1ere S THEME 1A CHAPITRE N 2: VARIABILITE GENETIQUE ET MUTATION DE L ADN
Introduction Toutes ces coccinelles appartiennent au même genre cependant elles présentent toutes des différences. Ces différences sont elles dues à des variations génétiques( de l ADN)? Qui peut engendrer de telles modifications? Est-ce que toutes les modifications entraînent obligatoirement un changement phénotypique?
I- L'ADN, UNE MOLECULE RELATIVEMENT STABLE 1) l origine de la 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. (chapitre n 1) 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 : - incorporation d'un nucléotide non complémentaire - un «oubli» - l'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 100 000 nucléotides insérés. De plus, même en dehors des périodes de réplication, l'adn peut être endommagé et sa séquence s'en trouver modifiée.
2) Les 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. Exemple:des substances 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. Certaines radiations électromagnétiques peuvent pénétrer plus ou moins profondément la matière vivante et endommager l'adn. Les rayonnements radioactifs sont de ce point de vue les 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 lorsqu'on pratique un examen radiologique).
3) Le danger des UV Les rayons ultraviolets (UV) émis par le soleil sont incontestablement les principaux agents mutagènes auxquels sont exposées les populations humaines. Si l'ozone stratosphérique filtre la totalité des UV-C et la quasi-totalité des UV-B, il n'en reste pas moins que les êtres humains sont exposés à un rayonnement UV plus ou moins intense (UV-A principalement). Des études expérimentales que les rayons UV ont deux actions principales: détruire des cellules (effet létal) ils ont également un effet mutagène important. toxiqu e
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, constituant ce que l'on appelle un dimère T=T) Cette liaison anormale crée localement une modification de la structure de l'adn qui perturbe le fonctionnement normal de l'adnpolymérase 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 (voir partie 4, chapitre 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, dès le plus jeune âge, les mesures préconisées pour se protéger des UV. Crème solaire avec un indice suffisant, à renouveler toutes les 2 heures et port d un chapeau et de lunette de soleil.
II- la réparation de l ADN 1) Les mécanismes de réparations. À 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. Plus de 130 enzymes réparatrices En effet, les cellules possèdent 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 celleci. 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.
2)Définition d une mutation On estime que les complexes enzymatiques appelés aussi des endonucléases corrigent 99.9% des erreurs. Il en existe 130 chez l homme. On appelle alors mutation, une modification de la molécule d ADN qui a échappé aux processus de réparation. Lors des 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, càd portant sur une paire de nucléotides:
3) Que deviennent les cellules mutées? Le plus 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. Remarquons que ce secteur sera d'autant plus important que la mutation intervient tôt au cours du développement de l'organisme : il peut tout aussi bien correspondre à un organe entier qu'à un ensemble plus ou moins restreint de cellules. Une mutation entraîne parfois une cancérisation de la cellule : on comprend alors qu'un foyer de cellules cancéreuses puisse se développer dans un organe (voir Partie 4, chapitre 3). Mutation affectant les cellules somatiques non transmises à la descendanc e Mutation affectant les cellules germinales
Selon le tissu touché par la mutation le devenir de la - Les mutations somatiques, c'est-à-dire celles qui ne concernent pas les cellules sexuelles, disparaîtront au plus tard avec la mort de l'individu. Elles ne sont donc pas transmises à sa descendance. mutation est différent: - 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. Gène P53 muté se traduit par le développement précoce d un cancer
4) Conclusion Le phénomène de mutation est certes peu fréquent, mais étant donné le nombre de nucléotides présents dans l'adn d'une part et le nombre de divisions des cellules à l'origine des gamètes d'autre part, il est acquis qu'un spermatozoïde ou un ovule comporte toujours plusieurs dizaines de mutations. L'existence de mutations est donc finalement un phénomène banal.
III- LES MUTATIONS ET LA BIODIVERSITE 1) plusieurs versions d un même gène. Nous savons que pour un gène, il existe le plus souvent plusieurs «versions» différentes, appelées allèles. Par exemple: le groupe sanguin et ses allèles A,B,O chr n 9 ou des 6 gènes HLA (qui déterminent ce qu'on appelle le groupe tissulaire, impliqué dans le phénomène de rejet des greffes) possèdent une très grande diversité d allèles.(chr n 6) C'est de cette diversité des allèles que découle la diversité génétique d'une population et, par la même, la diversité des individus d'une même espèce.
2) La diversité, des mutations aléatoires 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. 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 a priori à aucune nécessité. Ainsi, le phénomène de mutation, s'il peut se révéler souvent néfaste à l'échelle un individu, doit être compris comme étant le fondement même de la biodiversité génétique des populations et des espèces.
1 seule molécule d ADN C G T A G C Gène= fragment d ADN G G G C C C T C G A T G A G G C G A G C T A C T C C G mutation +/- ancienne C T C G G T G A G G C G A G C C A C T C C G A T G C A A T séquence de nucléotides allèle 1 du gène variabilité génétique séquence de nucléotides* allèle 2 du gène G C C G 1 gène T A C G version 1 du caractère (phénotype 1) version 2 du caractère (phénotype 2) T A 1 chromosome molécule d ADN ADN, molécule variable- gène, allèle, caractère, phénotype