25/10/16. La génétique Mendélienne. Biologie-Générale-3 UMons DC- Gillan 1

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1 La génétique Mendélienne Gillan 1

2 Gillan 2

3 Gillan 3

4 Parents de lignée pure : Hybrides de génération F 1 : VV deux allèles identiques 100% de gamètes V et vv deux allèles identiques Formation des gamètes : 100% de gamètes v et Vv 100% de fleurs Vv Fleurs violettes car l allèle V est dominant Séparation des allèles lors de la formation des gamètes : 50% de gamètes V 50% de gamètes v 50% de gamètes V 50% de gamètes v gamètes de F 1 Génération F 2 obtenue par autofécondation : V v gamètes V VV vv de F 1 v Vv vv Explication de la proportion 3:1 25% VV 50% Vv 25% vv Si les gamètes s unissent au hasard! Les caractères sont aelés actuellement les gènes Les gènes correspondent à des séquences d ADN qui occupent un locus précis d un chromosome (chromosomes et ADN inconnu du temps de Mendel). Dans l expérience de Mendel les gènes étudiés avaient deux allèles. Les plantes ayant deux allèles identiques sont dites : Homozygotes Homozygotes dominants (lignée pure) : génotype : VV phénotype : violet Homozygotes récessifs : génotype : vv phénotype : blanc Gillan 4

5 Les plantes ayant deux allèles différents sont dites : Hétérozygotes : génotype : Vv phénotype violet La ségrégation des caractères (gènes) se fait à la méiose dans les gonades, au cours de l anaphase de la division réductionnelle (phénomène inconnu de Mendel). En résumé : - Les caractères (visibles phénotype) sont portés par des gènes (génotype), transmissibles à la génération suivante. - Les gènes, localisés à un locus, possèdent deux états (allèles) qui peuvent être séparés lors de la formation des gamètes (chaque gamète possède un seul des allèles). La séparation des allèles a lieu lorsque la F1 forme la F2 (= anaphase I de méiose). - Il y a rencontre aléatoire entre les gamètes (allèles) produits en F1 pour former des zygotes de la F2 : explication raorts 3:1. Les zygotes sont diploïdes, comme les parents. - Certains allèles sont dominants et d autres récessifs («cachés» en F1). 1 ère Loi de Mendel : Chaque caractère possède deux états (allèles) et, pour chaque caractère, il y a séparation des allèles lors de la formation des gamètes. Cela correspond à la séparation des chromosomes homologues lors de l'anaphase I de méiose : Séparation des chromosomes homologues : Vv allèle «fleurs violettes» plaque métaphasique paire de chromosomes homologues (tétrades) allèle «fleurs blanches» Loi mendélienne de la ségrégation (1 ère Loi) V Rem : le croisement de contrôle («testcross») Ce pois est-il VV ou Vv? Pour le savoir, faire un croisement avec l homozygote récessif (vv) Si le pois est VV : V Si le pois est Vv : V v 2 ème Loi de Mendel : l assortiment indépendant des caractères Quand un seul caractère (gène) est étudié lors des croisements on parle de croisement monohybride. Exemple : fleurs violettes X fleurs blanches Si on observe deux caractères à la fois on parle de croisements dihybrides. Dihybridisme. Exemple : couleur et forme. homozygote-récessif v v vv vv vv vv 100% de phénotype dominant en F1 homozygote-récessif v v vv vv vv vv 50% de phénotype dominant en F1 Exemple : plante à graines X plante à graines jaunes vertes rondes ridées Mendel sait que jaune est dominant par raort à vert rond est dominant par raort à ridé (grâce aux croisements monohybrides) Gillan 5

