Thème. 1 Expression, stabilité et variation

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1 Thème. 1 Expression, stabilité et variation du patrimoine génétique Chapitre 1 La reproduction conforme de la cellule et la réplication de l ADN Unité 1 La division cellulaire [pp du manuel de l élève] «En général la division cellulaire est une reproduction conforme qui conserve toutes les caractéristiques du caryotype (nombre et morphologie des chromosomes)». Effectuer un geste technique en observant au microscope des divisions de cellules eucaryotes. La division cellulaire, la variation d état des chromosomes au cours du cycle cellulaire et la variation de la quantité d ADN au cours du cycle cellulaire ont été développés en Troisième. Mais ces notions ont été présentées avec un niveau d explication élémentaire voire n ont été l objet que d un simple constat. Ce premier chapitre de Première S vise à en détailler l explication. La conservation du caryotype au cours de la mitose est un acquis du collège et, à ce titre, fait l objet d un indispensable rappel préalable (voir p. 15). L unité 1 a pour objet de rappeler le comportement des chromosomes au cours de la division cellulaire. Le choix a été fait, ici, d entamer l analyse par une manipulation qui conduit à l observation microscopique de cellules de racines d ail en division (doc. 1). Cette manipulation peut être réalisée sur un autre matériel végétal (méristème de racine de jacinthe, par exemple). Cette étude est l occasion de fixer plus précisément le déroulement de la mitose (condensation des chromosomes, séparation des chromatides) en identifiant notamment les phases qui la constituent (doc. 2). Si la présentation du mécanisme cellulaire de séparation des chromatides (doc. 3) n est pas indiquée par le programme, il apparaît intéressant de le mentionner sommairement pour mieux faire comprendre le phénomène à l œuvre au cours de l anaphase. Cette unité est enfin l occasion d introduire le terme, nouveau pour les élèves, de «mitose». Une tâche complexe, intégrant une manipulation et l observation d un vidéogramme d une mitose peut être envisagée pour identifier et schématiser les étapes de la mitose. (Manipuler et expérimenter, extraire des informations à partir d observations et de documents, organiser ces informations, communiquer par écrit). Après analyse du doc. 2, il est possible de reconstituer l enchaînement des phases de la mitose et de caractériser chacune d elle : la prophase, lors de laquelle les chromosomes doubles à deux chromatides se condensent ; la métaphase, lors de laquelle les chromosomes doubles condensés s alignent à l équateur de la cellule ; l anaphase, lors de laquelle les chromatides de chaque chromosomes sont séparées et migrent chacune vers un pôle de la cellule. Après la migration des chromatides sœurs vers les pôles de la cellule, grâce aux cables de tubulines (doc. 3), la télophase est la dernière étape de la mitose qui voit la division du cytoplasme en deux cellules filles qui contiennent le même nombre de chromosomes simples à une seule chromatide, identique à celui de la cellule mère. Les chromosomes se décondensent alors progressivement (doc. 2). La mitose permet donc bien la conservation du nombre de chromosomes dans une cellule (voir le schéma, p. 24 du manuel de l élève, à étendre à 3 paires de chromosomes). Thème 1 Chapitre 1 1

2 Unité 2 Le cycle cellulaire [pp du manuel de l élève] «Chaque chromatide contient une molécule d ADN. Les chromosomes sont des structures constantes des cellules eucaryotes qui sont dans des états de condensation variables au cours du cycle cellulaire» Recenser, extraire et exploiter des informations permettant de caractériser le cycle cellulaire et ses phases, dans différents types cellulaires. Après avoir réinvesti et approfondi le déroulement de la mitose dans l unité 1, cette unité 2 vise à replacer ce phénomène dans le contexte général du cycle cellulaire, dont on présente d abord les 4 phases (doc. 1). La présentation du cycle est indissociable de l étude de la variation de la quantité d ADN cellulaire (doc. 2 et 3). Elle est également un préalable important à l étude de la variation de l état de condensation des chromosomes (doc. 4 et 5). La démonstration expérimentale de la copie de chaque chromosome au cours de la phase S est difficile. Le choix a donc été fait d observer, par l utilisation de sondes spécifiques fluorescentes, le nombre de copies d un gène dans le noyau d une cellule en phase G1 et G2 (doc. 3). Cette unité prépare à l étude détaillée de la réplication de l ADN qui sera l objet de l unité 3. Les différents documents proposés permettent donc de montrer les états de condensation de l ADN au cours du cycle à un niveau adapté à la démonstration et aux exigences du programme (doc. 4 et 5). Il n est pas nécessaire de détailler exhaustivement les différents niveaux d enroulement de l ADN. ➊ Doc. 1, 4 et 5 (Extraire des informations d une photographie et d un schéma légendés). En phase G1, la quantité d ADN est mesurée à une valeur Q (doc. 2). On constate la présence de deux copies d un gène situé sur la paire de chromosome 22 (doc. 3), soit une copie du gène par chromosome. On suppose donc que les deux chromosomes d une même paire ne sont constitués chacun que d une seule chromatide. En G1, le chromosome est en outre décondensé (doc. 5). En phase G2, on mesure une quantité d ADN de 2Q, soit le double de celle relevée lors de la phase G1 (doc. 2). On constate également la présence de 4 copies du gène situé sur la paire de chromosome 22, soit 2 copies par chromosomes. Comme le confirme le doc. 5, les deux chromosomes d une même paire sont donc chacun constitués de 2 chromatides, dans un état toujours décondensé. En phase M, au début de la mitose, la quantité d ADN par cellule est la même que celle mesurée en G2 (2Q). Les chromosomes sont donc toujours constitués chacun de deux chromatides, mais sont fortement condensés (doc. 4). À la fin de la mitose, en revanche, la quantité d ADN par cellule est brutalement divisée par 2 : ceci concorde avec la séparation des 2 chromatides de chaque chromsome et leur migration vers chacun des 2 pôles de la cellule (comme vu dans l unité 1) ➋ Doc. 2 ET 3 (Pratiquer une démarche scientifique : exploiter des résultats expérimentaux). Le doublement de la quantité d ADN (doc. 2) ainsi que le doublement du nombre de copies du gène situé sur la paire de chromosomes 22 (doc. 3) entre les phases G1 et G2 indiquent qu une copie de l ADN contenu dans le noyau est réalisée lors de la phase S. ❸ Doc. 2 A 4 (Extraire et organiser des informations, raisonner avec rigueur). On peut supposer que les chromosomes à deux chromatides qui caractérisent la phase G2 sont issus du doublement de la quantité d ADN en phase S. Comme les deux chromatides portent la même information génétique (doc. 3), et que chaque chromatide migre vers un pôle de la cellule lors de la mitose, l information génétique des cellules filles est nécessairement identique à celle de la cellule mère. ➍ En conclusion (Communiquer dans un langage scientifiquement approprié). Phase G1 : les chromosomes sont décondensés et simples (une seule chromatide). Chaque chromosome contient donc une molécule d ADN. Phase S : les chromosomes sont toujours décondensés mais la quantité d ADN est doublée. C est au cours de cette phase du cycle cellulaire que les chromosomes, chacun composé initialement d une chromatide, en viennent à être constitués de 2 chromatides sœurs porteuses de la même information génétique. Phase G2 : les chromosomes sont toujours décondensés, mais doubles (à 2 chromatides). Chaque chromosome est donc composé de deux chromatidesn donc de 2 molécules d ADN. Phase M : les chromosomes sont constitués de 2 chromatides et se condensent. À la fin de la phase M, les 2 chromatides de chaque chromosome sont séparées et migrent chacune vers un pôle de la cellule, qui constituera la future cellule fille. Les chromosomes simples contenus dans chacune des cellules filles commencent ensuite à se décondenser. 2 Thème 1 Chapitre 1

3 Unité 3 La réplication du matériel génétique [pp du manuel de l élève] «Au cours de la phase S, l ADN subit la réplication semi-conservative. En absence d erreur, ce phénomène préserve, par copie conforme, la séquence des nucléotides. Ainsi, les deux cellules-filles provenant par mitose d une cellule-mère possèdent la même information génétique.» Mettre en œuvre une méthode (démarche historique) et/ou une utilisation de logiciels et/ou une pratique documentaire permettant de comprendre le mécanisme de réplication semi-conservative Après la mise en évidence de la copie de l ADN au cours de la phase S (unité 2), l unité 3 vise à démontrer les modalités de cette copie ainsi que ses mécanismes moléculaires simples. La première partie de cette unité s inscrit très naturellement dans une démarche historique, conseillée par le programme. Il convient donc de replacer les mécanismes recherchés dans le foisonnement de questions et de travaux en biologie moléculaire des années L hypothèse d une réplication semi conservative avait été émise dès 1953 par Watson et Crick au moment de la découverte de la structure de l ADN. Il a fallu attendre les expériences de Taylor en 1957 et celles, décisives, de Meselson et Stahl en 1958 pour valider ces hypothèses. Nous avons choisi ici de développer les expériences très démonstratives de Meselson et Stahl (doc. 1 et 2) mais les expériences de Taylor peuvent être utilisées comme support pour un exercice d application ou une évaluation. Une fois le caractère semi-conservatif de la réplication de l ADN démontré, la page de droite aborde les mécanismes moléculaires de la réplication. À l élève d observer l organisation des fourches de réplication (doc. 3) et de comprendre le rôle de l ADN polymérase (doc. 4 et 5) au niveau nécessairement simple attendu par le programme. Les différents documents conduisent les élèves à construire un modèle de fourche de réplication incluant le détail des nucléotides des brins parentaux et néosynthétisés. La compréhension des mécanismes moléculaires de la réplication peut être réinvestie dans l étude de la PCR proposée par le programme dans les pistes (voir chapitre 2, unité 1, p. 33). ❶ Doc. 1 (Raisonner avec rigueur). Dans le modèle (a), après réplication de l ADN, on observe, pour les deux molécules, un brin parental et un brin synthétisé pendant la réplication. Il s agit du modèle semi-conservatif. Dans le modèle (b), après réplication de l ADN, on observe qu une molécule d ADN est constituée de deux brins parentaux et que l autre molécule est constituée de deux brins synthétisés pendant la réplication. Il s agit du modèle conservatif. Dans le modèle (c), après réplication de l ADN, on observe pour les deux molécules un mélange des fragments parentaux et de fragments synthétisés pendant la réplication. Il s agit du modèle dispersif. a b c Après 1 réplication Après 2 réplications ❷ Doc. 2 (Manifester sens de l observation et esprit critique). Les LDP_A1u3 90 x 90 bandes observées après centrifugation correspondent à de l ADN lourd (dont les deux brins ont incorporé de l azote lourd), de l ADN léger (dont aucun des deux brins n a incorporé d azote lourd) ou de l ADN intermédiaire (dont un seul des deux brins a incorporé de l ADN lourd). ❸ Doc. 1 et 2 (Formuler une hypothèse, pratiquer une démarche scientifique). Au début de l expérience, la centrifugation de l ADN révèle que chaque molécule d ADN des cellules étudiées présente de l azote lourd dans ses deux brins. Après un cycle cellulaire sur de l azote léger ( 14 N), on observe une seule bande d ADN intermédiaire. Ce résultat élimine l hypothèse du modèle conservatif, qui aurait dû produire deux bandes, l une d ADN lourd (molécule parentale), l autre d ADN léger (molécule synthétisée pendant le cycle cellulaire écoulé). Après deux cycles cellulaires sur de l azote léger, on observe deux bandes d ADN en quantités équivalentes, l une d ADN léger, et l autre d ADN intermédiaire. Ce résultat élimine l hypothèse du Thème 1 Chapitre 1 3

