L’origine du génotype des individus

Comment les divisions et la fécondation participent-elles à l’émergence de nouveaux génomes ?

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

A/ La mitose , la méiose, la fécondation et la stabilité génétique au sein de l’espèce

TD La conservation du génome

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 gamètes haploïdes (n), un spermatozoïde et un ovule à n chromosomes, reconstitue les paires de chromosomes homologues, rétablit la diploïdie et conduit à une cellule œuf (zygote), cellule diploïde. Un individu est constitué de cellules diploïdes (2n) qui résultent de mitoses successives à partir d’une cellule œuf initiale .

Ces mitoses successives permettent d’obtenir un ensemble de cellules en théorie génétiquement identique, c’est-à-dire un clone, puisque la mitose est précédée d’un mécanisme efficace de copie de l’information génétique : la réplication de l’ADN.

La mitose est une reproduction conforme : elle conserve le caryotype de la cellule mère ainsi que l’information génétique. Autrement dit, toutes les cellules issues des mitoses successives d’une cellule mère possèdent la même information génétique aux mutations près : elles constituent un clone.

Variation de la quantité d’ADN dans le noyau d’une cellule somatique au cours d’un cycle mitotique.

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.

B/ L’évolution clonale et la diversité génétique au sein d’un clone

Chaque individu est constitué d’une mosaïque de clones présentant de faibles variations génétiques liées à ces mutations accumulées.

• Ces clones sont constitués de cellules séparées (cellules sanguines) ou de cellules restant associées (cellules épidermiques).
• Les mutations affectant une cellule deviennent pérennes pour toute la lignée cellulaire qui dérive du mutant, formant ainsi un sous clone particulier.

TP 2 mutations et effets phénotypiques

En l’absence d’échanges génétiques avec l’extérieur, la diversité génétique dans un clone résulte de l’accumulation de mutations successives dans les différentes cellules.

Tout accident génétique irréversible (perte de gène par exemple) devient pérenne pour toute la lignée (sous-clone) qui dérive du mutant. Ces mutations ne sont transmises à la génération suivante qui si elles affectent les cellules germinales.

II/ Le brassage des génomes à chaque génération 

Comment la méiose peut-elle  produire des gamètes génétiquement diversifiés ?

A/ La méiose assure un brassage interchromosomique

TP 3  et TP4 Mise en évidence du brassage au cours de la méiose 

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.

2- 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.

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.

B/ la méiose réalise un brassage intrachromosomique

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 F1.

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.

C/ La fécondation amplifie le brassage génétique.

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. La fécondation réunit deux gamètes au hasard et reconstitue les couples d’allèles.

Si l’on ne considère que le seul brassage interchromosomique, le nombre de cellules-œufs différentes que la fécondation peut engendrer est 2²³ x 2²³ =  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 compte des crossing-over) ! Le nombre de combinaisons génétiques possibles dans les gamètes est d’autant plus élevé que le nombre de gènes à l’état hétérozygote est plus grand chez les parents.

La fécondation en réunissant au hasard un gamète mâle et un gamète femelle, amplifie donc considérablement le brassage génétique.

La méiose et la fécondation réalisent un brassage génétique qui assure l’unicité des descendants.

III/ Transmission d’un caractère et phénotypes associés

TP 5 Étude de la transmission du gene PTC

Dans le cas de l’espèce humaine, l’étude de la transmission des allèles repose sur des analyses généalogiques familiales mais aussi sur des données issus des techniques modernes d’exploration de l’ADN : séquençage, PCR et analyses biostatistiques.

Comment la combinaison de deux allèles détermine-t-elle le phénotype ? Comment l’exploitation des informations génétiques et généalogiques permet-elle de prédire ou de suivre la transmission des allèles ?

A/L’examen des arbres généalogiques permet de déterminer les modalités de transmission d’un allèle muté

L’étude statistique sur une seule famille ne présente pas d’intérêt dans l’espèce humaine. L’analyse génétique peut se fonder sur l’étude de la transmission héréditaire des caractères observables (phénotype) dans des croisements issus le plus souvent de lignées pures (homozygotes) et ne différant que par un nombre limité de caractères. Dans le cas de l’espèce humaine, l’identification des allèles portés par un individu s’appuie d’abord sur une étude au sein de la famille, en appliquant les principes de transmission héréditaire des caractères :

•  le caractère dominant ou récessif d’une maladiela position du gène impliqué sur les chromosomes (autosomes ou gonosome)

Un exemple très classique, le daltonisme (voir vidéo de DTC qui répondra aux questions habituelles)

• le risque génétique. Le caractère hémophile est transmis de la part des parents à la progéniture de manière mendélienne. Ce motif peut être analysé à l’aide d’un carré de Punnett. 

