STABILITE ET VARIABILITE DES GENOMES ET EVOLUTION

 
Objectifs: Nature du programme génétique, notions de mutation, de parenté, rôles respectifs des gènes et de l'environnement dans la réalisation du phénotype, relations entre gènes et protéines, diversité allélique au sein d'une espèce et conséquences phénotypiques sont des thèmes qui ont été abordés dans les deux classes précédentes.
Le polymorphisme des gènes et les familles de gènes au sein d'une espèce doivent être compris comme le résultat d'une accumulation des innovations génétiques au cours des générations successives.
Dans les cycles de développement des espèces à reproduction sexuée, deux événements fondamentaux, méiose et fécondation, sont toujours présents: ils assurent en même temps la stabilité des espèces et le brassage des allèles des gènes.
Nous verrons pour finir, à l'aide d'exemples, quels sont les liens entre génétique et mécanismes de l'évolution.
 
Thèmes traités et activités pédagogiques (durée: 6 semaines):
L'apport de l'étude des génomes : les innovations génétiques.
Méiose et fécondation participent à la stabilité de l'espèce.
Méiose et fécondation sont à l'origine du brassage génétique.
Exemples de relations entre mécanismes de l'évolution et génétique.

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LES INNOVATIONS GENETIQUES

 
La molécule d'ADN, apparemment stable, est le siège de mutations susceptibles de modifier les séquences de nucléotides qui constituent les gènes. Nous allons essayer de comprendre comment les innovations génétiques sont à l'origine de la diversité et de la complexification des génomes.
 

1 Comparaison des allèles des groupes sanguins A, B, AB et O

Les groupes sanguins A, B, AB et O correspondent à la présence de marqueurs à la surface des hématies.
La dernière étape de leur synthèse est catalysée par une enzyme codée par un gène situé sur le chromosome 9, dont il existe trois allèles A, B et O.
Seuls les deux premiers sont susceptibles de s'exprimer, le troisième ne gouverne la synthèse d'aucune enzyme: c'est un gène amorphe.
En observant le shéma ci-contre, dites quel est le rôle de chaque enzyme. Etablissez la relation existant entre la diversité des allèles du gène et celle des phénotypes observés.
 
Cette diversité existant dans les versions alléliques d'un gène et dans les phénotypes est appelée polymorphisme génique.
C'est ici l'occasion de vérifier, comme nous l'avons fait en 1ère S, que le phénotype s'exerce à différents niveaux:
Nous allons essayer à présent de comprendre en quoi consistent les différences entre les allèles du gène: pour cela nous utiliserons un logiciel d'analyse de séquences nucléiques et protéiques: ANAGENE, que vous avez déjà utilisé en classe de 1ère S.
 
1 - Ouvrez le logiciel ANAGENE et choisissez dans "Thèmes d'étude": "POLYMORPHISME DES GENES".
2- Choisissez "Polymorphisme de ABO".
3 - Comparez les séquences des différents allèles en prenant A comme référence.
4 - Identifiez la nature et la position des mutations.
5 - Convertissez les séquences nucléotidiques et recherchez les différences entre les polypetides enzymatiques.
6 - En réinvestissant vos connaissances sur les mécanismes d'action des enzymes et notamment sur le site actif, vous essaierez d'expliquer comment les différences au niveau de l'enzyme peuvent entraîner des différences au niveau des marqueurs A et B. De même, pour l'allèle O, vous essaierez de comprendre les raisons de l'inactivité de l'enzyme.
7 - Pour finir, vous rappellerez quels peuvent être les différents types de mutations ponctuelles.

2 Polymorphisme et fréquence géniques

Après avoir dégagé une vue d'ensemble des divers types de différences entre les allèles d'un gène chez un individu, nous allons prendre conscience que pour beaucoup de gènes de l'espèce, il existe plusieurs allèles répandus au sein d'une population. Le polymorphisme génique revêt ainsi un caractère quantitatif.
Un gène est qualifié de polymorphe si au moins deux de ses allèles sont présents dans l'espèce à une fréquence égale ou supérieure à 1%.

2.1 LES SEQUENCES DU GENE QUI CODE POUR L'ALPHA-ANTITRYPSINE:

Le gène de l'alpha-antitrypsine et ses allèles:

 ALLELES
 FREQUENCE ESTIMEE EN % (population blanche des USA)
 Taux d'-AT dans le sang (en % de la mormale)
 Quantité d'-AT dans le sang chez l'homozygote (mg/dL-1)
 Risque de maladie chez l'homozygote
 M' 1 (le plus ancien et seul présent dans les premières populations)
 20 - 23
 100
 150 - 350
 non
 M 1
 44 - 49
 100
 150 - 350
 non
 M 2
 14 - 19
 100
 150 - 350
 non
 M 3
 10 - 11
 100
 150 - 350
 non
 S
 2 - 4
 40 - 70
 100 - 200
 non
 Z
 1 - 2
 10 - 15
 15 - 50
 oui
 NULL 1
 rare
 0
 0
 oui, précoces
 NULL 2
 rare
 0
 0
 oui, précoces

Il ressort de cette étude:

2.2 L'ORIGINE DU POLYALLELISME

C'est donc dans les mutations qu'il faut rechercher l'origine du polyallélisme: une mutation est une modification de la séquence nucléotidique de l'ADN.

