I.3 Stabilité et variabilité des génomes et évolution.

Introduction. I.3 Stabilité et variabilité des génomes et évolution. L ADN est la molécule universelle support de l IG. Elle est située dans les chromosomes (condensation tel qu indiqué ci-dessous). Le Monde du Vivant. W. K. Purves et Coll. Sciences Flammarion 1994 Lorsque les chromosomes sont visibles (donc au cours d une division cellulaire), on peut les représenter comme ceci : Chromatides soeurs Centromère Paire de chromosomes bichromatidiens Paire de chromosomes monochromatidiens La paire de gauche est observable juste avant division cellulaire ; celle de droite, juste après. Pour une paire, on parle de chromosomes homologues. Cette molécule d ADN présente aussi une grande variabilité à cause des mutations. L information génétique s exprime à travers la synthèse des protéines (transcription et traduction). Le phénotype est l ensemble des caractères visibles aux 3 échelles d observation (moléculaire, cellulaire et macroscopique) dépend donc des protéines, mais l environnement joue également un rôle. On cherche montrer ici comment se forment de nouveaux allèles et de nouveaux gènes au cours de l évolution (1 et 4). On recherche également le rôle de la méiose et de la reproduction sexuée dans la stabilité du génome et dans sa variabilité (2 et 3). - 1 http://lewebpedagogique.com/bouchaud

1. Que produisent les innovations génétiques? 1.1 Les mutations sont des innovations génétiques. La mutation est un phénomène rare (= peu fréquent), spontané (= qui arrive d un coup) et aléatoire (= qui arrive n importe où dans le génome). Les agents mutagènes (UV ) peuvent toutefois augmenter leur fréquence. Elles ne sont transmises aux générations suivantes que lorsqu elles affectent les cellules germinales (c est-à-dire les cellules reproductrices). Mutation. Modification de la séquence des nucléotides d une molécule d ADN. Une mutation est ponctuelle lorsqu elle affecte une seule paire de nucléotides (éventuellement plusieurs). Il existe 3 types de mutations ponctuelles : la substitution, l addition et la délétion. - Substitution : remplacement d une paire de nucléotides par une autre. A T G C T T G A C G A T G G T T G A C G T A C G A A C T G C T A C C A A C T G C - Addition (ou insertion) : insertion d une paire de nucléotides dans la séquence. A T G C T T G A C G A T G C T T G T A C G T A C G A A C T G C T A C G A A C A T G C - Délétion : disparition d une paire de nucléotides dans la séquence. A T G C T T G A C G A G C T T G A C G T A C G A A C T G C T C G A A C T G C Les deux dernières mutations sont susceptibles de décaler le cadre de lecture des ribosomes et les protéines produites sont souvent très modifiées et tronquées (codon stop prématuré), c est-à-dire qu elles deviennent inactives ou fonctionnent mal. Une substitution peut n avoir aucune conséquence au niveau de la protéine car le code génétique est redondant (en général, un même acide aminé pour plusieurs codons). Le code génétique. http://www.phenylcetonurie.org/forum/viewtopic.php?p=7169&sid=05e878ef3b2e99eac87558f631ba4612 On observe trois types de conséquences des mutations au niveau peptidique. - La mutation est non-sens (intervention d un codon stop précoce), 211 212 213 214 215 216 211 212 213 Phé Gly Val Thr Pro Lys Phé Gly Val Stop Le polypeptide fait ici 213 acides aminés au lieu de 288 par exemple. - 2 http://lewebpedagogique.com/bouchaud

