Thème 1A : Expression, stabilité, variation du patrimoine génétique Introduction: Des cancérologues veulent stocker les cellules souches des ouvriers de Fukushima Le Monde.fr avec AFP 15.04.2011 Virginie Marquet-lycée français de Vienne
Problématique - Toutes les cellules ont le même caryotype, mais ont-elles la même information génétique? - Comment l information génétique s exprime-t-elle dans une cellule? - Quelle est l origine des mutations? -Qu est-ce que le cancer?
I/ Reproduction conforme de la cellule et réplication de l ADN A/ Les chromosomes au cours du cycle cellulaire TP1 : Le matériel génétique au cours du cycle cellulaire.
Activités Réalisation de préparations microscopiques (racines d ail) préparation aux ECE Observation de différentes phases du cycle cellulaire chez des organismes variés.
Conclusion La mitose est classiquement divisée en plusieurs phases permettant de comprendre le phénomène : prophase (pro : en avant) La chromatine du noyau se condense et les chromosomes à deux chromatides deviennent visibles au microscope optique, l enveloppe nucléaire se déchire. métaphase (meta : transformation) Les chromosomes à deux chromatides sont condensés au maximum et alignés, centromères sur l équateur de la cellule. L ensemble des chromosomes alignés forme une plaque équatoriale. anaphase (ana : en haut) Clivage des centromères de chaque chromosome et séparation des chromatides de chaque chromosome qui migrent chacune en un sens opposé vers chaque pôle cellulaire. télophase (télos : fin) Les chromosomes à une chromatide se décondensent, l enveloppe nucléaire se reforme dans chaque nouvelle cellule fille et le cytoplasme se sépare. La cytodiérèse (séparation en deux du cytoplasme) sépare les deux nouvelles cellules et marque la fin de la mitose.
B/ Le prélude nécessaire à la mitose : la duplication de l ADN TP 2 : La duplication de l ADN
Conclusion Un cycle cellulaire est la succession d une interphase et d une mitose. La mitose est la division d une cellule (cellule mère) en deux cellules filles identiques : les caractéristiques du caryotype (nombre et morphologie des chromosomes) sont conservées. Au cours de ce cycle cellulaire, les chromosomes, supports de l information génétique, présentes des états de condensation variable qui ne les rendent visibles qu au moment de la mitose. L interphase est constituée de plusieurs étapes : G1 (croissance cellulaire), S (doublement des chromosomes) et G2 (préparation de la mitose). Les chromosomes sont décondensés lors de l interphase et sont sous forme de chromatine, invisible au microscope optique.
II/ Variabilité génétique et mutation de l ADN Comment expliquer la variabilité génétique entre les cellules et les individus? TP3 : Les mutations de l ADN, à l origine de la variabilité
A/ Les mutations sont des modifications aléatoires de l ADN Activité 1 TP3 Tache complexe: Xeroderma Pigmentosum
Problématique - Comment cette maladie se manifeste-t-elle? - Quels sont les effets du rayonnement ultra-violet sur les cellules de la peau? - Quels sont les effets des UV sur l'adn? - Pourquoi les protéines réparatrices sont-elles efficaces chez la plupart des individus et peu (ou pas) efficaces chez les individus xérodermiques? - Quelle relation y-a-t-il entre gène et protéine produite dans la cellule?
Le phénotype macroscopique dépend du phénotype cellulaire, lui-même induit par le phénotype moléculaire. Le phénotype malade comporte des aspects macroscopiques qui s expliquent par la modification d une protéine. En général les modes de vie et le milieu interviennent également, et le développement d une maladie dépend alors de l interaction complexe entre facteurs du milieu et génome. On limite les effets de la maladie en agissant sur des paramètres du milieu.
Conclusion Pendant ou en dehors de la réplication de l ADN, des modifications spontanées de nucléotides peuvent survenir. L'unité de mutation d'un gène est le nucléotide (En moyenne 1 mutation spontanée et aléatoire pour 1 milliard de nucléotides répliqués). II existe trois types de mutations (voir séquence du gène xpc3): -les substitutions d'un nucléotide par un autre, -les additions ou ajouts d'un ou plusieurs nucléotides -les délétions ou pertes d'un ou plusieurs nucléotides. Les mutations peuvent affecter un gène : d une cellule somatique (mutation non héréditaire non transmise à la descendance qui disparaît à la mort de l individu) D une cellule germinale qui se différencie en gamète (mutation héréditaire transmise à la descendance). Les mutations germinales sont la source de l apparition des différents allèles des gènes et donc à l origine de la biodiversité génétique des espèces (biodiversité individuelle), l un des trois niveaux de biodiversité du monde vivant.
