AP # 23 : L EXPRESSION DU GENOME : les protéines dans la vie cellulaire & le lien génotype/phénotype : la transcription

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1 Chapitre 10 AP # 23 : L EXPRESSION DU GENOME : les protéines dans la vie cellulaire & le lien génotype/phénotype : la transcription Chaque individu possède l ensemble des caractères de l espèce à laquelle il appartient, avec des variations qui lui sont propres. L ensemble des caractères observables d un individu résultant de l expression de son génotype constitue le phénotype. Or la participation des protéines à la réalisation du phénotype dépend aussi des facteurs environnementaux Le génotype n est pas seul et directement responsable de la réalisation du phénotype Quels facteurs internes et environnementaux expliquent la diversité des phénotypes de l échelle moléculaire à l échelle macroscopique? Activité : Etudier à travers l étude des caractéristiques de la maladie génétique drépanocytose, les relations entre génotype, phénotype et l environnement ( 45 min ) Un couple vient d apprendre que leur petit dernier est atteint d une maladie héréditaire : la drépanocytose Ils ne connaissent pas très bien cette maladie et ne comprennent pas comment il a pu «l attraper» À l'aide des documents et du matériel à disposition, expliquez à cette famille les caractéristiques phénotypiques de cette maladie par un tableau comparatif individu sain / individu drépanocytaire indiquant les liens entre génotype, environnement et phénotype moléculaire. Vous montrerez par un court texte argumenté associé à ce tableau que ce phénotype moléculaire est multifactoriel même s i s agit d une maladie monogénique à transmission récessive. A disposition : Documents 1 à 3 + Logiciel Anagène : séquence des allèles betaa et beta S Aide - établir un lien de cause à effet entre les différents niveaux de phénotype en partant de la molécule concernée et les génotype associés - Indiquer la différence entre HbA et HbS et expliquer les conséquences structurales qui en découlent - indiquer sous quelles conditions les hématies d une personne subissent la déformation caractéristique de la drépanocytose et quel(s) sujet(s) est(sont) susceptible(s) de le présenter ici - indiquer leur comment minimiser le risque de déclenchement d une crise chez leur enfant atteint rappel : phénotype = un ou ensemble des caractères observables (à l oeil nu ou non) aux différentes échelles du vivant (macroscopique : échelle l organisme, les symptômes cliniques ; cellulaire : les cellules touchées, dysfonctionnant et moléculaire : la protéine touchée, modifiée) Document 1 La drépanocytose est une maladie héréditaire qui provoque une mortalité infantile importante dans certaines régions du monde (elle atteint plusieurs centaines de milliers d enfants). Elle est fréquente dans certaines régions en Afrique, au Moyen-Orient, en Asie du Sud. Une personne atteinte présente des symptômes caractéristiques : essoufflements, lèvres bleues, palpitations cardiaques. Il en existe 2 formes : Une forme dite majeure, lorsque chacun des 2 parents d un individu atteint leur a transmis chacun l allèle responsable HbS Une forme dite mineure, compatible avec la vie, lorsque seulement un des parents a transmis l allèle responsable 1