6 Que$se$passe$t'il$si$l'on$étudie$2$caractères$à$la$fois?$Hérédité? Plante à graines X Plante à graines jaunes vertes rondes ridées Pour le savoir : réaliser l autofécondation des doubles hétérozygotes (obtenir F2) : Si les caractères sont liés on aura 2 types de gamètes : Génotype : allèle 1 allèle 2 JJ RR jj rr (lignées pures) caractère 1caractère 2 Résultat croisement : 100% en F1 Jj Rr Les deux caractères (couleur et forme) sont-ils liés ou indépendants? Sont-ils transmis ensemble à la descendance? Gamètes JR (50%) et jr (50%) JR jr JR JJ RR jjrr = = jr JjRr jj rr F2 3 1 Si les caractères ne sont pas liés on aura 4 types de gamètes : Résultats du croisement : Gamètes JR (25%), Jr (25%), jr (25%), et jr (25%)! 4 2 = 16 génotypes possibles si autofécondation. 315 JR JR Jr jr jr JJ RR JJrR JjRR JjRr F : 3 : 3 : 1 Jr JJRr JJ rr JjRr Jjrr 32 jr jr JjRR JjRr jjrr jjrr JjRr Jjrr jjrr jjrr Conclusion : il y a assortiment indépendant des caractères lors de la formation des gamètes (2 ème Loi de Mendel). 9 : 3 : 3 : 1 Les allèles de la couleur et de la forme des graines se répartissent dans les gamètes indépendamment l un de l autre. Il ne sont pas liés. Autres croisements dihibrides testés par Mendel : couleur Résultats similaires : obtention de proportions phénotypiques 9 : 3 : 3 : 1 en F2.! 2 ème loi confirmée. Explication avec méiose : les caractères couleur et forme sont portés par des tétrades différentes. Indépendance de positionnement en métaphase I. forme Assortiment indépendant des caractères lors de la formation des gamètes. = 2 ème Loi de Mendel Remarques (1) : la 2 ème loi de Mendel ne s'alique parfaitement bien que si les caractères (gènes) sont situés sur des chromosomes différents (non homologues). Les gènes sités l un près de l'autre sur le même chromosome sont habituellement transmis ensemble (liés). (2) : le pois ne possède que 7 paires de chromosomes (2n = 14), et les 7 caractères étudiés par Mendel sont régis par des gènes situés chacun sur un chromosome différent, ou suffisamment éloignés l un de l autre sur le même chromosome. «Chance» ou génie de Mendel! Gillan 6

7 Règle de la multiplication et de l addition Croisements monohybrides Génotypes- : proportions ¼--½--¼-- R r R RR Rr Hétérozygote Rr 50% gamètes R, 50% gamètes r Descendance, si autofécondation : r rr rr Quelle est la probabilité d avoir un homozygote RR dans la descendance? = Phénotypes- :-2 Quelle est la probabilité d avoir un homozygote RR : règle de la multiplication : P(RR) = P(gamète R) * P(gamète R) = 1/2 * 1/2 = 1/4 Quelle est a probabilité d avoir un hétérozygote? règle de l addition : P(Rr ou rr) = P(Rr) + P(rR) = (1/2 * 1/2) + (1/2 * 1/2) = 1/2 Règle de la multiplication et croisements dihybrides : Exemple : Réponse avec grille de Punnett : Double hétérozygote Jj Rr Si autofécondation, probabilité P(JJ RR) dans la descendance? JR Jr jr jr F2 Réponse : utiliser les croisements monohybrides correspondants. JR JJ RR JJrR JjRR JjRr - Couleur : Pour un croisement monohybride Jj, les probabilités d aarition des génotypes à la génération suivante sont : 1/4 (JJ), 1/2 (Jj), 1/4 (jj) - Forme : Pour un croisement monohybride Rr, les probabilités d aarition des génotypes à la génération suivante sont : 1/4 (RR), 1/2 (Rr), 1/4 (rr) - P(JJ RR) = 1/4 * 1/4 = 1/16 Jr jr jr JJRr JJ rr JjRr Jjrr JjRR JjRr jjrr jjrr JjRr Jjrr jjrr jjrr 9 : 3 : 3 : 1 Règles de la multiplication/addition et croisements trihybrides Exemple : parents Vv Jj Rr x Vv jj rr Probabilité d avoir dans la descendance un phénotype récessif pour au moins deux caractères sur trois? 1) Enumérer tous les phénotypes possibles : il y en a 7 2) Calculer les proportions pour chaque caractère individuel en employant le génotype des parents : parents : Vv Jj Rr x Vv jj rr Vv x Vv : 1/4 VV, 1/2 (vv et Vv), 1/4 vv Vv jj rr VV jj rr vv jj RR vv jj Rr vv JJ rr vv Jj rr vv jj rr Récessifs pour au moins deux caractères Jj x jj : 1/2 Jj, 1/2 jj Rr x rr : 1/2 Rr, 1/2 rr Rem : P(RR) = 0 P(JJ) = 0 Gillan 7

