CHAPITRE 3 : VARIABILITE GENETIQUE ET MUTATION DE L ADN

Transcription

1 CHAPITRE 3 : VARIABILITE GENETIQUE ET MUTATION DE L ADN Lors de la mitose, la cellule mère produit deux cellules filles génétiquement identiques entre elles et à la cellule mère. On observe ainsi une transmission conforme de l information génétique de génération en génération. Pourtant il existe une grande diversité des individus au sein de chaque espèce. Cette diversité et l apparition de caractères nouveaux ont pour origine des modifications dans les séquences d ADN appelées mutations. Problématique centrale : Quels sont les mécanismes conduisant à des mutations et quelles sont les conséquences pour l individu? I/ L ADN, une molécule plus ou moins stable A) L origine d une variabilité de l ADN La molécule d ADN possède la remarquable propriété d autoréplication : à partir d une molécule d ADN mère, l ADN polymérase fabrique deux molécules d ADN filles identiques à la molécule d origine. Dans une cellule humaine, à chaque réplication, ce sont 6,4 milliards de paires de nucléotides qui sont ainsi répliqués. Aucun système de copie n étant infaillible, on comprend aisément qu il puisse se produire de temps en temps des erreurs : il peut y avoir par exemple incorporation d un nucléotide non complémentaire ou bien un «oubli» ou au contraire un ajout d un nucléotide surnuméraire. Même si la fiabilité de l ADN polymérase peut être considérée comme excellente, on estime qu elle «se trompe» environ une fois pour nucléotides insérés. De plus, même en dehors des périodes de réplication, l ADN peut être endommagé et sa séquence s en retrouver modifiée. B) Des agents mutagènes Ces modifications de l ADN sont spontanées et leur fréquence est faible. Cependant, certains facteurs ont la propriété d augmenter cette fréquence. Ils sont qualifiés d agents mutagènes. Par exemple, des agents mutagènes chimiques comme le benzène ou l acridine (utilisée comme colorant) sont des molécules qui s intercalent entre les nucléotides de l ADN : au cours de la réplication de l ADN, il y aura alors incorporation d un nucléotide supplémentaire sur le brin opposé. Certains agents mutagènes physiques comme des radiations électromagnétiques peuvent pénétrer plus ou moins profondément la matière vivante et endommager l ADN. Les rayonnements radioactifs sont de ce point de vue plus puissants, mais ils sont heureusement peu abondants naturellement. Les rayons X utilisés en radiologie ont un effet mutagène important (d où les mesures de protection et le calibrage des doses délivrées lorsque l on pratique un examen radiologique). 1

2 Ø Mutation : Modification de la séquence des nucléotides de l ADN Ø Agents mutagènes : Facteurs capables d indures des mutations (par exemple rayons UV, X, gamma, benzène, acridine, tabac ) à un taux beaucoup plus important que les mutations spontanées C) Le danger des UV Les rayons ultraviolets émis par le soleil sont incontestablement les principaux agents mutagènes auxquels sont exposées les populations humaines. Les UV sont présents sous trois formes : UVA, B et C. Sur Terre, les UV B et C sont filtrés par la couche d ozone. Des études expérimentales réalisées sur les levures le confirment : les rayons UV peuvent détruire les cellules (effet létal) et ils ont également un effet mutagène important. Les effets des UV sur l ADN sont multiples et bien connus : ils entraînent souvent la formation de liaisons covalentes entre deux nucléotides consécutifs (par exemple deux nucléotides T entraînant un dimère de thymine). Cette liaison anormale crée localement une modification de la structure de l ADN qui perturbe le fonctionnement normal de l ADN polymérase au moment de la réplication. Cet effet des rayons UV constitue aujourd hui un problème de santé publique : en effet, les cellules dont l ADN est lésé peuvent devenir cancéreuses. 2