4 modèle dispersif qui aurait toujours dû produire une seule bande d ADN intermédiaire (dont toutes les molécules devaient être composées à la fois d ADN parental lourd et d ADN synthétisé léger). Après trois cycles cellulaires sur de l azote léger, on observe deux bandes d ADN, l une contenant de l ADN léger en quantité 3 fois plus importante que l autre, qui contient de l ADN lourd. Ce résultat est seulement compatible avec le modèle d une réplication semiconservative. ➍ DOC 3 à 5 (Communiquer à l aide d un schéma). Voir schéma au bas de la p. 25 du manuel de l élève. ➎ En conclusion (Communiquer dans un langage scientifique approprié). Pendant la phase S du cycle cellulaire, un complexe de réplication ouvre la double hélice d ADN puis synthétise un nouveau brin à partir du brin matrice. Cette synthèse est assurée par l assemblage de nucléotides selon une séquence complémentaire du brin matrice, assemblage réalisé par l ADN polymérase. Cette modalité semi-conservative de la réplication produit ainsi des chromosomes à deux chromatides sœurs portant une information génétique identique. Chapitre 2 À l origine de la variabilité génétique : les mutations Unité 1 Les mutations, des modifications de l ADN [pp du manuel de l élève] «Pendant la réplication de l ADN surviennent des erreurs spontanées et rares. L ADN peut aussi être endommagé en dehors de la réplication.» Capacités et attitudes de mises en œuvre dans l unité Concevoir et réaliser un protocole. Utiliser des logiciels pour caractériser des mutations. La page d ouverture du chapitre (p. 31) peut permettre de revenir sur le codage de l information génétique par la séquence de la molécule d ADN et sur le fait qu une modification de cette séquence (mutation) peut entrainer une modification héréditaire des caractères de l individu (ici, la couleur du pelage). Cette unité vise à montrer que des modifications de l ADN peuvent apparaître spontanément (doc. 1 à 3), à différents moments du cycle cellulaire (doc. 4 et 5). Un modèle expérimental simple est utilisé : une culture de levures (doc. 1). La réalisation de cultures de levures (doc. 1) est l occasion d insister sur les bonnes pratiques de laboratoire, notamment l emploi de matériel stérile et le traitement adéquat des déchets. La souche de levures ade2 et les milieux de culture sont disponibles auprès des fournisseurs habituels des laboratoires de lycée. La mise en culture en milieu liquide est réalisée au laboratoire avant la séance de TP. Les élèves peuvent étaler une fraction de cette suspension sur milieu solide et observer le résultat après quelques jours. Le repiquage des éventuels mutants blancs obtenus peut enfin être réalisé par le professeur devant les élèves, et le résultat observé quelques jours plus tard. Remarque importante : étant donné le nombre de boîtes nécessaires pour obtenir au moins un mutant blanc, il est peu probable que le résultat soit probant en ne travaillant qu à l échelle d une classe. Le TP mis en œuvre dans l unité 2 étant beaucoup plus facile à réaliser en classe et donnant des résultats plus significatifs, il peut être privilégié. Dans l optique de l évaluation des capacités expérimentales, les élèves peuvent utiliser le logiciel Anagène pour retrouver les informations du doc. 2. (voir la fiche pédagogique disponible sur Cette unité peut être l occasion de comparer les différents taux de mutations calculés chez différentes espèces (doc. 3) et dans des milieux acellulaires (doc. 4) et de rechercher des hypothèses expliquant ces différences. On peut également évoquer les différences de taux d erreurs en fonction du type de polymérase utilisée lors des réactions de PCR. L exercice 4, p. 44 offre un prolongement de cette unité en présentant un exemple d altération spontanée d une base de l ADN pouvant conduire à une mutation. Grâce à l utilisation du logiciel Rastop, les élèves peuvent retrouver les informations apportées par le document et s entraîner à la manipulation du logiciel en vue de l évaluation des capacités expérimentales (voir la fiche pédagogique disponible sur 4 Thème 1 Chapitre 2

5 (Réaliser une culture de levures, utiliser un logiciel, extraire des informations à partir d observations et de documents, organiser ces informations, communiquer par écrit). Le doc. 1 présente une expérience réalisée à partir d une culture de levures. Les colonies rouges de départ sont constituées de levures ade2 -, qui portent l allèle ade2 du gène ade2. Leur couleur rouge est due à l accumulation et à l oxydation du composé AIR. Après de très nombreuses divisions successives de ces levures, on observe l apparition de colonies blanches, qui n accumulent donc pas d AIR oxydé. Ceci peut être dû au fait que : l allèle du gène ade2 qu il possède est à nouveau fonctionnel : il y donc eu une mutation en position 662 de G vers T (doc. 2) ; une mutation est apparue, rendant non fonctionnel un gène intervenant en amont dans le processus de synthèse de l adénine (l AIR n est alors plus synthétisé, donc plus accumulé) ; une mutation est apparue, rendant non fonctionnel un gène qui permet l oxydation d AIR (ainsi l AIR n est plus oxydé en pigment rouge). Ces colonies blanches sont très rares : 3 pour 100 Í 200 colonies, soit 0,015 % des colonies. Ces colonies blanches sont apparues spontanément, sans application d aucun agent exogène, uniquement suite aux divisions successives des levures en culture. Le doc. 3 est un tableau résumant le taux de mutations spontanées chez différentes espèces. On peut calculer le nombre de nucléotides devant être répliqués pour observer une mutation : Chez E. coli : 4, Í435 = Chez N. crassa : 4, Í333 = 1, Chez la levure : 1, Í370 = 5, Les mutations spontanées sont donc des phénomènes extrêmement rares. Dans l expérience présentée sur le doc. 4 on effectue une une suite de réplications en chaîne d un fragment d ADN ou PCR, dans un milieu acellulaire, grâce notamment à une ADN polymérase. À l issue de la réaction de PCR, on observe qu une très grande majorité des fragments d ADN a une séquence identique au fragment initial : la réplication s est donc bien effectuée de manière conforme. Mais on observe également : un fragment présentant un A au lieu d un T en 18 e position, en 1 exemplaire. La polymérase a donc introduit un mauvais nucléotide lors de l avant dernier cycle de PCR soit lors du 15 e cycle. un fragment présentant un C au lieu d un T en 8 e position, en 4 exemplaires. Il y a donc eu une erreur de réplication 3 cycles avant la fin de la PCR, soit lors du 12 e cycle. Ce document nous indique donc que, lors de la réplication de l ADN, la polymérase