CH1 : DU GENOTYPE AU PHENOTYPE

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1 CH1 : DU GENOTYPE AU PHENOTYPE I N T R ODUCTION : Les individus sont identifiés par leurs caractères constituant le phénotype. Or, si les individus d une espèce ont même caryotype et même génome, ils sont toutefois tous différents. Comment expliquer le phénotype d un individu à partir de son équipement génétique et de l environnement? Plan I. LES NIVEAUX DE PHENOTYPE : Macroscopique Cellulaire Moléculaire II. III. IV. LA SYNTHESE DES PROTEINES : Relation gène protéine Transcription Code génétique Traduction Devenir des protéines PROTEINES ENZYMATIQUES : Biocatalyseur Double spécificité Influence environnement RELATION GENE PROTEINES ENVIRONNEMENT : Conséquences de la biallélie Plusieurs génotypes par phénotypes Influence du milieu sur le phénotype Prédisposition à une maladie. V. CONCLUSION

2 I : L E S NIVEAU X D E P H ENOTYPES r e t o u r A. PHENOTYPE MACROSCOPIQUE 1 caractère (sens restreint) ou plusieurs caractères (sens large), accessibles à l œil nu, d un individu. Exemple Mucoviscidose : Bronches obstruées par du mucus, respiration diminuée, infections à répétition. B. PHENOTYPE CELLULAIRE (=MICROSCOPIQUE) Le phénotype macroscopique dépend des caractères cellulaires : fonctionnement, composition, forme Exemple Mucoviscidose : les cils des cellules bronchiques n évacuent pas le mucus visqueux. Les cellules immunitaires détruisent les bactéries mais aussi les cellules bronchiques. C. PHENOTYPE MOLECULAIRE Le phénotype cellulaire dépend du fonctionnement des protéines produites par les cellules. Exemple Mucoviscidose : le dysfonctionnement de la protéine CFTR provoque la formation d un mucus visqueux. Tissu épithélial respiratoire Cellule épithéliale Canal à chlore Cellule sécrétrice de mucus Chlore 1. Le fonctionnement d une protéine dépend de sa forme Mucus Suivant sa forme (canal, corbeille, bosse ), une protéine peut modifier d autres molécules (déplacer, lier, couper ) Exemple Mucoviscidose : la protéine CFTR forme un canal dans la membrane cellulaire ; s il est déformé, il ne permet plus le passage du chlore nécessaire à la fluidité du mucus.

3 2. La forme d une protéine dépend de sa séquence d acides aminés : retour Une protéine est une chaîne d acides aminés se repliant sur elle-même. Les replis donnent le volume de la molécule (canal, corbeille, bosses ), appelé structure spatiale, et dépendent de la succession des acides aminés. Exemple Mucoviscidose : les acides aminés hydrophobes de la protéine CFTR s intègrent dans la membrane ; leur repliement en forme de canal permet le passage du chlore entre le cytoplasme et le milieu extracellulaire. Milieu extracellulaire = zone d eau acides aminés hydrophile canal membranaire Membrane = zone de lipide Milieu intracellulaire = zone d eau acides aminés hydrophobes attirés acides aminés hydrophile Membrane Cette succession déterminée par le nombre et la position des acides aminés est appelée séquence d acides aminés. Position : etc : séquence d AA AA : TRY PHE GLU ALA THR MET ARG SER Il existe 20 acides aminés différents, chacun possédant une fonction acide (COOH), une fonction amine (NH2) et une partie variable (parmi 20 possibles) : 2 acides aminés successifs peuvent se lier par une liaison peptide, associant la fonction amine de l un et la fonction acide de l autre. Radical COOH : fonction acide AA1 R NH2 : fonction amine Liaison peptide entre 2 AA AA2 2 séquences différentes provoquent 2 repliements différents aboutissant à 2 activités moléculaires différentes.