8 3) Utiliser la règle de multiplication pour calculer la probabilité de chacun des 7 phénotypes : Vv jj rr = 1/2 * 1/2 * 1/2 = 1/8 = 2/16 VV jj rr = 1/4 * 1/2 * 1/2 = 1/16 vv jj RR = 1/4 * 1/2 * 0 = 0 vv jj Rr = 1/4 * 1/2 * 1/2 = 1/16 vv JJ rr = 1/4 * 0 * 1/2 = 0 vv Jj rr = 1/4 * 1/2 * 1/2 = 1/16 vv jj rr = 1/4 * 1/2 * 1/2 = 1/16 4) Faire la somme (règle de l addition avec 7 termes) : 2/16 + 1/ / /16 + 1/16 = 6/16 = 3/8 Rem : Il s agit de chances (probabilités) et non de nombres exacts Au plus la population est grande au plus on s en raroche. Rem : Calcul direct des fréquences relatives des phénotypes en fonction du nombre de locus considérés : (3+1) n n = nombre de locus (à deux allèles) Croisement dihybride : (3+1) 2 (a+b) 2 = a 2 + 2ab + b 2 (3+1) 2 = Nombre de termes = Nombre de phénotypes = 2 n Croisement trihybride : (3+1) 3 (a+b) 3 = a 3 + 3a 2 b + 3ab 2 + b 3 (3+1) 3 = Croisement tétrahybride : (3+1) 4 (a+b) 4 = a 4 + 4a 3 b + 6a 2 b 2 + 4ab 3 + b 4 (3+1) 4 = «Chance» (ou génie... ou fraude...) de Mendel : - Les caractères étudiés étaient déterminés par un seul gène; - Pour chacun de ces gènes il n y avait que deux allèles; - Les caractères sont discontinus (fleurs blanches ou violettes) - Les gènes sont localisés sur des chromosomes différents - Un des allèles est complètement dominant p/r à l autre Dans la réalité les choses sont plus complexes! Il est rare que la relation entre le génotype et le phénotype soit aussi simple : Gamme de relations de dominance-récessivité Les allèles multiples Les gènes pléiotropes La gamme des relations de dominance et de récessivité Il n y a pas toujours «dominance complète». Dominance complète : les individus de la F1 ressemblent à l un des deux parents (les hétérozygotes ressemblent aux homozygotes dominants). Croisements mendéliens classiques. Mécanisme : en réalité, les deux allèles (ADN) sont toujours exprimés et aucun des deux ne domine l autre. Mais les protéines produites n ont pas le même effet ou la même activité enzymatique. Dominance complète mrna protéine P normale activité : 100% Dominance complète : Allèle 1 protéine active Allèle 2 protéine inactive Et la moitié (50%) de l activité enzymatique normale suffit locus d un gène allèle 1 paire de chromosomes homologues moyenne 50% Conséquence : Les homozygotes dominants (AA) et les hétérozygotes (Aa) auront le même phénotype (cas mendélien). Exemples : - Pois : VV et Vv; JJ RR et Jj Rr - Homme : allèle 2 mrna protéine p inactive (mutation) activité : 0% Et- la-moitié-(50%)-de-l activité-enzymatique- normale- suffit Maladie de Tay-Sachs TT : sains Tt : sains tt : malades Polydactylie PP et Pp : doigts surnuméraires normaux Rem : l allèle dominant n est pas toujours le plus répandu! Gillan 8

