EXERCICE 1 : Première expérience On expérimente sur deux souris de même souche (doc. 1). La souris A reçoit au jour J0 une injection péritonéale d'hématies de mouton. La souris B témoin ne subit aucune intervention. Six jours après, on sacrifie les deux animaux A et B, on prélève leur rate (la rate est un organe volumineux impliqué dans la fabrication et la destruction des cellules du sang). On en dissocie des cellules dans 10 ml de liquide physiologique isotonique et on introduit dans ce liquide physiologique une suspension d'hématies de mouton. Une goutte de chaque milieu est, après incubation, observée au fort grossissement d'un microscope optique. Le milieu A montre des corps en rosette formés de cellules de la rate ayant agglutiné les hématies de mouton. Il n'y a pas de corps en rosette dans le milieu B. Deuxième expérience Une deuxième série d'expériences semblables est réalisée. Mais on ajoute du sérum de cobaye très riche en complément (système enzymatique complexe). Autour des cellules spléniques (= cellules de la rate) de l'animal A, on observe une région sans hématies appelée plage de lyse. Expliquez ces phénomènes : 1. Pourquoi l'apparition de corps en rosette ne s'observe qu'à partir des cellules de la rate de l'animal A? (Première série d'expériences). 2. Quel est le mécanisme qui provoque la formation de ces corps en rosette? 3. Quel type de cellules immunitaires est responsable de cette réaction? 4. Nommez l'élément responsable de ces corps en rosette. Donnez-en un schéma légende. 5. Pourquoi n'observe-t-on pas de lyse au cours de la première expérience? 6. Rappelez brièvement le mécanisme mis en jeu lors de la deuxième série d'expériences.
EXERCICE 2 : La communication nerveuse Document 1 Le document 1 représente une structure en coupe transversale, intervenant dans la communication nerveuse chez un organisme vertébré. 1. À quel niveau une telle structure peut-elle être observée? L'encéphale, la moelle épinière, un nerf rachidien, un muscle? 2. Les éléments observés sur le grossissement sont-ils : des cellules, des parties de cellules, des organites, des nerfs? 3. Ces éléments sont-ils doués : d'intégration d'informations, de conduction de messages, d'excitabilité, de sécrétions? 4. Ces éléments possèdent des propriétés électriques. Sont-elles par exemple : l'existence d'une polarité naturelle, la possibilité de conduire des potentiels d'action, la faculté de répondre à des stimulations par la loi du tout ou rien? 5. Ces éléments ont-ils : tous le même diamètre, tous la même fonction, tous le même rôle, tous le même seuil de dépolarisation, tous la même vitesse de conduction des messages, tous la même longueur? EXERCICE 3 : À partir des conclusions tirées de l'analyse des documents 1 et 2, montrez que la différence phenotypique entre les deux souches parentales croisées doit être attribuée à l'expression d'au moins deux gènes situés sur le même chromosome. Document 1 Les yeux des Drosophiles de type sauvage ont une couleur rouge sombre. Cette couleur est due, en fait, à la présence de deux pigments, l'un brun et l'autre rouge vif. Lorsqu'une Drosophile ne peut fabriquer le pigment brun, ses yeux sont rouge vif. La chaîne de biosynthèse du pigment brun comprend plusieurs étapes, chacune d'entre elles faisant intervenir une enzyme dont la synthèse dépend d'un gène situé sur un chromosome déterminé. Le blocage de n'importe laquelle des étapes de cette chaîne de biosynthèse ou de plusieurs d'entre elles entraîne l'absence du pigment brun et, en conséquence, l'apparition du phenotype «yeux rouge vif». Le gène V est porté par le chromosome 1, Cn par le chromosome 2, Cd et St par le chromosome 3.
