GENETIQUE FORMELLE (Hérédité Mendélienne) I-NOTIONS PRELIMINAIRES : Pour bien comprendre les notions qui suivent il est nécessaire de faire un rappel sur quelques termes importants qui reviennent souvent dans le vocabulaire génétique. 1-Le gène ou facteur héréditaire est représenté par une séquence d'adn portant une information génétique. Cette information peut être soit la structure d'une protéine, dans ce cas on parle de gène de structure soit une séquence reconnue par une enzyme de régulation dans ce cas on parle de gène de régulation. 2- Le locus : C'est la position du gène sur le chromosome. Il existe un seul locus par gène. Un Gène occupe donc le même locus sur les deux chromosomes homologues dans une cellule diploïde. (Voir fig. 1). Figure 1 : représentation du locus de la couleur du petit pois sur deux chromosomes homologues 1
3- Allèles (ou gènes allèles) : ce sont les différentes formes d'un même gène. Un gène peut être représenté par deux ou plus de deux allèles. Lorsqu'on est en présence de plus de deux allèles on parle de polyallèlisme (voir groupes sanguins). Un allèle peut être soit dominant soit récessif (voir codominant ou sans dominance), selon Mendel l'allèle dominant est l'allèle qui s'exprime chez l'hybride de première génération, l'autre étant l'allèle récessif. 4- Homozygote : un individu homozygote est un individu qui a deux allèles identiques au même locus sur deux chromosomes homologues.. (Ex. J/J ou j/j). (Voir fg.2). 5- Hétérozygote : Un individu hétérozygote est un individu qui a deux allèles différents au même locus sur deux chromosomes homologues. (Ex. J/j) (Voir fig.2). Figure 2 : représentation schématique des chromosomes homologues chez les hétérozygotes et chez l'homozygote Les carrés colorés représentent soit l'allèle "J" en jaune, soit l'allèle "j" en vert 2
II- Ecriture des gènes et des allèles : II-1 Ecriture des gènes : Par convention, chez l'homme le nom d'un gène dérive le plus souvent de sa fonction biochimique ou du phénotype de la maladie. L'allèle responsable de la maladie est appelé délétère, morbide, malade ou pathologique. Le symbole d'un gène est indiqué sur une seule ligne, sans indices ni exposant, en lettres majuscule, en italique, accolés sans ponctuation par exemple pour la Dystrophie Musculaire de Duchenne le gène s'écrit DMD. Les séquences d'adn en copie unique ne correspondant pas à un gène sont désignés par la lettre D (de DNA), suivi du numéro de chromosome de provenance puis d'un S (de single locus) et du numéro d'ordre de la séquence assignée au chromosome de provenance (numéro d'enregistrement), D12S5 correspond à la 5 eme séquence attribuée au chromosome 12. II-2 Ecriture des allèles : CHEZ LES MAMMIFERES ET LES VEGETAUX, l'allèle autosomique dominant est écris en majuscule et l'allèle autosomique récessif en minuscule en gardant toujours la même lettre pour le même caractère, exemple pour la couleur du petit pois la couleur jaune contrôlée par un allèle dominant s'écris J et la couleur verte contrôlée par un allèle récessif s'écrit j. Pour les caractères gonosomiques (portés par X ou par Y), la lette représentant l'allèle est placée en exposant ou en indice, soit du X soit du Y. Par exemple pour l'hémophilie qui est un caractère récessif lié à X, l'allèle de l'hémophilie s'écrit : Xh. Pour les caractères codominants ou avec absence de dominance la lettre représentant l'allèle est écrite en indice de la lettre majuscule C. Exemple pour la codominance entre la couleur rouge et blanche de mirabilis jalappa les allèles sont représentés respectivement par Cr et Cb. Dans le cas particulier des groupes sanguins A B O où il y a polyallèlisme, on constate une codominance entre A et B et une dominance de "A" et de "B" par rapport à "O", pour cette raison les allèles "A" et "B" s'écrivent IA et IB et l'allèle "o" io ou i. CHEZ LA DROSOPHILE, l'étude porte surtout sur l'observation du mode de transmission des mutations induites d'une génération à une autre. On définit pour cela l'allèle sauvage qui est l'allèle le plus répondu dans la nature et l'allèle mutant, moins abondant. L'écriture de l'allèle se base sur la première lettre (ou deux lettres) de l'allèle mutant quel que soit leur position, celles-ci sont écrites en majuscules si la mutation est dominante, en minuscule si la mutation est récessive. L'allèle sauvage est indiqué par un plus en exposant (plus pour plus abondant) le signe plus n'existe pas chez le mutant. Deux exemples illustrent ce cas : 3
