CHAPITRE D. (ancien programme) Le brassage génétique et la diversité des génomes (Nouveau programme)

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1 CHAPITRE D Le brasage génétique par la méiose et la fécondation (ancien programme) Le brassage génétique et la diversité des génomes (Nouveau programme) POLY-PREPAS AMIENS 1 M.LAIGNIER ll.polyprepas@orange.fr

2 Les individus issus de la reproduction sexuée ressemblent à leurs parents, à leurs frères et seurs mais sont génétiquement uniques (à l exception des «vrais» jumeaux). Ainsi, si la reproduction sexuée assure la stabilité de l espèce en maintenant le caryotype (voir partie C) elle est aussi source de variabilité génétique des individus à l intérieur de l espèce. Problématique: - Comment expliquer cette variabilité génétique? - Comment expliquer la variété des combinaisons d allèles que représentent les individus d une même espèce? - Comment la méiose et la fécondation participent-elles à l établissement de cette variabilité de combinaisons alléliques? 1. Le devenir des allèles au cours de la méiose. a) Cas des organismes à phase haploïde dominante (Sordaria). ð Principe du croisement On place dans une boîte de Pétri deux cubes de gélose recouvert de spores. Sur un cube, on place une spore provenant d une souche sauvage (+) (spore noire) et sur l autre une spore provenant d une souche mutante (-) (spore blanche). A la lumière se forme le mycélium. Au bout de quelques jours, les mycéliums des 2 souches «s affrontent». Certains noyaux fusionnent et engendrent un zygote. Puis certains subissent une méiose suivie d une mitose. Quel est le résultat du croisement? ð Résultat du croisement On observe au microscope 6 types d asques différents. Dans chaque asque sont présents 4 spores blanches et 4 spores noires rangéres différemment. 2

3 Pourquoi y-a-t il 6 types d asques? Comment peut-on expliquer les différents rangements des spores dans l asque? ð Interprétation chromosomique (Document 12 à savoir représenter) Nous allons nous interesser au devenir des chromosomes au cours du cycle de développement de Sordaria. On n a représenté que le chromosome déterminant la couleur de la spore. L œuf renferme le gène (portion d ADN) responsable de la couleur noire (N) et le gène responsable de la couleur blanche (B). Ces deux portions différentes de molécules d ADN sont les 2 allèles d un même gène. Dans chaque asque, on trouve toujours 4 spores noires et 4 spores blanches donc au cours de la méiose il y a séparation des chromosomes homologues portant N et B. Pour les asques de type 1 et 2 dit type 4/4, l interprétation la plus simple consiste à admettre que les allèles «B» et «N» ont été séparés lors de la 1 ère division de méiose => on dit qu il y a eu prédisjonction (ou préréduction). Pour les asques de type 3 à 6 dit type 2/4/2 et 2/2/2/2, il faut admettre que la séparation des allèles «N» et «B» ne s effectue qu à la 2 nde division de méiose => on dit qu il y a postdisjonction (ou postréduction). Cela signifie que chaque chromosome en fin de 1 ère division de méiose possède un allèle «B» et un allèle «N». On explique ceci par un échange réciproque de segments de chromatides entre les 2 chromosomes homologues. Cet échange porte le nom de crossing-over ou enjambement (voir plus loin) ð Conclusion : Chez les organismes à phase haploïde dominante, l observation des produits de la méiose permet une lecture directe du devenir des allèles lors de cette méiose : les cellules haploïdes contiennent chacune un seul exemplaire de chaque gène donc un seul allèle. Le phénotype observé traduit directement le génotype. 3