4 Exemple Mucoviscidose : protéine CFTR = 1480 AA ; la perte de l acide aminé PHE en position 508 provoque la déformation de la protéine et l obstruction du canal. (Immense diversification possible : pour des chaînes protéiques de 100 AA, soit protéines différentes) CARACTERE MACROSCOPIQUE CARACTERE CELLULAIRE CARACTERE MOLECULAIRE Bronche dégagée Les cils évacuent le mucus car il est fluide La séquence des 1500 AA permet le bon fonctionnement de la protéine CFTR Le passage de chlore par le canal membranaire rend le mucus fluide. Bronche obstruée Les cils n évacuent pas le mucus car il est visqueux Le changement de l acide aminé 508 déforme le canal de la protéine CFTR, ce qui empêche le passage du chlore et rend le mucus visqueux. L obstruction des bronches dépend de la viscosité du mucus La viscosité du mucus dépend du fonctionnement du canal chlore résultant de la séquence d acides aminés de la protéine CFTR Animation et exercice en ligne sur la drépanocytose : BILAN : Le phénotype se définit aux niveaux des organes de l individu, des cellules et des molécules. Le phénotype dépend de la séquence d acides aminés constituant la structure primaire de la protéine.

5 II : SYNTHESE DES PROTEINES retour Le phénotype dépend de l activité des protéines. Mais on sait aussi que l insertion d un gène supplémentaire dans un noyau provoque l apparition d une protéine supplémentaire dans le cytoplasme et l apparition d une nouvelle fonction cellulaire. Quel rapport existe-t-il entre les gènes et les protéines? Comment une protéine se construit-elle? A. RELATION GÈNE / PROTÉINE 1. Ressemblance gène/protéine : Les deux molécules sont des macromolécules séquencées Macromolécules : très grandes molécules composées d unités moléculaires plus petites, nucléotide ou acide aminé Séquencées = formée d une succession ordonnée des unités moléculaires. Leur ressemblance de composition laisse penser à une même origine ou à lien dans leur formation. 2. Différence gène/protéine : Leurs unités diffèrent : 4 nucléotides (A, T, C, G) pour l ADN, 20 acides aminés (Alanine, Acide Glutamique, Valine, Leucine ) pour les protéines. Leur localisation diffère : noyau pour l ADN et cytoplasme pour les protéines. Les mécanismes de fabrication doivent tenir compte des différences de molécules et de localisations cellulaires. B. TRANSCRIPTION DE L ADN EN ARNm Les analyses montrent que le noyau produit un autre acide nucléique : l ARNm, représentant une copie d un gène. La transcription est la formation d ARNm dans le noyau à partir d un gène 1) Caractéristiques ARNm : il est formé d un seul brin (= chaîne) de nucléotides se compose de 4 nucléotides différents : C, G, A, U. U à la place de T dans l ADN le sucre des nucléotides est le ribose, au lieu du désoxyribose de l ADN son information génétique est sa séquence de nucléotides comme pour l ADN. la chaîne d ARNm est courte (l ADN est très long) et sa vie brève (minute)

6 2) Mécanisme de transcription retour Une enzyme du noyau, l ARNp (polymérase) se fixe sur l ADN, au niveau d une séquence «signal de début» Elle sépare les deux brins de l ADN et place des ribonucléotides, libres dans le noyau, en complémentarité avec l ADN, dans l ordre imposé par la séquence du brin transcrit, puis relie ces ribonucléotides entre eux. L ARNp se déplace en sens unique sur l ADN, jusqu à la séquence «signal de fin» du brin transcrit, qui la dissocie : cela libère l ARNm dans le nucléoplasme. Plusieurs ARNp se succèdent rapidement sur le même brin transcrit : donc plusieurs ARNm se construisent à la suite (chromosome en écouvillon). Grâce à la complémentarité des nucléotides (A/U, T/A, C/G, G/C), grâce aux séquences d ADN de début et de fin de transcription et grâce au déplacement en sens unique de l ARNp, un gène sur l ADN n est traduit que par un seul type d ARNm, en nombreux exemplaires. La séquence de l ARNm équivaut à la séquence du brin non transcrit, l Uracyle remplaçant la Thymine. Une fois libérés dans le nucléoplasme, les ARNm traversent la membrane nucléaire par les pores nucléaires et rejoignent le cytoplasme. Animation sur la transcription : La transcription permet la fabrication d ARNm, «copie» d un gène, dans le noyau. Cette séquence de ribonucléotides passe dans le cytoplasme où elle est traduite en séquence d acides aminés composant la protéine. C. LE CODE GENETIQUE 1) La correspondance entre ARNm et acides aminés : 3 nucléotides successifs de l ARNm forment un codon associé à 1 acide aminé. (Ex : AUG correspond à méthionine). Chacun des 64 codons possibles (4x4x4) ne correspond qu à un seul des 20 acides aminés. La séquence génétique d ARNm détermine la séquence d acides aminés de la protéine qui en dépend.