La mutation Haireless est dominante. L'allèle mutant s'écrit H et l'allèle sauvage H + La mutation vestigiale est récessive. L'allèle mutant s'écrit vg et l'allèle sauvage vg + III- MONOHYBRIDISME & DIHYBRIDISME Le monohybridisme et l'étude d'un seul caractère héréditaire chez un individu par le biais des croisements. Cette notion introduite par Mendel et les hybrideurs qui l'ont précédés en ce qui concerne surtout le croisement entre les plants de petit pois (voir fig.3). Le but étant de voir comment se répartissent les différents phénotypes à la descendance. Le phénotype représente l'aspect extérieur du petit pois. Figure3 : monohybridisme chez le petit pois Dans l'exemple de la figure 3 le caractère considéré est la couleur du petit pois, il y a donc un seul caractère étudié et qui est contrôlé par un gène présent sous deux versions qui sont l'allèle jaune dominant "J" et l'allèle vert récessif "j" Le dihybridisme est l'étude deux caractères héréditaires chez un individu par le biais des croisements. Deux caractères principaux sont utilisés par Mendel qui sont : l'aspect du petit pois (lisse ou ridé) et la couleur du petit pois (jaune ou vert), dans le cas du monohybridisme seul l'un des deux caractères est étudié à la fois. 4
Actuellement la notion de caractère a pris un sens plus large, par exemple chez l'homme, le caractère peut être la taille, la couleur de la peau, des yeux ou des cheveux, mais aussi le groupe sanguin, un état physiologique, ou psychique. Le monohybridisme suppose chez l'homme l'étude d'un caractère Contrôlé par un seul gène (caractère monogénique), c'est le cas par exemple de l'hémophilie qui est contrôlé par un gène représenté par deux allèles XH et Xh portés par le chromosome X. Chez un individu diploïde, chacun des allèles est apporté par un parent. Un allèle est apporté par le spermatozoïde (donc du père), l'autre allèle est apporté par l'ovule fécondé (donc la mère). III-1 - LES PROPORTIONS MENDELIENNES : Les proportions Mendéliennes correspondent aux pourcentages des phénotypes obtenus dans la descendance, lors des croisements entre deux individus qui différent soit par un seul caractère (monohybridisme) soit par deux caractères (dihybridisme). C'est grâce à ces proportions que Mendel a pu tirer les trois lois, connues sous le nom : les lois de Mendel. 1 ere loi ou loi de l'uniformité de la première génération : Tous les individus de la première génération (F1) issus du croisement de deux individus homozygotes (F0) ont le même phénotype. En termes de proportions on dira que 100% des individus F1 auront le phénotype dominant et le génotype hétérozygote. Un génotype hétérozygote comporte un allèle dominant (correspondant au phénotype de la F1) et un allèle récessif qui reste à l'état latent, pour reparaître chez les descendants F2. Cette loi est illustrée par l'échiquier d'hybridation ci-dessous : Soit un croisement réalisé entre deux plants purs (homozygotes), l'un des plants donne des grains de couleur jaune et l'autre des grains de couleur verte. Le plant de phénotype jaune (J) donnera 100% de gamètes "J" et le plant de phénotype (j) donnera 100% de gamètes "j". L'union des gamètes "J" avec les gamètes "j" donnerai 100% d'individus de phénotype (J). 5
Echiquier d'hybridation gf : gamète femelle j: allèle vert ; J: allèle jaune / On remarque que 100% des individus F1 ont une couleur jaune Ceci peut être résumé par la relation : [J] x [j] 100% [J] 2 eme loi ou loi de la pureté des gamètes : Il n y a qu'un seul exemplaire d'allèle pour un gène et par gamète (dans notre cas, c'est soit J soit j par gamète) Les 100% d'individus jaunes de la F1 [J] ont un génotype J/j (voir fig.2). Cela veut dire que l'allèle j ne s'exprime pas chez l'hétérozygote à coté de l'allèle dominant J.Il reste donc caché, mais il se sépare de l'allèle dominant au cours de la gamétogenèse (méiose) pour se retrouver seul dans un gamète, d'où la notion de pureté des gamètes. Si au cours d'un croisement, un gamète (j) rencontre un autre gamète (j) alors on obtient un individu homozygote qui permet à l'allèle j de s'exprimer, et le phénotype récessif absent à la première génération reparaît, à la deuxième génération dans une proportion de. (Voir fig.4). 6
Fig.4 : croisement entre deux plants F1 Ce diagramme peut être représenté par l'échiquier d'hybridation ci-dessous; 7