B/ Des techniques de séquençage de l’ADN et de bio-informatique donnent directement accès au génotype.

Nous parlons beaucoup dans ce cours de séquences génomiques ou séquences d’ADN, que nous voyons pour des raisons algorithmiques sous forme de chaînes de caractères.

Comment ces séquences, ces chaînes de caractères, sont-elles obtenues ?

• techniques modernes d’exploration de l’ADN : le séquençage

Le séquençage de l’ADN est une technique qui a révolutionné la biologie moléculaire dans les années 1970. La connaissance de sa séquence, c’est-à-dire la succession des bases de l’ADN , est aujourd’hui de plus en plus facile à déterminer. Les appareils qui servent à mener cette opération de séquençage sont appelés séquenceurs. Le mécanisme du séquençage de l’ADN est le suivant :

• Dans un tube à essai, est placé  l’ADN à séquencer, des nucléotides (A,T,G,C), une amorce, des didésoxynucléotides en petite quantité et de l’ADN polymérase. Chaque didésoxynucléotide est marqué par un fluorochrome différent (A vert, T rouge, G jaune et C bleu), une chaîne qui se termine par exemple par un A sera verte.

Séquence à séquencer :

A

C

A

G

A

C

G

A

G

G

G

C

C

G

T

A

G

G

Commence la synthèse du brin complémentaire de l’ADN à séquencer par l’ADN polymérase.

• Lorsque l’ADN polymérase choisit par hasard un didésoxynucléotide (ce qui est rare puisqu’il y en a moins que des nucléotides) et qu’elle l’incorpore dans la chaîne en synthèse, celle-ci s’interrompt prématurément.
• On obtient ainsi des chaînes de toutes les tailles (correspondant à un arrêt de la synthèse à chaque nucléotide) et beaucoup de fragments d’une même taille.

 

• On sépare ainsi par électrophorèse les chaînes d’ADN obtenues en fonction de leur taille. Plus les chaînes sont courtes, plus elles migrent loin et tous les fragments d’une même taille migrent à la même distance. On obtient alors une succession de bandes colorées, chacune correspondant au dernier nucléotide incorporé. Il suffit alors de lire la succession des couleurs pour connaître l’ordre des nucléotides, c’est-à-dire la séquence de l’ADN, étape assurée automatiquement par les détecteurs du séquenceur.
•  techniques modernes d’exploration de l’ADN : la PCR (voir TP)
  

L’amplification en chaîne par polymérase  (Polymerase Chain Reaction en anglais)  est une méthode de biologie moléculaire d’amplification génique in vitro. Elle permet de dupliquer en grand nombre (avec un facteur de multiplication de l’ordre du milliard) une séquence d’ADN ou d’ARN connue, à partir d’une faible quantité (de l’ordre de quelques picogrammes) d’acide nucléique et d’amorces spécifiques constituées d’oligonucléotides de synthèse de 20 à 25 nucléotides.

• techniques modernes d’exploration de l’ADN : les analyses biostatistiques.

Les progrès de la bioinformatique donnent directement accès au génotype de chaque individu comme à ceux de ces ascendants et descendants. Une collection annotée de toutes les séquences d’ADN disponibles publiquement est déposée directement par les laboratoires (GenBank au NCBI , DNA DataBank of Japan (DDBJ), European Molecular Biology Laboratory (EMBL).

L’utilisation de bases de données informatisées permet d’identifier des associations entre certains gènes mutés et certains phénotypes.Le développement des techniques de séquençage de l’ADN et les progrès de la bio-informatique donnent directement accès au génotype des individus. Grâce aux techniques de séquençage, il est possible d’établir les séquences des allèles de certains gènes en particulier les gènes responsables de maladies.

L’utilisation de bases de données informatisées permet d’identifier des associations entre certains gènes mutés et certains phénotypes. BLAST est une méthode de recherche heuristique utilisée en bioinformatique. Il permet de trouver les régions similaires entre deux ou plusieurs séquences de nucléotides ou d’acides aminés, et de réaliser un alignement de ces régions homologues.

IV/ Les accidents génétiques de la méiose

Comment les anomalies chromosomiques contribuent-elles

à la diversité des génomes et à l’évolution des espèces ?

