Spe SVT/ 2011-2012 Des débuts de la génétiques aux enjeux actuels des biotechnologies DES DÉBUTS DE LA GÉNÉTIQUE AUX ENJEUX ACTUELS DES BIOTECHNOLOGIES... 2 CHAPITRE I LES DÉBUTS DE LA GÉNÉTIQUE ET LES TRAVAUX DE MENDEL (1870)... 2 1 / Expérience d hybridation (Monohybridisme et Dihybridisme) de Mendel et analyse statistique de la descendance... 2 2 / Les avancées de la cytologie et la naissance de la théorie chromosomique... 3 CHAPITRE II - LES TRAVAUX DE MORGAN ET LA THÉORIE CHROMOSOMIQUE DE L HÉRÉDITÉ... 4 1 / La drosophile et la théorie chromosomique... 4 2 / La localisation des gènes sur les chromosomes : les cartes génétiques... 4 CHAPITRE III LA GÉNÉTIQUE MOLÉCULAIRE... 5 1 / 1930 1970 : L avènement de la biologie moléculaire... 5 2 / La révolution des biotechnologies au début des années 1970... 5 A. Les enzymes de restriction : Première manipulation des molécules d'adn... 5 1/5
DES DÉBUTS DE LA GÉNÉTIQUE AUX ENJEUX ACTUELS DES BIOTECHNOLOGIES Pb : Comment se sont élaborées les théories biologiques expliquant l'hérédité depuis la XIXe? CHAPITRE I LES DÉBUTS DE LA GÉNÉTIQUE ET LES TRAVAUX DE MENDEL (1870) Introduction : À l'époque où Mendel (1856) commence ses travaux, on ne connaît ni les chromosomes, ni les gènes. Les biologistes savent qu'il y a transmission des caractères héréditaires, mais on ignore les mécanismes de transmission. On explique la ressemblance des descendants aux parents par la théorie des mélanges : Les facteurs héréditaires parentaux (un caractère héréditaire, ex : couleur de la peau) se mélangent chez le descendant pour produire un facteur intermédiaire. A cette même époque, les débuts de l'observation au microscope permet de découvrir les cellules et de concevoir la théorie cellulaire : les organismes sont constitué d'un assemblage de cellules. Mendel pour ses travaux s'intéresse à la rencontre des «cellules polliniques» (gamètes mâles du pollen) et des «cellules ovulaires» (Gamètes femelles ou ovules contenues dans le pistil) 1 / EXPÉRIENCE D HYBRIDATION (MONOHYBRIDISME ET DIHYBRIDISME) DE MENDEL ET ANALYSE STATISTIQUE DE LA DESCENDANCE Tp 1 / Etude des épis de maïs (Dihybridisme) : Maïs à grains noir lisse /croisé avec Maïs à grains jaune ridé - (Fiche TP) - Etude de croisements de Maïs : observation de deux caractères différents, présents chacun sous deux formes : "Couleur du grain" et "Structure du grains" - Observation de la F1 et détermination des dominances et récessivité - Comptage des différents phénotypes de la F2 (autofécondation de la F1) / Calcul fréquence (en % ou fraction) / Interprétation des résultats à partir des lois de Mendel établies sur le Monohybridisme / Réalisation des échiquiers de croisement. Fécondation croisée : Fécondation entre deux plantes différentes Autofécondation : Fécondation d'une plante avec elle même (cas fréquent chez les fabacées) Monohybridisme / Réalisation d'un croisement de deux variétés présentant des différences sur un seul caractère. On hybride (= on croise) 2 lignées pures (appelées P1 et P2) différant par 1 couple de caractères. On obtient un hybride (F1) puis on croise F1 avec F1 (autofécondation) pour obtenir une génération supplémentaire appelée F2. La plus part des lois de Mendel se déduisent des expériences de monohybridisme : - 100% des individus de la F1, obtenue par hybridation, présentent une seule et même version du caractère (une des deux versions parentales du caractère). Mendel dit que la F1 est uniforme et parle d'uniformité des hybrides. Mendel appelle cette version du caractère, le caractère dominant. L'autre version sera appelée récessive. - Les plants de F2, produits par autofécondation de la F1, voient réapparaître la version du caractère disparue en F1 (appelée par Mendel, récessive) dans une proportion constante de ¼. Mendel émet l hypothèse que chez l hybride de F1 les 2 caractères du couple sont présents et distincts (hérédité particulaire), se séparent lors de la formation des gamètes (pureté des gamètes ségrégation indépendante des caractères) et se réassocient aléatoirement à la fécondation pour donner naissance à la F2, ce mécanisme se renouvelle à chaque génération L' approche statistique (réalisation de nombreux croisements et le calcul de l'occurence de chaque cas observé) est à la base du travail de Mendel. A la suite des travaux de Mendel sur le monohybridisme, on peut rejeter la théorie hérédité par mélange. (La simple observation de l'uniformité des hybrides suffit, car il n'y a pas de caractère intermédiaire observé par Mendel). Attention : cependant il existe des cas de co-dominance, où les deux versions d'un caractère provoque l'apparition d'un phénotype intermédiaire.