7 2) Caractéristiques du code : retour Le système est univoque : chacun des 64 triplets désigne 1 seul des 20 AA, sans confusion possible. 3 codons stop signifient l arrêt de l assemblage des acides aminés. Plusieurs triplets différents peuvent désigner le même AA : cette caractéristique est nommée redondance. Cette correspondance entre ARNm et acides aminés est universelle. Animation sur le code génétique à télécharger : D. TRADUCTION DE L ARNm EN PROTEINE 1) Lieu de traduction : les ARNm sortent par les pores nucléaires ; la traduction s effectue dans le cytoplasme 2) Acteurs de la traduction : les molécules d ARNm libres dans le cytoplasme ; les acides aminés fixés sur des adaptateurs munis de nucléotides capables se fixer sur un triplet d ARNm. des ribosomes, molécules creusées de 2 cavités, pouvant adhérer à l ARNm et assembler 2 acides aminés. 3) Etapes du mécanisme de traduction Initiation : le ribosome se fixe sur une séquence signal de l ARNm ; l adaptateur de méthionine transportant son acide aminé méthionine, se fixe sur le codon initiateur (AUG) et se place dans la 1 cavité du ribosome. Elongation : l adaptateur du 2 acide aminé se place sur le 2 codon de l ARNm ; l acide aminé qu il porte se place dans la 2 cavité du ribosome. Le ribosome stimule la liaison peptide entre la méthionine et le 2 acide aminé puis il se déplace sur le codon suivant (2 et 3 codons), assemble les 2 et 3 acides aminés etc Terminaison : le passage du ribosome sur un codon stop provoque sa dissociation et l arrêt de la traduction. La chaîne d acide aminé est libérée dans le cytoplasme. La méthionine, 1 acide aminé est coupée de la chaine ; la protéine se replie selon sa séquence et prend sa configuration spatiale.

8 Grâce aux signaux de début et de fin sur l ARNm, grâce au déplacement sens unique du ribosome et grâce au code génétique univoque, une séquence d ARNm n est traduite qu en une seule séquence d acides aminés. En conséquence, la protéine synthétisée exprime fidèlement le gène présent dans le noyau. Plusieurs ribosomes se fixent et traduisent successivement une molécule d ARNm (polysomes) : chaque ARNm est donc traduit un grand nombre de fois en protéine : un gène permet la synthèse d un grand nombre de protéines. Animation sur la synthèse des protéines : E. DEVENIR DES PROTEINES SYNTHETISEES 1) Protéines cytoplasmiques : Elles sont fabriquées directement dans le hyaloplasme ; elles y restent. 2) Protéines exportées : le REG (Réticulum Endoplasmique Granaire), réseau de tubules membranaires du cytoplasme, reçoit les protéines libérées par les ribosomes. Par l intermédiaire de vésicules, les protéines migrent dans l appareil de Golgi où elles sont transformées (sucrées, maturées). Par l intermédiaire de vésicules de sécrétion qui fusionnent avec la membrane cytoplasmique, les protéines sont sécrétées (insuline) ou fixées en membrane (canal CFTR). BILAN : L ARNp transcrit l information génétique de l ADN en ARNm, qui migre dans le cytoplasme. Le ribosome fabrique la séquence d acides aminés à partir de la séquence de codons d ARNm, en suivant la correspondance donnée par le code génétique. 1 gène = 1 séquence de nucléotides d un brin d ADN, détermine 1 ARNm, 1 séquence d acides aminé et 1 protéine fonctionnelle. Une protéine exprime le gène dans le cytoplasme et permet la réalisation du phénotype moléculaire. Images des organites de la cellule animale : Site du CNRS sur les images de la cellule : Comparaison cellule animale et végétale

