Du Génotype au Phénotype, Applications Biotechnologiques

Du Génotype au Phénotype, Applications Biotechnologiques I- Le phénotype se définit à différentes échelles Introduction : Un ensemble de «caractères» caractérise chaque individu 1 2 Introduction : Un ensemble de «caractères» caractérise chaque individu Phénotype = Ensemble des caractères observables d un individu. Le phénotype se définit à trois échelles: 1. Macroscopique, visible à l œil ; 2. Cellulaire, visible au microscope ; 3. Moléculaire, limite inférieure du microscope électronique. Phénotype = Ensemble de caractères observables d un individu à différentes échelles Il est possible de distinguer Caractères de l espèce : colonne vertébrale, quatre membres, une tête, Caractères de l individu : i.e. variables des caractères d espèce, couleur des yeux, des cheveux, taille, 3 4 1

I-A Le phénotype peut se définir à l échelle macroscopique Échelles de grandeurs et observation du Vivant Le phénotype macroscopique se définit à l échelle de l organisme. Un Organisme est Formé d Organes Formés de Tissus Formés Cellules Formés de Molécules Formées d Atomes La mucoviscidose est une maladie génétique répandue La mucoviscidose est détectée chez 500 à 800 enfants nouveaux nés chaque année en France. On estime à 2 millions le nombre de porteurs du gène en France (5% de la population, soit un adulte sur vingt). Cette fréquence fait de la mucoviscidose la maladie génétique létale* la plus fréquente du monde occidental, c est à dire dans la population de race blanche, dite caucasienne. La maladie existe, mais est beaucoup plus rare dans la population dite africaine : 1 cas sur 17000 naissances. Son incidence dans les populations dites asiatiques est inconnue mais probablement très faible. La médiane de survie, qui était de quelques années en 1936, est maintenant supérieure à 30 ans dans les centres spécialisés. Le décès des personnes atteintes de la maladie est la plupart du temps la conséquence des altérations du système respiratoire et du système cardiaque. Létale : Qui entraîne la mort. 5 6 I-A Le phénotype peut se définir à l échelle macroscopique I-A Le phénotype peut se définir à l échelle macroscopique Le phénotype macroscopique se définit à l échelle de l organisme. Les symptômes* de la mucoviscidose La sueur des personnes atteintes de mucoviscidose est salée. La mucoviscidose fut en conséquence appelée «maladie des enfants au goût salé». Le diagnostique actuelle de la maladie repose toujours sur le test de la sueur. La sueur normale contient moins de 40mmol/l de Chlore. Le test est positif au delà de 60mmol/l de Chlore dans la sueur. La maladie est également caractérisée par la production de sécrétions visqueuses par les poumons et le pancréas2. Ces sécrétions épaisses obstruent les bronches ou perturbent les fonctions digestives. Les manifestations visibles de la mucoviscidose sont de graves problèmes respiratoires et digestifs. Échelle du phénotype Macroscopique Aucun symptôme Individu «atteint de mucoviscidose» - Troubles digestifs et respiratoires - Encombrement des voies aériennes de l appareil respiratoire, favorisant les infections, - Le mucus est trop épais et empèche aussi le bon fonctionnement du pancréas, de l appareil digestif, du foie, et des appareils reproducteurs. Cellulaire Moléculaire 1- Symptôme : Phénomène ou manifestation d une maladie. 2- L observation que les sécrétions sont épaisses chez les patients atteints a donné son nom français à la maladie :mucoviscidose, littéralement mucus visqueux. Des kystes fibreux sont observés dans les pancréas des patients atteints de cette maladie. La maladie est en conséquence aussi appelée fibrose kystique du pancréas, par les anglosaxons en particulier. 7 «normal 8 2

