Connaissances d expliquer le constat effectué au premier chapitre, à savoir que toutes les cel- lules de l organisme, à l exception des cellules

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1 3 Multiplication Multiplication cellulaire et cancer PROGRAMME Connaissances Diversité et unité des êtres humains 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. La division d une cellule : est préparée par la copie de chacun de ses 46 chromosomes ; se caractérise par la séparation des chromosomes obtenus, chacune des deux cellules formées recevant 23 paires de chromosomes identiques à ceux de la cellule initiale. L ADN est une molécule qui peut se pelotonner lors de la division cellulaire, ce qui rend visibles les chromosomes. Le cancer est le résultat d une prolifération incontrôlée de cellules. Responsabilité individuelle et/ou collective : maîtrise de la reproduction et habitudes de vie L exposition au soleil peut augmenter le risque de cancer de la peau, par des modifications du patrimoine génétique. OBJECTIFS GÉNÉRAUX DU CHAPITRE L étude du cycle cellulaire (terme non utilisé avec les élèves) permet d expliquer le constat effectué au premier chapitre, à savoir que toutes les cellules de l organisme, à l exception des cellules reproductrices possèdent le même caryotype et la même information génétique que la celluleœuf dont elles proviennent par multiplications successives. La première activité est consacrée à l étude de la multiplication cellulaire en tant que phénomène qui assure le maintien du caryotype dans toutes les cellules de l organisme. Cette étude s appuie sur l analyse de figures de mitose et sur une modélisation des chromosomes permettant de saisir notamment par quel processus les chromosomes deviennent visibles au microscope optique au moment de la multiplication cellulaire. La deuxième activité est centrée sur les processus qui expliquent la conservation du programme génétique de la cellule-œuf dans toutes les cellules de l organisme. Elle part du constat que les chromosomes sont simples dans chaque cellule résultant d une multiplication cellulaire et doubles lorsqu elle se multiplie à son tour. Elle envisage donc la duplication des chromosomes et par là celle du programme génétique durant l interphase (terme non utilisé avec les élèves), et se termine par une vue d ensemble résumant les faits essentiels des deux phases du cycle cellulaire. Le problème de la conservation de l information génétique au cours de la multiplication des cellules peut être l occasion de mettre en place une démarche d investigation, qui va conduire à observer des microphotographies ou des vidéogrammes de cellules en division, puis à confronter ces images avec des données quantitatives sur l évolution de la quantité d ADN. La réalisation de maquettes s insère tout à fait dans cette démarche d investigation, et permet aux élèves de mieux appréhender les phénomènes et à l enseignant de s assurer que les concepts sont bien maîtrisés. Pour aborder le problème du cancer, nous avons choisi : de proposer une présentation non pas sous forme d activités mais sous forme de sujets à traiter, où les élèves seront placés dans une démarche de résolution de problème, comme dans les chapitres de la dernière partie «Responsabilité humaine en matière de santé et d environnement» ; d aborder ici le problème de l influence d un facteur de l environnement (les UV solaires) sur l augmentation du risque de cancer de la peau, sujet normalement présenté dans les programmes dans la dernière partie «Responsabilité humaine en matière de santé et d environnement». Ces choix se justifient par la spécificité du thème étudié. Aborder la notion de cancer n est pas toujours aisée avec les élèves, et pourtant c est un sujet par lequel ils se sentent concernés. Il s agit ici de les amener à mobiliser leurs connaissances (sur la multiplication cellulaire, le programme génétique ) pour exploiter des documents et découvrir quelques caractéristiques d un phénomène tel que le cancer. Ainsi, une première approche des cancers est associée aux multiplications cellulaires ; le fait qu une cellule cancéreuse prolifère de manière incontrôlée amène, par comparaison, à conclure que la multiplication des cellules saines est normalement limitée dans le temps et dans l espace. On peut en déduire que l information génétique des cellules cancéreuses a été modifiée Chapitre 3 Multiplication cellulaire et cancer 39

2 par rapport à celle des autres cellules de l organisme. Quant au travail qui leur est proposé à travers le sujet 2 «Exposition au soleil et cancer de la peau», il leur permet de comprendre les conseils dispensés par les campagnes de prévention, de les argumenter. DONNE TES IDÉES SUR Les documents permettent à la fois de poser les problèmes à résoudre et de recueillir les représentations initiales des élèves. Dans le cas de ce chapitre, qui traite de deux sujets complémentaires, deux situations problèmes sont proposées aux élèves, l une concerne la conservation du caryotype au cours de la multiplication cellulaire, l autre les risques encourus par une exposition excessive au soleil. le devenir des chromosomes au cours de la multiplication cellulaire Le document d ouverture du chapitre montre les premières divisions d un embryon humain. Plus que la division des cellules, ce document montre une multiplication du nombre des cellules. L organisme résulte ainsi