peut faire des erreurs et introduire des nucléotides erronés, conduisant à des mutations. De plus, à tout moment du cycle cellulaire, des altérations chimiques de la molécule d ADN peuvent avoir lieu, conduisant à des modifications de la séquence lors de la réplication suivante (doc. 5). Pour conclure, les mutations sont donc des modifications de la séquence d ADN (doc. 2), pouvant apparaître de manière spontanée (doc. 1) à une fréquence très faible (doc. 1 et doc. 3). Elles ont pour origine des modifications chimiques de l ADN en dehors de la réplication (doc. 5) ou des erreurs des ADN polymérases lors de la réplication (doc. 4). Unité 2 Les variations de la fréquence des mutations [pp du manuel de l élève] «Pendant la réplication de l ADN surviennent des erreurs spontanées et rares, dont la fréquence est augmentée par l action d agents mutagènes. Pistes. Quantification de la mutation dans une population cellulaire (mathématiques) ; les agents mutagènes dans l environnement (physique-chimie).» Recenser, exploiter et interpréter des bases de données et/ou concevoir et réaliser un protocole pour : mettre en évidence l influence d agents mutagènes sur des populations humaines (UV); analyser l influence de l irradiation d une culture de levures par des UV (suivi du taux de mortalité). Utiliser des logiciels pour caractériser des mutations. Dans l unité précédente, on a montré que les mutations peuvent apparaître de manière spontanée et on a calculé leur fréquence d apparition, très faible. Dans cette unité 2, on mettra en évidence l existence d agents mutagènes qui augmentent la fréquence d apparition des mutations et ont donc des effets néfastes sur la santé humaine. L expérimentation du doc. 1 reprend les compétences techniques mises en oeuvre dans le doc. 1 p. 32 de l unité précédente, ce qui permet aux élèves de se concentrer sur les aspects méthodologiques (témoin, étalement du même nombre de cellules sur chaque boîte, reproductibilité du résultat, etc.). Le port de protection anti-uv est à mettre en lien avec les doc. 3 à 5 et l effet cancérigène des UV pour l Homme. Les levures de souche ade2 ainsi Thème 1 Chapitre 2 5

6 que le matériel nécessaire à l exposition aux UV sont disponibles chez les fournisseurs habituels des laboratoires de lycée. Ceux-ci fournissent généralement un kit «mutagénèse», comprenant un protocole détaillé de la manipulation. Les UV ont été choisis comme exemple d agent mutagène ayant des effets sur les populations humaines afin de faire le lien avec le modèle expérimental étudié p. 35 et avec la mise en évidence des systèmes de réparation dans l unité 3. Un rappel pourra être fait ultérieurement quand on abordera le chapitre 2 du thème 5 consacré au cancer. L unité 2 (p. 265) sur les bases génétiques des cancers permettra notamment de revenir sur l effet mutagène des UV. Un autre exemple d agent mutagène : le benzopyrène contenu dans la fumée du tabac, y est développé. Grâce à Internet, les élèves peuvent reconstituer, en autonomie, les informations apportées par le doc. 5 (voir la fiche pédagogique disponible sur On pourra également insister sur la prévention et le dépistage du mélanome, à l occasion de la journée nationale de prévention et de dépistage des cancers de la peau par exemple, ayant lieu chaque année au mois de mai. L exercice 8 p. 46 présente un autre exemple d agent mutagène l aflatoxine B1 et le protocole expérimental standard mis en œuvre pour mesurer l effet mutagène d une molécule. L atelier Enquête p. 68 pose le problème de santé publique lié aux agents mutagènes auquel l homme peut être exposé en milieu professionnel. NB : pour accéder aux données originales présentées par le doc 4, on peut se reporter au rapport 2010 de l Institut national du cancer, basé entre autres sur l étude de Veierod, Adami et al. (2010). (Réaliser une culture de levures, pratiquer une démarche scientifique, extraire et organiser des informations à partir d observations et de documents, être conscient de sa responsabilité face à la santé, communiquer par écrit). On observe sur le doc. 1 que le pourcentage de colonies blanches augmente avec la durée d exposition aux UV. Or, dans l unité 1 on a montré que la présence de colonies blanches était due à des muta- tions dans la molécule d ADN. L exposition aux UV acroissent donc la fréquence d apparition de ces mutations. On observe également que le nombre total de colonies diminue lorsque la durée d exposition aux UV augmente. Certaines mutations ont donc un effet létal sur les levures (la réalisation d un graphique représentant le nombre total de colonies et le pourcentage de colonies blanches en fonction de la durée d exposition aux UV est ici opportune). Les UV entrainent la formation de dimères de thymine, qui conduisent à la mort de la cellule ou à l introduction d erreurs de réplication et de mutations (doc. 2). Les UV sont donc un agent mutagène. L utilisation des cabines de bronzage, même à une fréquence faible ( 10 fois par an), conduit toujours à un risque relatif (RR) supérieur à 1 pour l apparition des cancers de la peau (doc. 3 et 4). Ce RR est d autant plus élevé que la fréquence et la durée d exposition est importante. Ceci s explique simplement : les UV émis par les cabines sont des agents mutagènes et l accumulation de mutations peut entraîner l apparition de cancers. On constate une nette corrélation entre l indice UV observé pour un État américain (lors d un après-midi d été) et la mortalité par mélanome chez les hommes à peau blanche (doc. 5). Par exemple, en Floride, l indice UV est de 10 et la mortalité supérieure à 3,34 pour habitants. En revanche, dans l État de Washington, l indice UV est de 3 et la mortalité inférieure à 2,75 pour habitants. On peut donc émettre l hypothèse que le taux de cancer de la peau chez les hommes à peau blanche dépend de la dose d UV reçue. Pour conclure, certains agents présents dans l environnement, comme les rayons UV, qu ils soient d origine solaire (doc. 5) ou artificielle (doc. 1, 3 et 4), ont un effet mutagène sur la molécule d ADN : ils entraînent la formation de dimères de thymine conduisant à une augmentation de la fréquence des mutations (doc. 2). Ces mutations peuvent se traduire à l échelle cellulaire par une mort des cellules ou une modification de leurs caractères (doc. 1), et à l échelle des populations humaines par une augmentation du risque de survenue d un cancer de la peau (doc. 4 et 5). Unité 3 Le devenir des lésions de l ADN [pp du manuel de l élève] «Le plus souvent l erreur est réparée par des systèmes enzymatiques. Quand elle ne l est pas, si les modifications n empêchent pas la survie de la cellule, il apparaît une mutation, qui sera transmise si la cellule se divise. Une mutation survient soit dans une cellule somatique (elle est ensuite présente dans le clone issu de cette cellule) soit dans une cellule germinale (elle devient alors héréditaire).» Recenser, exploiter et interpréter des bases de données pour mettre en évidence l influence d agents mutagènes sur des populations humaines (UV). 6 Thème 1 Chapitre 2