4 b) Cas des organismes à phase diploïde dominante (Cas de l Homme) ð Notion d hétérozygotie Dans les cellules diploïdes, il y a 2 jeux de chromosomes : chaque gène est donc représenté dans le génome par 2 allèles situés au même locus (emplacement sur deux chromosomes différents) sur 2 chromosomes homologues. Pour un gène donné, on dit qu un individu est hétérozygote s il possède 2 allèles différents de ce gène, qu il est homozygote si les 2 allèles sont identiques. Remarque : Un chromosome porte de nombreux gènes : si pour l espèce humaine, on retient le nombre de à gènes porté par 23 paires de chromosomes, cela signifie qu il y a en moyenne 1300 à 1500 gènes par chromosomes. Il est donc improbable que 2 chromosomes homologues (l un provenant du père et l autre de la mère) soient identiques. L hétérozygotie pour au moins un certain nombre de locus est la régle. ð Les relations entre le génotype et le phénotype chez les diploïdes. Chez les organismes haploïdes, nous avons vu que le phénotype observé traduit directement le génotype. Par contre, le problème est différent chez les diploïdes. Pour les homozygotes, le phénotype correspond à l allèle doublement présent. Mais chez les hétérozygotes, 2 allèles différents sont présents et peuvent intervenir dans la mise en place du phénotype. 3 cas sont possibles : Premier cas : Le phénotype résulte de l expression d un seul des 2 allèles et ce phénotype est le même que celui d un individu homozygote possédant cet allèle en double exemplaire. On parle alors de dominance. Par contre, le phénotype alternatif qui demande que les 2 allèles du gène soient identiques pour être exprimé, est qualifié de récessif. Exemple : Les groupes sanguins (Document 13) Le groupe sanguin A est un caractère dominant : ce phénotype est le même pour un homozygote possédant 2 fois l allèle A et pour un hétérozygote possédant un allèle A et un allèle O. Il en est de même pour le groupe B. Par contre, le phénotype O n apparaît que chez les individus possédant l allèle O en double exemplaire : l allèle O est récessif. Deuxième cas : Le phénotype résulte de l expression des 2 allèles qui interviennent de manière égale dans la mise en place du phénotype. On parle de codominance. C est le cas du groupe sanguin AB qui résulte de l expression de l allèle A et de l allèle B. 4

5 Troisième cas : Le phénotype est du à l expression d un seul des 2 allèles mais la quantité de produit formé (synthèse d enzyme par exemple) se traduit par un phénotype intermédiaire, les caractères étant moins prononcés chez l hétérozygote que chez un individu homozygote possédant 2 allèles actif. Ce phénomène est dénommé dominance incomplète. C est le cas de certaines fleurs commes les «Belles de nuit» dont la couleur rose correspond à une synthèse de pigment 2 fois moins importante chez l hétérozygote que chez l homozygote de phénotype rouge. Remarque : Un seul allèle permet souvent un fonctionnement normal (on parle d haplosuffisance). C est ainsi que les sujets hétérozygotes porteurs d un seul allèle d une maladie autosomique récessive ne présentent aucun symptôme de cette maladie. ð Convention d écriture et quelques exemples. En génétique, le phénotype le plus observé dans la nature est dénommé le type «sauvage» ou normal. Un gène peut être symbolisé par une lettre ou une abréviation généralement basée sur le phénotype produit par une mutation de l allèle. L allèle non muté est alors désigné par l ajout du signe + en exposant. Par exemple, la mutation «ailes vestigiales» sera noté vg, l allèle normal de type sauvage sera noté vg +. Parfois, on utilise des lettres différentes pour désigner les allèles d un même gène. Une lettre majuscule désigne un allèle dominant, une minuscule désigne un allèle récessif. Un génotype s écrit entre parenthèses. Pour une cellule diploïde, les deux allèles sont séparés par 2 barres obliques ou 2 traits de fractions symbolisant 2 chromosomes homologues. Le phénotype s écrit entre 2 crochets. Exemples : (vg//vg) : homozygote récessif, phénotype muté [vg] (vg + //vg + ) : homozygote dominant, phénotype sauvage [vg + ] (vg + //vg) : hétérozygote, [vg + ] Il résulte que des individus présentant un phénotype dominant peuvent être homozygotes ou hétérozygotes. Les généticiens utilisent des méthodes d analyse qui leur permettent de distinguer ces 2 cas. Quelles sont-elles? 2. L intérêt du croisement-test = test-cross. Pour déterminer le génotype des individus présentant un phénotype dominant, il suffit de les croiser avec des individus présentant le phénotype récessif et dont le génotype est connu. Les individus récessifs de cette souche-test ne fabriquent qu un seul type de gamère, possédant tous l allèle récessif. 5