d un grand nombre de multiplications cellulaires. Si on associe à ce document le caryotype d une cellule-œuf (ici féminine) et celui d une cellule embryonnaire, le problème posé est bien celui de l identité du caryotype de toutes les cellules de l organisme (à l exception des cellules reproductrices). Par quel mécanisme les chromosomes contenus dans la cellule initiale peuvent-ils se retrouver semblables dans les deux cellules-filles? À partir de ces documents, les élèves feront le constat du maintien du caryotype et peuvent imaginer différents mécanismes de transmission des chromosomes : production de nouveaux chromosomes à partir d'une information portée par l'adn? Scission transversale des chromosomes métaphasiques? Scission longitudinale des mêmes chromosomes? Mais les chromosomes obtenus seraient alors simples et non doubles comme ils le sont sur les caryotypes observés La discussion conduit à poser la question du comportement des chromosomes lors de la mitose, sujet traité au cours de la première activité, et de leur duplication en phase S du cycle cellulaire, sujet traité dans la seconde activité. les effets de l exposition au soleil Le document présente une affiche d une campagne de prévention contre les méfaits d une surexposition au soleil. Elle amène, de manière non dramatique, à réfléchir aux raisons profondes d une telle campagne. Les élèves penseront aux risques de brûlure, mais il n est pas certain que tous envisagent le risque d un cancer, sinon par une association avec le titre du chapitre. Quels sont les risques encourus par des coups de soleil répétés? Existe-t-il des risques à s exposer au soleil même si on n attrape pas de coups de soleil? Quelle relation peut-il y avoir entre le soleil et le cancer? En quoi consiste cette maladie? Les questions soulevées motivent un travail mené en classe ou sous la forme de projet d élèves à partir des documents proposés dans les sujets 1 et 2. SOMMAIRE Activité 1 : Que deviennent les chromosomes lorsque les cellules se multiplient? Activité 2 : Comment la multiplication cellulaire permet-elle la conservation des informations génétiques? Sujet 1 : Le cancer : des cellules aux propriétés modifiées. Sujet 2 : Exposition au soleil et cancer de la peau. 40 Partie 1 : Diversité et unité des êtres humains

3 Activité 1 Que deviennent les chromosomes lorsque les cellules se multiplient? La conservation du caryotype au cours de la multiplication cellulaire OBJECTIFS À ATTEINDRE L enjeu est ici la compréhension de mécanismes à l origine du maintien du caryotype dans les cellules issues d une multiplication cellulaire : la séparation de chacun des chromosomes métaphasiques au niveau de leurs centromères ; la condensation nécessaire des chromosomes, structures permanentes mais non facilement observables au sein des cellules lorsque celles-ci ne se multiplient pas. L accent est mis sur la formation aux méthodes. Les élèves doivent être capables : d exploiter des photographies à différentes échelles ; de réaliser une maquette de chromosome en suivant un protocole. Exploitation Il s agit dans cette activité de faire découvrir aux élèves le phénomène qui permet d obtenir deux cellules à partir d une cellule-mère, les trois cellules ayant le même caryotype. Le choix a été fait de n utiliser ici que le terme de «multiplication cellulaire», et de ne pas employer celui de «division cellulaire», dans un souci de simplification pour les élèves. En fait, les pro grammes insistent sur la distinction entre les deux : le terme de «multiplication» faisant référence au fait que l on obtient deux cellules à partir d une seule, mais que ces deux cellules sont identiques entre elles (la cellule initiale s est donc multipliée), le terme de division faisant lui référence aux mécanismes (les chromosomes doubles se divisent pour que chaque cellule-fille hérite d un chromosome simple, et qu ainsi le nombre de chromosomes soit conservé). Si l on tient compte de cette distinction, certes justifiée, on aboutit à faire écrire aux élèves que «la division cellulaire permet la multiplication des cellules», ou encore que «la multiplication cellulaire se fait grâce au mécanisme de la division cellulaire», ce qui peut ne pas être clair pour certains. Le document 1 montre la multiplication de fibroblastes humains en culture. Les élèves doivent repérer les cellules en mitose et les cellules conservant leur noyau interphasique. Dans le respect du programme, le choix a été fait de partir de l observation de cellules humaines, bien que l observation de chromosomes bien individualisés y soit très difficile, en raison de leur nombre élevé et de leur petite taille. C est pourquoi il est fait ensuite appel, pour le dénombrement des chromosomes, à différents stades de la mitose chez une plante à fleurs, le Crépis, chez laquelle 2n = 8. Le document 2 présente un début de prophase (a), une métaphase (b), un début (c) et une fin d anaphase (d). La connaissance des étapes de la mitose n est cependant pas au programme et ne peut être un objectif à atteindre dans l exploitation de ce document, dont l intérêt réside dans la possibilité de compter les chromosomes et de suivre l évolution de leur aspect. La modélisation proposée par le document 3 est simple et originale. Elle permet de mieux comprendre le passage de l état décondensé d une molécule d ADN (en négligeant à ce niveau les histones) à l état condensé d un