9 III : LES PROTEINES ENZYMATIQUES CONTRIBUENT A L EXPRESSION DU PHENOTYPE Retour Les protéines sont représentées essentiellement par les enzymes. Qu est-ce qu une enzyme, comment agit-elle? A. L ENZYME EST UN BIOCATALYSEUR Catalyseur : molécule accélérant la vitesse d une réaction chimique sans y participer, agissant à faible dose. Biocatalyseur : catalyseur protéique produit par les cellules, effectuant des réactions de synthèse (soudure), d hydrolyse (cassure), de changement de forme. EXEMPLE : ENZYME DES GROUPES SANGUINS ABO : Chaque groupe sanguin est caractérisé par des hématies possédant une molécule membranaire appelée marqueur. Groupe A avec hématies ayant le marqueur A ; groupe B avec marqueur B ; groupe O avec hématies ayant le marqueur H ou pas de marqueur. La présence de marqueurs résulte de l activité d enzymes cytoplasmiques : L enzyme 1 relie précurseur et fucose en marqueur H ; l enzyme 2A relie H et acétyl en marqueur A ; l enzyme 2B relie H et galactose en marqueur B. B. DOUBLE SPECIFICITE DE L ACTIVITE ENZYMATIQUE 1. Spécificité de substrat : elle ne transforme qu une seule molécule, (nommée substrat). Enzyme et substrat s associent temporairement en un ensemble appelé complexe enzyme-substrat (E-S). 2. Spécificité d action : le substrat n est transformé qu en un seul produit Une fois associée au substrat, l enzyme le transforme. Cette transformation du substrat s effectue par une autre région moléculaire de l enzyme appelée site catalytique. Site de fixation et site catalytique constituent le SITE D ACTION de l enzyme.

10 Complexe enzyme substrat retour Acides aminés catalytiques, transforment le substrat en produits SUBSTRAT Liaisons faibles Liaisons faibles Acides aminés de reconnaissance, fixent le substrat Acides aminés de reconnaissance, fixent le substrat ENZYME Liaison sulfure Liaison faible Acides aminés ne faisant pas partie du site actif

11 3. Double spécificité conséquence de la séquence d acides aminés : retour La double spécificité du site d action dépend de la structure spatiale de chaque site, fixation et catalytique. Cette structure spatiale résulte de la séquence d acides aminés composant la protéine enzymatique. Site de reconnaissance Substrat Site catalytique ENZYME COMPLEXE ENZYME SUBSTRAT Si une mutation provoque un changement dans la séquence d acides aminés, la forme du site actif et son fonctionnement sont aussi modifiés.

12 C. MODIFICATION DE L ACTIVITE ENZYMATIQUE PAR L ENVIRONNEMENT retour Suivant les paramètres physico-chimiques du milieu, l activité enzymatique se modifie : Si la température du milieu augmente, l agitation moléculaire augmente, la formation des complexe ES augmente, la transformation de S en P augmente. En milieu froid Si la température du milieu est trop forte, l agitation moléculaire casse le site actif : il ne fonctionne plus. Si le PH du milieu augmente, les ions H + abondants modifient la forme du site actif : Il fonctionne plus. Si composition du milieu change, certaines molécules peuvent casser le site ou s y fixer, empêchant la formation du complexe E-S. L activité enzymatique est maximum (à vitesse maximum : Vmax) lorsque les conditions de température, de PH et de composition chimique, sont optimales. BILAN : une enzyme est un biocatalyseur possédant un site actif à double spécificité, de substrat et d action, découlant sa séquence d acides aminés. L activité enzymatique est modifiée par les paramètres du milieu ou les mutations des gènes. Remarque : Chaque cellule possède un équipement enzymatique particulier qui lui procure une activité particulière. (4.000 enzymes différentes par cellule). Les variations d équipement enzymatique sont à l origine des variations de fonctionnement entre les cellules, les organes, les individus, les espèces.