Ce-ci peut être résumé par la relation : [J] x [J] 3/4 [J] + [j] 3 eme loi ou loi de la ségrégation indépendante des caractères : Pour comprendre cette loi, il faut considérer deux caractères. Autrement dit, deux gènes ou deux couples d'allèles. La 3 eme loi de Mendel s'applique donc au dihybridisme, l'exemple pris par Mendel comporte le caractère "couleur des petits pois" comme vu précédemment, et "l'aspect des petits pois" qui peut être soit lisse soit ridé, lisse étant dominant par rapport à ridé. Lisse sera symbolisé par "L " et ridé par "l". Cette loi n'est valable que pour les gènes indépendants. Les deux caractères sont contrôlés par deux gènes portés sur deux types de chromosomes différents. Au cours de la méiose les deux homologues de chaque type de chromosome se séparent de façon aléatoire et se combinent avec les homologues de l'autre type de chromosome pour donner quatre types de gamètes portants chacun un exemplaire de chaque type de chromosome. Comme les chromosomes constituent le support des allèles qui contrôle les deux caractères, ces allèles suivent la même répartition que les chromosomes qui les portent et se combinent de façon aléatoire pour donner quatre types de gamètes à proportions égales qui sont lisse jaune; lisse vert; ridé jaune et ridé vert. (Voir Fig.5) 8
Fig. 5 : Ségrégation indépendante des caractères au cours de la méiose L : lisse; l : ridé; J : jaune; j : vert La cellule à 2n de la figure 5 correspond, à celle d'un individu double hétérozygote L/l J/j de phénotype [LJ]. Cet individu donne 4 types de gamètes après méiose avec des proportions égales à. Si deux individus doubles hétérozygotes sont croisés entre eux, on obtient 4 phénotypes différents qui sont : 9/16 [LJ] ; 3/16 [Lj] ; 3/16[lJ] ; 1/16[lj] Ces proportions peuvent s'écrire : 9 :3 :3 :1 Ces proportions phénotypiques peuvent être calculés en utilisant l'échiquier cidessous : 9
Ceci peut être résumé par la relation : [L J] x [LJ] 9/16 [LJ] + 3/16 [Lj] + 3/16[lJ] + 1/16[lj] L'échiquier d'hybridation est pratique lorsqu'il s'agit d'un mono ou d'un dihybridisme, il l'est moins lorsqu'il s'agit d'un trihybridisme et plus. Dans ce cas il est souhaitable d'utiliser une autre méthode qui donne un résultat plus rapidement qu'on appelle : 10
SYSTEME BRANCHE III-1-1 LE SYSTEME BRANCHE Le système branché est une méthode de calcule des proportions génotypiques ou des proportions phénotypiques sans passer par le génotype. Cette méthode est basée sur les proportions des croisements de monohybridisme. Autrement dit dans le cas d'un dihybridisme, en admettant qu'on croise deux doubles hétérozygote comme dans le cas de l'échiquier précédent et qu'on cherche les proportions phénotypiques de la descendance, on sépare le caractère de la couleur du caractère de l'aspect, on calcule leurs fréquences phénotypiques séparément (puisque d'après la 2 eme loi de Mendel il y a ségrégation indépendante des caractères) puis on les associe.. Les proportions de chaque phénotype s'obtiennent en multipliant les fréquences phénotypiques de chaque caractère de la couleur avec l'aspect correspondant; par exemple, la probabilité d'avoir un grain lisse est de 3/4 et la probabilité d'avoir un grain jaune est de 3/4 alors la probabilité d'avoir un grain lisse et en même temps jaune est de 3/4 X 3/4 = 9/16. (Voir démonstration ci-dessous). Pour les phénotypes on aura : 3/4 [L] 3/4X3/4= 9/16 [LJ] 3/4[J] [l] 3/4X=3/16 [l J] [j] 3/4 [L] X3/4=3/16 [L j] [l] X= 1/16 [l j] Le nombre de phénotypes sera donc égal à 2 n, "n" étant le nombre de caractères. Dans notre cas n = 2 et 2 n = 4, il y a donc quatre phénotypes. 11
Pour les génotypes on aura : J/J X=1/16 L/L J/J L/L 1/2 J/j X1/2=1/8 L/L J/j j/j X=1/16 L/L j/j J/J 1/2X=1/8 L/l J/J 1/2 L/l 1/2 J/j 1/2X1/2= L/l J/j j/j 1/2X=1/8 L/l j/j J/J X=1/16 l/l J/J l/l 1/2 J/j X1/2=1/8 l/l J/j j/j X=1/16 l/l j/j Le nombre de génotypes sera donc égal à 3 n, "n" étant le nombre de caractères. Dans notre cas n = 2 et 3 n = 9, il y a donc neuf génotypes. III-1.2 : Le test cross (croisement test) : Le test cross est le croisement d'un individu de génotype inconnu (individu testé) avec un homozygote récessif (individu testeur). Le but du test cross est la détermination du génotype de l'individu testé. Dans un croisent test, nous savons que : Les fréquences phénotypiques des individus de la descendance correspondent à la fréquence des gamètes donnés par l'individu testé Le testeur donne un seul type de gamète, de génotype récessif, avec une fréquence égale à 1. 12
Ceci peut être illustré par le tableau ci-dessous : Testé γ testeur (J L) (J l) (J L) (J l) gamètes (j l) 1 J/j L/l J/j l/l J/j L/l J/j l/l Phénotypes individus [J L] [J l] [J L] [J l] On voit bien que la fréquence et les types de gamète donnés par l'individu testé (en rouge), correspondent aux fréquences phénotypiques des individus de la descendance. 13