9 TSD = Tay-Sachs Disease Polydactylie gène HEXA chromosome n 15 rétine avec point rouge Accumulation de ganglioside GM2 dans les neurones - Autosomal récessif - Mortel : mort avent 4 ans. Nombres de phénotypes et génotypes quand dominance complète : Av ec 2 allèles d ifféren ts (A et a), en co n sid éran t q u e le g én o ty pe Aa est équivalent au génotype aa, qu'il y a dominance complète de A sur a, que les locus sont indépendants (sur des chromosomes différents), et qu'il n'y a pas épistasie (voir plus loin), nous obtenons le tableau suivant : Dominance imcomplète La moitié de l activité enzymatique normale ne suffit pas, les homozygotes dominants (AA) et les hétérozygotes (Aa) ont des phénotypes différents. Exemple : - Gueules-de-loup (Antirrhinum majus) Nb de locus Nb de phénotypes Nb de génotypes = = = = = = = = n 2 n 3 n Gueules-de-loup rouges Gueules-de-loup blanches Dominance incomplète mrna protéine P normale activité : 100% allèle 1 RR F 1 rr locus d un gène allèle 2 paire de chromosomes homologues moyenne 50% Rr Gueules-de-loup roses Les hétérozygotes Rr produisent moins de pigments que les homozygotes dominants RR. mrna protéine p inactive (mutation) activité : 0% Et- la-moitié-(50%)-de-l activité-enzymatique- normale- ne$suffit$pas... Gillan 9

10 Gueules-de-loup = preuve de la théorie du mélange? (le phénotype rose est un intermédiaire) Non. Car on peut retrouver les caractères rouge et blanc en F 2, en faisant une autofécondation : F 2 R r R RR Rr Rr L identité des gènes est conservée chez les hybrides, l hérédité est bien de nature particulaire. r rr Proportion 1 : 2 : 1 Trois phénotypes Nombres de phénotypes et génotypes quand dominance incomplète : Av ec 2 allèles d ifféren ts (A et a), en co n sid éran t q u e le g én o ty p e Aa est équivalent au génotype aa, qu'il y a dominance incomplète de A sur a, et que les locus sont indépendants, nous obtenons le tableau suivant : Nb de locus Nb de phénotypes Nb de génotypes = = = = = = = = n 3 n 3 n Cas ou les deux allèles ont une activité normale Codominance. Les deux allèles sont fonctionnels et donnent des protéines différentes. Ils s expriment entièrement et de manière indépendante dans le phénotype. Existence de trois phénotypes différents. Ex : les groupes sanguins du système MN M N MN Système MN Homozygotes MM : protéines M à la surface des erythrocytes Homozygotes NN : protéines N à la surface des erythrocytes Hétérozygotes MN : protéines M et N à la surface des erythrocytes locus du gène «système MN» Exemple : hétérozygote MN : allèle M : protéine M normale paire de chromosomes homologues allèle N : protéine N normale Attention : le phénotype MN n est pas un intermédiaire. Les deux allèles sont exprimés. Les allèles multiples La plupart des gènes présentent plus de deux formes alléliques. Exemple : les groupes sanguins du système ABO. Un locus (un gène) avec 3 allèles possibles : I A, I B et i. I A substance A (N-acétylglucosamine) A I B substance B (galactose) i protéine inactive (rien) B erythrocytes - Dominance complète de I A et I B p/r à i - Codominance de I A p/r à I B 2 positions possibles et 3 allèles dans la population = 9 possibilités Génotype Phénotype I A I A A I A I B AB I A i A de génotypes (3x3=9) 4 phénotypes : A, B, AB, O I B I A AB I B I B B 6 génotypes car : I B i B I A I B = I B I A I A i = ii A i I A A I B i = ii B i I B B i i O Gillan 10