7 L unité 2 présentait les effets sur la molécule d ADN d un agent mutagène (les rayons ultraviolets) et ses conséquences possibles pour la cellule et pour l individu. L unité 3 approfondit cette notion, les conséquences des modifications de la molécule d ADN pouvant être très diverses selon qu elles sont ou non prises en charge par un système de réparation (doc. 1, 2 et 3) et selon qu elles ont lieu dans une cellule germinale (doc. 4 et 5) ou somatique (doc. 4 et 6). Les doc. 1, 2 et 3 reposent sur l étude de cellules de patients atteints de xeroderma pigmentosum. Cette maladie est généralement connue des élèves, essentiellement par les images impressionnantes des malades vêtus de combinaisons anti-uv, mais également par les films qui la mettent en scène (Les Autres d Alejandro Amenábar et plus récemment La permission de minuit de Delphine Gleize). Le doc. 5, ainsi que l exercice 5, p. 45, présentent un exemple de mutation germinale. Le doc. 6 présente un exemple de mutation somatique et peut être mis en relation avec la p. 267 (Thème 5, chapitre 2, unité 2) traitant des bases génétiques du cancer. L exercice 6, p. 45 présente un autre exemple d agent mutagène (les rayons gamma) ainsi qu une bactérie possédant un système de réparation de l ADN extraordinairement efficace. NB : pour accéder aux documents originaux des exemples étudiés, on peut se reporter aux publications scientifiques ci-dessous (voir les compléments pédagogiques sur Doc. 1 : Clues to epidermical cancer proneness revealed by reconstruction of DNA repair-deficient xeroderma pigmentosum skin in vitro, F. Bernerd, PNAS, Doc. 3 : Association between DNA repair-deficiency and high level of p53 mutations in melanoma of xeroderma pigmentosum, Alain Spatz, Giuseppina Giglia-Mari, Simone Benhamou et al., Cancer Res, Doc. 5 : FOXP2 and the neuroanatomy of speech and language, Vargha-Khadem et al. Nat Rev Neurosci., 2005 Feb. Doc. 6 : The mutation spectrum revealed by paired genome sequences from a lung cancer patient, William Lee et al. Nature 465, ( 27 may 2010). ➊ Doc. 1. (Manifester sens de l observation et esprit critique, extraire des informations). Dix minutes après l exposition aux UV, on constate sur la coupe de peau artificielle la présence de «taches» vertes, correspondant aux noyaux des cellules où les anticorps fluorescents se sont fixés. L ADN de ces cellules contient donc des dimères de thymine. Quatre jours après l exposition, ces dimères sont toujours présents abondamment dans les cellules issues d individu atteint de xeroderma pigmentosum, mais leur quantité a très fortement diminué dans les cellules de l individu témoin. On peut en déduire qu il existe, chez les individus sains, un système permettant l élimination de ces dimères induits par les UV, mais que ce système est déficient chez les individus atteints de xeroderma pigmentosum. La présence de dimères de thymine dans l ADN peut induire l apparition de mutations (doc. 2, p. 34) : les systèmes d élimination de ces lésions de l ADN maintiennent donc les mutations à un faible taux. ➋ Doc. 2 et 3 (Recenser, extraire et organiser des informations). Le système de réparation de l ADN est un ensemble d enzymes, respectivement capable de reconnaître un dimère de thymine, de séparer les 2 brins d ADN et de couper le brin lésé en amont et en aval du dimère. Ce fragment éliminé est ensuite à nouveau synthétisé. Chez les individus atteints de xeroderma pigmentosum, au moins une de ces enzymes est inactive, provoquant la déficience globale de ce système de réparation (doc. 2). Le Doc. 3 mesure l incorporation de thymine dans deux cultures de cellules lors de la phase G 1. Celle-ci se déroule avant la réplication de l ADN : en l absence d exposition aux UV (témoin, dose d UV = 0 J.m -2 ), l incorporation de thymine dans les cellules est donc nulle. Toutefois, chez les cellules témoins, on constate que plus la dose d UV est élevée, plus l incorporation de thymine par noyau est importante (jusqu à 76 thymines par noyaux pour une dose d UV de 20 J.m -2 ). On peut donc émettre l hypothèse que les thymines ayant formé des dimères sous l action des UV sont remplacées par de nouvelles thymines. Dans les cellules d individus souffrant de xeroderma pigmentosum, l incorporation de thymine en phase G1 reste faible (< 10 thymines par noyau), même après une exposition intense aux UV. Cette très faible incorporation de nouvelles thymine dans l ADN appuie l hypothèse que le système de réparation des dimères de thymine est déficient chez ces individus. ➌ Doc. 4 à 6 (Pratiquer une démarche scientifique, recenser, extraire et organiser des informations). Dans la famille présentée par le doc. 5, les individus présentant des troubles du langage possèdent tous un allèle muté du gène FOXP2 (on constate la substitution d une cytosine par une adénine). La fréquence de cette mutation dans cette famille indique qu elle est héréditairement transmise à chaque individu malade par ses parents. Il s agit donc d une mutation germinale, seule transmissible à la descendance (doc. 4). Le doc. 6 est une comparaison du génome de deux cellules somatiques du même individu : une cellule cancéreuse et une cellule saine. On constate de très nombreuses modifications génétiques dans les cellules tumorales : des déplacements de fragments de chromosomes et des mutations affectant un nucléotide. Ces mutations sont portées