6 Exemple (Document 14) Questions : 1. Expliquer le génotype et le phénotype des hybrides de 1 ière génération (F1). Pourquoi sont-ils identiques? ð Les hybrides de 1 ière génération ont hérité d un chromosome portant l allèle a + de l un des parents et d un chromosome homologue portant l allèle a de l autre parent. Ils sont donc hétérozygotes : leur phénotype est gris car l allèle a + est suffisant pour permettre la production de pigment gris. Ils sont identiques car les parents étant hymozygotes, ne produisent qu un seul type de gamètes. 2. Quels peuvent être les génotypes d une souris de phénotype gris, dominant? En qui consiste le «croisement-test»? Expliquez les résultats obtenus et montrez que ce croisement permet de déterminer le génotype d un individu présentant le phénotype dominant. ð Une souris de phénotype gris, dominant, peut être de génotype a + //a + (homozygote) ou a + //a (hétérozygote). Le croisement-test consiste à croiser une souris grise, de phénotype dominant, avec une souris blanche, homozygote récessive. Les résultats s expliquent de la façon suivante : par méiose, l hétérozygote produit 2 types de gamètes équiprobables l un portant l allèle a + et l autre l allèle a. L homozygote récessif produit un seul type de gamète portant l allèle a. Par fécondation, il y a 2 types de génotypes possibles, équiprobables a + //a, de phénotype gris et a//a de phénotype blanc, ce qui peut se traduire par le tableau de fécondation suivant : Gamètes a + a a a + //a a//a Les résultats du croisement (4 souris grises et 2 souris blanches) sont conformes à cette interprétation. Le croisement test permet de déterminer le génotype d un individu présentant le phénotype dominant car les résultats sont très différents dans les 2 cas suivants : - Si les descendants sont tous de phénotype dominant, on peut en déduire que l individu parental présentant le phénotype dominant est homozygote (cas du 1 ier croisement) ; - Si statistiquement, 50% des descendants présentent le phénotype dominant et 50% présentent le phénotype récessif, on peut en déduire que l individu parental présentant le phénotype dominant est hétérozygote (cas du second croisement). Après toutes ces notions de génétique, montrons que la méiose et la fécondation sont sources de diversité génétique car elles sont à l origine d un brassage des allèles des gènes de l espèce. 6

7 3. Mise en évidence de 2 types de brassage lors de la méiose. Pour montrer que la méiose est source de brassage, il est nécessaire de prendre en compte 2 gènes différents qui peuvent chacun être occupés par 2 allèles différents. La méiose étudiée est donc celle d un individu diploïde hétérozygote pour 2 gènes différents. Chez un diploïde, le génotype des gamètes d un individu ne peut être connu de manière indirecte grâce aux résultats d un test-cross. Le matériel expérimental correspond à des Drosophiles. a) L intérêt des Drosophiles. La drosophile est une petite mouche de 3 à 4 mm qui se nourrit de levures abondantes sur les fruits mûrs. Elle est idéale pour les expériences de génétique pour de multiples raisons : - sa petite taille fait qu on peut élever à peu de frais des centaines de mouches dans un flacon en les nourissant de levures ; - la briéveté de son cycle de développement (une dizaine de jours) permet d observer plus de 30 générations ; - la distinction commode du mâle et de la femelle jointe aux caractéres morphologiques tranchés existant entre les différences races (couleur du corps, forme des ailes, ) permettent un tri facile sous la loupe binoculaire des individus d une génération ; - présence d un petit nombre de chromosomes (2n = 8). b) Un brassage interchromosomique (Document 15 ; 1 er exemple) ð Expérience et résultats On considère 2 caractères donc nous sommes dans un cas de dihybridisme. Ces 2 caractères sont contrôlés par 2 gènes distincts donc 2 gènes indépendants. Les caractères testé sont la longueur des ailes qui peut être longue (allèle vg + ) ou vestigiale (allèle vg) et la couleur du corps qui peut être grise (allèle eb + ) ou ébène (allèle eb). On croise une dorsophile de race pure à ailes longues et à corps gris avec une drosophile à ailes vestigiales et corps ébène, de race pure. On obtient en F1 100% d individus à ailes longues et à corps gris. On dit que la F1 est homogène. On en déduit que les parents sont homozygotes et que l allèle vg + est dominant sur vg et que l allèle eb + est dominant sur eb. Puis on effectue un test-cross : un individu de la F1 est croisé avec un individu double homozygote récessif pour les 2 gènes. Les résultats du croisement test sont les suivants : 7