11 Nombres de phénotypes et génotypes avec système d allèles multiples de type ABO : Si nous imaginons un système de type ABO pour différents locus (avec dominance complète des deux premiers allèles sur le troisième et codominance entre les deux premiers), on obtient le tableau suivant : Nb de locus Nb de phénotypes Nb de génotypes = = = = = = 1296 n 4 n 6 n La pléiotropie (grec «pleion», plus, multiple) - Un gène! effets phénotypiques multiples - Très fréquent Exemple : gène codant pour une hormone. Conséquence : si mutation : effets multiples Ex : la phénylcétonurie (PKU : phenylketonuria) Gène de la phenylalanine hydroxylase muté (chromosome 12) Phe non convertie en Tyr Accumulation Phe dans les cellules et sang et peu de Tyr Effets multiples : - pigmentation réduite peau (Tyr) - pigmentation réduite poils-cheveux (Tyr) - retard mental (Phe) Selon l endroit de la mutation l enzyme peut être active L épistasie (grec «epi», au-dessus de) Phenylalanine hydroxylase L expression d un gène est modifiée par un ou plusieurs autres gènes. Très fréquent. PAH Exemple : la couleur du pelage chez la souris : 2 locus Phe (F) Tyr (Y) Locus 1 : Deux allèles pour la couleur du pelage : N et n - PKU : maladie autosomale récessive - 1 nouveau-né / Phénylcétones dans les urines (odeur caract.) - Systématiquement dépisté à la naissance - Si non traité : retard mental - Traitement : régime pauvre en Phe Souris NN ou Nn : noires (dominance de N sur n) Souris nn : brunes Locus 2 : Deux allèles pour le dépôt du pigment : C et c Souris CC ou Cc : le pigment (noir ou brun) se dépose Souris cc : le pigment ne se dépose pas souris blanche NN CC NN Cc Nn CC Nn Cc Trois phénotypes possibles nn CC nn Cc NN cc Nn cc nn cc Les deux gènes suivent la loi de l assortiment indépendant (car les locus sont situés sur deux chromosomes différents) une souris CcNn produira 4 types de gamètes : CN, Cn, cn, cn un pigment noir se dépose un pigment brun se dépose le pigment ne se dépose pas Gillan 11

12 Caractères polygéniques Plusieurs gènes! 1 phénotype particulier. Distribution normale ou Gaussienne Ce phénotype présente généralement une variation continue. Ce sont des caractères quantitatifs. Nb d'individus Exemple : couleur des yeux ou de la peau : distribution normale (courbe en cloche) dans la population. Couleur de peau : au moins 3 gènes. Couleur des yeux : aun moins 15 gènes. moyenne caractère donné Exemple imaginaire pour la peau : 3 locus indépendants : A, B, C 2 allèles chacun (A et a; B et b; C et c) Si chaque allèle aorte une «unité» de couleur et qu il y a dominance incomplète, on aura 7 phénotypes, de plus en plus sombres : 3 génotypes possibles par locus : AA, Aa, aa 27 génotypes possibles : 3 3 (3 locus et 3 états/locus) AA Aa aa BB Bb bb BB Bb bb BB Bb bb aabbcc Aabbcc AAbbcc AABbcc AABBcc AABBCc AABBCC Peau blanche couleurs intermédiaires Peau noire CC Cc cc Ce système peut produire une courbe en cloche en considérant par exemple des accouplements entre individus hétérozygotes pour les 3 gènes. Aa Bb Cc x Aa Bb Cc 8 gamètes possibles pour et : ABC, AbC, Abc, abc, abc, abc, abc, AbC grille de Punnett à 64 cases, 7 phénotypes Hérédité et environnement Pour un génotype donné, le milieu influence le phénotype autre exception à la génétique mendélienne simple! Exemples : Chaque génotype est en plus influencé par l environnement (ex: soleil) lissage de la courbe! 20/64 15/64 6/64 Hortensias (Hydrangea macrophylla) La couleur des fleurs, pour une même variété, dépend de l acidité du sol : rose ou bleu-violet aabbcc AaBbCc aa Bb CC... AABBCC 1/64 Gillan 12