chromosome métaphasique. Il suffit d enrouler deux brins de laine de même longueur, reliés entre eux par une petite pince, autour de quatre cotons-tiges. La laine choisie comporte plusieurs couleurs alignées le long des brins, ce qui permet de vérifier que l enroulement est effectué de la même façon autour de chaque bâtonnet, une même couleur devant se trouver au même niveau sur les deux «chromatides». L intérêt principal du choix d une laine de ce type apparaît lors de l activité suivante, au cours de laquelle est poursuivie cette modélisation : chaque couleur correspondra alors à un allèle. Toutefois, le devenir des allèles des gènes n est pas un objectif de cette première activité. Cette manipulation d une maquette de chromosome permet de mieux comprendre pourquoi les chromosomes ne sont observables au microscope optique qu au moment de la mitose, et pourquoi ils Chapitre 3 Multiplication cellulaire et cancer 41

4 n en sont pas moins une structure permanente du noyau des cellules. Ce dernier point est un objectif à atteindre au cours de cette activité. Réponses aux questions 1. À partir de l étude du document 1 et de leurs connaissances, les élèves doivent répondre que la cellule (a) possède les 46 chromosomes de l espèce humaine, et que les deux cellules-filles en formation (b) possèderont le même nombre de chromosomes. Pour le document 2, chacune des cellules-filles a le même nombre de chromosomes que la cellule-mère, soit 8 chromosomes. 2. Les photographies des documents 2b et 2c correspondent à deux stades successifs de la multiplication cellulaire. Au stade b, tous les chromosomes sont doubles, composés de deux filaments réunis au niveau du centromère (les termes de duplication et de chromatides sont exclus). Au stade c, on dénombre à chacun des pôles cellulaires 8 chromosomes simples, formés chacun d un seul filament. On peut donc penser que les deux filaments qui formaient un chromosome double se sont séparés au niveau du centromère pour donner naissance à deux chromosomes simples. 3. La réalisation de la maquette du document 3 suppose l observation des photographies des document 2a (fin de prophase) et 2b (métaphase), sur lesquelles la condensation progressive des chromosomes est visible. Par suite, on peut penser qu à un stade antérieur, précédant la photographie 2a, le chromosome est complètement déroulé. Il est alors trop mince pour être visible au microscope optique. Sa condensation rend le chromosome plus épais et donc plus facilement observable. On pourra s assurer que les élèves auront bien placé la pince représentant le centromère par rapport aux couleurs portées par chaque brin de laine représentant un chromosome simple issu d une multiplication cellulaire. 4. On demande aux élèves de faire un exercice de synthèse. On attend d eux qu ils décrivent le comportement des chromosomes depuis le début de la prophase (condensation de chromosomes doubles) jusqu à la séparation des cellules-filles. Les chromosomes doubles deviennent plus épais et plus courts. Ils s individualisent et apparaissent formés de deux filaments réunis par le centromère, puis les deux filaments de chaque chromosome se séparent pour donner naissance chacun à un chromosome simple. La conservation du caryotype s explique par le fait que chacun des 46 chromosomes humains a subi une scission au niveau de son centromère. Activité 2 La conservation des informations génétiques au sein d un organisme Comment la multiplication cellulaire permet-elle la conservation des informations génétiques? OBJECTIFS À ATTEINDRE Cette activité s inscrit dans la continuité de la précédente. Les connaissances à acquérir sont : la séparation des chromosomes doubles au cours de la multiplication cellulaire a été préparée par la copie de la molécule d ADN qui constitue un chromosome simple ; à la copie des chromosomes simples correspond celle des informations génétiques dont ils sont les supports, c est-à-dire les allèles des gènes de l espèce. La compréhension de ces mécanismes doit renforcer l acquisition d une connaissance essentielle : la totalité des informations génétiques se trouve conservée au cours des multiplications cellulaires successives. D un point de vue méthodologique, les élèves doivent être capables : de saisir des données provenant de documents différents et de les mettre en relation ; d adopter une démarche explicative pour résoudre un problème scientifique. 42 Partie 1 : Diversité et unité des êtres humains

5 Exploitation La mise en relation des informations apportées par les différents documents permet de com prendre comment les allèles des gènes portés par une molécule d ADN se retrouvent à l identique dans les deux chromosomes simples issus de la scission du chromosome double au niveau de son centromère. Le document 4 montre l état d un filament d ADN (ou d un chromosome) entre deux divisions cellulaires. On néglige ici les nucléosomes visibles le long des filaments d ADN ; en revanche, il convient de souligner leur faible diamètre (0,005 μm). On voit apparaître et grandir un «œil de réplication», sans qu il soit possible d expliquer le phénomène à partir de la seule observation : on pourrait autant conclure à une division du chromosome qu à sa duplication. Le document 5 apporte une donnée quantitative qui laisse penser qu il s agit d une duplication, puisque la quantité totale d ADN contenue dans une cellule double avant une multiplication