I-B Le phénotype se définit à l échelle cellulaire I-B Le phénotype se définit à l échelle cellulaire Mécanismes cellulaires de l atteinte des poumons par la maladie. Le phénotype cellulaire est l ensemble des caractères que présente une cellule. Les bronches sont tapissées de cellules qui possèdent deux types de canaux qui laissent passer sélectivement les ions de part et d autre de la membrane cellulaire. Le canal Chlore libère des ions chlorure du cytoplasme vers le mucus qui tapisse la bronchiole. Le canal-sodium prélève les ions sodium dans le mucus qui tapisse la bronchiole et les importe dans le cytoplasme. Ces échanges permettent au mucus, produit par d autres cellules, de rester fluide et de s évacuer aisément des voies respiratoires. Chez les individus malades, le canal Chlore ne fonctionne pas. Le mouvement des ions chlorure est bloqué. Une conséquence indirecte est l excès d absorption des ions sodium. Ce déséquilibre ionique provoque l épaississement du mucus qui devient difficilement évacuable. 1- Les cellules qui tapissent les bronches pulmonaires sont défaillantes. Elles portent un canal Chlore transmembranaire défaillant qui bloque le passage des ions chlorure vers la cellule. 2- Toutes les cellules de l organisme portent les mêmes gènes. En conséquence toutes les cellules de l organisme portent une information défaillante pour le canal Chlore. Toutes les cellules qui utilisent ce gène sont donc affectées par la maladie. 3- L excès d ions chlorure rend le mucus plus épais. 9 10 I-B Le phénotype se définit à l échelle cellulaire Le phénotype cellulaire est l ensemble des caractères que présente une cellule. Échelle du phénotype «normal Macroscopique Aucun symptôme Cellulaire Les cellules des bronches produisent un mucus fluide I-C Le phénotype se définit à l échelle moléculaire Le phénotype moléculaire est l ensemble des caractères que présente une molécule. Individu «atteint de mucoviscidose» - Troubles digestifs et respiratoires - Encombrement des voies aériennes de l appareil respiratoire, favorisant les infections, - Le mucus est trop épais et empèche aussi le bon fonctionnement du pancréas, de l appareil digestif, du foie, et des appareils reproducteurs. - Les cellules des bronches produisent un mucus trop épais. - Le chlore n est pas échangé de la cellule, vers le milieu. Moléculaire 11 Un individu atteint de mucoviscidose présente par exemple un phénotype cellulaire anormal. A- Les protéines Les protéines sont constituées d une succession d acides aminés. Il existe vingt acides aminés différents. Une très grande diversité de protéines peut donc exister. Pour une protéine de 300 acides aminés, il peut exister 20300 possibilités de protéines différentes. L ordre d enchaînement des acides aminés dans une protéine est essentiel. Il détermine la forme et la fonction de la molécule. La fonction des protéines est essentielle pour notre métabolisme. Les protéines interviennent dans la structure d une cellule, le transport de molécules et d ions, la réalisation de mouvements, la réception de messages hormonaux ou nerveux, la vitesse des réactions chimiques du 12 métabolisme. 3

I-C Le phénotype se définit à l échelle moléculaire B- Modifications moléculaires observées chez les patients atteints de mucoviscidose I-C Le phénotype se définit à l échelle moléculaire C- Comparaison des protéines CFTR fonctionnelles et non fonctionnelles Protéine CFTR Position Normale Thréonine 161 Isoleucine 162 Lysine 163 A.Glutamique 164 A.Aspartique 165 Isoleucine 166 Isoleucine 167 Phénylalanine 168 Glycine 169 Valine 170 Sérine 171 Tyrosine 172 A.Aspartique 173 A.Glutamique 174 Tyrosine 175 Le canal Chlore est une protéine constituée d un enchaînement de 1480 acides aminés. Cette protéine a été nommée CFTR, pour «Cystic Fibrosis Transmembrane conductance Regulator», ou régulateur de la conductance transmembranaire responsable de la mucoviscidose. À cette époque, son action sur le mouvement des ions chlorure était encore inconnue. Après une étude détaillée et comparative, les médecins ont découvert que les personnes atteintes de la mucoviscidose possédaient une protéine CFTR non fonctionnelle. Protéine CFTR Non Fonctionnelle Thréonine Isoleucine Lysine A.Glutamique A.Aspartique Isoleucine Isoleucine Glycine Valine Sérine Tyrosine A.Aspartique A.Glutamique Tyrosine 13 14 I-C Le phénotype se définit à l échelle moléculaire Le phénotype moléculaire est l ensemble des caractères que présente une molécule. Un individu atteint de mucoviscidose présente par exemple un phénotype moléculaire anormal. 1- Les canaux des ions chlorures qui sont défectueux sont des molécules, des protéines, appelées CFTR (Cystic Fibrosis transmembrane Conductance Regulator) qui présentent une anomalie. Elles ne possèdent que 1479 acides aminés au lieu de 1480 dans le cas normal. 2- Hypothèse : L origine des différences observées est la conséquence d une mutation ayant provoqué une délétion, i.e. une perte d un fragment dans la partie de l ADN codant pour la 15 protéine CFTR. I-C Le phénotype se définit à l échelle moléculaire L anomalie du phénotype moléculaire chez les patients atteints de mucoviscidose est la cause des anomalies des phénotypes cellulaires eux mêmes la cause des phénotypes macroscopique. Échelle du phénotype «normal Macroscopique Aucun symptôme Cellulaire Les cellules des bronches produisent un mucus fluide Moléculaire Protéine transmembranaire du canal Chlore normale Individu «atteint de mucoviscidose» - Troubles digestifs et respiratoires - Encombrement des voies aériennes de l appareil respiratoire, favorisant les infections, - Le mucus est trop épais et empèche aussi le bon fonctionnement du pancréas, de l appareil digestif, du foie, et des appareils reproducteurs. - Les cellules des bronches produisent un mucus trop épais. - Le chlore n est pas échangé de la cellule, vers le milieu. - Protéine transmembranaire du canal Chlore, la CFTR présente une délétion d un acide aminé. Elle n est pas fonctionnelle. Le Chlore n est plus échangé avec le milieu. 16 4