8 Les quatre phénotypes sont équiprobables, il y a équiprobabilité entre les phénotypes parentaux et les phénotypes recombinés. Comme le phénotype des individus de la F2 reflète directement le génotype des gamètes de la F1, on peut en déduire qu il y a équiprobabilité des gamètes de la F1. Donc durant la méiose, l allèle vg + a autant d affinité pour rester associé avec l allèle eb + que pour former une nouvelle association avec l allèle eb. On en déduit que les loci des gènes «longueur des ailes» et «couleur du corps» ne sont pas sur le même chromosome. Les gènes sont dits indépendants. Les parents homozygotes de phénotypes [vg +, eb + ] ont donc pour génotype (vg+//vg+, eb + //eb + ). Ceux de phénotypes [vg, eb] ont pour génotype (vg//vg, eb//eb). Les individus hétérozygotes [vg +, eb + ] de la F1 sont donc (vg+//vg, eb + //eb) Le tableau de croisement exprimant les résultats de la F2 est le suivant : Ɣ F1 Ɣ dhr (vg +, eb + ) (vg, eb) (vg +, eb) (vg, eb + ) (vg + //vg, eb + //eb) (vg//vg, eb//eb) (vg + //vg, eb//eb) (vg//vg, eb + //eb) [vg +, eb + ] [vg, eb] [vg +, eb] [vg, eb + ] (vg, eb) 1 Phénotype parental Phénotype parental Phénotype recombiné (ƔF1= gamètes de F1 ; Ɣdhr : gamètes du double homozygote récessif). Phénotype recombiné Interprétation chromosomique Nous avons vu que, lors de la 1 ère division de méiose, le positionnement des chromosomes homologues dans l une ou l autre des cellules filles issues de la 1 ère division de méiose est aléatoire. Cela est valable pour toutes les paires d homologues qui ont donc chacune un comportement aléatoire et indépendant les unes des autres. Ainsi on peut comprendre le brassage interchromosomique. Afin d expliquer ce brassage, il faut placer sur deux paires de chromosomes différentes, 2 gènes indépendants comportant chacun 2 allèles. Le comportement aléatoire des chromosomes de chaque paire en anaphase I provoque le brassage allélique interchromosomique. A partir d une cellule hétérozygote, 4 gamètes génétiquement différents sont produits de manière équiprobables. Appliquons tout ceci avec l exemple des Drosophiles vu plus haut. 8

9 Brassage interchromosomique lors de la méiose pour des gènes indépendants Nous pouvons établir pour une cellule à 2n chromosomes, le nombre théoriquement possible de gamètes génétiquement différents, il est de 2 n, où n est donc le nombre haploïde de chromosomes. Pour une cellule à 2n = 4 chromosomes, nous avons vu que le nombre de gamète génétiquement différents était de 2 2 soit 4. Pour une cellule humaine à 2n = 46 chromosomes, le nombre de gamète génétiquement différents est de 2 23 soit 8,4 millions que peut produire une seule et même personne si on ne tient compte que du brassage interchromosomique. A côté du brassage interchromosomique, il existe un brassage intrachromosomique. c) Un brassage intrachromosomique (Document 15, 2 ième exemple) ð Expérience et résultats Les croisements auront lieu entre 2 races pures de Drosophiles différant par la longueur des ailes et la couleur des yeux. Nous sommes toujours dans un cas de dihybridisme. 9

10 Les allèles ailes longues vg + et yeux rouges p + sont dominants. On effectue un croisementtest n 1 entre un mâle F1 hybride et une femelle double récessive homozygote. L observation des descendants montre l apparition des 2 phénotypes parentaux du 1 er croisement, dans les proportions identiques 50% - 50%. Comment interpéter ce résultat? Le résultat du croisement-test n 1 est surprenant car le mâle double hétérozygote devrait former 4 catégories de gamètes, la femelle double homozygote ne donnant obligatoirement qu une seule catégorie de gamète, nous devrions observer 4 types de phénotypes apparaissant avec des fréquences égales. Or ce n est pas le cas. Ce résultat montre que le mâle hybride n a formé que 2 catégories de gamètes. Il n y a pas séparation indépendante entre les couples d allèles rouge-pourpre et longuesvestigiales, l allèle rouge est lié de manière constante à l allèle long, l allèle pourpre à l allèle vestigial. 10

11 On dit que les gènes couleur des yeux et longueur de l aile sont liés (phénomène de linkage). Cette liaison entre les gènes s explique facilement si l on admet que les gènes sont situés sur le même chromosome. Resumons ceci sur un schéma. On effectue un croisement test n 2 entre une femelle hybride F1 et un mâle homozygote double récessif. Nous pourrions s attendre aux mêmes résultats mais ce n est pas le cas. On obtient en effet 4 phénotypes avec les proportions statistiques suivantes : Quelles en est l interprétation? 11