cellulaire. Le document 6 confirme que chaque gène est représenté par deux allèles identiques, situés au même niveau (locus) sur les deux filaments d un chromosome double avant sa scission au niveau du centromère. Le document 6a, déjà exploité (chapitre 2, p. 36 du manuel), appelle ici une autre lecture : le gène SRY existe en deux exemplaires sur le chromosome Y lorsque celui-ci est double (métaphasique). Il reste à voir s il en est de même pour les autosomes et si tous les allèles des gènes répartis le long d un chromosome existent de la même manière en deux exemplaires, copies l un de l autre. Le document 6b est le résultat de la détection de deux séquences à l aide de deux sondes FISH (Fluorescent In Situ Hybridisation) : la sonde «verte» s hybride sur le chromosome 5 avec le locus 5p15.2, dont la délétion est responsable de la maladie du «cri du chat», et la sonde «rouge» utilisée ici comme marqueur du chromosome 5, avec le locus 5q31. Les deux loci, ou séquences d ADN, sont assimilés chacun à un seul gène. L interprétation de ce dernier document précède la modélisation du document 7, limitée ici à l anaphase de mitose, modélisation qu il faut relier au graphique montrant l évolution de la quantité d ADN par cellule. Ce document 7 est un document de synthèse, correspondant aux notions énoncées dans les programmes (et faisant allusion sans le dire au cycle cellulaire). Réponses aux questions 1. On attend des élèves une lecture suffisante de chaque graphique, en particulier l utilisation des unités de temps portées en abscisse. 2. Graphique : Chapitre 3 Multiplication cellulaire et cancer 43

6 3. L exercice de synthèse se prête au développement de capacités liées à la maîtrise de la langue française. On attend des élèves qu ils expliquent que la multiplication cellulaire est préparée par la copie de chacune des molécules d ADN qui constituent les 46 chromosomes humains, et que seule la séparation des deux copies d ADN a lieu au cours de la multiplication cellulaire. Les chromosomes étant porteurs des allèles des gènes, et les deux parties d un chromosome double portant les mêmes allèles, on peut alors comprendre que le «dédoublement» des chromosomes permette d obtenir deux chromosomes identiques entre eux (porteurs des mêmes allèles) et identiques au chromosome de la cellule-mère. Sujet 1 Le cancer : des cellules aux propriétés modifiées OBJECTIFS À ATTEINDRE Notion : Le cancer est le résultat d une prolifération incontrôlée des cellules. Problème proposé : Chez un adulte, la plupart des cellules ont une durée de vie limitée et sont en permanence remplacées par de nouvelles cellules, de sorte que le nombre de nouvelles cellules compense celui des anciennes cellules. Expliquer à l aide des documents proposés comment peut se développer une tumeur cancéreuse et pourquoi on dit que c est une maladie génétique acquise mais généralement non héréditaire. Objectifs méthodologiques : Les documents fournis ne présentant pas de difficulté particulière de compréhension, le sujet proposé est abordable pour des élèves de niveau moyen. Il s agira ici essentiellement d extraire des documents proposés des informations pertinentes, en lien direct avec le problème proposé, et de les mettre en relation. Exploitation Les documents 1 et 2 concernent le cancer du sein et celui des poumons. Le choix de ces deux exemples est motivé par la forte incidence des deux cancers dans la population, et parce qu ils donnent l occasion de responsabiliser les élèves quant aux conduites à adopter dans les domaines du dépistage et/ou de la prévention. Remarque : Pour le cancer du sein, on peut également consulter le site net/cancer_sein/depistage_cancer_sein.htm/. Dans le cas du cancer du poumon, l augmentation du risque lié au tabagisme n est plus à démontrer, et il peut être utile de proposer aux élèves qui le souhaitent un site où ils peuvent réaliser (ou faire réaliser par leurs parents) des tests d auto-évaluation face à la dépendance : Document 1 Les documents 1a et 1b montrent deux mammographies, dont l une présente une tache blanche de large diamètre qui correspond à une tumeur cancéreuse, et un texte court qui relie explicitement le développement de la tumeur aux multiplications cellulaires. Le document 1c permet aussi de découvrir que le cancer provient d une seule cellule au départ et qu un temps long sépare le moment où cette cellule devient cancéreuse et le moment où le cancer devient visible sous forme d une tumeur. Document 2 Le document 2a montre des cellules cancéreuses issues d une tumeur pulmonaire à petites cellules, prélevées au niveau d une métastase médullaire. Des cellules cancéreuses identiques, disséminées dans la lumière d une alvéole pulmonaire, sont observées sur la photographie du document 2b. On constate que, d une part une tumeur cancéreuse correspond à un amas de cellules bien identifiables, et d autre part que ces cellules peuvent se déplacer à l intérieur des poumons. On peut faire saisir l intérêt d un dépistage précoce du cancer, en particulier du cancer du sein (en relation avec le doc. 1), qui réside dans la possibilité de traiter la tumeur avant qu elle n ait produit des métastases. 44 Partie 1 : Diversité et unité des êtres humains