par des cellules non reproductrices (cellules de tumeur du poumon) : ce sont donc des mutations somatiques, transmissibles uniquement aux cellules descendant de la cellule ayant subi la mutation initiale. Toutes les cellules de la tumeur forment un clone, portant ces modifications génétiques. ➍ EN conclusion (Communiquer dans un langage scientifiquement approprié). Lorsqu une lésion est formée dans la molécule d ADN (un dimère de thymine par l effet des UV, par exemple), elle est généralement éliminée par les enzymes des systèmes de réparation (doc. 1, 2 et 3). Si la modification de l ADN n est pas réparée, elle peut entraîner la mort de la cellule ou une mutation (unité 1). Si la mutation est présente dans une cellule germinale, elle peut être transmise à la descendance et être à l origine de caractères particuliers (doc. 4 et 5). En revanche, une mutation dans une cellule somatique ne sera pas transmise à la descendance de l individu, mais aux seules cellules de l organisme issues de la division de la cellule mutée. Les mutations somatiques peuvent ainsi entraîner un cancer (doc. 4 et 6). Thème 1 Chapitre 2 7

8 Unité 4 Les mutations, source de biodiversité [pp du manuel de l élève] «Les mutations sont la source aléatoire de la diversité des allèles, fondement de la biodiversité.» Utiliser des logiciels pour caractériser des mutations. Recenser et exploiter des informations permettant de caractériser la diversité allélique d une population. L unité 4 se place dans le prolongement de la partie La biodiversité, résultat et étape de l évolution du programme de seconde, au cours de laquelle sont établis la notion de biodiversité génétique et les mécanismes de base de l évolution moléculaire. Les doc. 1 et 2 s appuient sur un exemple très parlant de biodiversité génétique : la diversité des pigmentations de la peau chez différentes races de porc et son fondement génétique. Les élèves peuvent, en autonomie, rechercher et comparer les séquences présentées dans le doc. 2. Sont utilisés une banque de donnée (GenBank) et un logiciel gratuit (Seaview) quotidiennement utilisés dans les équipes de recherche en évolution moléculaire. Le logiciel Seaview a déjà été utilisé dans le manuel de seconde (Chapitre 4, p. 57) pour comparer des allèles d un gène (voir les compléments pédagogiques sur Le doc. 3 est adapté d une expérience d évolution bactérienne, réalisée en laboratoire sur plus de 20 ans. Cette expérience a permis de suivre en temps réel l accumulation des mutations dans le génome de bactéries et la diversification de leurs populations. L équipe de Richard Lenski, à l initiative de ce projet, détaille la démarche utilisée sur son site Internet (voir les compléments pédagogiques sur L exercice 9, p. 46 prolonge cette unité et présente un exemple de biodiversité génétique et de sélection naturelle appliqué aux populations humaines. NB : pour accéder aux documents originaux des exemples étudiés, on peut se reporter aux publications scientifiques ci-dessous : Doc. 1 et 2 : The origin of the domestic pig : independent domestication and subsequent introgression, E. Giuffra et al., Genetics, Doc. 3 : Genome evolution and adaptation in a long-term experiment with Escherichia coli, Jeffrey E. Barrick et al., Nature, oct Ex. 9, p. 46 : Convergent adaptation of human lactase persistence in Africans and Europeans. Tishkoff et al., Nature Genetics, ➊ Doc. 1 et 2 (Recenser extraire et organiser des informations, utiliser un logiciel). Le doc. 1 présente la diversité des caractères morphologiques observables sur des individus appartenant à la même espèce mais à des races différentes. On constate notamment une différence de coloration de la peau et du pelage : noir (Large Black par exemple), roux (Duroc), sans pigment (Large white) ou inégalement pigmenté (Meishan). Chacune de ces races présente un allèle différent pour le gène MC1R, régulant la production de pigments (doc. 2). On peut donc en déduire qu à la diversité morphologique des races de porc correspond une diversité allélique. ➋ Doc. 3 et 4 (Pratiquer une démarche scientifique, manifester un sens de l observation). On constate que, au fil des générations, le génome des bactéries accumule les mutations. Ainsi, la comparaison du génome des bactéries après générations et celui des bactéries initiales révèle au total 45 mutations accumulées. Au début de l expérience, l ensemble des bactéries, au génome identique, formait une unique population. Au fil des générations, le nombre de populations bactériennes, différant génétiquement par une ou plusieurs mutations, augmente (jusqu à 5 populations différentes après générations). On peut émettre l hypothèse que les différentes races de porc observées précédemment sont issues d une unique race, qui aurait accumulé des mutations au fil des générations, conduisant à la diversité génétique actuelle. ➌ Doc. 4 (Recenser et organiser des informations). Une mutation peut se traduire par l apparition d un nouveau caractère si : elle est transmise à la descendance de l individu (il est alors nécessaire que cette mutation soit germinale et que le gamète muté soit impliqué dans la fécondation) ; elle affecte un gène ; elle modifie le caractère contrôlé par ce gène. ➍ EN conclusion (Organiser des informations, communiquer dans un langage scientifiquement approprié). Les mutations peuvent apparaître de manière spontanée dans le génome (unité 1). Si elles sont présentes dans des cellules germinales, elles peuvent être transmises à la descendance (unité 3). Elles sont alors à l origine d allèles nouveaux du gène. Ces mutations sont donc une source de biodiversité génétique, dont l accumulation peut conduire à l apparition de populations différentes génétiquement (doc. 3). Cette biodiversité génétique peut également se traduire par une diversité des caractères observés au sein de la même espèce (doc. 1, 2 et 4). 8 Thème 1 Chapitre 2