A/ Migration anormale des chromosomes au cours de la méiose

a/ Anomalie de disjonction chromosomique

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)

b/ Anomalie de cytodiérèse

Une absence de cytodiérèse à la  télophase de la 2eme division méiotique peut entraîner la formation de 2 gamètes au lieu de 4. L’hybride résultant des gamètes de ce type serait directement tétraploïde et fertile (les chromosomes qui s’ajoutent viennent du même organisme = autopolyploïdie).

L’autopolyploïdisation est entre autres le mécanisme à l’origine du blé cultivé appelé Blé tendre : Hervé Le Guyader l’explique dans cet article de Pour la Science de Décembre 2018 « Comment le blé est devenu tendre ?« 

B/ Des crossing over inégaux à l’origine de duplication de gènes

La possibilité de survenue d’anomalies lors du déroulement de la méiose (crossing-over inégal) implique la possible duplication de certains gènes. De nouveaux gènes peuvent apparaître par mutations du gène préexistant.

Schéma à l’origine de la duplication :

Une fois dupliquée, la copie obtenue s’insère sur le même chromosome ou sur un autre (sur un autre locus). C’est la transposition. Les différences entre les copies s’expliquent par l’accumulation de mutations indépendantes après les duplications, les deux versions du gène dupliqué, d’abord identiques, deviennent de plus en plus différentes.

Les innovations génétiques sont aléatoires et leur nature ne dépend pas des caractéristiques du milieu.

Ces accidents, souvent létaux, engendrent parfois une diversification importante des génomes et jouent un rôle essentiel dans l’évolution biologique :

• Il existe des familles multigéniques. Pour ces familles, il existe des similitudes de séquences et elles sont classiquement interprétées comme un indice de parenté, de sorte que les gènes d’une même famille sont considérés comme dérivant tous d’un gène ancestral commun.

Schéma représentant l’origine des différents gènes d’une même famille multigénique

• il apparaît des barrières entre populations.(Voir chapitre 3 de ce thème)

Article à lire : La duplication des gènes, moteur de l’évolution, par Joseph Schacherer

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Notions fondamentales : clone ; brassage génétique (combinaison d’allèles) inter- et intrachromosomique (crossing-over) au cours de la méiose ; diversité des gamètes ; stabilité des caryotypes ; distinction reproduction et sexualité ; diversification génomique.

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

En enseignement de spécialité de la classe de première, les élèves ont appris que la succession de mitoses produit un clone, c’est-à-dire un ensemble de cellules, toutes génétiquement identiques, aux mutations près.

Ces clones sont constitués de cellules séparées (cas des nombreuses bactéries ou de nos cellules sanguines) ou associées de façon stable (cas des tissus solides).
En l’absence d’échanges génétiques avec l’extérieur, la diversité génétique dans un clone résulte de l’accumulation de mutations successives dans les différentes cellules. Tout accident génétique irréversible (perte de gène par exemple) devient pérenne pour toute la lignée (sous-clone) qui dérive du mutant.

B. Le brassage des génomes à chaque génération : la reproduction sexuée des eucaryotes

La fécondation entre gamètes haploïdes rassemble, dans une même cellule diploïde, deux génomes d’origine indépendante apportant chacun un lot d’allèles. Chaque paire d’allèles résultant est constituée de deux allèles identiques (homozygotie) ou de deux allèles différents (hétérozygotie).
En fin de méiose, chaque cellule produite reçoit un seul des deux allèles de chaque paire avec une probabilité équivalente. Pour deux paires d’allèles, quatre combinaisons d’allèles sont possibles, équiprobables ou non en cas de gènes liés.
Le nombre de combinaisons génétiques possibles dans les gamètes est d’autant plus élevé que le nombre de gènes à l’état hétérozygote est plus grand chez les parents.

C. Comprendre les résultats de la reproduction sexuée : principes de base de la génétique

L’analyse génétique peut se fonder sur l’étude de la transmission héréditaire des caractères observables (phénotype) dans des croisements issus le plus souvent de lignées pures (homozygotes) et ne différant que par un nombre limité de caractères.
Dans le cas de l’espèce humaine, l’identification des allèles portés par un individu s’appuie d’abord sur une étude au sein de la famille, en appliquant les principes de transmission héréditaire des caractères.
Le développement des techniques de séquençage de l’ADN et les progrès de la bioinformatique donnent directement accès 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.

D. Les accidents génétiques de la méiose

Des anomalies peuvent survenir au cours de la méiose : crossing-over inégal ; migrations anormales de chromatides au cours des divisions de méiose ; etc. Ces accidents, souvent létaux, engendrent parfois une diversification importante des génomes et jouent un rôle essentiel dans l’évolution biologique (familles multigéniques, barrières entre populations, etc.).