7 Document 3 Ce document présente des cellules de la lignée cellulaire dite HeLa, encore largement utilisées dans les laboratoires de recherche. Ces cellules, prélevées sur une patiente atteinte d un cancer du col de l utérus et décédée en 1951, Henrietta Lacks, continuent de se multiplier tant que sont réunies les conditions favorables à leur croissance et à leur multiplication. Elles sont donc réputées immortelles, au contraire des autres cellules humaines qui, en culture dans les mêmes conditions, ne peuvent se multiplier que 30 à 50 fois avant de mourir. Remarque : On peut relier la durée de vie limitée des cellules humaines au fait que la perte ou l absence de réparation des extrémités des chromosomes, les télomères, entraîne l arrêt du cycle cellulaire et la mort de la cellule. À chaque réplication de l ADN, celle de ses extrémités peut être incomplète. Les chromosomes se raccourcissent un peu plus à chaque mitose et les cellules perdent leur capacité à se multiplier. La télomérase est une enzyme qui permet l addition de séquences répétitives TTAGGG à l extrémité des chromosomes, séquences synthétisées à partir d ARN matrice. La télomérase a donc une activité transcriptase inverse qui lutte contre la perte des télomères. Synthétisée en trop grande quantité dans de nombreux cancers, elle s oppose à l érosion des télomères. L inhibition de la télomérase représente donc une voie de traitement possible de ces cancers. Document 4 Les schémas du document 4 illustrent une autre propriété fondamentale des cellules cancé reuses : la perte de l inhibition de contact. Dans le fond d une boîte de culture cellulaire, les cellules saines cessent de se multiplier lorsqu une couche monocellulaire est réalisée, alors que les cellules issues d une tumeur cancéreuse forment des amas stratifiés. Des anomalies dans les molécules d adhérence entre les cellules, ou leurs récepteurs, pourraient être impliquées dans la perte de l inhibition de contact. Document 5 Ce document montre le développement privilégié des cellules cancéreuses autour d un vaisseau sanguin néoformé. La formation de nouveaux vaisseaux sanguins, ou angiogenèse, est une autre caractéristique des cellules cancéreuses. En nourrissant préférentiellement les cellules cancéreuses, l angiogenèse favorise la croissance de la tumeur et la dissémination de cellules tumorales à l origine de métastases. Les mécanismes de l angiogenèse sont contrôlés par des facteurs de croissance comme le facteur de croissance des fibroblastes (FGF2) et le facteur de croissance de l endothélium vasculaire (VEFG : Vascular Endothelial Growth Factor) dont les découvertes ont permis d envisager récemment de nouveaux traitements des cancers. L utilisation expérimentale de molécules anti-angiogéniques a confirmé l efficacité de ce type de thérapie sur la croissance et la dissémination des cellules cancéreuses. Remarque : Plusieurs articles du Dossier Pour la Science «Les sociétés cellulaires» (avril 1998) peuvent être consultés : «Le suicide des cellules» (J.C. Ameisen) ; «L adhérence des cellules» (A. Horwitz) ; «L apparition des cancers» (R. Weinberg) ; «La dissémination des cellules cancéreuses» (E. Ruoslahti). Bilan : solution au problème proposé Une tumeur cancéreuse naît de la multiplication de cellules issues d une seule cellule dont les propriétés ont été modifiées et qui a transmis ses propriétés nouvelles à ses descendantes (doc. 1 et 2). Alors que les cellules saines ne peuvent se multiplier qu un nombre de fois limité et cessent de se multiplier lorsqu elles sont au contact des autres cellules, les cellules cancéreuses peuvent se multiplier indéfiniment (doc. 3), sans respecter l inhibition de contact (doc. 4). Des signaux émis par les cellules cancéreuses induisent la différenciation de vaisseaux sanguins au voisinage de la tumeur (doc. 5). Leur présence favorise la croissance de la tumeur ainsi que la dissémination des cellules cancéreuses vers d autres organes où elles peuvent être à l origine de nouvelles tumeurs. On peut dire que le cancer est une maladie génétique puisqu elle a pour origine une modification du programme génétique de la cellule (ce qui explique les modifications de propriétés et de comportement de la cellule et de toutes les cellules qui en sont issues). Cependant, cette maladie n est pas héréditaire car ce ne sont pas les cellules reproductrices qui sont modifiées. Chapitre 3 Multiplication cellulaire et cancer 45

8 Sujet 2 Exposition au soleil et cancer de la peau OBJECTIFS À ATTEINDRE Notion : L exposition au soleil peut augmenter le risque de développer un cancer de la peau. Problème proposé : Justifier la nécessité de campagnes de prévention du risque solaire à l aide des informations apportées par les documents. Objectifs méthodologiques : Certains des documents fournis sont un peu complexes, notamment en raison de la quantité de données qu ils apportent (doc. 5 par exemple) ou des notions qu ils véhiculent (notion de risque relatif dans le doc. 3 par exemple). L exploitation de ces documents permettra aux élèves de développer leurs capacités d analyse de tableaux et de synthèse des informations. Les informations apportées par les différents documents se complètent de façon logique. La mise en relation des documents est donc ici particulièrement importante (il faut que les élèves repèrent bien ce qui est important dans chaque document, et en quoi les uns sont complémentaires des autres). Une expérimentation est proposée : elle peut être l occasion de développer chez les élèves les capacités de respect des consignes. Exploitation