Une mutation ponctuelle ne concerne qu'une paire de nucléotides (ou quelques nucléotides adjacents) et relève de:

Une mutation peut résulter d'une erreur d'appariement lors de la réplication de l'ADN, mais aussi de différentes altérations des nucléotides. C'est un phénomène rare, spontané et aléatoire, mais dont la fréquence peut être augmentée par certains facteurs qualifiés de mutagènes (UV, rayons X, radioactivité, substances chimiques,...).

Il faut bien comprendre qu'une modification nucléotidique sur l'ADN de cellules somatiques, c'est-à-dire non reproductrices, n'affecte que les cellules issues de cette cellule mutée, mais ne se transmet pas à la descendance. Pour qu'un nouvel allèle soit transmis de génération en génération, il est nécessaire que la mutation affecte les cellules germinales, c'est-à-dire celles qui sont à l'origine des gamètes.

Le taux de mutation germinale (nombre de mutations par gamète produit) est évalué, chez l'homme à 10e-6 par gène. Ce faible taux est en accord avec l'apparition constante de nouveaux allèles au cours des temps et le polyallélisme résulte donc de l'accumulation de mutations au cours des générations.

2.3 LES CONSEQUENCES DES MUTATIONS

Les mutations somatiques n'ont de conséquences que pour l'individu qu'elles affectent et sont une cause importante de cancérisation.

Les mutations germinales se transmettent par mitoses à l'ensemble des cellules de l'organisme héritier et peuvent avoir des conséquences variables:

Beaucoup de mutations sont désavantageuses, voire délétères, mais il arrive, même si le cas est rare, qu'une mutation confère un avantage à l'organisme, lui ouvrant ainsi ne nouvelles possibilités: la conséquence peut ainsi être déterminante en terme d'évolution.

3 D'autres innovations génétiques: les familles multigéniques

3.1 LES GLOBINES HUMAINES

Pour information...
L'hémoglobine est une hétéroprotéine complexe formée de l'association de quatre chaînes polypeptidiques et d'un groupement non protéique appelé hème, contenant du fer.

Chez l'homme adulte elle comporte en général deux chaînes de globine 2 de141 acides aminés et deux chaînes de globine 2 de 146 acides aminés (hémoglobine A), mais aussi de façon minoritaire une combinaison 22 (hémoglobine D) que vous pouvez observer en 3D avec le logiciel RASMOL.

L'organisme humain fabrique plusieurs types d'hémoglobines au cours de sa vie, constituées par l'assemblage de diverses chaînes de globines, comme le montre le document ci-dessus:
Tous les gènes fonctionnels codant ces différentes chaînes protéiques sont regroupés en famille:

3.1.1 Comparaison des molécules de globines:

Il ressort de cette étude qu'il existe dans le génome humain des gènes apparentés, présentant des ressemblances qui ne peuvent s'expliquer par des processus aléatoires. Les gènes concernés appartiennent à ce que l'on appelle une famille multigénique.

Mais il reste à préciser les causes de cet apparentement et des différences constatées entre ces gènes, ce qui ne peut être fait avec le logiciel. On comprendra ainsi ce que revêt la notion de famille multigénique.

3.2 LES MECANISMES DE LA CREATION DE GENES NOUVEAUX

Pour rendre compte de l'existence, chez un même organisme, de différents gènes codant pour des protéines homologues, les spécialistes pensent que:

Ces mécanismes de duplication-transposition / mutation ont pu se reproduire plusieurs fois, créant ainsi les différents gènes d'une famille multigénique.

On peut ainsi parler de mutations étendues, par opposition aux mutations ponctuelles, où des séquences plus ou moins longues d'ADN correspondant à un gène entier peuvent être perdues, inversées, dupliquées, transposées. Après mutations il se forme deux gènes différents codant pour des protéines dont les fonctions pourront être différentes. Il y a ainsi enrichissement du génome avec apparition de nouveaux phénotypes.
En ce qui concerne les globines humaines une illustration très schématique de ces mécanismes est proposée ci-dessous:

3.3 RELATIONS DE FILIATION ENTRE LES GENES CODANT POUR LES DIFFERENTES GLOBINES: L'HISTOIRE D'UNE FAMILLE MULTIGENIQUE