Questions Or, le phénotype moléculaire est fondé sur un problème au niveau des protéines, et à une mutation. Quel est donc le rapport entre la molécule affectée par les mutations, et les protéines? Que savons nous déjà? La mucoviscidose est une maladie héréditaire, transmise d une génération à une autre. Héréditaire = Transmis d une génération à une autre = génétique. Quel est le support moléculaire de l information transmis entre générations? Quelles sont les structures transmises entre générations (Classe de seconde)? 17 18 RAPPELS RAPPELS Caryotype d une femme Le noyau des cellules contient l information héréditaire au niveau des chromosomes formés d ADN. Caryotype = Représentation ordonnée de l ensemble des chromosome d une cellule. Caryotype d un homme Les individus de notre espèce, «nous les Hommes», portons 23 paires de chromosomes, dont une paire de chromosomes sexuels. Chacune de nos cellules porte dans son noyau 46 chromosomes au total, dont deux chromosomes sexuels. 19 20 5

RAPPELS RAPPELS Les chromosomes sont formés, en partie, d un long filament d ADN, Acide Désoxyribo-Nucléique. L ADN est le support de l information génétique. 21 Chaque gène est un segment de la molécule d ADN. Chaque nucléotide, A, T, C ou G, est un élément unitaire de la chaîne d ADN, un monomère. Un chromosome est formé d ADN formé d une succession de nombreux gènes formés d un enchaînement linéaire et ordonné de Nucléotides. Génome : Ensemble de l information génétique (ADN). RAPPELS RAPPELS Activité II-A-1 : Structure, composition et fonctions des protéines Les protéines sont constituées d un enchaînement linéaire et ordonné d acides aminés. de la même façon qu un collier serait constitué de perles. Activité II-A-1 : Structure et composition de la molécule d ADN Une portion d ADN, un gène, est constitué d un enchaînement linéaire et ordonné de nucléotides. de la même façon qu un collier serait constitué de perles. Chaque protéine est donc caractérisée par une séquence d acides aminés. Chaque portion d ADN est donc caractérisée par une séquence de nucléotides. Il existe quatre nucléotides différents, A, T, C et G, quatre «perles» différentes. Il existe vingt acides aminés différents, vingt «perles» différentes. Une énorme diversité de protéines existe donc. Pour une protéine longue de 12 acides aminés, il peut exister 4096 milliards de possibilités de protéines différentes, par l enchaînement des acides aminés qui les composerait. Une énorme diversité de séquence existe donc. Pour une portion d ADN longue de 12 nucléotides, il peut exister plus de 16 millions de séquences différentes par l enchaînement des nucléotides qui les composeraie n t. Les protéines se distinguent donc par : - le nombre des acides amin é s, - la nature de chaque acides amin é s, - l ordre d enchaînement des acides aminés. Les gènes se distinguent donc par : - Le nombre des nucléotid e s, - La nature de chaque nucléotid e, - L ordre d enchaînement des nucléotid e s. La structure d une protéine est variable selon sa compositio n. De la même façon que la forme des perles détermine la forme d un collier, la composition en acides aminés détermine la structure d une protéin e. La structure de la molécule d ADN est en double hélic e. 23 22 24 6

II-A-1 Composition, structure et fonctions des protéines II-A-2 Structure, composition et fonction de la molécule d ADN Activité II-A-1 : Structure, composition et Activité II-A-1 : Structure et composition de la fonctions des protéines molécule d ADN Les protéines Une portion d ADN, un gène, sont constituées d un enchaînement linéaire et est constitué d un enchaînement linéaire et ordonné ordonné d acides aminés. de nucléotides. de la même façon qu un collier serait constitué de de la même façon qu un collier serait constitué de perles. perles. Chaque protéine est donc caractérisée par Chaque portion d ADN est donc caractérisée par une séquence d acides aminés. une séquence de nucléotides. Il existe vingt acides aminés différents, Il existe quatre nucléotides différents, A, T, C et G, vingt «perles» différentes. quatre «perles» différentes. Une énorme diversité de protéines existe donc. Une énorme diversité de séquence existe donc. Pour une protéine longue de 12 acides aminés, il Pour une portion d ADN longue de 12 nucléotides, il peut exister 4096 milliards de possibilités de peut exister plus de 16 millions de séquences protéines différentes, par l enchaînement des différentes par l enchaînement des nucléotides qui acides aminés qui les composerait. les composeraient. Les protéines se distinguent donc par : Les gènes se distinguent donc par : - le nombre des acides aminés, - Le nombre des nucléotides, - la nature de chaque acides aminés, - La nature de chaque nucléotide, - l ordre d enchaînement des acides aminés. - L ordre d enchaînement des nucléotides. La structure d une protéine est La structure de la molécule d ADN est variable selon sa composition. en double hélice. De la même façon que la forme des perles détermine la forme d un collier, la composition en acides aminés détermine la structure d une protéine. 25 Génotype (début) II-B Les gènes codent pour des protéines Mutation et phénotype «drépanocytose» Une modification de la séquence nucléotidique de l ADN est corrélée à une modification de la séquence des acides aminés de la protéine. Phénotype GTG CAC CTG ACT CCT GAG GAG AAG TCT GCC GTT ACT GCC CTG TGG GCC AAG Hémoglobine Val Hist Leu Thr Pro Glu Glu Lys Ser Ala Val Thr Ala Leu Try Gly Lys normale. GTG CAC CTG ACT CCT GTG GAG AAG TCT GCC GTT ACT GCC CTG TGG GGC AAG Drépano- Val Hist Leu Thr Pro Val Glu Lys Ser Ala Val Thr Ala Leu Try Gly Lys cytose. Le nucléotide T (thymidine) de la séquence normale a été remplacé le nucléotide A (adénosine) en position 17. La protéine codée par ce gène est modifiée en correspondance avec la modification du gène. Voir manuel Hachette page 203. 26 Génotype (début) II-B Les gènes codent pour des protéines Mutation et phénotype «drépanocytose» Il existe donc parfois différentes version d un même gène. On appelle ALLÈLE chaque version différente d un même gène. Phénotype GTG CAC CTG ACT CCT GAG GAG AAG TCT GCC GTT ACT GCC CTG TGG GCC AAG Hémoglobine Val Hist Leu Thr Pro Glu Glu Lys Ser Ala Val Thr Ala Leu Try Gly Lys normale. GTG CAC CTG ACT CCT GTG GAG AAG TCT GCC GTT ACT GCC CTG TGG GGC AAG Drépano- Val Hist Leu Thr Pro Val Glu Lys Ser Ala Val Thr Ala Leu Try Gly Lys cytose. Le nucléotide T (thymidine) de la séquence normale a été remplacé le nucléotide A (adénosine) en position 17. La protéine codée par ce gène est modifiée en correspondance avec la modification du gène. Voir manuel Hachette page 203. II-B Les gènes codent pour des protéines Une mutation du gène provoque un changement de la protéine, dont la forme et la fonction peuvent être modifiées. Donc, la séquence des nucléotides dans l'adn gouverne la séquence des acides aminés dans la protéine selon un système de correspondance, le CODE GÉNÉTIQUE (extrait direct du programme). 27 28 7

