Chapitre D LA COMPLEXITE DES RELATIONS ENTRE GÈNES, PHÉNOTYPES ET ENVIRONNEMENT (ancien programme) DES GENES A LA REALISATION DES GENOTYPES (Nouveau programme) 1
Au cours du Chapitre A, nous avons vu que le phénotype se définit à différents niveaux : macroscopique, cellulaire et moléculaire. En réalité, le phénotype moléculaire permet d expliquer le phénotype macroscopique. Or ce sont les gènes qui codent pour les protéines spécifiques responsables des caractères phénotypiques. Donc le génotype détermine le phénotype. On pourrait donc penser qu il existe une relation linéaire entre un gène et un caractère, le premier déterminant le second. En réalité, les relations entre le génotype et le phénotype sont souvent plus complexes. 1. Les phénotypes multigéniques. a. Plusieurs gènes pour un caractère. - Un caractère est qualifié de monogénique (= monogénétique) s il ne dépend que d un seul gène. La majorité de ces caractères sont connus d après l étude de maladies génétiques : la présence d allèles (version d un gène) défectueux de ce gène se traduit par une absence ou un dysfonctionnement de la protéine correspondante. On peut citer comme maladies monogéniques, la mucoviscidose ou la myopathie de Duchenne. Cependant les caractères monogéniques sont rares. Un même caractère peut être gouverné non pas par un, mais par plusieurs gènes. - La majorité des caractères visibles comme la couleur des yeux ou de la peau, la forme d un organe, dépend de plusieurs gènes. Ces caractères sont qualifiés de multigéniques (ou encore de polygéniques). On peut prendre l exemple de la pigmentation de la peau c'est-à-dire l exemple de la synthèse de la mélanine (voir chapitre B). Cette synthèse résulte souvent d une succession de réactions biochimiques qui transforment, étape par étape, un produit initial. Or dans le Chapitre B, nous avons vu que chacune des réactions est catalysée par une enzyme spécifique et chacune de ces enzymes est codée par un gène différent. Très souvent, la réalisation d un caractère phénotypique est encore plus complexe. Reprenons l exemple de la couleur de la peau. Pour que la peau prenne sa couleur, il faut une synthèse de mélanine mais aussi l exportation de cette mélanine vers les cellules superficielles de l épiderme. La synthèse de mélanine résulte d une voie métabolique mettant en jeu plusieurs gènes mais l exportation des vésicules contenant la mélanine nécessite une forme de myosine (protéine) qui est issue de l expression d un autre gène. Si un des gènes est muté, le résultat sera le même. Ainsi, pour un caractère, il n y a pas un gène mais plusieurs gènes mis en jeu. L autre exemple est l exemple de certains cas d obésité. Plusieurs gènes ont été identifiés dans certains cas d obésité. Les individus mangent tout le temps et se nourrissent de façon excessive. L arrêt de la sensation de faim est dû à une hormone appelée leptine. Cette hormone est fabriquée par les cellules adipeuses grâce à un gène qui code pour cette protéine. Pour que cette protéine puisse agir, celle-ci doit se fixer sur ses récepteurs localisés sur certaines cellules du cerveau. Ces récepteurs résultent de l expression d un autre gène. On peut expliquer l absence de satiété de deux façons : -soit une mutation du gène codant la leptine. -soit une mutation du gène qui code pour le récepteur de la leptine. Par ces deux exemples, on constate que la connaissance du phénotype n est pas suffisante pour déterminer quel génotype en est à l origine. 2
Ainsi pour un caractère, il n y a pas un gène mais plusieurs gènes mis en jeu. b. Plusieurs génotypes possibles pour un même phénotype. Dans le cas des caractères monogéniques, le phénotype est le reflet direct du génotype. Il n en est pas de même pour les caractères polygéniques. La couleur de la peau est un exemple de caractère polygénique : la mutation d un gène se traduit par l absence de pigmentation de la peau. Mais la mutation d un gène très différent, qui code pour une protéine de la famille des myosines, empêche l exportation des vésicules de mélanine vers les cellules épidermiques. Cette anomalie entraîne une absence de pigmentation de la peau. A travers cet exemple, on constate que des génotypes différents peuvent conduire à un même caractère phénotypique. L idée essentielle à retenir est la suivante : Si nous connaissons le génotype de l individu, nous pouvons en déduire son phénotype, mais l inverse n est pas vrai, la connaissance du phénotype ne permet pas de déduire avec certitude le génotype. Jusqu à présent nous avons considéré que le phénotype était déterminé à partir de l expression d un ou de plusieurs gènes. Le génotype participe à l élaboration du phénotype. Cependant, de nombreux exemples permettent de montrer que l environnement peut être un facteur important et influent dans l apparition de différents caractères. 