Document 2 On croise deux Drosophiles de race pure, l'une à yeux rouge sombre (Rs) et l'autre à yeux rouge vif (rv). Tous les individus de première génération (F1) ont pour phenotype (Rs). On effectue un test-cross entre une femelle F1 et un mâle de type parental aux yeux rouge vif. Les résultats du test-cross sont, pour une population de 212 descendants : - 87 mouches de phenotype «yeux rouge sombre» ; - 125 mouches de phenotype «yeux rouge vif». On réalise alors le test-cross inverse : mâle F1 aux yeux rouge sombre croisé avec une femelle de type parental, donc homozygote, aux yeux rouge vif. (Il est établi, caractère exceptionnel, qu'il n'y a jamais de crossing-over lors des méioses chez la Drosophile mâle.) Les résultats de ce test-cross sont les suivants pour une population de 402 descendants : - 199 mouches de phenotype «yeux rouge sombre» ; - 203 mouches de phenotype «yeux rouge vif». EXERCICE 4 : L'Homme de Néanderthal a coexisté avec Homo sapiens en Europe, dans l'ouest de l'asie et au Moyen-Orient. Les débats actuels portent sur la question de savoir s'il s'agit de deux espèces différentes ou d'une seule ce qui implique une hybridation possible. Vous montrerez en quoi les documents 1 et 2 confirment l'arbre phylogénétique du document de référence et conclurez en indiquant quelle est l'hypothèse qui semble validée. Document de référence. Arbre phylogénétique reconstitué à l'aide du Logiciel «Phylogène» (INRP) à partir de séquences D'ADN mitochondrial (nean- : Néanderthalien, cro- : homme de Cro-Magnon, PAN- : Chimpanzé)
EXERCICE 5 : Au moment de sa découverte, l'amh a été surnommée hormone antiféminine par le chercheur l'ayant mis en évidence. Discutez de la validité de ce surnom à partir des informations tirées des documents 1 à 3. Document 1 Un cas clinique Un garçon de trois ans (de caryotype XY) est amené à la consultation d'un hôpital, car bien que ses organes génitaux externes soient naturellement masculinisés, il est cryptorchide (testicules non en place dans les bourses). De plus, il présente une hernie inguinale (à l'aine) de côté droit. L'opération réalisée pour supprimer cette hernie, révèle la présence d'une gonade surmontée d'une trompe conduisant à un utérus. À gauche, on découvre la présence d'une autre gonade. Le chirurgien pratique une biopsie de ces gonades qui révèle la présence de nombreux tubes séminifères. Une analyse sanguine révèle que la concentration de l'hormone AMH chez cet enfant est nulle, alors qu'elle est en moyenne de 40 ng.ml -1 à 3 ans. Document 2 Expériences de transgenèse Des chercheurs ont injecté dans des œufs de souris mâles et femelles, le gène codant pour l'amh humaine. La technique utilisée fait que ce gène s'exprime dans tous les tissus et dès la vie fœtale. Souris femelles (organes génitaux externes femelles)
Souris mâles (organes génitaux externes mâles) : la majorité des mâles transgéniques se sont développés normalement mais deux lots où l'amh est sécrétée en très grande quantité, montrent une féminisation des organes génitaux externes et ces mâles XY possédaient de petits testicules non descendus dans les bourses, pas d'épididyme ni de vésicules séminales. Document 3 La synthèse de testostérone à partir du cholestérol s'effectue dans les cellules interstitielles du testicule. Le cholestérol est d'abord transporté par une protéine appelée StAR puis traité par une chaîne de biosynthèse dans laquelle interviennent successivement les enzymes El, E2 et E3. Le graphique ci-dessous traduit les résultats du dosage des quatre molécules : la protéine StAR et les enzymes El, E2 et E3 chez des souris mâles trangéniques produisant de l'amh en grande quantité. Quantités moyennes des protéines étudiées, produites par les souris mâles transgéniques, exprimées en pourcentage par rapport aux souris mâles témoins. D'après Médecine sciences n 5, mai 1998.
EXERCICE 6 : L'éthylène est une substance qui intervient dans la croissance des organes végétaux et la maturation des fruits. On réalise deux expériences afin d'étudier son rôle dans la croissance. Première expérience : des graines de soja vert sont mises à germer à l'obscurité. Les graines sont réparties en trois lots déposés dans trois récipients sur du coton. Au bout de 4 jours, les hypocotyles (portions de tige situées entre les racines et les premières feuilles appelées cotylédons) mesurent 1 à 3 cm. On place un premier lot de plantes tels quel ; un second lot est placé dans un sac plastique fermé ; un troisième lot est placé dans un sac plastique fermé avec une pomme mûre coupée en morceaux. On signale que la pomme est une source d'éthylène. Les trois lots sont replacés à l'obscurité pendant trois jours. Puis on mesure la hauteur des plantes. Deuxième expérience : sur des plantules de soja vert âgées de trois jours, on vaporise une substance proche de l'éthylène et ayant la même action. Le lendemain, on prélève des cellules de l'hypocotyle et on mesure leur longueur. On effectue également la mesure sur des plantules non traitées. Les cellules des plantules traitées sont trois fois moins longues que celles des plantules non traitées. 1. Justifiez le protocole expérimental mis en œuvre dans la première expérience. 2. Montrez que les effets de l'éthylène au niveau cellulaire expliquent bien la croissance observée au niveau des organes.