- La mutation est faux-sens (changement d un ou plusieurs acides aminés), 211 212 213 214 215 211 212 213 214 215 Phé Gly Val Thr Pro Phé Ser Val Thr Pro On constate ici que l acide aminé glycine a été remplacé par la sérine (par exemple codon AGU -> CGU) - La mutation est silencieuse (pas de modification). 211 212 213 214 215 211 212 213 214 215 Phé Gly Val Thr Pro Phé Gly Val Thr Pro Malgré une mutation dans l ADN, le polypeptide a ici toujours les mêmes 288 acides aminés du fait de la redondance évoquée plus haut. Ainsi, suivant leur nature et leur localisation, les mutations ont des conséquences phénotypiques variables. 1.2 Les innovations génétiques créent de nouveaux allèles Un allèle est une version d un gène. Tous les allèles d un même gène sont situés au même locus. A1 -- -- A1 A2 -- -- A2 Paire de chromosomes homologues portant deux allèles A1 et A2 du gène A (cas d hétérozygotie). Les allèles d un même gène sont situés au même emplacement ou locus. A1 -- -- A1 A1 -- -- A1 Paire de chromosomes homologues portant un allèle A1 du gène A (cas d homozygotie). Les différents allèles proviennent tous de mutations affectant des allèles préexistants. Au sein d une espèce, la plupart des organismes sont hétérozygotes pour de nombreux gènes : ils possèdent des allèles différents sur leurs paires de chromosomes homologues (voir schéma ci-dessus). Pour un même gène, il existe ainsi plusieurs allèles (polyallélisme). Certains gènes sont d ailleurs polymorphes. Un gène est qualifié de polymorphe si au moins deux de ses allèles sont présents dans l espèce à une fréquence supérieure ou égale à 1%.! Le polyallélisme n est donc pas obligatoirement associé au polymorphisme. Le polymorphisme résulte donc de l accumulation de mutations au cours des générations. 1.3 Mais parfois les innovations génétiques créent de nouveaux gènes. Un gène correspond à une séquence de nucléotides codant un polypeptide. Il est situé à un locus déterminé sur la paire de chromosomes. B -- -- B B -- -- B Exemple de deux gènes situés sur la paire d homologues : gène A et gène B. Ces eux gènes occupent deux loci différents sur le chromosome. A -- --A A -- -- A Au sein du génome d une espèce, il existe des familles de gènes ou familles multigéniques. Ce sont des gènes qui présentent de fortes similitudes : les séquences de nucléotides sont proches. Ce ne sont pas des allèles d un même gène car ils sont situés sur des chromosomes différents ou à des loci différents sur un même chromosome. L origine de ces familles multigéniques est interprétée comme le résultat d une ou plusieurs duplications, transpositions et mutations (= divergence) d un gène ancestral. Duplication : accident chromosomique aboutissant au doublement d un gène. Transposition : déplacement d un gène le long du chromosome ou sur un autre chromosome. - 3 http://lewebpedagogique.com/bouchaud

K6? K17? Transposition et divergence Transposition et divergence T et D T et D GH K17 HLP K17 HPRL K6 Duplication Duplication Un exemple de famille multigénique. Les duplications géniques sont responsables de la complexification du génome au cours de l évolution. Dans certains cas, on peut d ailleurs avoir apparition de gènes correspondant à de nouvelles fonctions. Les innovations génétiques sont aléatoires et leur nature (mutation, duplication ) ne dépend pas des caractéristiques du milieu. 2. Comment la méiose et la fécondation participent-elles à la stabilité de l espèce? Chez les organismes présentant une reproduction sexuée, il y a alternance entre une phase haploïde (n chromosomes = un chromosome de chaque paire) et une phase diploïde (2n chromosomes = paires de chromosomes). Ces deux phases sont plus ou moins longues. Par exemple, la phase haploïde domine chez le champignon Sordaria (cycle de développement haploïde), alors que c est la phase diploïde qui domine chez la Drosophile ou les Mammifères (cycle de développement diploïde). Phase n dominante Phase 2n restreinte Le cycle de développement haploïde de sordaria. http://svt.ac-dijon.fr/schemassvt/affiche_image.php3?id_document=3320-4 http://lewebpedagogique.com/bouchaud