Document 1 Le mélanome est le plus rare mais aussi le plus dangereux des cancers de la peau par sa propension à produire des métastases. Cette forme de cancer connaît une progression importante et sa relation avec l exposition au rayonnement ultraviolet, et donc l évolution des habitudes de vie, est désormais établie. Le document 1a permet de constater une augmentation très nette du nombre de cas de mélanomes en France depuis les années 1980, tant chez les hommes que chez les femmes. Il s agit alors de s interroger sur les causes de cette augmentation. Les légendes des documents 1a et 1b suggèrent l influence de l exposition au soleil. Le mélanome se manifeste d abord par une tache pigmentée aux contours irréguliers (doc. 1b). Remarque : Née au niveau de l épiderme, après une période d extension parallèle à la surface de la peau, la tumeur progresse vers le derme, d où elle métastase, en particulier vers les ganglions lymphatiques. Les capacités de métastase du mélanome, et donc sa dangerosité, sont dues à la réactivation lors de la cancérisation du gène slug, qui s exprime normalement chez l embryon en permettant la migration des cellules issues des crêtes neurales, dont font partie les mélanocytes. Le pronostic de survie est déterminé par l épaisseur de la tumeur initiale (indice de Breslow). Seule son exérèse totale permet la guérison. Lorsqu elle est pratiquée au stade initial de l extension superficielle, le taux de survie après 10 ans approche 100 %. Document 2 Ce document présente les différents composants du rayonnement solaire. On insiste sur le fait que ni les rayons infrarouges ni les ultraviolets ne sont visibles. De plus, ces derniers ne sont pas directement ressentis au niveau de la peau. Une expérimentation simple est alors proposée aux élèves afin de mettre en évidence l importance de ce rayonnement et d estimer l efficacité des moyens de protection préconisés. Le papier UV, blanc au départ, est recouvert d une encre invisible qui devient bleue lorsqu elle est exposée aux rayons UV. Plus elle reçoit de rayons UV, plus la couleur bleue est foncée. Le papier UV est recouvert d une pellicule protectrice qu il faut retirer avant son exposition au soleil. Le côté non réactif est constitué d une surface autocollante et de sa pellicule protectrice mate. Si on désire conserver la teinte obtenue par le papier UV après son exposition, il est nécessaire de le protéger de la lumière. On peut consulter le site info qui propose des activités pédagogiques et se procurer gratuitement du papier UV auprès de l association Sécurité solaire en s inscrivant sur le site L utilisation du papier UV est suffisamment simple pour que les élèves conçoivent et réalisent eux-mêmes 46 Partie 1 : Diversité et unité des êtres humains

9 l expérimentation proposée. On attend d eux qu ils exposent ce papier au soleil à différents moments de la journée et dans des conditions différentes d ensoleillement, qu ils le placent sous une étoffe et sous des lunettes de soleil, qu ils enduisent le papier UV de crèmes solaires de différents indices, sans oublier l écran total. La durée d exposition utile est d une vingtaine de minutes. L une des informations apportées par ce document, à savoir que les UV pénètrent dans la peau et peuvent endommager les cellules, est à mettre en relation avec l influence supposée du soleil évoquée dans le document 1 : ce seraient les UV du rayonnement solaire qui seraient responsables des mélanomes. Document 3 La lumière solaire qui atteint la surface terrestre comporte 0,3 % de rayons UV B, de courtes longueurs d onde (315 à 280 nm) et 5,1 % de rayons UV A de plus grandes longueurs d onde (400 à 315 nm). Le document 3 démontre la nocivité des lampes à bronzer, dont l usage est aujourd hui interdit aux mineurs et strictement encadré pour les adultes. Ces lampes émettent des rayons UV A, qui pénètrent plus profondément dans la peau que les rayons UV B. Plus la longueur d onde du rayonnement UV est courte, plus il est nocif. Ainsi, les rayons UV B sont absorbés par les cellules basales de l épiderme, où ils provoquent la libération de grandes quantités de radicaux libres oxygénés, responsables des coups de soleil. Ils favorisent le vieillissement de la peau en détruisant les fibres de collagène, et par une action directe sur l ADN, peuvent être à l origine d un mélanome. Les rayons UV A, longtemps considérés comme inoffensifs, induisent la Taux de pénétration des rayons solaires. production de radicaux libres qui peuvent à leur tour endommager l ADN. Ce document confirme donc l hypothèse émise à partir de l analyse du document 2, à savoir que les rayons UV seraient responsables de cancers de la peau. Document 4 Le document 4 permet, à travers l exemple des enfants atteints de Xeroderma pigmentosum, de comprendre quelle est l action des UV au niveau cellulaire, et ce qui se passe normalement dans l organisme. Ces enfants ont un risque multiplié par de développer au cours de leur vie un cancer de la peau ou des yeux : il y a chez eux un dysfonctionnement du mécanisme de réparation de l ADN. Chez un individu non atteint de cette maladie, les altérations de l ADN, causées notamment par certains UV solaires, sont réparées selon un processus cellulaire complexe impliquant plusieurs enzymes différentes (indispensables chacune à la réalisation d'une des étapes du processus de réparation). On peut supposer à l