CORRECTION EXERCICE 1 : 1. La souris A a reçu, contrairement à la souris B, une injection d'hématies de mouton. La souris A est donc la seule à être sensibilisée aux hématies de mouton (HM). L'absence de corps en rosette dans le liquide B nous permet de déduire que la rate de la souris B, non immunisée contre les HM, ne contient pas ou que peu de cellules à l'origine de la formation des corps en rosette. La sensibilisation aux HM doit donc expliquer la formation des corps en rosette dans le liquide A. Les hématies de mouton doivent posséder sur leurs membranes des antigènes qui sont reconnus comme non-soi par l'organisme de la souris A. Ce dernier met en place une réponse immunitaire dirigée contre cet antigène. Cette réponse doit consister à produire en quantité importante des cellules qui s'accumulent dans la rate. Ces cellules forment in vitro avec les HM des corps en rosette. 2. Le mécanisme qui provoque la formation des corps en rosette est une reconnaissance directe entre l'antigène (les hématies de mouton) et certaines cellules de la rate. 3. Les LB qui possèdent des récepteurs spécifiques des déterminants antigéniques des hématies sont responsables de cette réaction. 4. Le récepteur membranaire à l'origine de la formation de ces corps en rosette correspond à un anticorps membranaire (= immunoglobuline membranaire). 5. Le récepteur membranaire du LB neutralise uniquement l'antigène sans le détruire, ce qui explique que la lyse ne puisse pas être observée dans la première expérience. 6. La fixation du complément sur l'anticorps associé à l'antigène permet l'activation du complément qui peut lyser l'hématie de mouton en formant un complexe d'attaque membranaire.
EXERCICE 2 : 1. Une telle structure peut être observée au niveau d un nerf rachidien. 2. Les éléments observés sur le grossissement sont des parties de cellules. Les axones myélinisés des neurones (cellules nerveuses) sont représentés en coupe transversale. On les nomme fibres nerveuses. 3. Ces fibres ne sont pas douées d'intégration. Cette fonction est assurée par le cône axonique des neurones. Elles peuvent assurer la conduction de messages, c'est-à-dire la propagation de potentiels d'action. Elles sont excitables car elles réagissent à un stimulus efficace (présence de canaux voltage-dépendants). Les axones sécrètent des neurotransmetteurs au niveau de leur arborisation terminale. 4. Les fibres possèdent des propriétés électriques qui correspondent à l'existence d'une polarité naturelle et à la possibilité de conduire des PA. La polarité naturelle des fibres est en effet due à des différences de concentration ionique de part et d'autre de la membrane engendrant des déséquilibres de charges électriques. La possibilité de conduire des PA est liée à la création dans les milieux intra et extracellulaires de courants électriques nommés courants locaux. La faculté de répondre a la loi du tout ou nen n est pas liée à des propriétés électriques mais à des propriétés physiologiques de la membrane ; les canaux voltage-dépendants qui sont tous ouverts ou tous fermés. 6. - Les axones n'ont pas tous le même diamètre. - Les fibres n'ont pas toutes la même fonction : - certaines transmettent des influx centripètes (du récepteur au centre nerveux) et sont sensi-tives; - d'autres transmettent des messages centrifuges (du centre nerveux à l'effecteur) et sont motrices. - Les fibres ont toutes le même rôle : elles peuvent véhiculer des messages nerveux. Elles sécrètent également toutes de l'ach, neurotransmetteur excitateur. - Les fibres ne possèdent pas le même seuil de potentiel, elles ne possèdent pas la même excitabilité. - Elles ne possèdent pas toutes la même vitesse de conduction qui varie avec leur diamètre. Plus le diamètre est important, moins la résistance aux courants de propagation est importante et plus la vitesse de conduction est élevée. - Elles ne possèdent pas toutes la même longueur. La longueur d'une fibre du nerf rachidien dépend du muscle à innerver. EXERCICE 3 : Document 1 : l'absence de pigment brun (donc le phénotype œil rouge vif) peut être due à des allèles codant une enzyme non fonctionnelle d'un des gènes contrôlant la chaîne de biosynthèse du pigment brun. Document 2 : le phénotype «œil rouge sombre» est dominant et le phénotype «œil rouge vif» récessif.
