance que d’un seul gène pour la détermination du phénotype.

Pour un caractère donné si le résultat du test cross donne des pourcentages inégaux c’est que deux ou plusieurs gènes sont impliqués dans l’établissement de ce caractère unique.

  • S’il y a 4 types de gamètes dans des proportions équiprobables, c’est que les deux gènes ont été brassés de manière indépendante, ils sont donc sur des chromosomes différents, on dit que les deux gènes sont indépendants. Quand on obtient 4 types de gamètes équiprobables, on a mis en évidence un brassage interchromosomique qui a lieu en Anaphase I de méiose.

  • S’il y a 4 types de gamètes avec des proportions différentes, c’est que les deux gènes n’ont pas été brassés de manière indépendante. Certains gamètes ont une plus faible probabilité de se former, ils nécessitent la réalisation d’un événement peu probable, le crossing over entre les deux gènes. C’est que les deux gènes sont sur la même paire de chromosomes, on dit que les 2 gènes sont liés.

Quand on obtient 4 types de gamètes non équiprobables, on a mis en évidence un brassage interchromosomique en Anaphase 1 et un brassage intrachromosomique en Prophase I.

Remarque 1 : Dans le cas des croisements de deux individus différant par deux caractères, il faut considérer d’abord chacun des caractères indépendamment de l’autre afin de déterminer si chaque caractère est contrôlé par un seul ou plusieurs gènes. Dans le cas où deux gènes sont impliqués pour un de ces deux caractères il faut déterminer s’ils sont liés ou indépendants

Remarque 2 : Chez les drosophiles le mâle ne fait jamais de crossing-over, c’est pour cela que l’on choisit toujours le mâle récessif pour le test cross.

B/ Des anomalies chromosomiques peuvent apparaître au cours de la méiose

Cours

Des perturbations dans la répartition des chromosomes au cours de la méiose conduisent à des anomalies du nombre de chromosomes. Ces anomalies peuvent se produire au cours de chaque division :

  • soit en anaphase 1 une paire d’homologue ne se sépare pas,

  • soit en anaphase 2 : un chromosome ne sépare pas ses 2 chromatides, elles se séparent après.

(Caryotype humain à 2n =45 : individus monosomiques ou 2n= 47 : chromosomes individus trisomiques)

Schéma bilan à compléter montrant les anomalies chromosomiques.

III. Le brassage génétique est aussi dû à la fécondation

Lors de la fécondation les noyaux des gamètes (ou des spores) d’une même espèce fusionnent. La fusion des deux noyaux s’appelle la caryogamie. Le zygote (cellule œuf) engendré est toujours diploïde et possède pour chaque paire de chromosome un chromosome d’origine paternel et un chromosome d’origine maternelle. Chaque chromosome est à une chromatide. Seule une fraction de ces zygotes sont viables et se développeront.

La fécondation ajoute un brassage supplémentaire car elle mélange deux lots de chromosomes venant de deux êtres différents. Ces 2 individus produisent des gamètes de génotype variable qui sont réunis au hasard lors de la fécondation qui est ainsi source de variabilité.

8 388 608 x 8 388 608 = 70 368 744 177 664 soit plus de 70 milliers de milliards de combinaisons chromosomiques, donc aucune chance pour que 2 personnes aient exactement le même génome (et ces calculs ne tiennent pas comte des crossing overs) ! Elle augmente ainsi cette infinie variabilité génétique de chaque individu

Conclusion :

La méiose permet la réduction du nombre de chromosomes de 2n à n dans les cellules, et dote chaque gamète d’un seul allèle par gène.

La fécondation rétablit dans la cellule œuf la diploïdie et dote le zygote de 2 allèles pour un gène.

De nombreux gènes sont polyalléliques. Ce polyallélisme fait que les individus issus de la reproduction sexuée sont hétérozygotes pour de nombreux gènes, donc en de nombreux loci.

Méiose et Fécondation sont les 2 mécanismes biologiques majeurs et complémentaires des cycles de vie qui assurent la stabilité du nombre de chromosomes de générations en générations, permettent ainsi le maintien du caryotype spécifique à chaque espèce mais aussi la diversité génétique des individus.

Les brassages génétiques conduisent à l’unicité de chaque individu donc à la diversité de l’espèce.

 

Restitution des connaissances

Question : En construisant le cycle de reproduction d’un Mammifère, expliquez comment est maintenu le nombre de chromosomes caractéristique de l’espèce.       (correction)

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