3 Le rayonnement UV arrivant à la surface de la Terre est plus ou moins intense : il est particulièrement important en altitude, en bord de mer ou dans les régions du globe terrestre concernées par l amincissement de la couche d ozone protectrice. Dans de nombreux pays, on relève depuis quelques années une augmentation significative des cancers de la peau. Il est donc particulièrement important de suivre, dés le plus jeune âge, les mesures préconisées pour se protéger des UV. BILAN : Les mutations sont dues à des erreurs se produisant spontanément au cours de la réplication de l ADN. Des altérations de la molécule d ADN peuvent aussi se produire en dehors des périodes de réplication. Un agent mutagène est un agent dont l action augmente la fréquence des mutations II/ Réparation de l ADN et mutation A) Les mécanismes de réparation de l ADN A la fin de l interphase, on constate que le nombre d erreurs présentes dans une molécule d ADN est beaucoup plus faible (une pour un milliard de nucléotides environ) que le nombre d erreurs effectuées au cours de la réplication. En effet, les cellules disposent de plusieurs systèmes enzymatiques capables de vérifier l ADN et de réparer les erreurs. Ces enzymes exercent leur action au cours de la réplication ou après celle-ci. Très schématiquement, l erreur est d abord repérée et signalée par une enzyme qui parcourt l ADN, puis une autre enzyme coupe un court fragment du brin d ADN comportant l erreur. L ADN polymérase remplace alors les nucléotides manquants par complémentarité avec le second brin. 3

4 B) Des mutations de l ADN Dans une cellule, plusieurs douzaines d enzymes de réparation de l ADN interviennent ainsi, corrigeant environ 99,9% des erreurs. Quelques erreurs subsistent néanmoins dans une molécule d ADN répliquée. On appelle alors mutation une modification de la molécule d ADN qui a échappé aux processus de réparation. Notons que si la modification ne concerne bien au départ qu un seul brin, il y aura néanmoins dés la réplication suivante, formation d une molécule d ADN portant une paire de nucléotides modifiée. Comme cette molécule d ADN peut être même servir de modèle pour les réplications ultérieures, la mutation peut se transmettre au cours des cycles cellulaires successifs. La comparaison de molécules d ADN révèle l existence de plusieurs types de mutations ponctuelles portant sur une paire de nucléotides : Ø mutation par substitution, lorsqu une paire de nucléotides a été remplacée par une autre paire. - Si la mutation ne modifie pas l acide aminé ajouté lors de la traduction. On parle alors de mutation silencieuse. - Si la mutation peut avoir pour conséquence de changer un acide aminé. On parle de mutation faux sens) - Si la mutation induit la formation d un codon STOP. On parle de mutation non sens. Ø mutation par délétion, correspondant à la perte d une paire de nucléotides Ø mutation par addition, lorsqu une paire de nucléotides supplémentaire a été insérée dans la séquence d ADN Si la délétion et l addition ne concernent pas un triplet de nucléotides, il y a décalage du cadre de lecture. 4

5 C) Le devenir des mutations Souvent, une cellule comportant une mutation meurt à plus ou moins brève échéance : elle sera alors facilement remplacée. Mais, si la cellule mutée reste vivante, elle sera, par divisions successives, à l origine d un clone cellulaire, c est à dire une population de cellules portant la même mutation. Dans beaucoup de tissus, les cellules ont tendance, après une division, à rester proches les unes des autres : le résultat observable dans un tissu est alors l existence d un secteur mutant. Une mutation entraîne parfois une cancérisation de la cellule : on comprend alors qu un foyer de cellules cancéreuses puisse se développer dans un organe. Mais la principale distinction à faire concernant le devenir des mutations est de savoir si elle affecte un tissu somatique ou un tissu germinal : - Les mutations somatiques, c est à dire celles qui ne concernant pas les cellules sexuelles, disparaîtront au plus tard avec la mort de l individu. Elles ne sont pas transmises à sa descendance. - Les mutations germinales, c est à dire celles qui se produisent dans les cellules à l origine des gamètes sont au contraire transmissibles à la descendance de l individu. En effet, une mutation portée par un spermatozoïde ou un ovule se retrouvera présente dans la cellule œuf et par conséquent dans toutes les cellules du nouvel individu. Elle devient alors héréditaire. III/ Mutations et biodiversité Nous savons que pour un gène, il existe le plus souvent plus «versions» différentes, appelées allèles. Par exemple, si tous les êtres humains ont nécessairement un groupe sanguin, tous n ont pas les mêmes allèles déterminant ce groupe. Pour certains gènes, il peut exister une très grande diversité d allèles : c est le cas par exemple des gènes HLA qui déterminent ce que l on appelle le groupe tissulaire, impliqué dans le phénomène de rejet des greffes. C est de cette diversité des allèles que découle la diversité génétique d une population et, par là la diversité des individus d une espèce. La comparaison des allèles d un gène montre que ceux-ci diffèrent en général par quelques nucléotides seulement. L origine commune des divers allèles d un gène ne fait pas de doute : c est en effet par mutation que se forme un nouvel allèle. 5