issue de l étude de ce document, que les mécanismes de réparation de l ADN ne suffisent plus à corriger les destructions de l ADN causées par les UV si l exposition à ces rayons est trop importante. Document 5 Le document 5a étend à toutes les populations le rôle joué par les facteurs génétiques dans le risque de développer un cancer. Le capital solaire correspond à la quantité totale de rayons UV que chacun peut recevoir au cours de sa vie sans risquer de développer un cancer. Les enfants atteints de xeroderma n ont aucune possibilité de réparer leur ADN. Leur capital solaire est donc nul et leur risque est très élevé de développer un cancer de la peau. Pour la plupart des personnes, ce risque varie en fonction du phototype et de la durée d exposition au rayonnement solaire au cours de la vie. Le document 5b confirme ces données : le risque solaire est plus important chez les enfants arrivés en Australie avant l âge de 10 ans que chez ceux qui sont arrivés à un âge plus avancé. On met ainsi en évidence le fait que l exposition au soleil pendant l enfance est la plus risquée. Bilan : solution au problème proposé Les campagnes de prévention du risque solaire se justifient car l exposition prolongée au soleil augmente les risques de cancers de la peau, et on note une augmentation importante (d un facteur 3) du nombre de ces cancers depuis 1980 (doc. 1a). Le rayonnement solaire comprend notamment des rayons UV invisibles, qui pénètrent dans la peau Chapitre 3 Multiplication cellulaire et cancer 47

10 et peuvent endommager les cellules (doc. 2), en provoquant des altérations de l ADN (doc. 4). Normalement, les cellules disposent de mécanismes de réparation de l ADN abîmé, mais on peut supposer que si ces altérations sont trop importantes la réparation devient impossible, et l on peut ainsi aboutir à une modification des propriétés des cellules qui peuvent devenir cancéreuses et former des mélanomes (doc. 1b). Ainsi, l exposition aux rayons UV augmente le risque relatif de développer un cancer de la peau (doc. 3). La sensibilité des individus aux UV du soleil varie selon leur «phototype» (doc. 5a), et les personnes rousses ou blondes à la peau claire sont les plus fragiles dans ce domaine. Les campagnes de prévention du risque solaire formulent des conseils pour se protéger du soleil (port de lunettes, de tee-shirt, usage de crèmes protectrices, pas d exposition aux heures où le rayonnement solaire est le plus fort ), et l expérimentation menée (doc. 2) confirme leur efficacité, surtout chez les enfants, qui sont plus sensibles que les adultes (l exposition pendant l enfance est celle qui entraîne le plus de risques, comme permet de le dire le doc. 5b). Thème de convergence Le cancer de la peau Les documents proposés ici peuvent être utilisés en complément de l exploitation du sujet 2 «Exposition au soleil et cancer de la peau». L exploitation des informations apportées par les cartes et le tableau permet d émettre l idée d une relation entre l index UV et le pourcentage de cancers de la peau dans la population (plus cet index est élevé, et plus le risque est important). L exploitation du tableau sur l incidence du cancer de la peau demande un traitement mathématique des données, ce qui est l occasion d un travail en relation avec l enseignant de cette discipline. D autre part, on peut s interroger sur les variations observées de l index UV au niveau des États-Unis, ce qui sera l occasion d un travail en collaboration avec l enseignant d histoire-géographie. L objectif ici est que l élève prenne bien conscience de l utilité de mobiliser des compétences et des connaissances de différentes disciplines pour pouvoir comprendre un phénomène, appréhender un problème dans sa globalité. En complémentarité avec le document 5a du sujet 2, un tableau est proposé (doc. a), permettant d établir une relation entre le nombre de cas de cancers de la peau et les régions habitées. Les effectifs des populations étudiées variant d une région à l autre, la comparaison ne sera possible entre les différentes régions que si l on travaille sur des pourcentages : c est l occasion pour les élèves de mobiliser leurs capacités dans ce domaine, avec si besoin l aide de leur enseignant. Pourcentage de cas de cancers de la peau Californie, phototypes 1 et 2 0,09 % Californie, phototypes 5 et 6 0,002 % État de New-York, phototypes 1 et 2 0,05 % État de New-York, phototypes 5 et 6 0,002 % Floride, phototypes 1 et 2 0,08 % Floride, phototypes 5 et 6 0,002 % Illinois, phototypes 1 et 2 0,05 % Illinois, phototypes 5 et 6 0,001 % On constate dans le tableau ci-dessus que la proportion de cas de cancers de la peau est beaucoup plus élevée en Californie et en Floride que dans l état de New-York ou dans l Illinois. En fonction de l étude qui a été faite pour le sujet 2, on peut alors supposer que ce pourcentage plus élevé peut être dû au fait que les populations de Floride et de Californie sont plus explosées aux rayons UV solaires que celles de l Illinois ou de l état de New-York. Pour vérifier cette hypothèse, des données géographiques sont nécessaires, et c est donc vers l enseignant d histoire-géographie que l on va se tourner. Le document b peut par exemple être utilisé : on constate alors que l index UV est plus élevé en Floride et en Californie que dans l Illinois et l état de New-York. Un bilan peut alors être effectué, reprenant l ensemble des informations. La recherche peut se poursuivre, par exemple en s interrogeant sur les causes d un index UV différent selon les régions du globe : des documents et des connaissances de SVT et de physique pourront alors s avérer utiles 48 Partie 1 : Diversité et unité des êtres humains