13 Noyau Enzymes, gène et phénotype Cellule Gène 1 Gène 2 et gène 3 Chaîne d acides aminés 1 Chaîne d acides aminés 3 Cytoplasme Chaîne d acides aminés 2 Enzyme3 Enzyme 1 Enzyme 2 Enzyme modifiée non fonctionnelle Activité cellulaire

14 IV : RELATIONS GENE / PROTEINE / ENVIRONNEMENT retour Le phénotype repose sur les protéines synthétisées à partir des gènes. Or les êtres vivants sont bialléliques, le phénotype peut résulter de plusieurs protéines, et l environnement peut modifier l activité des protéines. Comment génotype et milieu contribuent-ils à déterminer le phénotype? A. CONSEQUENCES DU BIALLELISME SUR LE PHENOTYPE 1. Génotype et phénotype d un individu Le noyau de chaque individu contient des paires de chromosomes (maternels et paternels) : les gènes présents sur chaque paire de chromosome sont en 2 exemplaires : pour chaque gène, il existe donc 2 allèles par cellule. (Allèle = 1 version d un gène, marquée par un ou quelques nucléotides différents dans la séquence). Dans chaque cellule, chaque gène porte 2 allèles différentes ou identiques : Gène homozygote = 2 allèles identiques : génotype (A1//A1) ; phénotype [A1] Chromatide Chromatide Centromère Chromosome maternel Chromosome paternel A A Locus du gène G (Locus = lieu, position) A A

15 Gène hétérozygote = 2 allèles différents : génotype (A1//A2) ; phénotype : [A1, A2] Chromosome maternel Chromosome paternel Chromatide Chromatide Centromère A A Locus du gène G B B 2. Dominance ou codominance des allèles dans une cellule Dans un cytoplasme, les 2 allèles s expriment par 2 protéines. Suivant les allèles, les protéines fonctionnent correctement ou pas. Le fonctionnement global de la cellule dépend du fonctionnement des protéines fabriquées. Dans le cas d un gène hétérozygote, le fonctionnement d une protéine peut masquer le fonctionnement de l autre : L allèle dominant est celui qui fabrique la protéine fonctionnelle, contribuant à établir le phénotype. L allèle récessif est celui qui fabrique une protéine dont la présence est masquée par la protéine fonctionnelle. Si les 2 allèles fabriquent des protéines fonctionnant ensemble dans la cellule et participant mutuellement au phénotype, elles sont dites co-dominantes.

16 B. PLUSIEURS GENOTYPES POUR 1 MEME PHENOTYPE retour 1) Si les caractères sont monogéniques (caractère dépendant d un seul gène) Le phénotype dominant résulte de génotype homozygote dominant ou du génotype hétérozygote. Le phénotype récessif ne peut résulter que du génotype homozygote récessif. Exemple mucoviscidose : Phénotype sain pour les génotypes homozygote dominant : (CFTR+//CFTR+) et hétérozygote : (CFTR+//CFTR-). Phénotype malade pour le génotype homozygote récessif : (CFTR-//CFTR-). 2) Si les caractères sont polygéniques (caractères dépendant de plusieurs gènes) Plusieurs protéines successives (enzymes, hormones / récepteur) afin que le phénotype moléculaire se réalise. A chaque étape de la chaîne métabolique, chaque gène peut être homozygote récessif, homozygote dominant, hétérozygote : Plusieurs génotypes sont possibles pour le phénotype fonctionnel, à partir des génotypes homozygotes dominants et des génotypes hétérozygotes. Plusieurs génotypes sont possibles pour le phénotype non fonctionnel, car si une seule des étapes ne s effectue pas, le caractère ne se réalise pas. Exemple sur les yeux de drosophile, voir livre et TP 1.6

17 C. INFLUENCE DU MILIEU SUR LE PHENOTYPE : retour EXEMPLE : Variation du nombre de facettes des yeux de la drosophile en fonction de la température d élevage des larves Nb de facettes Sauvage Infra bar Ultra bar T C d élevage des larves Le milieu modifie l activité des protéines T, PH et molécules de l environnement peuvent favoriser la formation du complexe ES et l activité enzymatique ou bien modifier la forme du site actif voire le casser. Le milieu peut aussi corriger l effet néfaste des protéines non fonctionnelles, soit grâce aux protections mises en place (ex : filtre à UV), soit en atténuant les conséquences des dysfonctionnements (ex : massage des poumons)