13 Influence du milieu sur le phénotype de l homme : - Différences entre jumeaux monozygotes - Soleil influence la couleur de la peau - Alimentation influence la taille - Exercice physique modifie la masse musculaire - Le milieu de vie influence la longévité - L expérience améliore les résultats des tests du QI - Etc... 1 génotype gamme de phénotypes possibles en fct du milieu C est la norme de réaction du génotype. La norme de réaction est en général plus étendue pour les caractères polygéniques. Les caractères polygéniques sont multifactoriels : influencés simultanéménts par de nombreux facteurs, génétiques et environnementaux. Alication des lois de Mendel aux populations humaines Chez l homme l aroche expérimentale n est pas alicable (impossible d obtenir énormément de générations en peu de temps...). étude des lignages (analyse généalogique) Le premier membre d une famille sur lequel l attention est attirée = le propositus (ex : un nain). Conventions utilisées dans les arbres : Homme Individus affectés : Femme Propositus : Union Unions consanguines Exemple : les individus eprésentés en noir sont affectés (homozygotes récessifs) pour le caractère étudié (p) Réponse I Pp Pp II Pp Pp Pp III PP ou Pp Quel est le génotype possible des autres individus? Autosomes et hétérochromosomes (ou gonosomes/chromosomes sexuels) Maladie héréditaires récessives autosomiques Exemples : Maladies autosomales - Récessives - Dominantes Albinisme (absence de pigmentation cutanée, susceptibilié aux cancers de la peau, problèmes de vision). Non mortel. Fibrose kystique = Mucoviscidose. Mort avant 5 ans (pfs 20) Un des allèles code pour une protéine défectueuse Maladies sexuelles - Récessives - Dominantes homozygotes aa : phénotype anormal (défectueux) homozygoyes AA et hétérozygotes Aa : phénotype normal (car au moins un allèle code une protéine fonctionnelle) Les Aa = transmetteurs sains Gillan 13

14 France : cas. Essentiellement chez les personnes d ascendance européenne (1/2600). 1/25 = transmetteur sain (Aa)! Locus fibrose kystique : chromosome n 7 (autosome). Gène CFTR. Atteinte des épiteliums glandulaires de divers organes. Allèle normal : code pour une protéine membranaire qui assure l export des ions Cl. Allèle anormal : pas d export de Cl ou export déficient [Cl ] intracellulaire [Na + ] intracellulaire Absorption d eau (osmose) mucus extracellulaire plus visqueux et fluidité réduite accumulation dans pancréas, poumons, tube digestif, etc... Aarition d effets multiples (pléiotropiques) : mauvaise absorption des aliments, bronchite chronique, infections bactériennes. Maladie de Tay-Sachs TT : sains; Tt : sains; tt : malades (1 mutation dans gène HEXA, chromosome 15) Accumulation progressive d un ganglioside dans les cellules nerveuses du cerveau. Déveloement normal pendant 6 mois puis dégénérescence et mort avant 4 ans. Beaucoup plus de cas chez les Juifs ashkénazes (d Europe centrale). Fréquence maladie : 1/ x plus élevé que chez les non-juifs et les Juifs séfarades (de méditerrannée) Explication : isolement au cours de l histoire génétique Pas de répartition uniforme des maladies génétiques Isolement à partir d une grande population Fréquences de maladies Gillan 14