Phase n restreinte Phase 2n dominante Le cycle de développement diploïde de l Homme. http://svt.ac-dijon.fr/schemassvt/affiche_image.php3?id_document=2109 Le passage de la phase diploïde à la phase haploïde est assuré par la méiose. Le passage de la phase haploïde à la phase diploïde est assuré par la fécondation. - 5 http://lewebpedagogique.com/bouchaud

Qté ADN 2.1 La méiose : passage de 2n à n chromosomes. Méiose : ensemble de deux divisions inséparables qui affectent une cellule diploïde (2n) et qui aboutit à la naissance de quatre cellules haploïdes (n). Seule la première division de méiose est précédée d une réplication de l ADN. Lors de la méiose, on passe d une quantité d ADN 2Q à une quantité d ADN Q/2. 2Q S G2 S G2 Q Q/2 G1 G1 Interphase Mitose Interphase Méiose Évolution de la quantité d ADN au cours de la mitose et de la méiose. Temps - Première division : elle est précédée par une phase de réplication de l ADN. Les chromosomes deviennent bichromatidiens. * Les chromosomes se condensent en prophase I. Les chromatides des paires de chromosomes homologues sont enchevêtrées (bivalents et chiasmas ; CO, voir 3). Chiasma : emplacement d un crossing-over. Une paire de chromosomes homologues dans une cellule en prophase 1 de méiose (MET x 3600). Bordas TS 2002. * Les paires de K se répartissent de part et d autre de l équateur en métaphase I. - 6 http://lewebpedagogique.com/bouchaud

* Les paires de chromosomes à deux chromatides se dissocient lors de l anaphase I. Un chromosome d une paire migre vers un pôle; l autre vers le second. Il n y a pas séparation des chromatides au niveau des centromères! (pas de paires, K à 2k, Q) *En télophase I, décondensation des chromosomes. En fin de première division de méiose chacune des deux cellules filles renferme n chromosomes, un de chaque paire, formés de deux chromatides. - Deuxième division : il n y pas de réplication de l ADN au préalable. * Les chromosomes se condensent en prophase II puis ils se placent à l équateur en métaphase II. * Les chromatides se séparent en anaphase II (disjonction) et migrent vers des pôles opposés. À noter que le plan de division est perpendiculaire au précédent. - 7 http://lewebpedagogique.com/bouchaud

Enfin, il y a décondensation en télophase II (K à 1k, Q/2). Un seule cellule sur les quatre est représentée. En fin de méiose, les quatre cellules haploïdes possèdent donc un exemplaire à 1 chromatide de chaque paire de chromosomes homologues. 2.2 La fécondation : le retour à 2n chromosomes. Chez Sordaria, la fécondation précède la méiose (cycle haploïde). Chez les Mammifères, la fécondation suit la méiose (cycle diploïde). La fécondation consiste en la fusion de deux cellules reproductrices haploïdes (n K) (gamètes chez les Mammifères) à n chromosomes conduisant à la formation d une cellule œuf diploïde (2nK) : les paires de chromosomes homologues sont de nouveau réunies. Fécondation Gamète n = 2 Gamète n = 2 Cellule oeuf 2n = 4 Les deux couleurs correspondent aux origines paternelle et maternelle des chromosomes. Bilan. L alternance fécondation- méiose permet donc le maintien du nombre de chromosomes de l espèce (conservation du nombre de K au cours des générations). On parle de stabilité de l espèce. - 8 http://lewebpedagogique.com/bouchaud