La descendance du premier test-cross n'est pas constituée de deux phénotypes en quantités égales. En conséquence, la différence phénotypique entre les deux souches est due à plus d'un gène, au moins deux. La descendance du test-cross inverse comprend deux types de phénotypes en quantités égales. Envisagé seul, ce résultat conduit à penser que la différence phénotypique est due à un seul gène. La contradiction entre les conclusions tirées des deux tests-cross s'explique si on tient compte de l'information fournie : absence de crossing-over durant les méioses chez les Drosophiles mâles. Il y a bien deux gènes enjeu portés par le même chromosome, mais en l'absence de crossing-over les allèles associés chez les parents le restent lorsque le F1 mâle fabrique ses spermatozoïdes. Bilan : La différence phénotypique entre les deux souches est due à deux gènes intervenant dans la synthèse du pigment brun. Ces deux gènes sont situés sur le même chromosome. Il doit donc s'agir des gènes Cd et St. Désignons par Cd+ et Cd les allèles du premier gène et par St+ et St ceux du deuxième gène. Les Drosophiles croisées étant de lignée pure les génotypes des parents sont Cd+ StV Cd+ St+ et Cd St / Cd St. Le génotype des F1 est Cd+St+ / Cd St. Les mâles F1 ne produisent que des gamètes Cd+ St+ et Cd St (gamètes parentaux) en quantités égales. Les femelles F1 produisent 4 types de gamètes Cd+St+ et Cd St (gamètes parentaux) et Cd+St et Cd St+ (gamètes recombinés). Les gamètes recombinés produits en quantités plus faibles résultent de méioses où il y a un crossing-over entre les deux gènes (schéma à faire). La descendance du premier test-cross comprend plus de Drosophiles de phénotype récessif, car seuls les gamètes Cd+ St+ sont à l'origine de Drosophiles à phénotype dominant, les trois autres types conduisant au phénotype récessif. EXERCICE 4 : Analyse du document de référence Il montre : - que Néanderthaliens, Cro-Magnon et Hommes actuels (Homo sapiens), ont un ancêtre commun qui n'est pas celui du Chimpanzé ; -que les Néanderthaliens ont un ancêtre commun qu'ils ne partagent pas avec l'homme actuel et l'homme de Cro-Magnon ; - que les Hommes de Cro-Magnon font partie de la même espèce que les Hommes actuels. Exploitation du document 1 En recherchant les différences entre les séquences proposées, on constate que : - les 8 Néanderthaliens ont la même séquence pour ces 27 nucléotides ; - les Hommes de Cro-Magnon et les Hommes actuels ont la même séquence pour ces 27 nucléotides et présentent 3 différences avec celles des Néanderthaliens en position 4, 14 et 26. Cela confirme que les Néanderthaliens sont plus apparentés entre eux qu'avec les Hommes actuels et de Cro-Magnon. Cela est en accord avec l'idée qu'ils ont un ancêtre commun qu'ils ne partagent pas avec les Hommes actuels et de Cro-Magnon.
D'autre part, le fait que les Hommes actuels et les Hommes de Cro-Magnon ont exactement la même séquence de nucléotides confirme l'idée qu'ils ont un ancêtre commun exclusif et qu'ils font partie de la même espèce. Exploitation du document 2 La comparaison des séquences homologues constituées de 345 nucléotides révèle que : - la séquence du Chimpanzé est celle qui présente la plus grande différence avec toutes les autres et que cette différence est du même ordre de grandeur (17-18%) ; ces valeurs sont conformes à l'idée que tous les Néanderthaliens, Hommes de Cro-Magnon et actuels possèdent un ancêtre commun qui n'est pas celui du Chimpanzé. Le fait que la différence soit la même entre le Chimpanzé et les divers Homo indique que ces données sur 1'ADN mitochondrial, sont pertinentes pour établir des relations de parenté ; - les séquences des trois Néanderthaliens ont entre 0 et 2 % de différences entre elles alors qu'elles ont une différence de l'ordre de 7 % avec les Hommes de Cro-Magnon et actuels. Cela concorde avec l'idée que les Néanderthaliens ont un ancêtre commun qui n'est pas celui des deux autres ; - les Hommes de Cro-Magnon n 'ont pas plus de différences avec les Hommes actuels que les Hommes actuels entre eux : cela confirme l'idée qu'ils appartiennent à la même espèce. Conclusion Le document 2 traduit l'existence d'un certain nombre de différences entre les séquences des Hommes actuels ; les séquences des Hommes de Cro-Magnon entrent dans le domaine de variation des Hommes actuels. En revanche, celles de tous les Néanderthaliens ont trois fois plus de différences avec celles des Hommes actuels (7 à 8 %). D'autre part, leurs séquences ne sont pas plus proches des séquences des Européens que de celles des Russes, des