Val Hist Leu Thr Pro Glu Glu Lys Ser Ala Val Thr Ala Leu Try Gly Lys normale. Val Hist Leu Thr Pro Val Glu Lys Ser Ala Val Thr Ala Leu Try Gly Lys cytose. II-B Les gènes codent pour des protéines Génotype (début) Mutation et phénotype «drépanocytose» Une modification de la séquence nucléotidique de l ADN est corrélée à une modification de la séquence des acides aminés de la protéine. Or, l ADN est le support de l information génétique, pas les protéines. Or, Génotype : Ensemble des gènes portés par un individu au niveau de chromosomes. Phénotype = ensemble des caractères visibles chez un individu, à différentes échelles, macroscopique, cellulaire, moléculaire. Donc, Le phénotype est donc l expression du génotype. Phénotype GTG CAC CTG ACT CCT GAG GAG AAG TCT GCC GTT ACT GCC CTG TGG GCC AAG Hémoglobine GTG CAC CTG ACT CCT GTG GAG AAG TCT GCC GTT ACT GCC CTG TGG GGC AAG Drépano- Le nucléotide T (thymidine) de la séquence normale a été remplacé le nucléotide A (adénosine) en position 17. La protéine codée par ce gène est modifiée en correspondance avec la modification du gène. Voir manuel Hachette page 203. 29 II-B Les gènes codent pour des protéines. Or, Gène code pour une protéine assure une fonction provoque un caractère produit un phénotype Le phénotype est donc l expression du génotype. 30 II-B Les gènes codent pour des protéines II-C Le code génétique : La séquence des nucléotides dans l'adn gouverne la séquence des acides aminés dans la protéine Nous sommes en présence de deux alphabets Une mutation du gène provoque un changement de la protéine, dont la forme et la fonction peuvent être modifiées. Comment la séquence des nucléotides dans l'adn gouverne-t-elle la séquence des acides aminés dans la protéine? 31 4 lettres Nucléotides ADN Protéine 20 lettres acides aminés Comment mettre en relation ces deux alphabets? Combien de lettres de l un correspondent à une lettre de l autre? Hypothèse 1 1 nucléotide code pour 1 acide aminé 2 2 nucléotides codent pour 1 acide aminé 3 3 nucléotides codent pour 1 acide aminé 1 seul acide aminé seulement est codable par nucléotide. Or, il en existe 20 acides aminés différents. 2 4 =16 acides aminés seulement sont codables par ce système. Or, il en existe 20 acides aminés différents. 4 3 =64 acides aminés sont codables par ce système. Or, il en existe 20 acides aminés différents. Test FAUX FAUX POSSIBLE 32 8