2.3 Les anomalies lors de la méiose. Des perturbations dans la répartition des chromosomes lors de la formation des gamètes conduisent à des anomalies du nombre des chromosomes. C est le cas des trisomies (= 3 K au lieu de 2), par exemple la 21 (ou syndrome de Down). Caryotype d une fille atteinte de trisomie 21. http://infodoc.inserm.fr/test_genetiques/1-bases/2-mutation-allele-polymorphisme.html Les perturbations se produisent : - soit en première division de méiose (non séparation des paires de chromosomes homologues). Les deux chromosomes de la paire migrent vers le même pôle. On obtient donc des gamètes à n+1 K et n-1 K. - Première division anormale -> gamète n + 1 + gamète n-1 - soit en deuxième division de méiose (non disjonction des chromatides sœurs). Les chromatides sœurs se séparent trop tardivement et migrent vers le même pôle. - Première division anormale. Deuxième division anormale. -> 1 gamète n + 1 + 1 gamète n-1 On obtient, dans ce cas, aussi deux gamètes normaux (n), la première division de méiose étant normale. On aboutit finalement à des cellules à n+1 et n-1 K (+ livre page 85). L union avec un gamète normal conduit aux trisomies (zygote à 2n+1). On aboutit bien sûr également à des monosomies (zygotes à 2n-1 K), mais elles ne sont pas viables. - 9 http://lewebpedagogique.com/bouchaud

Gamète anormal + gamète normal -> Cellule œuf (zygote) à 2n +1 3. Comment la méiose et la fécondation sont-elles à l origine du brassage génétique? Le caryotype est conservé de génération en génération, mais chaque individu d une espèce est génétiquement unique. 3.1 Chez les haploïdes. Comme il y a n chromosomes, le phénotype est le reflet direct du génotype. Ex. : un allèle n -> phénotype noir (pas de problème de dominance / récessivité ici). Exemple chez Sordaria : 1 gène et 2 allèles pour la couleur des spores (n et b). La fécondation est immédiatement suivie par la méiose et une mitose (voir cycle plus haut). On obtient 8 spores réparties dans des asques (les asques se trouvant eux même dans des périthèces). Chaque spore ne possède plus qu un chromosome de chaque paire, donc un seul allèle de chaque gène. Il y a 6 types d asques : les 4/4, les 2/2/2/2 et les 2/4/2. Les différents types d asques chez Sordaria. http://svt.acdijon.fr/schemassvt/affiche_image.php3?id_document=1570-10 http://lewebpedagogique.com/bouchaud

Les asques 4/4 s expliquent par la répartition aléatoire des K en métaphase I (deux cas équiprobables). Le cas inverse de celui représenté s explique par le positionnement inverse des chromosomes de la paire au départ (en métaphase I). Les asques 2/2/2/2 s expliquent par la présence d un événement rare (pour un gène considéré), le crossing-over. Le type inverse est là aussi obtenu par répartition aléatoire des K en métaphase I (50 %). On parle de brassage intrachromosomique lorsqu il y a crossing-over (la brassage est facilement démontrable avec un gène chez les haploïdes ; ce n est pas possible sans prendre au moins deux gènes chez les diploïdes). - 11 http://lewebpedagogique.com/bouchaud

Les asques 2/4/2 : présence d un crossing-over et retournement des chromosomes en métaphase I ou II (là encore le positionnement est aléatoire). 3.2 Chez les diploïdes. Ici le phénotype ne renseigne pas directement sur le génotype car il y 2 allèles pour un gène! Technique d étude des croisements. Première génération. P1 x P2 : homozygotes si lignées pures. Un seul type de gamète produit par individu. Comme l individu de première génération est hétérozygote, on peut déterminer en F1 la dominance et la récessivité (voire la codominance) respective des allèles. Deuxième génération. On fait un test-cross. On croise l individu de F1 par un homozygote récessif (simple ou double ). De cette manière les allèles cachés de F1 réapparaissent en F2, ce qui permet de faire une analyse génétique : - Si les fréquences obtenues des descendants sont de (1/4) 4 : les gènes sont situés sur des paires de K différentes - Si les fréquences obtenues des descendants différent de (1/4) 4 : les gènes sont situés sur une même paire de K. - 12 http://lewebpedagogique.com/bouchaud

* Cas de gènes indépendants. Exemple de convention pour les génotypes (des parenthèses peuvent être placées de part et d autre) : a1 a2 ; b1 b2 Les phénotypes [caractère 1 ; caractère 2] Formule chromosomique correspondant Schémas en métaphase I : deux dispositions possibles A l issue de la deuxième division de méiose (télophase II), on obtient quatre gamètes équiprobables. 1/4 1/4 1/4 1/4 Il s agit ici d un brassage interchromosomique. Pour deux paires de K, il y a 2 2 donc 4 types de gamètes (f = 0,25). Si on étudie 3 paires, 2 3 etc Chez l homme, comme il y a 23 paires, cela représente 2 23 gamètes différents. Pour démontrer ce brassage, il faut un minimum de 2 paires de chromosomes, 2 gènes et 2 couples d allèles. Bilan. Le brassage interchromosomique est dû au positionnement aléatoire des K homologues de chaque paire en métaphase I, ce qui influence leur migration en anaphase I. Plus le nombre de chromosomes de l espèce est important, plus le brassage interchromosomique est important. * Cas de gènes liés. Exemple de convention pour les génotypes (des parenthèses peuvent être placées de part et d autre) : Les phénotypes [caractère 1 ; caractère 2] Le CO en prophase I. Le résultat. a1b1 a2b2 Schémas en prophase 1) - 13 http://lewebpedagogique.com/bouchaud

Comme les gènes sont liés, il peut y avoir CO. On obtient là aussi quatre types de gamètes suite au CO : deux recombinés (ceux où le CO est visible) + deux finalement non recombinés (qui vont se mélanger avec ceux produits pas méiose sans CO en fait). Parental 1 Parental 2 Recombiné 1 Recombiné 2 Comme dans la multitude de gamètes produits, beaucoup n auront pas subi de CO (ce sont les parentaux 1 et 2), on obtient alors : (Parental 1 = parental 2) > (recombiné 1 = recombiné 2) (en fréquence). À noter que je n ai pas représenté ici la méiose sans CO : elle n aboutit qu à des gamètes (a1b1) et (a2b2). Il s agit d un brassage intrachromosomique. Pour démontrer ce brassage, il faut un minimum d une paire de K, avec 2 gènes et 2 couples d allèles! Bilan. Lors de la prophase I, il y a recombinaison possible des chromatides par crossing-over. Cela se produit à chaque méiose, à des emplacements variables. La recombinaison entraîne la formation de nouvelles chromatides et donc de nouvelles associations des allèles des gènes. Le brassage intrachromosomique augmente considérablement la diversité des gamètes produits. Comme les CO sont des événements rares (pour un gène donné), la fréquence des gamètes recombinés est très inférieure à celle des gamètes parentaux. CO : échange de portions de chromatides entre K homologues (au niveau du chiasma) au cours de la prophase I. En plus des brassages inter- et intrachromosomique qui introduisent déjà une variabilité, la fécondation, par la réunion au hasard des gamètes accroît encore cette variabilité génétique : chaque cellule œuf est donc unique (2 46 cellules œuf différentes chez l homme, en ne considérant que la brassage interchromosomique!). La reproduction sexuée assure l unicité (génétique) de chaque individu. Exemple du rôle de la méiose et de la fécondation : correction de l exercice de type bac (I) -> Voir en classe! Montrez comment, chez des organismes à reproduction sexuée, méiose et fécondation contribuent à la fois à la stabilité du génome de l espèce et à la diversité des génomes individuels. Chaque étape essentielle sera illustrée par un schéma. Votre réponse structurée, se limitera au cas d une cellule à 2n = 4 chromosomes et deux gènes a et b portés par des chromosomes différents, l un des parents possédant les couples d allèles a1, a2 et b1, b2, l autre parent les couples d allèles a3, a4 et b3, b4. 4. Quelles sont les relations entre les mécanismes de l évolution et la génétique? Rappel. Parmi les innovations génétiques, seules celles qui affectent les cellules germinales peuvent avoir un impact évolutif puisque ce sont les seules qui sont transmises à la descendance. Les mutations qui affectent les cellules somatiques ne sont pas transmises. - Une mutation conduisant à la naissance d un nouvel allèle qui confère un avantage sélectif aux individus qui en sont porteurs a une probabilité plus grande de se répandre dans la population (exemple des Phalènes. Livre pages 110 et 111) [plus de chance de se reproduire]. On parle de sélection naturelle positive. En revanche, si la mutation produit l effet inverse, elle sera éliminée (sélection naturelle négative). - 14 http://lewebpedagogique.com/bouchaud

Autre exemple : les allèles βa et βs de l hémoglobine. Ils permettent la synthèse des chaînes bêta de la molécule d hémoglobine. Βa conduit à la synthèse d une chaîne bêta normale, βs à la synthèse d une chaîne légèrement différente (1 AA modifié, mutation faux sens). La maladie étant récessive, seul le génotype βs/βs conduit à la drépanocytose. Or, l allèle βs est répandu en Afrique notamment, car il confère une relative protection vis-à-vis de Plasmodium, parasite qui provoque le paludisme. C est un autre exemple de sélection naturelle (ici par Plasmodium). L allèle βs est sélectionné positivement partout où le paludisme est présent, négativement ailleurs. Exercice 3 page 122. - Des mutations génétiques peuvent se répandre dans la population sans conférer d avantage sélectif particulier : on parle de mutation neutre (pas de conséquence sur le polypeptide formé). Le devenir des allèles est aléatoire : ils peuvent se répandre ou disparaître dans une population. Ce type de mutation peut constituer un traceur de l évolution (horloges moléculaires). Exemple : les chaînes de l hémoglobine. Livre pages 112 et 113. - Des mutations affectant les gènes du développement (notamment les gènes homéotiques) peuvent avoir des répercussions sur la chronologie et la durée relative de la mise en place de certains caractères. On parle d hétérochronie ou modification de la durée et de la vitesse de développement de l organisme au cours de l évolution. De telles mutations peuvent avoir des conséquences importantes. Elles peuvent expliquer la naissance de nouveaux plans d organisation. Exemple : passage de la nageoire à la patte chez les Tétrapodes. Exemple : chez l Homme, le crâne a une croissance ralentie par rapport au Chimpanzé. Ainsi, le trou occipital reste bloqué à la base du crâne chez l Homme (d où la bipédie permanente contrairement au Chimpanzé), le front persiste, Comparaison des crânes d un jeune Chimpanzé, d un chimpanzé adulte et d un homme. Bordas TS 2002 De même, l allongement de la durée du développement embryonnaire chez l Homme permet une plus grande multiplication des neurones donc développement plus important du cerveau. Livre page 115. L Homme pourrait ainsi être le descendant néoténique (qui a gardé des caractères juvéniles) d un animal qui aurait conservé à l âge adulte les traits qu on trouve chez les jeunes Chimpanzés actuels. Autres conséquence : membre supérieur plus court que le postérieur (cf. adaptation à la bipédie) Des mutations assez limitées ayant des conséquences majeures sur le développement, auraient été transmises d un coup à la descendance. Bilan. Les innovations génétiques peuvent être favorables, défavorables ou neutres pour la survie de l espèce. Conclusion. La méiose et la fécondation permettent le maintien du nombre de chromosomes de l espèce, mais sont également à l origine de la variabilité individuelle. Les gènes possèdent souvent plusieurs allèles (polyallélisme). Certains sont polymorphes. Cela provient de mutations qui parfois sont transmises à la descendance : de nouveaux allèles peuvent se répandre dans la population. Certaines mutations peuvent avoir des conséquences évolutives importantes. Les mutations et duplications peuvent enfin participer à la naissance de nouveaux gènes (familles multigéniques). - 15 http://lewebpedagogique.com/bouchaud