12 Ces résultats ne s accordent avec aucun de ceux que l on pouvait prévoir ; ils ne correspondent : - ni à une séparation indépendante qui aurait conduit à 25% de chaque phénotype ; - ni à une liaison absolue comme dans le cas d un croisement entre un mâle hybride et une femelle homozygote Il faut songer à une liaison partielle entre les gènes dans le cas où l individu hybride est une femelle. La laison entre les 2 allèles rouge-longue (ou p + -vg + ) n a été absolue que dans 43,5 + 43,5 = 87% des cas. Dans 13% des cas (6,5+ 6,5), au contraire, la liaison n a pas joué. En d autres termes, alors que la majorité des gamètes a bien reçu soit le chromosome portant les allèles rouge-longue, soir le chromosome portant les allèles vestigiales-pourpre, une minorité a reçu un chromosome mixte soit rouge-vestigial, soit pourpre longue. Il faut admettre qu il y a eu une recombinaison des allèles, assurant la naissance de 13% de phénotypes inattendus (phénotypes recombinés). On dit qu il y a eu 13% de recombinaison ou que le taux de recombinaison est de 13%. Quelle en est l interprétation cytologique? Morgan a expliqué la recombinaison de la manière suivante : lors de la formation des gamètes, les chromosomes homologues avant de se séparer peuvent se «croiser» l un sur l autre. Quand les 2 chromosomes se séparent, il peut s effectuer un «échange» des segments de chromatides non sœurs situés après le croisement. A ce phénomène d enjambement suivi d un échange de segment, il a donné le nom de CROSSING-OVER (Documents 16 et 17). Quand a lieu au cours de la méiose cet échange? Cet échange a lieu au cours de la prophase I de méiose au moment où les chromosomes homologues sont appariés. Les lieux d échanges entre les chromatides non-sœurs sont appelés chiasmas. Tous les gènes situés sur une paire de chromosomes peuvent être «brassés» grâce aux crossing-over ce qui modifie l association d allèles portée par chacun des chromosomes. Ce brassage entre allèles d une paire d homologues est qualifiée d intrachromosomique. Il augmente considérablement la diversité des gamètes produits. Dans le cas du croisement test n 2, le crossing over «interesse» les gamètes de la femelle. En effet, le mâle ne fabrique qu un seul type de gamètes. Réalisons des schémas pour expliquer la formation des gamètes chez la femelle F1. Puis nous réaliserons un échiquier des gamètes pour expliquer les résultats du croisement test n 2 12

13 Echiquier des gamètes (échiquier de croisement) pour le croisement-test n 2 13

14 Bilan des résultats de test-cross : (RESUME voir Fascicule) Remarque : Le back cross est le croisement d une F1 avec un de ses parents. Est-ce que la fécondation est source de brassage? 4. La fécondation amplifie le brassage génétique. Dans les conditions naturelles, les deux parents d un couple sont tous 2 hétérozygotes pour un certain nombre de gènes et sont génétiquement différents l un de l autre. Par méiose, chaque parent produit une grande diversité de gamètes. La fécondation réunit 2 gamètes au hasard. Chaque spermatozoïde est susceptible de s unir à n importe quel type d ovocyte I. Par rapport à la diversité des gamètes produits, le nombre d assortiments chromosomiques possibles pour la cellule œuf est élevée à la puissance 2 soit (2 23 ) Méiose, innovation et évolution * Une disjonction anormale des chromosomes homologues en méiose I, ou des chromatides en méiose II, crée des gamètes avec un nombre anormal de chromosomes (voir trisomie, syndrome de Turner. ; voir chapitre C). * La majorité des crossing-over correspondent normalement à des échanges de portions parfaitement homologues de chromatides. Quelquefois, l échange porte accidentellement sur des portions qui ne sont pas totalement homologues : on parle de crossing-over inégal. Ce dernier conduit à l obtention d un chromosome portant une partie de son information en double alors que son homologue a perdu la partie correspondante de cette information. Ainsi, un gène peut avoir disparu d un chromosome et se retrouver en deux exemplaires sur les chromosomes homologues. Ce phénomène permet ainsi la duplication d un gène. Au fur et à mesure du temps, des mutations peuvent se produire et les duplicata d un gène, initialement identiques, peuvent devenir différents et coder pour des protéines ayant finalement des fonctions différentes. De tels gènes constituent une famille multigénique (voir chapitre B). 14

15 Remarque : des crossing-over entre chromosomes non homologues peuvent échanger des portions de chromatides, sans perte ou ajout, modifiant le caryotype. Conclusion : La méiose et la fécondation assurent la variabilité intraspécifique des individus issus de la reproduction sexuée. La méiose est source de variabilité grâce à 2 types de brassages alléliques : ð le brassage interchromosomique qui est dû au comportement indépendant des chromosomes de chaque paire en première division de méiose ; ð le brassage intrachromosomique dû aux recombinaisons homologues causées par un crossing-over en prophase I de méiose. La fécondation est aussi source de variabilité car elle réunit au hasard 2 gamètes génétiquement différents. La fécondation et la méiose sont donc source de diversification du patrimoine génétique héréditaire de l individu, conférant à l espèce une plus grande chance d adaptation lors de la modification éventuelle des conditions du milieu de vie. 15