II-C Le code génétique : La séquence des nucléotides dans l'adn gouverne la séquence des acides aminés dans la protéine III- Applications biotechnologiques Le code génétique est le système de correspondance entre la séquence en nucléotides d une portion codante d ADN, et la séquence en acides aminés de la protéine codée. 3 nucléotides codent 1 acide aminé. 61 codons codent chacun pour 1 acide aminé. Certains acides aminés sont codés par plusieurs codons, le code est dégénéré. Trois codons stop ne codent pour aucun acide aminé et indiquent la fin de la synthèse de la protéine. III-A Universalité du code génétique Les différents organismes vivants utilisent-ils différents codes génétiques? 33 34 III-A Universalité du code génétique III-A Universalité du code génétique Activité III-A Transgénèse - Production d insuline humaine par une bactérie Activité III-A Transgénèse - Production d insuline humaine par une bactérie Chez l homme, l hormone de croissance est une protéine produite par l hypophyse (une petite glande située à la base du cerveau). Pour traiter le retard de croissance des enfants qui manquent de cette hormone, on ne peut utiliser que de l hormone de croissance humaine. Or, les hormones provenant d animaux ne conviennent pas. Auparavant extraite d hypophyses de cadavres humains, cette hormone n a pas pu être obtenue en quantité et en qualité suffisante qu à partir du moment où l on a su la produire par transgénèse. Les expériences de transgénèse montrent que la bactérie utilise le gène humain comme un gène appartenant à son propre programme génétique! L ADN est le support universel de l information génétique. Le code génétique est universel. La transgénèse est par définition le transfert d un gène d un organisme à un autre organisme (voir figure ci-contre). Des chercheurs ont réussi à extraire de cellules humaines le gène de l hormone de croissance dans un premier temps. Ils ont ensuite intégré le gène humain dans l ADN de bactéries de l espèce Eschérichia coli dont l unique chromosome est circulaire. La bactérie utilise alors le gène humain comme un gène appartenant à son propre programme génétique et produit de l hormone de croissance humaine. Il faut alors extraire et purifier l hormone ainsi produite pour traiter les enfants manquant de cette hormone. Pour obtenir de grandes quantités de produit, ces bactéries génétiquement modifiées sont cultivées alors dans de grandes cuves pour la production industrielle d hormone «humaine». Les conditions de vie des bactéries sont soigneusement contrôlées pour favoriser leur multiplication. ADN et code génétique sont partagés par tous les êtres vivants! 35 36 9

III-A Universalité du code génétique Activité III-A Transgénèse - Production d insuline humaine par une bactérie Transgénèse : Modification du génotype d'un organisme par d'insertion de gènes dans une cellule végétale animale, ou une bactérie. Elle permet de produire de nouvelles protéines, et repose sur l'universalité du code génétique. Transgénèse intraspécifique : Modification du génotype d'un organisme par d'insertion de gènes d une espèce dans une cellule de la même espèce. Transgénèse interspécifique : Modification du génotype d'un organisme par d'insertion de gènes d une espèce dans une cellule d une autre espèce. 37 III-B Les objectifs de la transgénèse Par définition, un organisme dont le génotype a été modifié par transgénèse est un OGM, organisme génétiquement modifié. Les objectifs de la création d organismes transgéniques sont variés et répondent à des besoins économiques, sanitaires ou démographiques. Objectifs de la créations d OGM Applications des OGM «Modèles» animaux pour la recherche Étude de maladies humaines (athérosclérose, mucoviscidose, ) Production de «médicaments Insuline, facteur de coagulation Production d hormones Hormone de croissance, par des bactéries, des levures ou dans le lait des mammifères Amélioration des produits Inactivation de gènes codant pour des allergènes du riz, ou de gènes codant pour des enzymes responsables de la dégradation des fruits mûrs, ou du rejet des tissus de porc greffés Amélioration de la résistance des Sécheresse, insectes, champignons, herbicides, végétaux 38 III-C Les Organismes Génétiquement Modifiés, enjeux et débats Le développement des OGM est un enjeu économique important. Or, la modification des caractères héréditaires d un individu peut provoquer des conséquences sur l espèce entière. Les risques de dissémination restent donc importants. Donc, a mise en œuvre d OGM présente des risques d effets sur l environnement et la santé. Elle doit donc être contrôlée. En conséquence, le contrôle de la modification génique d individus et d espèces repose sur des bases scientifiques, légales et économiques qui engagent la société dans son ensemble. IV- Complexité des relations entre génotype et phénotype - Applications IV-Introduction Caractères dominants et caractères récessifs Activité IV (1) Caractères dominants et caractères récessifs RAPPELS (1) La mucoviscidose est provoquée par la mutation du gène CF, transmis au cours des générations. C est donc une maladie héréditaire, et donc génétique. (2) 46 chromosomes, classés en 23 paires sur le critère de la taille des bras, sont présents dans le caryotype humain. 39 40 10

IV- Complexité des relations entre génotype et phénotype - Applications IV- Complexité des relations entre génotype et phénotype - Applications IV-Introduction Caractères dominants et caractères récessifs IV-Introduction Caractères dominants et caractères récessifs Activité IV (1) Caractères dominants et caractères récessifs Activité IV (1) Caractères dominants et caractères récessifs (3) Chaque membre d une paire de chromosome est issu d un des parents et furent respectivement apportés par le spermatozoïde du père et l ovocyte de la mère, ou ovule, au moment de la formation de la cellule œuf à la fécondation. (3) Chaque membre d une paire de chromosome est issu d un des parents et furent respectivement apportés par le spermatozoïde du père et l ovocyte de la mère, ou ovule, au moment de la formation de la cellule œuf à la fécondation. 41 42 IV- Complexité des relations entre génotype et phénotype - Applications IV-Introduction Caractères dominants et caractères récessifs Activité IV (1) Caractères dominants et caractères récessifs (3) Les deux membres d une paire de chromosome portent normalement les mêmes gènes à la même position. Cependant les allèles ne sont pas nécessairement identiques. En conséquence, Gènes Copie 1 Copie 2 Chaque gène, dont le gène CF, est présent en deux exemplaires dans le génome d une personne normale. Seuls certains gènes portés sur les chromosomes sexuels sont présents à un seul exemplaire. IV- Complexité des relations entre génotype et phénotype - Applications IV-Introduction Caractères dominants et caractères récessifs Activité IV (1) Caractères dominants et caractères récessifs Apprendre à écrire les génotypes. (5 et 6) On note par une majuscule un gène DOMINANT, et par une minuscule un gène récessif. Or, pour qu un gène récessif s exprime, les deux allèles présents du gène dans le génome doivent être identiques et récessifs. 43 44 11