9 Chapitre 3 L expression du patrimoine génétique Unité 1 La relation gènes-protéines [pp du manuel de l élève] Capacités et attitudes de mises en œuvre dans l unité «La séquence des nucléotides d une molécule d ADN représente une information. [ ] Les portions codantes de l ADN comportent l information nécessaire à la synthèse de chaînes protéiques issues de l assemblage d acides aminés.» Recenser, extraire et exploiter des informations permettant de caractériser les protéines comme expression primaire de l information génétique. La page d ouverture du chapitre constitue une occasion de remobiliser des connaissances acquises en classe de Troisième : distinguer un caractère de l espèce humaine et ses variations individuelles, se rappeler l idée que le patrimoine génétique détermine les caractères héréditaires d un individu et mettre en évidence des variations des caractères liées à l environnement. Depuis la classe de Seconde, les élèves connaissent la structure de la molécule d ADN, ainsi que la nature du message qu elle code. La notion de séquence a été abordée. Les élèves ont aussi une première idée de ce qu est un gène : un fragment d ADN, porteur d une information génétique, qui détermine un caractère héréditaire. L objectif de ce chapitre est de comprendre comment les gènes déterminent la réalisation des caractères héréditaires, en étudiant précisément comment l information génétique d une cellule s exprime. L unité 1 présente la structure d une protéine, molécule dont les élèves connaissent déjà l existence, et met en évidence la relation entre gènes et protéines. Le doc. 1 illustre la diversité et l importance des fonctions assurées par les protéines. Il permet d attribuer une nature protéique aux enzymes évoquées dans l expérience historique de Beadle et Tatum (doc. 2 à 4), récompensée par un prix Nobel en Les logiciels Rastop et Anagène (doc. 5 et 7) peuvent être le support d une activité pratique mettant en évidence la correspondance entre séquence en acides aminés d une protéine et séquence nucléotidique du gène qui la code (voir les compléments pédagogiques sur Les fiches techniques de ces logiciels, utilisables lors des épreuves d évaluation des capacités expérimentales, sont téléchargeables à l adresse suivante : L exemple de la GFP a été choisi pour faire écho au chapitre 4 du thème 1 du manuel de Seconde. (Pratiquer une démarche scientifique, extraire des informations à partir d observations et de documents, organiser ces informations, communiquer par écrit). Les cultures réalisées avec la souche sauvage de Neurospora, ainsi que toutes celles réalisées avec des souches mutantes sur milieu minimum (MM) + tryptophane servent de témoins. Chaque mutant de Neurospora obtenu par Beadle et Tatum est incapable de pousser sur milieu minimum (doc. 4) : l une des réactions chimiques de la voie de synthèse du tryptophane (doc. 3) une molécule organique essentielle (doc. 2) n est pas réalisée, signifiant que l enzyme nécessaire à cette réaction est déficiente. On sait, de plus, que chaque mutant présente une mutation sur un unique gène. La souche mutante 1 pousse sur tous les milieux sauf sur le milieu minimum (doc. 4). Elle est donc capable de réaliser les réactions 2 et 3 mais pas la réaction 1 : son enzyme 1 est donc déficiente. La seule différence existant entre la souche sauvage de Neurospora et le mutant 1 est la présence d une mutation dans un unique gène chez le mutant 1. On peut donc supposer qu il existe une relation entre ce gène 1 et l enzyme 1. De même, la souche mutante 2 est incapable de pousser sur milieu minimum et sur MM + acide anthranilique : son enzyme 2 est donc déficiente. La souche 2 étant mutée au niveau d un gène différent de celui de la souche 1, on peut penser qu il existe une relation entre ce gène 2 et l enzyme 2. Enfin, la souche mutante 3 pousse uniquement sur MM + tryptophane : elle présente une enzyme 3 déficiente. La souche 3 étant mutée au niveau d un gène différent de ceux des souches 1 et 2, on peut penser qu il existe une relation entre ce gène 3 et l enzyme 3. Finalement, il semblerait donc que la fonctionnalité d une enzyme soit directement associée à un gène précis. Les enzymes sont des protéines (doc. 1). Une protéine est constituée par une succession ordonnée d acides aminés (doc. 5). La relation «un gène une enzyme» pressentie par les résultats de Beadle et Tatum est confirmée par le doc. 6, qui précise qu un gène permet la synthèse d une protéine spécifique par la cellule. Les séquences d acides aminés des protéines GFP et BFP diffèrent uni- Thème 1 Chapitre 3 9

10 quement au niveau de l acide aminé 65 tyrosine dans la protéine GFP, histidine dans la protéine BFP (doc. 7). Or, les séquences nucléotidiques des gènes qui codent pour ces protéines diffèrent par un unique nucléotide C dans le gène BFP à la place de T dans le gène GFP (doc. 7). Il semblerait donc qu il existe une correspondance entre la séquence en acides aminés d une protéine et la séquence nucléotidique du gène qui la code. Pour conclure, un gène est donc une unité d information sur l ADN qui permet la synthèse d une protéine : la séquence nucléotidique du gène conditionne la séquence en acides aminés de la protéine codée. Unité 2 La transcription, première étape de l expression d un gène [pp du manuel de l élève] «Chez les eucaryotes, la transcription est la fabrication, dans le noyau, d une molécule d ARN pré-messager, complémentaire du brin transcrit de l ADN.» Mettre en œuvre une méthode (démarche historique) et/ou une utilisation de logiciels et/ou une pratique documentaire permettant d approcher le mécanisme de la transcription. Dans l unité précédente, on a montré que l expression d un gène se traduit par la synthèse d une protéine et que la séquence en acides aminés d une protéine dépend étroitement de la séquence en nucléotides du gène qui dirige sa production. Cette unité démontre la nécessité de l existence d un intermédiaire entre ADN et protéine et identifie quelques caractéristiques de cet intermédiaire l ARN (doc. 1 à 3). Elle expose enfin les mécanismes qui conduisent à sa synthèse dans le noyau transcription (doc. 4 et 5). La présentation de la molécule d ARN peut fournir une nouvelle occasion de manipuler le logiciel Rastop. (voir les compléments pédagogiques sur La mise en évidence du rôle d intermédiaire joué par la molécule d ARN peut également être complétée par l exercice 5, p. 65, qui présente une expérience très classique de pulse-chase. Une animation illustrant la transcription est disponible à l adresse suivante (catégorie biologie cellulaire) : ➊ Doc. 1 et 3A (Pratiquer une démarche scientifique : exploiter des résultats expérimentaux et raisonner avec rigueur). Après section de l acétabulaire (doc. 3A), le fragment 1, ne contenant que du cytoplasme, développe un chapeau identique à celui développé par le fragment 2 qui possède un moyau. Or, la mise en place de ce chapeau nécessite une importante synthèse de protéines (doc. 1). On peut donc en déduire que la synthèse des protéines du chapeau de l acétabulaire se déroule dans le cytoplasme. La localisation des gènes gouvernant la synthèse de ces protéines dans le noyau cellulaire implique nécessairement l existence d un intermédiaire entre ADN et protéines. ➋ Doc. 2 et 3B (Extraire des informations d une capture de logiciel légendée et pratiquer une démarche scientifique : exploiter des résultats expérimentaux, raisonner avec rigueur). Après section de l acétabulaire et traitement des fragments à la RNase (doc. 3B), le fragment 1 ne développe pas de chapeau alors que le fragment 2 nucléé developpe un chapeau normal. Par comparaison avec l expérience précédente (doc. 3A), on peut dire que le traitement à la RNase semble avoir bloqué la peoduction de protéine nécessaire à la mise en place du chapeau par le fragment sectionné. Ce résultat fait de l ARN un candidat très sérieux pour jouer le rôle d intermédiaire entre ADN et protéines. Le fait que l ARN soit synthétisé dans le noyau puis exporté dans le reste de la cellule (doc. 2) renforce cette hypothèse. ➌ Doc. 4 ET 5 (Extraire des informations d une photographie et d un schéma légendés). Chaque molécule d ARN est synthétisée dans le noyau cellulaire, au contact d une molécule d ADN, grâce à l action d enzymes : les ARN polymérases. La séquence d une molécule d ARN synthétisée est complémentaire d un des brins du fragment d ADN correspondant au gène qui s exprime. L ARN migre ensuite dans le cytoplasme, assurant une transmission fidèle de l information génétique portée par un gène, du noyau vers le cytoplasme. ➍ En conclusion (Communiquer à l aide d un schéma). Voir le schéma du milieu de la p. 60 du manuel de l élève. 10 Thème 1 Chapitre 3

11 Unité 3 La traduction, seconde étape de l expression d un gène [pp du manuel de l élève] «Le code génétique est le système de correspondance mis en jeu lors de la traduction de cette information. À quelques exceptions près, il est commun à tous les êtres vivants. [ ] l ARN messager est traduit dans le cytoplasme en protéines.» Mettre en œuvre une méthode (démarche historique) et/ou une utilisation de logiciels et/ou une pratique documentaire permettant : d approcher le mécanisme de la traduction ; de comprendre comment le code génétique a été élucidé. Dans l unité précédente, on a montré que l ARN assure une transmission fidèle de l information génétique portée par un gène, du noyau vers le cytoplasme. Cette unité montre le devenir de l ARN messager (ANRm) parvenu dans le cytoplasme et explicite les relations existant entre ARNm et protéine synthétisée. Les doc. 1 à 3 permettent de comprendre comment le message porté par la molécule d ARNm est codé et d expliciter la relation existant entre séquences protéique et nucléotidique (le code génétique). Les doc. 4 et 5 exposent les mécanismes moléculaires qui conduisent à la synthèse d une protéine à partir d un ARNm dans le cytoplasme (traduction). Le logiciel Anagène peut être utilisé par les élèves pour obtenir, en autonomie, les informations apportées par le doc. 3, ce qui leur fournit une occasion supplémentaire de s exercer dans l optique de l évaluation des capacités expérimentales (voir les compléments pédagogiques sur L exercice 6, p. 65 illustre quelques exceptions au code génétique. L exercice 7, p. 65 fournit à l élève l occasion de s exercer à l utilisation du tableau du code génétique. Des informations complémentaires concernant le déchiffrage du code génétique sont disponibles à l adresse suivante : Une animation illustrant la traduction est disponible à l adresse suivante (catégorie biologie cellulaire) : Une animation en anglais, illustrant le principe d une expérience de pulse-chase au cours d une synthèse protéique, est disponible à l adresse suivante : animations/content/pulsechase/pulsechase.html. Elle peut, par exemple, être utilisée pour un approfondissement dans le cadre de l accompagnement personnalisé, ou de l enseignement en classe européenne. ➊ Doc. 1 (Raisonner). Si 1 nucléotide codait un acide aminé, 4 acides aminés différents uniquement pourraient être codés. Si une combinaison de 2 nucléotides codait un acide aminé, = 16 acides aminés pourraient être codés. Enfin, si une combinaison de 3 nucléotides codait un acide aminé, = 64 acides aminés pourraient être codés. Pour que chacun des 20 acides aminés soient codés, il est donc nécessaire et suffisant d associer 3 nucléotides pour un acide aminé. ➋ Doc. 2 et 3 (Extraire des informations d un texte et d une capture de logiciel). Les acides aminés codés par les codons indiqués sont : AUG Met ; UAG aucun acide aminé ; CUU Leu ; AAU Asn ; UUG Leu. À l inverse, les codons correspondants aux acides aminés indiqués sont : Glu GAG, GAA ; Val GUG, GUA, GUU ; Tyr UAU, UAC ; Lys AAA, AAG ; Phe UUU, UUC. ➌ Doc. 2 et 3 (Extraire des informations d un texte et d une capture de logiciel, raisonner). Chaque codon code un unique acide aminé : le code génétique est dit «univoque». Un acide aminé peut en revanche être codé par plusieurs codons différents : le code génétique est dit «redondant». Le code génétique s est avéré quasiment identique chez tous les êtres vivants étudiés jusqu à aujourd hui (doc. 2) : il est universel, à quelques exceptions près. ➍ Doc. 4 et 5 (Extraire des informations d une photographie et d un schéma légendés). Dans le cytoplasme, une molécule d ARN messager est «prise en charge» par des ribosomes qui lisent sa séquence et la convertissent en une séquence d acides aminés. Pour ce faire, les ribosomes associent à chaque codon l acide aminé qui lui correspond et mettent en place les liaisons entre acides aminés successifs. ➎ En conclusion (Communiquer par un schéma). Du gène à la protéine. Voir le schéma du bas de la p. 60 du manuel de l élève. Thème 1 Chapitre 3 11