Dihybridisme : On hybride 2 lignées pures différant par 2 couples de caractères (F1) puis on produit une F2 par autofécondation. Bilan suite : Les proportions trouvés lors du dihybridisme, sont exactement celles prévues par le modèle théorique de Mendel (ségrégation indépendante des caractères lors de la formation des gamètes et réassociation aléatoire des caractères à la fécondation). Le dihybridisme confirme les lois établies pour le monohybridisme. Le Dihybridisme permet à Mendel de rajouter une loi : que les couples de caractères parentaux se disjoignent dans les gamètes et se réassocient indépendamment l un de l autre (ségrégation indépendante des couples de caractères). Attention : Cette loi de Mendel est correcte tant qu'elle concerne des caractères portés par des chromosomes non homologues. Car si les deux caractères étudiés sont sur les mêmes chromosomes alors leur ségrégation (à la méiose) ne peut pas être indépendante. Cependant Mendel ne connait pas encore les chromosomes et le hasard (?) fait qu'il n'étudie que des couples de caractères non liés. Les travaux ultérieurs de Morgan montreront que cette loi n'est pas toujours valable Histoire : Mendel (1822), après le lycée décide d une vie monacale. Il est refusé à l examen pour assurer un professorat scientifique. Il assure alors des suppléances. Il passe la plupart de son temps au monastère et en particulier au jardin, d abords comme divertissement, puis à titre expérimental. Seul il assume les milliers de pollinisation, de comptage. En 1865 il écrit un mémoire, présenté à la société d histoire naturelle de Brünn (société comme il en existe plein d autres dans les villes de province). Ce mémoire passe complètement inaperçu et ne suscite aucun intérêt. Il l envoie à Nägeli (sommité autrichienne de physiologie végétale). En 1868 il abandonne les sciences, nommé prélat. En 1884 il meurt. Dans le mémoire, toutes les bases de la théorie génétique sont explicitement décrite et démontrée et pourtant En mars 1900 : De Vries publie en France et en Allemagne sur la disjonction des caractères héréditaires. Un mois plus tard Correns (Allemagne) annonce des résultats comparables. En juin, Tschermak arrive à la même conclusion. Ils sont alors stupéfaits de s apercevoir que ces résultats on été découvert 35 ans auparavant. 2 / LES AVANCÉES DE LA CYTOLOGIE ET LA NAISSANCE DE LA THÉORIE CHROMOSOMIQUE Exercice / Découverte du comportement des chromosomes lors de la production des gamètes... La fin du XIX siècle voit des progrès important de la cytologie (étude microscopique des cellules) permet de décrouvrir iet de compter les chromosomes dans la cellule. On découvre également leur comportement au cours de la mitose (reproduction conforme des chromatide), de la méiose (réduction chromatique et séparation des paires de chromosomes homologues) et de la fécondation (reconstitution des paires de chromosome). L'ensemble de ces informations sont en parfaîtes corrélation avec le comportement des particules héréditaires imaginées par Mendel. Sutton et Boveri, qui avaient contribué à ces avancées, émettent en 1903 l hypothèse que les caractères héréditaires (particules héréditaires) mis en évidence par Mendel seraient situés sur les chromosomes. Cette hypothèse est appelée la théorie chromosomique de l hérédité.
CHAPITRE II - LES TRAVAUX DE MORGAN ET LA THÉORIE CHROMOSOMIQUE DE L HÉRÉDITÉ 1 / LA DROSOPHILE ET LA THÉORIE CHROMOSOMIQUE Problème : Comment tester la validité de la théorie chromosomique de l'hérédité? Tp 2 - Hérédité liée au sexe : croisement chez les drosophiles - Observation à la loupe binoculaire de la transmission du caractère "couleur des yeux" : comptage de la F1 et F2 (détermination de la dominance, constitution des échiquiers de croisement, interprétation des résultats avec l'hypothèse que le caractère est porté par le chromosome X) - Corrélation de ces observations et du dimorphisme des chromosomes sexuels entre les mâles et les femelles Idée de Morgan : Il existe un dimorphisme chromosomique chez les drosophiles (les mâles sont XY et les femelles sont XX, ceci s'observe au microscope) : donc Si un caractère héréditaire est porté par les chromosomes sexuels alors le mâle ne possèdera qu'un seul allèle de ce gène, tandis que la femelle en portera naturellement 2. Ceci doit avoir des conséquences sur la transmission des caractères selon que ce soit le mâle ou la femelle qui portera la version dominante du caractère. L'expérience sur les drosophiles ne contredie pas cette idée : - La découverte d'une hérédité liée au sexe chez les drosophiles est mise en relation avec le dimorphisme des chromosomes sexuels (Des différences observées chez la mouche sont directement corrrélées à des différences observées sur les chromosomes) chez ces drosophiles.ceci apporte la première preuve expérimentale à la théorie chromosomique de l'hérédité. 