IV- Complexité des relations entre génotype et phénotype - Applications IV-Introduction Caractères dominants et caractères récessifs Activité IV (1) Caractères dominants et caractères récessifs Apprendre à écrire les génotypes. (5 et 6) On note par une majuscule un gène DOMINANT, et par une minuscule un gène récessif. Or, pour qu un gène récessif s exprime, les deux allèles présents du gène dans le génome doivent être identiques et récessifs. Donc, on peut noter N l allèle normal dominant du gène CFTR et m l allèle muté récessif de ce gène, quand il provoque la mucoviscidose. IV- Complexité des relations entre génotype et phénotype - Applications IV-Introduction Caractères dominants et caractères récessifs Activité IV (1) Caractères dominants et caractères récessifs Apprendre à écrire les génotypes On notera [N] = Phénotype «normal», [m] = Phénotype «atteint de mucoviscidose». Et N/ = Allèle normal dominant du gène CFTR ; m/ = Allèle récessif qui provoque la mucoviscidose du même gène Père Mère Fille Fils 1 Fils 2 Phénotype [N] [N] [m] [N] [N] Génotype N//m N//m m//m N//m N//N 45 46 IV- Complexité des relations entre génotype et phénotype - Applications IV-Introduction Caractères dominants et caractères récessifs Activité IV (1) Caractères dominants et caractères récessifs Apprendre à écrire les génotypes. (6) Pour qu un gène récessif s exprime, les deux allèles présents du gène dans le génome doivent être identiques et récessifs. Le phénotype Normale peut être l expression de deux génotypes N//m et N//N. Donc, à un génotype, un phénotype est une affirmation confirmée. L inverse est faux Un phénotype peut-être l expression de plusieurs génotypes quand certains allèles sont récessifs. Père Mère Fille Fils 1 Fils 2 Phénotype [N] [N] [m] [N] [N] Génotype N//m N//m m//m N//m N//N 47 IV-A Un phénotype peut être l expression de plusieurs génotypes Activité IV-A(1) Plusieurs gènes pour un phénotype : exemple de l albinisme. Molécule Précurseur Enzyme 1 Tyrosine Enzyme 2 Mélanine Dans l espèce humaine, la pigmentation des cheveux et de la peau nécessite la production d un pigment noir, la mélanine, suivant la chaîne de biosynthèse illustrée ici. La fonction de l enzyme 1 est nécessaire pour la transformation de la molécule précurseur en tyrosine. La fonction de l enzyme 2 est nécessaire pour la transformation de la tyrosine en Mélanine. 48 12