2 Chez une personne non malade, les hématies, de forme biconcave, circulent dans les plus petits capillaires ce qui permet un transport continu des gaz respiratoires (dont le dioxygène) au niveau de toutes les cellules. Chez une personne drépanocytaire, les hématies (globules rouges), sont rigides et éclatent facilement. Il en résulte une mauvaise oxygénation des cellules et une anémie liée à leur destruction. Elles sont déformées en forme de faucille (falciformes) et bloquent la circulation sanguine dans les plus petits capillaires. L arrêt de la circulation peut être à l origine de lésions dans les tissus (os, muscles, poumons ) qui s accompagnent de douleurs. Dans la forme majeure, l absence totale d hématies normales entraîne une mortalité infantile précoce (vers l âge de 5 ans). Dans la forme mineure, la présence d hématies normales compense celle d hématies drépanocytaires. Elle est compatible avec la vie. Document 2 On trouve dans les hématies une protéine qu elles seules synthétisent : l hémoglobine. Elle est normalement dissoute dans le cytoplasme. Elle comprend 4 chaînes polypeptidiques : 2 chaînes de 141 acides aminés liées à 2 chaînes ß de 146 acides aminés. Chaque chaîne est associée avec une région de la molécule appelée hème contrant un atome de Fer central capable de fixer le dioxygène. La solubilité de l hémoglobine des malades drépanocytaires est beaucoup plus faible que celle de l hémoglobine normale. Leur hémoglobine (HbS pour sickle = faucille) est modifiée par rapport à l hémoglobine normale (HbA). Plusieurs molécules anormales peuvent s agglutiner formant des agrégats fibreux. L hémoglobine peut se combiner de façon réversible au dioxygène selon la réaction : Hb + 02 Hb02. La formation d agrégats fibreux d HbS (et donc la déformation caractéristique des hématies) se fait quand elle est désoxygénée. Ce processus d agrégation faisant diminuer l oxygénation du sang, il en résulte une croissance rapide des agrégats. Une augmentation de la température interne favorise également l agrégation. Ces 2 facteurs (cumulés ou non) peuvent donc favoriser le déclenchement d une crise drépanocytaire. Aspect des hématies chez une personne normale (à gauche) et drépanocytaire (à droite) Quel que soit l environnement, l expression du gène codant l hémoglobine n est pas modifiée. Tout facteur de l environnement qui tend à faire diminuer l oxygénation du sang est donc à éviter chez un individu malade. Ces facteurs favorisant une crise drépanocytaire sont de plusieurs ordres : - 1/ la déshydratation qui fait perdre de l eau aux cellules et donc aux hématies. Dans ce cas, le sang est moins fluide et donc moins oxygéné. Le drépanocytaire urine davantage qu un individu sain. Il doit donc boire beaucoup. L alcool déshydrate l organisme. - 2/ Le ralentissement de la circulation sanguine qui peut bloquer les hématies dans les plus petits capillaires sanguins. Des vêtements trop serrés, une fièvre, le froid qui fait diminuer le diamètre des vaisseaux sanguins sont quelques facteurs ralentissant la circulation - 3/ La consommation excessive de dioxygène : les efforts musculaires font produire de l acide lactique qui favorise la formation de «bouchons» d hématies - 4/ Un environnement appauvri en dioxygène : en altitude, la pression atmosphérique plus faible fait diminuer la pression partielle en 02 dans l air donc la capacité inspiratoire. Le tabac fait diminuer l oxygénation du sang. Document 3 : 2

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4 Document 4 : arbre généalogique et électrophorèse génotypes (2 allèles du gène étudié) des parents (1 et 2), leur 4è enfant étant atteint (4) 4

5 Protocole Sur le plan technique, il s'agit d'une simulation pouvant correspondre à la distribution des hémoglobines A et S dans trois générations au sein d'une famille. Il s'agit, à partir des résultats de l'électrophorèse des hémoglobines des différents membres de cette famille virtuelle, de déterminer leurs phénotypes moléculaires, d'en déduire leur génotype et de dresser l'arbre généalogique correspondant. Les échantillons utilisés pour mener l'électrophorèse sont des solutions réalisées artificiellement avec des hémoglobines A et S du commerce dissoutes à raison de 2,5 mg/ml dans du tampon d'électrophorèse préalablement oxygéné par une agitation vigoureuse. Pour chaque "membre de la famille", on place dans un tube Eppendorf étiqueté 100 µl de solution. Les échantillons correspondant aux individus homozygotes pour HbA sont constitués de 100 µl de la solution d'hémoglobine A, les échantillons correspondant aux individus homozygotes pour HbS sont constitués de 100 µl de la solution d'hémoglobine S et les échantillons correspondant aux individus hétérozygotes sont constitués d'un mélange de 50 µl de la solution d'hémoglobine A et de 50 µl de la solution d'hémoglobine S. Un tel volume permet de réaliser 20 pistes d'électrophorèse avec la technique des gels supportés prêts à l'emploi. On se référera à l'arbre généalogique du paragraphe "exploitation" pour la correspondance entre membres de la famille et solutions d'hémoglobine. L'électrophorèse est menée à 110 V pendant 50 minutes sur un Midigel Hémoglobine (BIOMIDI) selon la procédure indiquée à la page du protocole. Résultats Le recours à l'électrophorèse peut être justifié par le problème suivant : chez les membres d'une même famille dont un fils est atteint de drépanocytose, on a extrait l'hémoglobine des globules rouges et on a soumis les échantillons à l'électrophorèse sur gel d'agarose afin d'identifier les génotypes pour construire l'arbre généalogique de la famille. Les sept membres dont l'hémoglobine a été analysée sont les deux parents (pistes 1 et 2), leurs quatre enfants (pistes 3 à 6) et un petit enfant (piste 7). En outre, deux références sont constituées par un échantillon d'hémoglobine S (piste 8) et un échantillon d'hémoglobine A (piste 9). Le gel ci-contre montre les résultats obtenus. Electrophorèse des hémoglobines A et S 5