Présence d ARNm du gène PITX1 au niveau de la zone d expression de ce gène

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1 Exercice 2.2 (Polynésie 2014) (analyse, connaissances, déduction) Les épinoches à trois épines (Gasterosteus aculeatus) sont des poissons qui se présentent sous deux formes (épinoche marine et épinoche d'eau douce), selon le lieu où ils vivent. Leurs prédateurs varient selon les milieux de vie. À l'aide des documents ci-dessous et de vos connaissances, proposer une hypothèse pour expliquer le mécanisme à l'origine de la morphologie des épinoches d'eau douce. NB le cours n étant pas finalisé sur la sélection aucune notion d évolution n était attendue (bonus) Suite à la fonte de la calotte glaciaire qui recouvrait l Amérique du nord, le Canada, des lacs se sont mis en place et ont été peuplés par des épinoches issues des régions côtières. Aujourd hui, on constate de nettes différences morphologiques entre les épinoches marines et les épinoches lacustres, en particulier les formes des eaux lacustres peu profondes. On cherche à comprendre l origine de cette différence morphologique et notamment celle de l épinoche d eau douce. Document 1 : Morphologie des épinoches en fonction de leur milieu de vie Je vois que les épinoches marines ont deux nageoires pelviennes épineuses bien développées alors que les lacustres ont des nageoires très réduites sans épines. Cette différence morphologique leur permet une bonne adaptation à leur milieu de vie (pression de prédation) Je sais que dans un environnement donné, ce sont les individus les mieux adaptés qui sont favorisés, ils survivent mieux, se reproduisent, transmettent leurs gènes dont la fréquence augmente dans les populations. On peut faire l hypothèse qu un événement (mutation?) a provoqué la disparition des épines ventrales chez l épinoche d eau douce et ce caractère, favorisant la survie des épinoches a été conservé et s est répandu dans la population. Les épinoches marines ont une nageoire pelvienne épineuse proéminente sur leur face ventrale, ce qui les protège des gros poissons. Les formes d'épinoche d'eau douce n'ont plus de nageoire pelvienne et sont ainsi moins vulnérables vis-à-vis des larves d'insectes prédatrices, qui ont plus de mal à s'accrocher. Différences morphologiques Différences environnementales D après Cresko et al Parallel genetic basis for repeated evolution of armor loss in Alaskan threespine stickleback populations. Proc. Nat. Acad. Sci. U.S.A. 101/ Document 2 : Expression du gène PITX1 impliqué dans la mise en place de la nageoire pelvienne épineuse au cours du développement des épinoches Présence d ARNm du gène PITX1 au niveau de la zone d expression de ce gène Les biologistes ont recherché les endroits de l'organisme où l'on peut détecter la présence d'arnm du gène PITX1 au cours du développement. Ces territoires sont colorés en grisé par la méthode utilisée sur des embryons d'épinoche. Les flèches indiquent la zone d'expression du gène PITX1 observé sur la face ventrale des embryons d'épinoche. D après Genetic and developmental basis of evolutionary pelvic reduction in threespine sticklebacks Shapiro et colli. Nature 428,

2 Je vois la présence d une forte concentration d ARNm du gène PITX1 au niveau de la zone d expression de ce gène chez l épinoche marine, mais pas chez l épinoche d eau douce Je sais que l ARNm est le résultat de la transcription d un gène. ARN qui sera traduit en protéines, responsables de la mise en place du caractère. Si le gène PITX1 est responsable de la mise en place de la nageoire pelvienne, c est un gène homéotique (de développement) qui s exprime de façon localisée (zone d expression) pour construire la nageoire. J en déduis que chez l épinoche d eau douce - soit le gène est absent donc non transcrit, il ne s exprime pas dans le territoire ventral, la nageoire ne se met pas en place. - Soit il y a un problème de transcription. Document 3 : Données moléculaires du gène PITX1 Document 3a : Comparaison des séquences du gène PITX1 impliqué dans le développement de la nageoire pelvienne épineuse chez les deux formes d'épinoches La portion du gène étudié est représentative des résultats obtenus sur l'ensemble du gène. La première ligne correspond au gène de l'épinoche marine et la deuxième ligne au gène de l'épinoche d'eau douce. Chaque tiret indique une identité de nucléotide. Je vois que le gène existe bien chez les 2 formes et présente exactement la même séquence. J en déduis que le problème ne vient pas de l absence (ou de la mutation du gène) Document 3b : La régulation de l'expression du gène PITX1 Des segments d'adn appelées séquences régulatrices présents à côté des gènes, contrôlent l'expression des gènes. Ces séquences de régulation jouent un rôle central dans l'évolution de la morphologie des animaux. L'expression du gène PITX1 est activée lorsque des facteurs de transcription se lient à des sites de fixation de la séquence régulatrice PEL. Le complexe ainsi formé déclenche la transcription du gène PITX1 en un ARNm par l'enzyme polymérase. D après Pour La Science n 378 Janvier 2009 Je vois que la transcription du gène PITX1 est dépendante d une séquence d ADN adjacente (PEL) sur laquelle des facteurs de transcription se fixent pour assurer la formation des ARNm.