6 Lorsqu un individu hérite d un nouvel allèle, celui-ci devient transmissible de génération en génération : à long terme, il peut se répandre dans une population. Il est important de remarquer que ce mécanisme à l origine des allèles est purement aléatoire : il ne fait appel à aucun mécanisme prédéterminé et ne répond à priori à aucune nécessité. Ainsi le phénomène de mutation, s il peut se révéler souvent néfaste à l échelle d un individu, doit être compris comme étant le fondement même de la biodiversité génétique des populations et des espèces Les conséquences des mutations viables Mutation d une cellule somatique Clone de cellules somatiques mutées Pas de transmission à la descendance Toutes les cellules portent le nouvel allèle Mutation d une cellule germinale = nouvel allèle transmissible à la descendance Si l allèle est transmis Augmentation de la biodiversité génétique 6

7 BILAN GENERAL DU CHAPITRE 3 Variabilité génétique et mutation de l ADN L ADN, une molécule plus ou moins stable La molécule d ADN n est pas totalement stable : pendant la réplication de l ADN notamment, il peut se produire des erreurs spontanées et rares modifiant la séquence nucléotidique. Certains facteurs augmentent la fréquence des mutations : ce sont des agents mutagènes chimiques ou physiques. Des substances chimiques, certaines radiations électromagnétiques ont un effet mutagène. Le rayonnement ultraviolet constitue le principal agent mutagène auquel sont exposées les populations humaines. Réparation de l ADN et mutations La plupart des erreurs de réplication de l ADN sont réparées par des systèmes enzymatiques. Cependant, certaines erreurs échappent à cette réparation : ces modifications de l ADN sont qualifiées de mutations. On distingue plusieurs types de mutations ponctuelles : - Substitution : un nucléotide est remplacée par un autre. Si la mutation ne modifie pas l acide aminé ajouté lors de la traduction, on parle alors de mutation silencieuse. Si elle change un acide aminé, on parle de mutation faux sens. Si elle induit la formation d un codon STOP. On parle de mutation non sens. - Délétion : perte d un nucléotide - Addition : un nucléotide est ajouté Si la délétion et l addition ne concernent pas un triplet de nucléotides, il y a décalage du cadre de lecture. Le devenir des mutations La destinée d une cellule mère est variable : elle peut mourir ou bien être à l origine, par divisions cellulaires successives, d un clone mutant portant l information génétique modifiée. Elle peut aussi devenir cancéreuse et être à l origine d un foyer cancéreux. Seules les mutations germinales, présentes dans les gamètes, sont transmissibles à la descendance de l individu. Une telle mutation, existant dés la cellule œuf, concerne alors l ensemble des cellules du descendant et devient héréditaire. Les mutations, fondement de la biodiversité Les différents allèles d un gène présentent un nombre limité de différences : c est par mutation de la séquence nucléotidique d un gène que se forme un nouvel allèle. A l échelle des populations et des espèces, les mutations sont la source aléatoire de la diversité des allèles. C est donc sur le phénomène de mutations que repose la biodiversité génétique. 7

8 Schéma bilan Chapitre 3 Variabilité génétique et mutation de l ADN 8