CH2 : DU GENOTYPE AU PHENOTYPE

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1 CH2 : DU GENOTYPE AU PHENOTYPE INTRODUCTION La molécule d ADN est universelle ; les gènes, portions d ADN d un chromosome, déterminent les caractères biologiques des individus et des cellules. Comment ces gènes fonctionnent-ils? Comment déterminent-ils les caractères d un individu? Comment expliquer la complexité des relations entre les gènes, les caractéristiques biologiques et l environnement auquel est soumis un individu? PLAN : I : LE PHENOTYPE : Ce qu est le phénotype. Niveaux de phénotype. Le phénotype dépend des gènes II : DE L ADN AUX PROTEINES : Comparaison ADN/protéine. Correspondance. La protéine dépend du gène. III : PLUSIEURS GENOTYPES PAR PHENOTYPE : Biallélie. Existence de plusieurs gènes par caractère. IV : PHENOTYPE DEPEND DE L ENVIRONNEMENT : influence sur gène et protéine, prédisposition, multifactoriel. IV : APPLICATIONS TECHNOLOGIQUES ET MEDICALES : tests génétiques et problèmes d éthique CONCLUSION

2 I LE PHENOTYPE plan Quelles sont les caractéristiques des individus? Quelle est leur origine? A. CE QU EST LE PHENOTYPE Définition : Le phénotype est l ensemble des caractéristiques biologiques d un individu. Caractères anatomiques = forme (visage, ), taille (volume du cœur ), couleur (peau, yeux ) Caractères physiologiques = fonctionnement des organes (rythme cardiaque, sensibilité de la peau ) B. LES NIVEAUX D ORGANISATION DU PHENOTYPE 1) Niveau macroscopique : Caractéristiques visibles au niveau des organes, de l aspect de l individu. Exemple drépanocytose : anémie, douleurs aux articulations ou sans ces symptômes 2) Niveau cellulaire : Caractéristiques des structures et des fonctionnements des cellules. Exemple drépanocytose : hématies rigides et falciformes ou bien souples et rondes 3) Niveau moléculaire : Caractéristiques des molécules, protéines, invisibles mais décelables chimiquement. Exemple drépanocytose : hémoglobine liées entre elles en fibres (valine) ou bien libres et dissociées (A glutamique) C. LE PHENOTYPE DEPEND DES PROTEINES Les caractéristiques macroscopique, cellulaire et moléculaire dépendent en dernier lieu des protéines fabriquées par la cellule. Une protéine est constituée d une séquence d acides aminés : son fonctionnement dépend de la séquence d acides aminés. Si 1 acide aminé change dans la séquence, le fonctionnement de la protéine change.

3 II DE L ADN AUX PROTEINES plan Les caractéristiques biologiques des individus dépendent des protéines et des gènes. Quel lien existe-t-il entre ces deux molécules? A. COMPARAISON ADN / PROTEINE 1) Une même organisation : la séquence : Un gène est une séquence de nucléotides Une protéine est une séquence d acides aminés. 2) Deux compositions différentes Un gène = portion d ADN, avec 4 nucléotides possibles : nucléotides à Adénine, Thymine, Cytosine, Guanine. Une protéine = une chaîne d acides aminés, parmi 20 acides aminés possibles. 3) Deux localisations différentes : L ADN reste dans le noyau Les protéines se fabriquent dans le cytoplasme B. LA CORRESPONDANCE ENTRE ADN ET PROTEINE 1. La correspondance entre nucléotides et acides aminés. Si 1 nucléotide correspond à 1 acide aminé : seuls 4 acides aminés différents peuvent leur correspondre. Si 2 nucléotides correspondent à 1 acide aminé, seuls 16 (= 4*4) acides aminés différents correspondent. Si 3 nucléotides correspondent à 1 acide aminé, 64 combinaisons (16*4) existent : les 20 AA sont différenciables. Les vérifications expérimentales ont prouvé que 3 nucléotides successifs (= triplet) désignent 1 acide aminé. 2. Caractéristiques du code génétique, ensemble des correspondances entre triplets et acides aminés 1 codon signifie 1 seul acide aminé ; plusieurs codons différents peuvent désigner le même acide aminé. 3 codons stops ne signifient aucun acide aminé : ils arrêtent l assemblage d acides aminés. La transgénèse montre que tous les êtres vivants ont le même code génétique : il est universel.

4 C. LA PROTEINE DEPEND DU GENE plan 1. Importance de l ordre de la séquence de nucléotides L assemblage des acides aminés s effectue dans le cytoplasme : une copie du gène, sortie du noyau, devient le plan d association des acides aminés présents dans le cytoplasme. L assemblage des acides aminés successifs s effectue dans l ordre imposé par le gène, à partir du 1 codon de départ (ATG) et s arrête au 1 codon stop rencontré. La mutation d un gène, en modifiant un ou quelques nucléotides, peut provoquer un changement d acide aminé ou l apparition d un codon stop précoce : le fonctionnement de la protéine est modifié. 2. Le phénotype résulte de l expression du génotype Chaque gène est représenté par 2 allèles, identiques ou différents, formant le génotype de l individu. Les 2 allèles d un gène s expriment en même temps : S ils sont identiques, un type de protéine sera formé S ils sont différents, 2 types de protéines seront formés. Le phénotype moléculaire (= protéines fabriquées) dépend du génotype (les allèles des gènes). 3. Définition d un gène : C est une séquence de nucléotides déterminant une séquence d acides aminés, constituant une protéine. C est un ensemble d allèles déterminant des protéines ayant la même fonction cellulaire. BILAN : Les phénotypes macroscopiques et cellulaires résultent des phénotypes moléculaires liés aux protéines. Ces protéines sont constituées de séquences d acides aminés, déterminées par les séquences de nucléotides formant les allèles, suivant le code génétique.

5 III : PLUSIEURS GENOTYPES POUR UN MEME PHENOTYPE plan Dans les cellules d un individu, les gènes sont bi-alléliques. D autre part, le phénotype résulte souvent de l action de plusieurs protéines successives. Quelles en sont les conséquences sur le phénotype? A. CONSEQUENCE DE LA BIALLELIE SUR L EXPRESSION D UN GENE A. Génotype d un individu : Il représente le couple d allèles d un gène, portés par les cellules d un individu. Si les 2 allèles sont identiques, l individu est dit homozygote pour ce gène : (A//A) Si les 2 allèles sont différents : il est dit hétérozygote : (A//O) B. Le phénotype est l expression du génotype Chaque allèle d un gène est traduit en protéine : la cellule fabrique en même temps les protéines issues des 2 allèles. Chez un homozygote, les protéines fabriquées seront identiques. Chez un hétérozygote, 2 types de protéines seront fabriquées : un type de protéine par allèle. Généralement, une protéine fonctionnelle sur les deux suffit au bon fonctionnement : L allèle responsable de la protéine fonctionnelle est dit dominant. L allèle responsable de la protéine non fonctionnelle est dit récessif. C. Plusieurs génotypes pour un phénotype Exemple des groupes sanguins Génotype phénotype Le génotype homozygote récessif donne le phénotype récessif : (o//o) : [O] Le génotype homozygote dominant donne le phénotype dominant : (A//A) : [A] Le génotype hétérozygote dominant + récessif donne le phénotype dominant : (A//o) : [A] Si le génotype hétérozygote contient 2 allèles codominants, le génotype est codominant : (A//B) : [AB]

6 B. CONSEQUENCE DE L EXISTENCE DE PLUSIEURS GENES PAR CARACTERE plan 1) Un caractère dépend souvent de plusieurs gènes Le phénotype macroscopique peut dépendre de plusieurs cellules différentes ou de plusieurs molécules différentes. Le phénotype moléculaire peut être le résultat d une succession de réactions enzymatiques. Un caractère phénotype dépend donc généralement de plusieurs, voire de nombreux, gènes. Exemple de l albinisme : Pour que la peau soit blanche, il suffit qu une seule réaction ne se fasse pas : Enzyme 1 (Tyrosinase) inactive : pas de mélanine Enzyme 2 (Myosine VA) inactive : pas de mélanine dans les kératinocytes 2) Conséquence de la succession de gènes bi-alléliques Pour chaque gène, à chaque étape de la construction des phénotypes moléculaires, 3 génotypes sont possibles : 2 génotypes homozygotes + 1 génotype hétérozygote. 1. T + = Tyrosinase active, T - = inactive : (T + //T + ) ; (T + //T - ) ; (T - //T - ). 2. M + = Myosine active ; M - = inactive : (M + //M + ) ; (M + //M - ) ; (M - //M - ). Suivant la dominance des allèles, 1 ou 2 génotypes sont possibles pour l existence de chaque protéine fonctionnelle. Plusieurs génotypes différents aboutissent au phénotype fonctionnel ou sain. Peau pigmentée : (T + //T + ) + (M + //M + ) ; (T + //T + ) + (M + //M - ) ; (T + //T - ) + (M + //M + ) ; (T + //T - ) + (M + //M - ). Chaque étape est réalisée ; une petite quantité de chaque protéine suffit à pigmenter. Plusieurs autres génotypes aboutissent au phénotype récessif ou malade : Il suffit qu une étape ne se fasse pas, ou bien qu une molécule soit absente, pour que les phénotypes ne fonctionnent pas. Peau non pigmentée : (T - //T - ) + (M + //M + ), (T - //T - ) + (M + //M - ), (T + //T + ) + (M - //M - ), (T + //T - ) + (M - //M - ), (T - //T - ) + (M - //M - ). Pour que la peau ne soit pas pigmentée, il suffit qu au moins une des protéines, sinon les 2, ne fonctionnent pas. Bilan : l existence de plusieurs génotypes par phénotype, résulte de l existence de 2 allèles par gène dans une cellule et de l existence de plusieurs gènes pour la réalisation d un seul caractère.

7 IV LE PHENOTYPE DEPEND AUSSI DE L ENVIRONNEMENT plan A. L ENVIRONNEMENT PEUT MODIFIER LES GENES L environnement peut provoquer des mutations qui entraînent un changement de la séquence de nucléotides qui sera à l origine de la modification de la séquence d acides aminés de la protéine et de son dysfonctionnement. Exemple : Les UV modifient le gène P53. Or la protéine P53 intervient dans l élimination des cellules cancéreuses. Modifiée cette protéine n agit plus et les cellules cancéreuses se développent. B. L ENVIRONNEMENT PEUT MODIFIER L ACTIVITE DES PROTEINES Les protéines subissent l influence de l environnement à l intérieur du cytoplasme ou bien dans le sang : leur activité peut alors changer. Une protéine anormale peut ne pas provoquer de maladie si une aide extérieure corrige les défauts ou bien si le milieu empêche l action de cette protéine anormale. Inversement, les paramètres physiques de l environnement, comme température, PH, oxygène peuvent empêcher le bon fonctionnement d une protéine normale. Exemples : Mucoviscidose : Les soins apportés aux malades atteints de mucoviscidose diminuent l encombrement des bronches par le mucus. Drépanocytose : La bonne oxygénation des hématies empêche la formation des fibres d hémoglobine S et l apparition de la drépanocytose.

8 C. PREDISPOSITION ET ORIGINE MULTIFACTORIELLE DU PHENOTYPE plan 1. Prédisposition génétique La prédisposition génétique correspond à la possession d un allèle malade (ou 2 allèles malades) par l individu. Cette possession signifie un risque plus grand de développer la maladie (sans la certitude de développer la maladie). Exemples : Cancer du sein : La possession de l allèle BRCA1 apporte un risque plus grand de développer le cancer du sein. Maladies vasculaires : la possession de l allèle L. Pa augmente la quantité de cholestérol dans le sang et favorise l apparition d un accident vasculaire. 2. Origine multifactorielle du phénotype Un caractère phénotypique dépend de nombreux gènes, plus précisément du génotype c est-à-dire des combinaisons d allèles portées par l individu. ( II : complexité des relations génotype / phénotype). Il dépend aussi de l environnement : alimentation, exposition aux radiations (UV, X ), molécules cancérigènes (dioxine, drogues ) ou agressives (alcool, tabac ). Le déclenchement d une maladie dépend de l addition de facteurs de risques : prédisposition génétique et facteurs environnementaux. Exemple : Les accidents vasculaires dépendent de la possession d allèles non fonctionnels (LP a et APO a I) et de l impact de facteurs environnementaux tels la consommation de cholestérol, le stress, le tabac, l alcool Bilan : le phénotype ne dépend pas que du génotype mais aussi de l environnement. L origine d un phénotype est multifactorielle.

9 V APPLICATION TECHNOLOGIQUES ET MEDICALES : plan La recherche des gènes impliqués dans une maladie permet de dépistage chez les adultes ou chez l embryon. 1. Le dépistage par test génétique L ADN extrait des cellules est multiplié, fragmenté et analysé par électrophorèse ou sonde moléculaire. Ces techniques permettent d identifier un allèle déterminé (malade ou sain). Les cellules utilisées proviennent : d un prélèvement de sang du fœtus, de l enfant voire de l adulte. du liquide amniotique (amniocentèse) contenant des cellules du fœtus du placenta (choriocentèse). de cellule de l embryon obtenu par FIV avant implantation dans l utérus. (DPI = diagnostic préimplantatoire) 2. Problèmes posés par l utilisation des tests génétiques : VERS UNE MEDECINE PREDICTIVE Lorsqu ils sont pratiqués avant la naissance, ces tests peuvent être suivis d une interruption volontaire de grossesse. Le test génétique suivi d IVG évite la naissance d individu portant une anomalie génétique grave et incurable, mais : remet en cause un des principes des droits de l homme : les hommes naissent égaux. remet en cause le droit au travail, au bénéfice de l assurance maladie ou de prêts bancaires. facilite l élimination des individus porteurs d anomalies bénignes et favorise l eugénisme (amélioration du patrimoine génétique par élimination des individus porteurs de caractères jugés défavorables). BILAN : le test génétique permet de prédire la prédisposition génétique. Suite à ce test, l IVG pose des problèmes éthiques individuels et de société.

10 CONCLUSION Plan Les phénotypes macroscopique et cellulaire reposent sur le phénotype moléculaire c est-à-dire les protéines. La séquence des acides aminés de la protéine dépend de la séquence des nucléotides de l ADN, selon le code génétique. La transgénèse, possible grâce à l universalité du code génétique, modifie le génotype et permet aux cellules de produire de nouvelles protéines. Les caractères individuels dépendent de la succession de génotypes et de l environnement. Les allèles défavorables prédisposent aux maladies et peuvent se dépister très tôt par analyse de fragments d ADN. Mais prédisposition ne signifie pas maladie et l IVG ne peut se concevoir qu en extrême limite, dans le cas des maladies incurables particulièrement graves.