2 / LA LOCALISATION DES GÈNES SUR LES CHROMOSOMES : LES CARTES GÉNÉTIQUES Td / Estimation des distances entre les gènes sur un chromosome - Etude de la transmission de 3 gènes différents chez les drosophiles (Production d'une F1 puis réalisation d'un test cross, réalisation d'échiquiers de croisement, prévision de la fréquence attendues dans chaque phénotype, observation des résultats trouvés par l'expérimentateur et mise en évidence de la liaison entre les gènes. - Etude de document : Observation des chiasmas ou Enjambement, mise en relation avec les résultats expérimentaux pour expliquer l'apparition des phénotypes recombinés. - Calcul des fréquence de recombinaison entre les gènes deux à deux et réalisation d'une carte génétique présentant une estimation de la distance entre les gènes (en cm). - Etude statistique de plus de 400 mutations montre que les gènes chez la drosophile sont réunis en 4 groupes (or il y a 4 paires de chromosomes chez la drosophile). Morgan invente la notion de caractères liés. - Le % de recombinaison entre deux gènes est constant quelque soit les versions du caractères (allèle) et le croisement. Morgan déduit que les caractères ont une position fixe sur les chromosomes qu'il appelle locus. - Morgan déduit que la distance entre deux gènes sera proportionnelle au % de recombinaison entre les deux caractères. Morgan invente le cm ou centimorgan pour exprimer la distance entre deux gènes. 1CM = 1% de recombinaison. - En 1920, Morgan produit la première carte génétique déduite des résultats expérimentaux, représentant la disposition des gènes sur un chromosome. Problème : Quelle est la nature moléculaire de la particule héréditaire (Proteine, ADN...)?
CHAPITRE III LA GÉNÉTIQUE MOLÉCULAIRE 1 / 1930 1970 : L AVÈNEMENT DE LA BIOLOGIE MOLÉCULAIRE Exercice : lecture des Pages 74/75 (ADN, code génétique, synthèse de protéines : du génotype au phénotype). Diaporama : Récapitulatif de l'histoire de la génétique Les progrès de la chimie et la physique permettent à la communauté scientifique d élucider (entre 1944 et 1965) la nature moléculaire de la particule héréditaire, c'est à dire des chromosomes : Mots clefs : - ADN / réplication semi conservative / transcription en ARNm / la traduction en protéine de l ARNm basé sur la code génétique (1 codon de trois nucléotides = 1 acide aminé) 2 / LA RÉVOLUTION DES BIOTECHNOLOGIES AU DÉBUT DES ANNÉES 1970 Pb (1970) : Comment techniquement étudier la molécule d'adn ( 140 millions de nucléotides pour 1 molécule)? A. Les enzymes de restriction : Première manipulation des molécules d'adn En 1960, on décrouvre de protéines contenues dans les bactéries qui ont la capacité de découper l'adn en petit fragments. Ces protéines sont applées des enzymes de restriction ou nucléases de restriction ou endonucléases. Comment une enzyme de restriction découpe t'elle l'adn et comment visualiser les résultats : 1. Chaque enzyme agit en 3 étapes : - Reconnaissance d'une petite sequence (généralement entre 4 et 8 pb) sur l'adn (appelé site de reconnaissance ou site de restriction). - Fixation de l'enzyme sur l'adn au niveau de la séquence reconnue. - Section de l'adn au niveau la séquence. Les séquences du site de restriction sont souvent des palindromes (les deux brins possèdent la même séquence inversée) Ex : ECORI Escherichia coli Remarque : Il existe plusieurs centaines d'enzyme de restriction, chacune possède un site de reconnaissance spécifique. L'enzyme coupera une molécule d'adn autant de fois qu'elle reconnaitra de site de restriction. 2. Migration des fragments d'adn : Electrophorèse On place l'adn digéré par un enzyme dans un gel d'agarose au niveau d'un puit. Ce gel est ensuite placé dans un champ électrique, qui emporte les morceaux d'adn (chargé négativement). Plus ces morceaux sont grands et lourds plus leur migration à travers le gel est lent. Après une heure de migration on coupe le champ et on colore l'adn. On observe ainsi les différents fragments. Tp 3 Utilisation des enzymes de restriction : Digestion de l'adn d'un virus par des enzymes, electrophorèse et privision des résultats par logiciel d'analyse des séquences et modélisation de l'action des enzymes (Génigen) - Microbiologie : Réalisation de la digestion par 3 enzymes différentes de l'adn d'un virus bactériophage (Phage lambda) - Réalisation d'une électrophorèse sur Gel d'agarose - Modélisation et prévision des résultats de l'électrophorèse sur logiciel d'analyse des séquences (Génigen) A quoi servent les enzymes de restrition : - Utile pour découper les molécules d'adn (Remarque : 23 chromosomes humains portent 3,2 milliards de paire de base) - Permet de réaliser des cartes de restriction (localisation sur l'adn des sites de restriction) - Permet de différencier différents allèles (polymorphisme) suivant le nombre de sites de restrictions observés. - Découper et recombiner l'adn de façon artificielle afin de créer de nouvelles associations de gènes : ADN recombinant. (Technique utilisée en transgenèse pour la mise au point d'ogm)