18 2. Le milieu modifie l expression des gènes retour Dans une cellule d organe spécialisée, seuls quelques-gènes sont actifs : Le milieu peut activer la transcription et la traduction de certains gènes : (Ex : synthèse de chlorophylle à la lumière couleur verte et non blanche) Le milieu peut freiner la transcription et la traduction de certains gènes (Ex : en excès d adénine, la synthèse du premier enzyme de la chaine métabolique est bloquée). 3. Le milieu modifie l ADN d un gène Les agents mutagènes : (UV, X, oxydant) modifient un ou quelques nucléotides de la séquence d un gène qui peut devenir non fonctionnel. 4. Les mutations peuvent se transmettre Si la mutation touche des cellules somatiques (= non sexuelles), elle n est pas transmissible à la descendance. Si la mutation touche des cellules germinales (= ovule ou spermatozoïdes), elle est transmissible à la descendance.

19 Retour Poumon Gène muté Protéine modifiée Agent mutagène p53 p53 Protéine P53 modifiée ch.17 ch.17 Cellule du poumon Sur le chromosome 17, le gène p53 code pour une protéine qui inhibe le processus de cancérisation ; il est qualifié d antioncogène. A l origine du cancer du poumon, le tabac provoque une mutation de ce gène, entraînant la formation d une protéine inefficace.

20 D. PREDISPOSITION GENETIQUE A UNE MALADIE : retour Une prédisposition génétique est la possession d allèle rendant sensible aux effets de l environnement pouvant déclencher la maladie : Avec 1 allèle non fonctionnel, le risque de développer la maladie est faible, car l autre allèle assure la fonction cellulaire. Avec un allèle non fonctionnel, le risque de déclencher la maladie augmente si le 2 allèle est muté et devient non fonctionnel. Avec 2 allèles non fonctionnels, le risque de développer la maladie est fort, car la fonction cellulaire n est pas assurée et l environnement déclenche la maladie. (EX : Xéroderma pigmentosum, risque de fort de taches brunes avec UV) Toutefois, la prédisposition n est pas la maladie : l organisme peut se protéger de l environnement. L absence de prédisposition ne signifie pas l absence de maladie : le milieu à lui seul peut déclencher la maladie. BILAN : La diversité des génotypes est à l origine de la diversité des phénotypes, car chaque individu porte deux allèles et les gènes sont multi-alléliques. Un même phénotype est déterminé par plusieurs génotypes car les gènes sont hétérozygotes ou homozygotes et un même caractère dépend en général d une voie métabolique. Le milieu modifie la séquence génétique, l expression du gène, ou l activité des protéines. La prédisposition génétique rend plus sensible à l environnement et augmente le risque de maladie.

21 CONCLUSION retour La diversité des phénotypes provient de la diversité des sites actifs des protéines, résultant de la diversité des séquences AA. Les phénotypes alternatifs entre les individus viennent des petites variations de la protéine. L information génétique écrite en séquence de nucléotides, est transcrite en ARNm, puis traduite en protéine au niveau des ribosomes du cytoplasme pour l utilisation cellulaire, ou bien au REG pour l exportation. Une protéine exprime une information génétique grâce à la complémentarité des nucléotides ADN/ARN et grâce aux codons univoques par acide aminé. Les protéines enzymatiques se fixent sur leur substrat et le transforme en produit spécifique, mais modifient leur action suivant la température, le PH, et les molécules environnantes. La complexité de la détermination du phénotype résulte de la biallélie, de l existence de voies métaboliques et de l influence du milieu sur l activité des gènes ou des protéines. Un gène est un ensemble d allèles, fragments d ADN, déterminant la synthèse d un type d ARNm et d un type de protéine, fonctionnelle ou non, à l origine d une transformation moléculaire spécifique dans une voie métabolique.