B/ Des agents mutagènes de l environnement augmentent les probabilités de mutations Activité 2 TP3 Saccharomyces cerevisiae, souche ade2 (incapacité à synthétiser l'adénine) Les colonies blanches observées correspondent à une mutation dont l'effet phénotypique est la disparition du pigment rouge. Colonie blanche colonie rouge Photo et texte d après www.didier-pol.net/4mut-lev.html
La chaîne de biosynthèse de l'adénine et les mutations ade
La mutation ade 2 Lorsqu une levure possède la mutation ade 2, l interruption de la chaîne de biosynthèse au niveau de l enzyme 6 a pour conséquence que l AIR n est pas transformé en CAIR et qu il s accumule dans les cellules: cette substance conduit à un pigment rouge. Sous UV, le gène ade2 subit une mutation (mutation réversion) qui restaure l activité de l enzyme 6, ce qui rétablit la couleur crème.
Résultats obtenus Temps d exposition Nombre total de clones Nombres de clones blancs 0 seconde 3100 0 0 15 secondes 1700 1 3 0,7 30 secondes 520 7 1,34 60 secondes 40 3 7,5 120 secondes 7 1 14 % de blanc
Des facteurs de l environnement comme les ultraviolets, les rayonnements radioactifs, des produits chimiques (benzène ) augmentent les fréquences des mutations.
Pendant la réplication de l ADN surviennent des erreurs spontanées et rares, dont la fréquence est augmentée par l action d agents mutagènes. L ADN peut aussi être endommagé en dehors de la réplication.
C/ Réparation de l ADN Activté 3 TP3
Des allèles mutés pour le gène Xpa, ou pour le gène Xpc chez les individus atteints de Xeroderma pigmentosum
Un système de réparation qui fait intervenir des protéines spécifiques Exemple : protéine de réparation codée par le gène Xpa localisé sur le chromosome 9, ou par le gène Xpc localisé sur le chromosome 3. Un système de réparation normalement très efficace : 80 % de l ADN réparé en 15 mn) Un système de réparation défaillant chez les personnes atteintes de Xeroderma pigmentosum le taux de réparation n'est que de 10%.
Le plus souvent, les modifications sont réparées par des systèmes enzymatiques. Certaines modifications échappent au système de réparation et deviennent des mutations. Si la mutation n est pas létale, elle sera transmise aux cellules issues des divisions de la cellule mutée (clône)
Les U.V. peuvent provoquer des mutations dans l ADN (erreurs lors de la réplication de l ADN) Il existe dans la cellule une protéine capable de réparer les erreurs de l ADN Des mutations qui surviennent dans la cellule et qui ne sont pas réparées peuvent être à l origine de cancers Y a-t-il d autres agents mutagènes responsables de cancers? Comment des mutations peuvent aboutir à des cancers? Ces nouvelles mutations peuvent-elles se transmettre?
III/L expression du patrimoine génétique A/ Les protéines sont le support des phénotypes moléculaires Les acides aminés sont des petites molécules organiques (C, H, O =vivant) azotée (N) constitutives des protéines possédant : une fonction acide : COOH; une fonction amine : NH2; une chaîne latérale ou radical dont la nature (acide, soufrée basique ) détermine les propriétés de chaque acide aminé. Il existe 20 acides aminés nécessaires pour fabriquer les protéines qui diffèrent par leur radical R. Chez l'homme 8 acides aminés sont indispensables et doivent être amenés par l alimentation. Valine
Une protéine est caractérisée par : le nombre d acides aminés qu elle contient (ex: séquence protéique de la protéine de reconaissance), la séquence de ces acides aminés qui détermine sa structure primaire (multitude de combinaisons possibles entre les 20 acides aminés ce qui explique la diversité des protéines) Une protéine peut être constituée de plusieurs chaînes peptidiques. une configuration spatiale tridimensionnelle qui résulte du repliement de la structure primaire et dépend donc de l ordre d enchaînement des acides aminés.
Conclusion: La fonction d une protéine dépend de sa structure spatiale tridimensionnelle, elle-même déterminée par sa séquence en acides aminés. Des modifications de la séquence des acides aminés peuvent avoir des répercussions sur l activité de la protéine, ce qui peut entraîner des modifications du phénotype au niveau cellulaire et donc macroscopique.