11 Exercices J évalue mes connaissances Les exercices de la rubrique «J évalue mes connaissances» sont également corrigés dans le manuel Choisir la bonne réponse 1. Au cours de la multiplication cellulaire, chaque nouvelle cellule reçoit la totalité des informations génétiques contenues dans la cellule-œuf (c). 2. Les deux filaments qui constituent un chromosome au début de la multiplication cellulaire sont formés de deux copies de la même molécule d ADN (a). 3. Les cellules prélevées dans une tumeur cancéreuse continuent de se multiplier de manière incontrôlée après leur contact avec les autres cellules (b). 2 Des liaisons logiques a. Les chromosomes issus d une multiplication cellulaire ne sont formés que d un seul filament car les deux filaments qui forment chacun des chromosomes se séparent au niveau du centromère (1). b. Les chromosomes sont composés de deux filaments au début de la multiplication cellulaire car la multiplication cellulaire est préparée par la copie de chacune des molécules d ADN (3). c. Le risque d apparition d un cancer de la peau augmente avec l exposition au soleil car les rayons ultraviolets peuvent endommager les molécules d ADN (2). J évalue mes capacités 3 Extraire des informations de photographies et utiliser ses connaissances 1. Entre les stades b et c, les deux filaments qui formaient un chromosome double au début de la multiplication cellulaire se sont séparés au niveau du centromère. Chacun d eux devient un chromosome simple qui migre vers un des pôles de la cellule. 3. Au stade a, chaque chromosome est composé de deux filaments qui sont les deux copies de la même molécule d ADN. La cellule (doc. a) possède donc quatre allèles de chaque gène, deux allèles pour chacun des deux chromosomes d une paire. Au stade d, les chromosomes contenus dans le noyau de chaque cellule ne sont formés que d un seul filament, et ne possèdent donc chacun qu un seul allèle du même gène. La cellule (doc. d) possède donc deux allèles de chaque gène. J utilise ce que j'ai appris 4 Comprendre l origine d une forme de leucémie Cet exercice, qui comporte une «Aide à la résolution», est également corrigé dans le manuel. 1. Les cellules qui sont à l origine des cellules sanguines se multiplient de manière incontrôlée : ce sont des cellules cancéreuses (doc. a). La comparaison des caryotypes (doc. b et c) montre que les cellules cancéreuses présentent une anomalie : la fixation d une partie du chromosome 22 sur un des chromosomes 9. Les autres cellules de l organisme ne présentant pas cette anomalie, celle-ci n existait pas dans la celluleœuf. Elle apparaît donc au cours de la vie d une personne atteinte de leucémie myéloïde. 2. La conservation du caryotype est une caractéristique de la multiplication cellulaire. Le fait que la même anomalie du caryotype puisse être observée pour toutes les cellules cancéreuses laisse penser qu elle a été transmise au cours Chapitre 3 Multiplication cellulaire et cancer 49

12 des multiplications cellulaires successives qui leur ont donné naissance. Toutes les cellules qui possèdent la même anomalie sont les descendantes de la même cellule initiale. 5 Comprendre le principe d un traitement contre certains cancers (exercice complémentaire, type «J utilise ce que j ai appris») Au début de la multiplication cellulaire, des molécules contenues dans le cytoplasme forment des fibres en fuseau sur lesquelles se fixent les chromosomes. Le raccourcissement des fibres entraîne le déplacement des chromosomes vers les pôles de la cellule. Plusieurs substances chimiques (paclitaxel, docétaxel) sont efficaces dans le traitement des cancers du sein, des ovaires ou des bronches. Ces substances sont obtenues par synthèse, à partir d extraits de feuilles d un arbre, l if européen. Elles empêchent les fibres du fuseau de se raccourcir au cours de la multiplication cellulaire. Pendant le traitement, ces substances sont injectées dans le sang. Elles peuvent donc atteindre de nombreuses cellules. b De nouvelles substances peuvent être utilisées dans le traitement des cancers. 1. Expliquer l intérêt de ces substances dans le traitement des cancers. 2. Quel inconvénient ce traitement peut-il présenter malgré son action efficace sur les cellules cancéreuses? Corrigé de l exercice 5 1. Ces substances stabilisent les fibres du fuseau, ce qui empêche les chromosomes de se déplacer. Ce sont donc des inhibiteurs de la multiplication cellulaire. La multiplication incontrôlée des cellules cancéreuses est à l origine d une tumeur. En empêchant les cellules cancéreuses de se multiplier, ces substances s opposent à la croissance de la tumeur. 2. Ces substances peuvent atteindre d autres cellules que les cellules cancéreuses. Elles peuvent donc empêcher ou ralentir le renouvellement cellulaire. Remarque : Les traitements utilisant les taxoïdes ont des effets secondaires fréquents assez importants, comme la chute des cheveux, la diminution du nombre de leucocytes et des plaquettes sanguines. a Les chromosomes se déplacent vers les pôles de la cellule lorsqu ils se sont fixés sur les fibres. 50 Partie 1 : Diversité et unité des êtres humains