2. Le rôle de l environnement dans l apparition du phénotype. a. L influence de l environnement sur l expression des gènes. Chaque cellule d un organisme contient la totalité de l information génétique mais seuls certains gènes s expriment dans une cellule, lui conférant ses caractères propres. Cette expression est variable au cours du temps, en effet, elle peut être stoppée, activée, ralentie ou stimulée. On dit que l expression de l information génétique est régulée ou constitutive. Exemple : Expérience1 Expérience2 Expérience3 Conditions de culture Glucose Glucose + Lactose Lactose Substrat consommé Glucose Glucose + Lactose Lactose Transcription du gène LacZ Très faible Très faible puis forte Forte Le glucose et le lactose sont des sucres qui peuvent être utilisés comme source d énergie par des bactéries. Lorsque ces deux sucres sont présents dans leur milieu de vie, les bactéries E.coli utilisent préférentiellement le glucose. En l absence de glucose, ces bactéries exploitent le lactose grâce à la production de trois protéines spécifiques impliquées dans le métabolisme du lactose. Les gènes de ces protéines (lacz, lacy et laca) se succèdent dans cet ordre sur le chromosome bactérien et sont transcrits en même temps lorsque le premier est transcrit. A travers cet exemple, on constate que certains gènes ne sont exprimés qu à la suite de la perception d un ou de plusieurs signaux : on dit que leur expression est inductible. En effet, des signaux internes ou externes à l organisme, de nature très variée, sont susceptibles de déclencher la fixation sur l ADN de protéines appelées facteurs de transcription. Une fois fixés, ces facteurs de transcription interagissent avec l ADN et l ARN polymérase pour initier la transcription d un gène. 3
Exemple : en l absence de glucose, un signal chimique active une protéine du cytoplasme appelée CAP. Celle-ci peut se fixer sur l ADN au niveau d une séquence particulière située avant les gènes «lac» nécessaires à l exploitation du lactose. La liaison de la protéine CAP avec l ADN provoque une déformation de la molécule d ADN (rotation de 80 ) qui favorise la fixation de l ARN polymérase et donc la transcription des gènes «lac». b. L effet des allèles d un gène dépend de l environnement. Les gènes codant pour des protéines sont directement responsables de la réalisation du phénotype. Mais, l intervention d une protéine dans la mise en place du phénotype est ellemême dépendante de facteurs environnementaux. L exemple de la drépanocytose. Une mutation en un endroit précis du gène de la b-globine se traduit par la synthèse d une Hb anormale (HbS). Cependant, la crise drépanocytaire ne se déclenche que dans des conditions particulières liées à l environnement : c est seulement quand la concentration en O 2 diminue (c'est-à-dire l hypoxie) ou bien si la température augmente, que cette Hb polymérise et déforme les hématies. 4
L exemple de la tyrosinase «Température sensible». Certains animaux comme les chats siamois possèdent une tyrosinase, une enzyme responsable de la synthèse de mélanine. Cette enzyme est très sensible à la température. Cette enzyme présente une activité optimale pour une température de 35 C puis son activité chute brutalement pour une température supérieure à 37 C. Ainsi, la synthèse de mélanine ne se réalise que dans les parties froides du corps à savoir les extrémités des pattes, du museau. Dans les zones les plus chaudes du corps, la tyrosinase est peu active ce qui conduit à un pelage plus clair. On parle souvent de prédisposition génétique et de détermination multifactiorelle : que recouvrent ces expressions? 3. Des relations complexes. a. La notion des gènes de prédisposition. On appelle gène de prédisposition, un gène dont la possession augmente la probabilité de développer un caractère donné. Certains gènes de prédisposition ont été identifiés dans le cas des cancers et des diabètes. La possession d un gène de prédisposition est un facteur de risque mais il s agit d une probabilité et non d une certitude. b. Le phénotype multifactoriel. La relation entre génotype et phénotype est complexe. La réalisation du phénotype dépend des gènes mais également de nombreux autres facteurs : interactions entre les différents gènes, influence du milieu extérieur, de l alimentation, du milieu de vie. On peut prendre l exemple du risque aux maladies cardiovasculaires : il dépend de nombreux facteurs génétiques mais également de l alimentation, de la pratique ou non d activités physiques, la consommation de tabac, d alcool La mise en place d un caractère met en jeu, le plus souvent, de nombreux facteurs. On parle de phénotype multifactoriel = phénotype qui dépend de plusieurs facteurs différents, génétiques et / ou environnementaux. Conclusion. La complexité des relations entre génotype et phénotype fait qu il est très difficile de prédire précisément un phénotype à partir de la connaissance du génotype. Cependant, on connaît de plus en plus de gènes et on comprend mieux leur rôle. A l heure actuelle, on se dirige vers une médecine prédictive, qui consiste à préciser une probabilité ou un risque de développer une maladie. 5