Génétique avec Beauchaud PDF

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GENETIQUE FORMELLE Chapitre 1 : Les expériences de Mendel Introduction Mendel : Hérédité particulaire  les parents transmettent des unités héréditaires distinctes (qui restent distinctes chez le descendant). Mendel est un botaniste né au 18ème siècle. Il a arrêté ses recherches après avoir été jetée par la communauté scientifique.

I. Transmission d’un caractère = Monohybridisme Pour étudier la transmission d’un caractère sur un modèle, pour choisir celui-ci il faut : - tenir compte du cycle du modèle - avoir des caractères identifiables - qu’il soit adapté au lieu d’études (labo…) Mendel avait choisi des pois de lignée pures (=homozygotes) car : - il a des caractères faciles à observer - chaque caractères n’a que deux « variations » - la fleur est fermée donc à l’abri de la pollinisation extérieur  contrôle sur la fécondation Il a choisi une lignée pure afin d’évaluer le résultat des manipulations qu’il prévoyait faire sur ces lignées lors de leur reproduction. Pour obtenir les lignées pures il a cultivé des pois durant plusieurs générations et a sélectionné les lignées dont les pois produisaient toujours des plants semblables à eux-mêmes.  Les sept caractères du pois : diapo 4  La méthode de Mendel : diapo 5-6  Les résultats de Mendel : diapo 7  Hypothèse de Mendel : Chaque cellule reproductrice (gamète) contient un représentant de chaque type de déterminant héréditaire = gène.  Les 4 hypothèses que Mendel à émises pour expliquer les résultats de croisements monohybrides : diapo 8 Génome = ensemble des gènes qui définissent les caractères d’une espèce (≠génotype = individus) LOI DE SEGREGATION : les deux facteurs se séparent durant la formation des gamètes = séparation des paires de chromosomes homologues durant la méiose.

Nomenclature / Définitions  Les différentes formes d’un gène sont appelées les allèles  Un gène possède au moins 2allèles, un allèle « dominant » et un allèle « récessif »  Le phénotype = manifestation physique du génotype  Le phénotype [sauvage] : la forme la plus commune d’un caractère dans la population naturelle.  Le phénotype [mutant] : toute forme qui diffère du type « sauvage »  Pour nommer un gène on prend l’initiale du phénotype mutant ; l’allèle dominant sera noté R ou r+ et l’allèle récessif par la minuscule r.

 Chez un diplonte (2n chromosomes), le gène est en double exemplaire, le génotype d’un phénotype dominant s’écrit donc :

r+¿ R r+ ¿ ) R ) ou ( ¿ ¿ r+ ¿ R r ) Génotype hétérozygote : ( ) ou ( r ¿ Génotype homozygote :(

Génotype d’un phénotype récessif (homozygote) : (

r ) r

 Caractère dominant : caractère exprimé dans le phénotype quand le génotype est soit hétérozygote, soit homozygote  Caractère récessif : caractère exprimé dans le phénotype quand le génotype est homozygote.

Exemple : Générations P (ou F0) :

[grains lisses] x [grains ridés]

r+ ¿ ( r+ ¿ ) ¿ ¿ 1ère génération F1 :

(

100% [grains lisses]

(lignée pure)

r ) r (hybrides)

r+ ¿ ( r ) ¿ 2ème génération F2 :

F1 x F1 (autofécondation) ¾ [grains lisses] ¼ [grains ridés] F2 x F2 [grains ridés] x [grains ridés] 100% [grains ridés] F2 x F2 [grains lisses] x [grains lisses] Soit 100% [grains lisses] Soit 75% [grains lisses] ou 25% [grains ridés]

3ème générations F3 :

3ème générations F3 :

F2 : ¾ r+  ¼ r

F3 : ¾ r+  ¼ r r+

r+

( r

(

r+ ¿ r + ¿¿ ¿ r+ ¿ r ