Comment la reproduction cellulaire permetelle de produire des cellules possédant la même information génétique?

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1 Thèmes I - A et III - B : Expression, stabilité et variation du patrimoine génétique / Variation génétique et santé Problématique Fil conducteur Activités - Supports Capacités et attitudes Notions exigibles (BO) prérequis 3è, 2nde partie IIIB Chap 1 : Transmission du patrimoine génétique lors de la reproduction cellulaire Intro/accroche : Les cellules de l'organisme, à l'exception des cellules reproductrices, possèdent la même information génétique que la cellule-œuf dont elles proviennent par divisions successives possibilités de clonage thérapeutique. Comment la reproduction cellulaire permetelle de produire des cellules possédant la même information génétique? Les chromosomes présents dans le noyau sont le support de l information génétique.

2 Comment les chromosomes, supports de l'information génétique, sont-ils répartis dans les cellules filles lors de la division cellulaire? Semaine 1 / Activité 1: Les différentes étapes de la division cellulaire. Effectuer un geste technique en observant au microscope des divisions de cellules eucaryotes (racines d ail ) Manipuler et expérimenter préparation des ECE Communiquer dans un langage scientifiquement approprié. I - La division cellulaire ou mitose En général la division cellulaire est une reproduction conforme qui conserve toutes les caractéristiques du caryotype (nombre et morphologie des chromosomes). Comment la distribution des chromatides de chaque chromosome dans les cellules filles lors de la mitose permet-elle la conservation de l'information génétique? Semaine 2 / Activité 2 : Les mécanismes assurant la conservation de l'information génétique. Pratiquer une démarche scientifique en s appuyant sur la démarche historique ayant permis de mettre en évidence le mécanisme de réplication semi-conservative chez les Procaryotes. Utiliser des logiciels/animations permettant de comprendre le mécanisme de réplication semi-conservative. Montrer de l intérêt pour les progrès scientifiques et techniques. Pour aborder la réplication de l ADN : Un travail à partir des données scientifiques brutes (données sur le site de l université d Orléans par exemple) orleans.fr/sciences/biochimie/l/illustrations%20cours/slo- 3BC01%20Bases%20Fondamentales%20Bio%20Mol/TD/3BC01%20- %20TD3.pdf Un travail interactif à partir des expériences (à partir du site de Toulouse par exemple) Un travail à partir d une animation : réflexion sur les résultats attendus et sur leur interprétation (à partir du site medecine.unige.ch par exemple) II - La conservation de l'information génétique lors de la reproduction cellulaire Chaque chromatide contient une molécule d ADN. Structure de l ADN en double hélice, séquence de nucléotides Au cours de la phase S, l ADN subit la réplication semiconservative. 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.

3 Comment ces différents évènements affectant les chromosomes s'enchaînent-ils lors du passage d'une génération cellulaire à une autre? Semaine 3 / Activité 3 : Les différentes étapes d'un cycle cellulaire. Recenser, extraire et organiser des informations permettant de caractériser le cycle cellulaire et ses phases, dans différents types cellulaires. Travail par ateliers possible (possibilité de faire travailler les élèves sur des supports différents mutualisation on dégage les grandes lignes du cycle cellulaire : interphase/mitose conservation du nombre de chromosomes cycle chromosomique) III - Le comportement des chromosomes lors d'un cycle cellulaire L ADN est une molécule qui peut se pelotonner lors de la division cellulaire, ce qui rend visibles les chromosomes. Les chromosomes sont des structures constantes des cellules eucaryotes qui sont dans des états de condensation variables au cours du cycle cellulaire. Des photos et vidéos libres de droit sur la mitose sur le site du CRDP de Caen Les différents évènements d'un cycle cellulaire permettent donc de produire des cellules possédant la même information génétique. Pourtant l'apparition de caractères nouveaux au cours des générations et la succession de formes vivantes variées au cours des temps géologiques suggèrent des modifications de l'information génétique.

4 Comment de telles modifications de l'information génétique peuventelles survenir? Quel est l impact de ces mutations sur le monde vivant? Semaines 4 et 5 / Activité 4 : Des modifications possibles de l'information génétique et leurs conséquences à l échelle de l organisme. Tâche complexe par exemple I - UV et cancer de la peau : Pourquoi doit-on utiliser des crèmes solaires? Documents d'accompagnement MPS Mécanismes cellulaires de réparation de l ADN animation site medecine.unige.ch OU I Le Xeroderma pigmentosum Chap 2 : Variabilité génétique et mutation de l ADN I- Variabilité génétique à l échelle cellulaire 3è : Un gène peut exister sous des versions différentes appelées allèles. L apparition de caractères nouveaux au cours des générations suggère des modifications de l information génétique : ce sont les mutations. 2 nde : La variation génétique repose sur la variabilité de la molécule d ADN (mutation). La diversité des allèles est l un des aspects de la biodiversité. Les «enfants de la lune» : un témoignage (pris par exemple sur le site de l Association) - Des rayonnements solaires capables d induire des erreurs de réplication (formation de dimères T-T sous l action des UV C) - Un système de réparation qui fait intervenir des protéines spécifiques Exemple : protéine de réparation codée par le gène Xpa localisé sur le chromosome 9, ou par le gène Xpc localisé sur le chromosome 3. - Un système de réparation normalement très efficace : 80 % de l ADN réparé en 15 mn) - Des cancers de la peau très fréquents chez les malades atteints de X. pigmentosum - Un système de réparation défaillant chez les personnes atteintes de X. pigmentosum le taux de réparation n'est que de 10%. - Des allèles mutés pour le gène Xpa, ou pour le gène Xpc chez les individus atteints de X. pigmentosum Pendant la réplication de l ADN surviennent des erreurs spontanées et rares, dont la fréquence est augmentée par l action d agents mutagènes. L ADN peut aussi être endommagé en dehors de la réplication. Des modifications somatiques du génome surviennent par mutations spontanées ou favorisée par un agent mutagène. D autres sont dues à des infections virales. 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. II- Variabilité génétique à l échelle des organismes Les mutations sont la source aléatoire de la diversité des allèles, fondement de la biodiversité.

5 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, benzène, etc.) ; - analyser l influence de l irradiation d une culture de levures par des UV (suivi du taux de mortalité). Pratiquer une démarche scientifique. Manipuler et expérimenter. Être conscient de sa responsabilité face à l environnement, la santé, le monde vivant. Y a-t-il d autres agents mutagènes responsables de cancers? Comment des mutations peuvent aboutir à des cancers? Ces nouvelles mutations peuvent-elles se transmettre? II D autres types de cancer : origine, transmission, prévention A - Organismes pluricellulaires 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). Des modifications accidentelles du génome peuvent se produire dans des cellules somatiques et se transmettre à leurs descendantes. Elles sont à l origine de la formation d un clone cellulaire porteur de ce génome modifié. La formation d un tel clone est parfois le commencement d un processus de cancérisation. La connaissance de la nature des perturbations du génome responsable d un cancer permet d envisager des mesures de protection (évitement des agents mutagènes, surveillance, vaccination). Utiliser des logiciels pour caractériser des mutations. Ex : Utilisation du logiciel Anagène pour exploiter des données permettant de distinguer mutations germinales et mutations somatiques (dossier actuellement classé dans le répertoire «seconde») Recenser, extraire et organiser des informations permettant de : - caractériser la diversité allélique d une population ; - identifier l origine des facteurs de cancérisation (agents mutagènes, infections virales) ; - montrer la nécessité qu'une mutation survienne dans une cellule germinale pour qu'elle devienne héréditaire ; - comprendre les causes multiples pouvant concourir au développement de certains cancers (cas des cancers pulmonaires) et identifier des mesures de prévention possibles. Utilisation de données épidémiologiques (banque mondiale des cancers, site de l INVS, site de l INCa, dossier de l AFSSA sur l influence du benzène, ) Attention aux recherches Internet images parfois choquantes

6 Semaine 6 / Activité 5 : Diversité, devenir et conséquences des mutations chez les organismes unicellulaires. Recenser, extraire et organiser des informations permettant de : - identifier la sensibilité ou la résistance de microorganismes à différents antibiotiques ; - calculer le taux d apparition de résistances dans une population ; - comprendre, sur un exemple, l application du raisonnement évolutionniste en matière médicale Comprendre le lien entre les phénomènes naturels et le langage mathématique. Être conscient de sa responsabilité face à l environnement, la santé, le monde vivant. B - Organismes unicellulaires Des mutations spontanées provoquent une variation génétique dans les populations de bactéries. Parmi ces variations, certaines font apparaître des résistances aux antibiotiques. L application d un antibiotique sur une population bactérienne sélectionne les formes résistantes et permet leur développement. L utilisation systématique de traitements antibiotiques peut augmenter la fréquence des formes résistantes par sélection naturelle. Deux approches possibles : un fait de société : la résistance croissante des bactéries et les campagnes «les ATB c est pas automatique» une approche historique Tâche complexe : pourquoi l utilisation inappropriée et en quantité trop importante des antibiotiques est à l origine de l augmentation rapide des cas de résistance bactérienne aux ATB?

7 Comment les gènes peuvent-ils être à l'origine des caractéristiques d'un individu? Que "commandent" les gènes? Semaines 7 et 8 / Activité 6 : Les gènes à l'origine de protéines : exemple de la mucoviscidose Témoignages sur le site de l association «Vaincre la mucoviscidose» : «un rêve sans mucoviscidose» Le phénotype à différentes échelles Recenser, extraire et exploiter des informations permettant de caractériser les protéines comme expression primaire de l information génétique. Différents allèles du gène CFTR protéine CFTR fonctionnelle ou non = relation génotype/phénotype moléculaire Réalisation d électrophorèse Utilisation de Rastop (protéine = séquence d acides aminés + configuration spatiale) et Anagène Les protéines, expression primaire de l information génétique Recenser, extraire et organiser des informations permettant de : - établir le lien entre le phénotype macroscopique «malade de la mucoviscidose» et le génotype ; - étudier un arbre généalogique pour évaluer un risque génétique. notion d'information génétique variable d'un individu à un autre. Rappels de 2 nde sur la transgénèse et généralisation avec un exemple de thérapie génique de la mucoviscidose. Recenser, extraire et organiser des informations permettant de comprendre les traitements médicaux de la mucoviscidose (oxygénothérapie, kinésithérapie) et les potentialités offertes par les thérapies géniques. Un dossier complet et une proposition de jeu de rôle sur les maladies génétiques réalisé par l EIBE (European Initiative for Biology Education) Chap 3 : Expression du patrimoine génétique Intro/accroche : Les mutations germinales peuvent devenir héréditaires maladies génétiques I - Une expression sous forme de protéines La transgénèse montre que l information génétique est contenue dans la molécule d ADN et qu elle y est inscrite dans un langage universel. La mucoviscidose est une maladie fréquente, provoquée par la mutation d un gène qui est présent sous cette forme chez une personne sur 40 environ. Seuls les homozygotes pour l allèle muté sont malades. L étude d un arbre généalogique permet de prévoir le risque de transmission de la maladie. Ainsi, le phénotype malade comporte des aspects macroscopiques qui s expliquent par la modification d une protéine. On limite les effets de la maladie en agissant sur des paramètres du milieu. La thérapie génétique constitue un espoir de correction de la maladie dans les cellules pulmonaires atteintes. La séquence des nucléotides d une molécule d ADN représente une information. 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. Les portions codantes de l ADN comportent l information nécessaire à la synthèse de chaînes protéiques issues de l assemblage d acides aminés.

8 Mettre en œuvre une utilisation de logiciel (ex : logiciel ANAGENE) pour mettre en évidence la correspondance entre 3 bases azotées de l'adn et un acide aminé de la protéine. notion de code génétique universel à quelques exceptions près. L ensemble des protéines qui se trouvent dans une cellule (phénotype moléculaire) dépend donc du patrimoine génétique de la cellule (une mutation allélique peut être à l origine d une protéine différente ou de l absence d une protéine). Comment les gènes dirigent-ils la synthèse des protéines? L'ensemble des caractéristiques phénotypiques d'un individu doit donc théoriquement être déterminé par son génotype via la synthèse de protéines. Pourtant deux vrais jumeaux ne sont jamais des personnes rigoureusement identiques ce qui suggère que l'expression des gènes peut être modulée par différents facteurs. Semaine 9 / Activité 7 : Des gènes aux protéines Mettre en œuvre une démarche historique et une pratique documentaire permettant : - d approcher le mécanisme de la transcription, et de la traduction; - de comprendre comment le code génétique a été élucidé. A la fin des années 1950, on sait que les gènes codent pour l'assemblage ordonné des acides aminés d'une protéine synthétisée au niveau des ribosomes cytoplasmiques. Comment passer de l'information génétique contenue dans le noyau à des protéines synthétisées dans le cytoplasme? 1961 : MONOD, JACOB et LWOFF font l'hypothèse de l'existence d'un nouvel ARN, l'arnm, fabriqué à partir des gènes et transporté au niveau des ribosomes : l'hypothèse est confirmée, puis la réalité du code génétique est démontrée par NIREMBERG ET MATTHAEI. Comment mettre en évidence le système de correspondance entre les bases azotées de l'arnm et les acides aminés des protéines? 1965 : élucidation du code génétique par NIREMBERG ET MATTHAEI. Montrer de l intérêt pour les progrès scientifiques et techniques. Mettre en œuvre une utilisation de logiciels ou d'animations (ex : sur ) permettant de comprendre les mécanismes de la transcription et de la traduction. II - Les mécanismes de la synthèse des protéines Chez les eucaryotes, la transcription est la fabrication, dans le noyau, d une molécule d ARN pré-messager, complémentaire du brin codant de l ADN. Après une éventuelle maturation, l ARN messager est traduit en protéines dans le cytoplasme.

9 Comment l'expression d'un même gène peut-elle conduire à différents caractères phénotypiques? Semaine 10 / Activité 8 : D'un gène à différents phénotypes. Représentation initiale : Gène = séquence nucléotidique codante 1 gène 1 protéine. Un fait nouveau : l information génétique est morcelée dans le gène existence d'une maturation (= épissage) de l ARN pré-messager. Un problème qui se pose : le nombre de protéines existant dans un organisme est bien supérieur au nombre de gènes Certains gènes doivent coder plusieurs protéines. Une hypothèse envisageable : l épissage de l ARN prém peut se faire de différentes façons Épissage alternatif III - Une expression influencée par différents facteurs. 3è : Les facteurs environnementaux peuvent modifier certains caractères. Un même ARN pré-messager peut subir, suivant le contexte, des maturations différentes et donc être à l origine de plusieurs protéines différentes. Exemple de l'épissage alternatif du gène de la tropomyosine protéine différente dans les cellules musculaires, les fibroblastes ou les neurones. OU Exemple de l'épissage alternatif du gène de l hormone de croissance conduisant à deux types de polypeptides : la calcitonine exprimée dans certaines cellules thyroïdiennes, et le CGRP, neuromédiateur de nombreux neurones. Evoquer la différenciation cellulaire et donc la régulation de l'expression des gènes : Exemple de la différenciation des cellules musculaires: au cours du DE, différents types cellulaires sont stimulés par un facteur externe FGF, puis se différencient soit en fibroblastes, soit en cellules musculaires (perte du récepteur à FGF activation des gènes de la famille MyoD = facteurs de transcription activant d'autres gènes). Les gènes MyoD ne s'expriment pas dans les fibroblastes L ensemble des protéines qui se trouvent dans une cellule (phénotype moléculaire) dépend aussi de la nature des gènes qui s expriment sous l effet de l influence de facteurs internes et externes variés. rôle de signaux cellulaires dans l'expression des gènes.

10 Recenser, extraire et exploiter des informations permettant de différencier les rôles de l environnement et du génotype dans l expression d un phénotype. Exemples de maladies comme les maladies cardiovasculaires, le diabète de type II ou certains cancers comme le cancer pulmonaire pour lesquelles ont met en évidence une origine multigénique et l'influence des facteurs environnementaux. Cancer : Une animation simple sur le site de l Institut National du Cancer Dossier thématique sur le site de l INSERM Dossier sur le cancer du sein sur le site Acces INRP Diabète de type II : Un dossier très complet sur le site de l INSERM Un dossier scientifique et une animation très simple mais parlante sur le site snvjussieu Des activités pratiques avec traitement de données épidémiologiques à l aide d un tableur sur le site SVT de Bordeaux Le plus souvent, l impact du génome sur la santé n est pas un déterminisme absolu. Il existe des gènes dont certains allèles rendent plus probable le développement d une maladie sans pour autant le rendre certain. En général les modes de vie et le milieu interviennent également, et le développement d une maladie dépend alors de l interaction complexe entre facteurs du milieu et génome. Un exemple de maladie (maladie cardiovasculaire, diabète de type II) permet d illustrer le type d études envisageables. Comprendre que déterminer les facteurs génétiques ou non d une maladie repose sur des méthodes particulières qui constituent les fondements de l épidémiologie. Comprendre les conditions de validités d affirmations concernant la responsabilité d un gène ou d un facteur de l environnement dans le déclenchement d une maladie. Savoir choisir ses comportements face à un risque de santé pour exercer sa responsabilité individuelle ou collective. Être capable d attitude critique face aux ressources documentaires. Comprendre qu un effet peut avoir plusieurs causes CCl : Le phénotype macroscopique dépend du phénotype cellulaire, lui-même induit par le phénotype moléculaire.