IV-A Un phénotype peut être l expression de plusieurs génotypes Activité IV-A(1) Plusieurs gènes pour un phénotype : exemple de l albinisme. IV-A Un phénotype peut être l expression de plusieurs génotypes Activité IV-A(1) Plusieurs gènes pour un phénotype : exemple de l albinisme. Molécule Précurseur Enzyme 1 Tyrosine Enzyme 2 Mélanine Information 2 Les deux enzymes qui coopèrent à cette biosynthèse ont une forme et une fonction différentes. L enzyme 1 résulte de l expression d un gène présentant deux allèles : l allèle E1 fonctionnel, dominant, normal ; et l allèle e1 non fonctionnel, récessif, anormal. L enzyme 2 résulte de l expression d un gène présentant deux allèles : l allèle E2 fonctionnel, dominant, normal ; et l allèle e2 non fonctionnel, récessif, anormal. 49 Individus Concentration cellulaire de la molécule précurseur Couleur de la cellule en présence de tyrosine A Normale Incolore B Excessive Noire Information 3 Certains individus, dits albinos, ont une peau et des cheveux non pigmentés : Leur organisme ne synthétise pas de mélanine. On se propose de déterminer la cause de l albinisme de deux individus albinos, A et B, en analysant des cellules de la racine des cheveux. 50 IV-A Un phénotype peut être l expression de plusieurs génotypes Activité IV-A(1) Plusieurs gènes pour un phénotype : exemple de l albinisme. IV-A Un phénotype peut être l expression de plusieurs génotypes Activité IV-A(1) Plusieurs gènes pour un phénotype : exemple de l albinisme. Individu normal E1//E1 ou E1//e1 E2//E2 ou E2//e2 Individu albinos A E1//e1 ; e2//e2 ou E1//E1 ; e2//e2 Individu albinos B e1//e1 ; E2//e2 ou e1//e1 ;E2//E2 Individus albinos e1//e1 ; e2//e2 Concentration Couleur de la cellule Individus cellulaire de la en présence de molécule précurseur tyrosine A Normale Incolore B Excessive Noire Les deux enzymes 1 et 2 sont fonctionnelles. Au moins un allèle codant pour la forme fonctionnelle de chaque enzyme est donc présent dans chaque génome. Or l allèle anormal est récessif pour chaque gène, donc : Pour arrêter la chaîne de synthèse de la mélanine il suffit qu une des deux enzymes ne soit pas exprimée sous sa forme fonctionnelle. Or le gène anormal est récessif, Donc, les génotypes possibles sont : Dans ce cas, l enzyme E1 modifie la molécule précurseur en tyrosine. La molécule précurseur étant consommée, elle ne s accumule pas. Cependant dans les deux cas, la tyrosine produite par la cellule ou issue du milieu ne peut pas être transformée en mélanine. Dans le cas la molécule précurseur n est pas modifiée en tyrosine par l enzyme E1, cas du génotype e1//e1, elle s accumule. Mais si l enzyme 2 est présente, alors elle peut produire de la mélanine à partir de la tyrosine offerte à la cellule. Les deux enzymes 1 et 2 sont non fonctionnelles 51 Individu albinos A E1//e1 ; e2//e2 ou E1//E1 ; e2//e2 Individu albinos B e1//e1 ; E2//e2 ou e1//e1 ;E2//E2 Individus albinos e1//e1 ; e2//e2 Phénotype macroscopique Phénotype cellulaire Phénotype moléculaire «albinos» Cheveux blancs, peau très claire, peau ne bronze pas, peau très sensible au soleil, iris + rétine dépigmentés. Pupille rouge Cellule sans pigment Pas de synthèse de mélanine = pigment La réalisation du phénotype dépend donc du fonctionnement de 2 gènes Plusieurs génotypes correspondent au phénotype albinos. Un phénotype peut donc dépendre de plusieurs génotypes. 52 13

IV-A Un phénotype peut être l expression de plusieurs génotypes IV-A Un phénotype peut être l expression de plusieurs génotypes Exercice Plusieurs gènes pour un phénotype : exemple des groupes sanguins Exercice Plusieurs gènes pour un phénotype : exemple des groupes sanguins Le système de groupes sanguins le plus important est le système A B 0. Ce système correspond à la présence éventuelle de marqueurs A ou B à la surface des hématies. La synthèse de tels marqueurs nécessite la transformation d'une substance appelée substance H. Comme toute réaction biochimique, cette transformation est catalysée par une enzyme : l'enzyme de type A transforme la substance H en marqueur A, tandis que l'enzyme de type B transforme la substance H en marqueur B. Chez la plupart des personnes de groupe 0, cette enzyme est inactive et en conséquence, il n'y a ni marqueur A, ni marqueur B. Cependant la substance H est elle-même produite à parti d'un précurseur et cette transformation est aussi catalysée par une enzyme; la plupart des personnes produisent l'enzyme H permettant cette synthèse mais on connaît quelques cas ou une mutation a pour conséquence l'inactivité de cette enzyme. Le système de groupes sanguins le plus important est le système A B 0. Ce système correspond à la présence éventuelle de marqueurs A ou B à la surface des hématies. La synthèse de tels marqueurs nécessite la transformation d'une substance appelée substance H. Comme toute réaction biochimique, cette transformation est catalysée par une enzyme : l'enzyme de type A transforme la substance H en marqueur A, tandis que l'enzyme de type B transforme la substance H en marqueur B. Chez la plupart des personnes de groupe 0, cette enzyme est inactive et en conséquence, il n'y a ni marqueur A, ni marqueur B. Cependant la substance H est elle-même produite à parti d'un précurseur et cette transformation est aussi catalysée par une enzyme; la plupart des personnes produisent l'enzyme H permettant cette synthèse mais on connaît quelques cas ou une mutation a pour conséquence l'inactivité de cette enzyme. Questions 1 (Dégager les informations utiles, établir une relation de causalité) a. Quel est l'équipement enzymatique nécessaire à la biosynthèse du marqueur A? du marqueur B? b. À quoi est dû, en général, le phénotype O? Montre qu'un autre cas, bien que rare, est néanmoins possible. Question 2 (Pratiquer un raisonnement déductif, faire une synthèse) 53 A l'aide de cet exemple, démontrez que des génotypes différents peuvent conduire au même phénotype. 54 IV-B Effets de l environnement sur le phénotype IV-B Effets de l environnement sur le phénotype Les chats siamois possèdent un phénotype très caractéristique : Les yeux sont bleus et affectés d'un léger trabisme, la fourrure très claire sur le corps est de couleur brun foncé sur la queue, les extrémités des pattes, les oreilles, le museau. On constate cependant d'importantes variations phénotypiques: les chats élevés sous des climats froids ou bien a l'extérieur sont plus foncés que ceux élevés sous climat chaud ou en intérieur. Plusieurs données permettent de comprendre l'origine de tels phénotypes : Les chats siamois possèdent un phénotype très caractéristique : Les yeux sont bleus et affectés d'un léger trabisme, la fourrure très claire sur le corps est de couleur brun foncé sur la queue, les extrémités des pattes, les oreilles, le museau. On constate cependant d'importantes variations phénotypiques: les chats élevés sous des climats froids ou bien a l'extérieur sont plus foncés que ceux élevés sous climat chaud ou en intérieur. Plusieurs données permettent de comprendre l'origine de tels phénotypes : Les chats siamois sont obtenus par croisements à partir de parents possédant eux-mêmes ces caractéristiques. Si des poils sombres sont arrachés de la queue et si le chat est placé à une température plus élevée que la normale, le nouveau pelage qui repousse est clair. Si des poils sombres sont arrachés de la queue et si le chat est placé à une température plus élevée que la normale, le nouveau pelage qui repousse est clair. Les extrémités de l'organisme (queue, pattes, oreilles, museau) ont une température corporelle inférieure à celle du reste du corps. Inversement, si on enlève quelques poils clairs situés sur le dos et si l'on refroidit cette zone, les poils qui repoussent sont foncés. Les extrémités de l'organisme (queue, pattes, oreilles, museau) ont une température corporelle inférieure à celle du reste du corps. Inversement, si on enlève quelques poils clairs situés sur le dos et si l'on refroidit cette zone, les poils qui repoussent sont foncés. Les chats siamois sont obtenus par croisements à partir de parents possédant eux-mêmes ces caractéristiques. 1- Expliquez les variations de couleur prises par le pelage des chats siamois à la surface du corps ainsi que les variations phénotypiques souvent constatées. 2- En définitive, expliquez à quoi est due la couleur du pelage des chats siamois. 55 56 14