Chinois... et de celles des hommes de Cro-Magnon. Ce sont ces deux arguments qui semblent indiquer que les Néanderthaliens forment un groupe à part dont l'évolution de F ADN mitochondrial a été indépendante de celle de F ADN des Hommes actuels ou de Cro-Magnon et donc qu'ils peuvent constituer une espèce différente. EXERCICE 5 : Exploitation du document 1 En l'absence d'amh (gène non fonctionnel) durant la vie fœtale, on constate qu'il y a conservation des voies génitales féminines. Cela confirme l'idée que l'amh est responsable de la destruction des voies génitales femelles au cours du développement et, en cela, c'est une hormone anti-féminine. La différenciation masculine des organes génitaux externes est la preuve que les gonades de l'enfant ont sécrété de la testostérone durant la vie fœtale. Cependant, il n'y a pas eu descente des testicules dans les bourses, ce qui laisse à penser que l'amh intervient, directement ou indirectement, dans la mise en place des testicules. Exploitation du document 2 Chez la femelle, non seulement l'amh agit en provoquant la disparition des voies génitales femelles embryonnaires, mais elle peut également agir sur la différenciation des ovaires de façon plus ou moins importante. Chez le mâle, l'amh en grande quantité a empêché la masculinisation des organes génitaux externes qui a lieu normalement sous l'action de la testostérone, ainsi que la différenciation complète des voies génitales et glandes annexes qui a lieu également sous l'action de la testostérone. On peut donc supposer : - soit que l'amh agit directement sur les voies génitales et les organes génitaux externes ; - soit qu'elle agit indirectement en inhibant la production de testostérone par les testicules.
Exploitation du document 3 : Les données du document 3 permettent de tester la deuxième hypothèse émise. Le document indique que l'amh agit sur les cellules interstitielles. On constate que la production des protéines impliquées dans la synthèse de la testostérone par les cellules interstitielles est inférieure à celle de témoins mâles, le déficit étant particulièrement important pour l'enzyme E3 (20 %). Il suffit d'un déficit important au niveau d'une étape d'une chaîne de biosynthèse pour diminuer l'efficacité de cette chaîne. En conséquence, on peut penser que chez les souris mâles transgéniques, l'amh agit au stade fœtal sur les cellules interstitielles en freinant l'expression de gènes codant pour les protéines impliquées dans la synthèse de la testostérone ; d'où la non-masculinisation de l'appareil génital en développement. Bilan : Aussi bien chez l'homme que chez la souris, l'amh humaine, lorsqu'elle est absente chez le mâle, entraîne le maintien des voies génitales femelles et, lorsqu'elle est présente à forte concentration dans le milieu intérieur d'un foetus femelle entraîne la disparition des voies génitales femelles. Par son action sur les voies génitales, l'amh a une action anti-féminine. À forte concentration, l'amh tend à agir sur l'ovaire en le faisant disparaître ou en provoquant son atrophie et même sa masculinisation, ce qui confirme son action anti-féminine. À forte concentration chez le mâle, supérieure à la normale, l'amh agit sur les cellules interstitielles du testicule en réprimant l'expression de gènes qui codent pour les protéines enzymatiques intervenant dans la synthèse de la testostérone. Par là, à fortes doses, l'amh a également une action antimasculine. En définitive, l'amh peut être qualifiée de répresseur sexuel même si dans les conditions naturelles normales elle a une action anti-féminine. EXERCICE 6 : 1. Le premier lot laissé à l'air libre sans pomme sert de témoin. Le second lot sous sac plastique permet de comparer la croissance de ses plantules avec celles qui ont les morceaux de pomme ; on peut ainsi savoir si les effets observés sont vraiment dus à la pomme. 2. Dans la première expérience, on observe que les plantes du lot 3 ont peu grandi contrairement aux plantes témoin et à celles sous sac plastique. Cela montre que les morceaux de pomme ont un effet négatif sur la croissance des plantules. On peut supposer que cet effet négatif est dû à l'éthylène. Dans la seconde expérience, une molécule ayant les mêmes effets que l'éthylène empêche l'élongation normale des cellules de l'hypocotyle, puisqu'elles sont trois fois moins longues que des cellules témoin. Ces deux expériences permettent de conclure que l'éthylène est une substance qui agit sur les cellules de la zone d'élongation en empêchant leur allongement. Par conséquent, les organes ont une croissance réduite.