3 J en déduis que c est un problème de transcription qui explique l absence de nageoire chez l épinoche d eau douce. On peut faire l hypothèse qu une absence ou une modification de la séquence régulatrice a entraîné une absence de transcription du gène PITX1, ainsi le gène ne s exprime pas. Document 4 : Expériences de transgénèse sur une épinoche lacustre Une séquence régulatrice du gène PITX1 a été identifiée en 2010 et a été appelée «pel». Pour détecter si des changements dans cette séquence pouvaient être à l'origine du changement morphologique, les chercheurs ont réalisé une expérience de transgénèse. Ils ont injecté dans des œufs d'épinoche d'eau douce, une construction génique comprenant la région régulatrice «PEL» des épinoches marines et le gène PITX1 noté ([pel-pitx1]). Les résultats de cette transgénèse montrent chez l'épinoche d'eau douce une nageoire pelvienne épineuse. Je vois que le transfert d une construction génétique [PITX1-PEL] permet la mise en place de la nageoire pelvienne chez l épinoche d eau douce. Cela confirme donc qu il s agit bien d une anomalie de la séquence PEL qui empêche l expression du gène PITX1 dans la zone ventrale de l épinoche d eau douce Mise en relation. La différence de morphologie des épinoches d eau douce (absence de nageoire pelvienne épineuse) (doc1) peut être expliqué par un déficit d expression du gène de développement responsable de la mise en place de cette nageoire (PITX1) Chez les épinoche d eau douce l abscence ou le dysfonctionnemnt de la séquence régultrice PEL (doc3/4) empêche la transcription du gène donc pas d ARNm. L absence d ARNm dans la zone d expression (ventrale) du gène (doc2) interdit la synthèse de la protéine necessaire à la mise en place de la nageoire. Ce caractère a été sélectionné dans le milieu de vie de l épinoche d eau douce puisque cette anomalie représente un avantage sélectif (empêche les larves d insectes de parasiter les épinoches. Les sujets auxquels vous avez echappé pour s entraîner à la maison.

4 Exercice 2.2 Un modèle possible de l'histoire évolutive des gènes qui codent la lactico-déshydrogénase, enzyme présente chez tous les êtres vivants, est représenté dans le document de référence. Montrez, à l aide de vos connaissances, que les informations apportées par les documents valident le modèle proposé de l'histoire évolutive des gènes de la lactico-déshydrogénase. Problème Document de référence : modèle proposé pour illustrer l'histoire évolutive qui a conduit aux gènes qui codent la lacticodéshydrogénase chez l'homme Document1: La lactico-déshydrogénase (LDH) est une enzyme constituée par l'association de quatre chaînes polypeptidiques qui peuvent être identiques ou non. Chez l'homme, il existe trois types de chaînes (LDH-A, LDH-B et LDH-C). 2- localisation des gènes de la LDH sur les chromosomes de l'homme : 3 - séquences partielles d'acides aminés des chaînes polypeptidiques LDH-A, LDH-B et LDH-C humaines, après alignement : Dans les séquences de LDH-B et LDH-C un tiret indique un acide aminé identique à celui présent dans la séquence de LDH-A, laquelle est prise arbitrairement comme référence. On cherche à valider le schéma évolutif proposé par les scientifiques dans le document de référence. Doc de référence = hypothèse à justifier. NB : On peut faire le choix de commencer par analyser (décrypter, lire) le doc de référence puis de le justifier à l aide des autres documents ou de commencer par analyser les docs au choix..

5 Doc de référence Les protéines A, B, C sont codées par 3 gènes, (locus ), sur des chromosomes. Ils résultent de 2 duplications successives (1ere à B/[A/C] et 2 ième [A/C]à A et C ) et d une translocation. Chaque duplicata a subit ensuite des mutations indépendantes. Doc 3 Les séquences sont globalement très ressemblantes. Le maximum de similitudes est observable entre entre A et C. Le minimum de similitudes entre B et C Les molécules sont apparentées, elles proviennent d un gène ancestral commun = Famille multigénique. Sachant que plus le nombre de similitudes est élevé plus les gènes proviennent d un gène ancestral récent, (A et C devraient provenir du gène ancestral le plus récent. B et C devraient provenir d un gène ancestral plus ancien. l hypothèse du document de référence indique bien une plus grande parenté entre A et B.) Nbr de A B C Les 3 gènes proviennent bien de 2 duplications successives -la plus récente à A/C -la plus ancienne à [A/C] /B A 0 9/26 7/26 B 0 12/26 C 0 Doc1a.et b Homme: 3 chaînes qui se combinent. (A, B, C) Chez L Homme, 3 gènes A, B et C (Locus ), Sachant que ces chaînes sont des protéines, il existe donc 3 séquences codantes Les 3 chaînes protéiques sont donc bien codées par des gènes différents sont situés sur des chromosomes différents : B : sur chromosome 12 A et C sur chromosome 11 Les duplications se sont accompagnées d une translocation La LDH est une protéine existant chez tous les êtres vivants. Les ressemblances établies (doc3) entre les 3 chaînes de l enzyme existant chez l Homme montrent qu il s agit d une famille multigénique : ces 3 gènes proviennent d un gène ancestral présent chez l ancêtre commun de tous les êtres vivants. Ce gène a subit 2 duplications successives.chaque copie a ensuite évolué de façon indépendante, l une d elle a été transloquée. (doc2) Les documents confirment bien le scénario proposé dans le document de référence