L identification des gènes, et donc de leurs produits, responsables d une maladie permet de mettre en œuvre un traitement, ou éviter la naissance d un individu porteur d une maladie gravement handicapante, voire de traiter l embryon avant sa naissance (reste à l état de sciencefiction actuellement, mais ). Il est alors question de médecine prédictive. Médecine prédictive et ont pour but de détecter la présence de certains allèles chez un individu 57 Médecine prédictive et ont pour but de détecter la présence de certains allèles chez un individu Ces tests sont aussi utilisés pour des enquêtes criminelles ou des tests de paternité. Ils sont très encadrés par la justice en France pour éviter des problèmes de dérive eugéniste ou pour protéger les libertés individuelles. 58 Médecine prédictive et ont pour but de détecter la présence de certains allèles chez un individu Médecine prédictive et ont pour but de détecter la présence de certains allèles chez un individu Ces tests sont réalisés en étudiant l ADN des individus susceptibles de porter des allèles mutés pour certains gènes. Ils faut donc prélever l ADN des individus. 59 Si le test est effectué avant la naissance, l ADN de l embryon peut être testé - Après prélèvement avant implantation d une cellule d un embryon issu d une fécondation in vitro dans le cas du diagnostique préimplantatoire (DPI), - Après prélèvement de cellules embryonnaires, et de leur ADN dans le noyau, dans les structures embryonnaires. 60 15

DPI DPI 61 - le test est effectué avant la naissance, l ADN de l embryon est testé - Après prélèvement avant implantation d une cellule d un embryon issu d une fécondation in vitro dans le cas du diagnostique préimplantatoire (DPI), Amniocentèse, choriocentèse, placentocentèse, cordocentèse permettent d étudier la qualité de l information génétique de l individu à naitre. Caryotype d un homme - Les caryotypes révèlent la forme et le nombre des chromosomes ; - Les séquençages révèlent l intégrité et l identité des gènes, comme des liens de parenté ; - Les fragments d ADN révèlent les liens de parenté. Les caryotypes révèlent la forme et le nombre des chromosomes 63 62 64 16

- Les fragments d ADN révèlent les liens de parenté. 65 Prélever du matériel vivant issu de l individu porté par sa mère : 1.L amniocentèse se réalise entre la quinzième et la dix-huitième semaine d'aménorrhée (S.A.) Le prélèvement se fait par voie abdominale. On prélève en général 10 à 20 millimètres de liquide amniotique. 2.La choriocentèse se réalise entre la neuvième et la douzième S. A. Le prélèvement se fait en passant par le vagin et le col utérin. Il consiste à prélever un fragment du chorion, qui est l enveloppe de l'embryon, autour de la cavité amniotique. 3.La placentocentèse se réalise à partir de la douzième S. A. jusqu'à tard dans la grossesse. Le prélèvement se fait par le vagin et le col utérin. Il consiste à prélever un fragment du futur placenta, le trophoblaste, ou du placenta. 4.La cordocentèse se réalise avant la vingtième S. A. Le prélèvement se fait par voie transabdominale. Il consiste à prélever du sang de l embryon ou du fœtus au niveau de son cordon ombilical. 66 Médecine prédictive et diagnostic prénatal ont pour but de détecter la présence de certains allèles chez un individu Médecine prédictive et ont pour but de détecter la présence de certains allèles chez un individu L'amniocentèse, la technique le plus fréquemment employée, est devenue une technique éprouvée, à condition d'être pratiquée par un opérateur entraîné : le risque de fausses couches est inférieur à 1%. 67 68 17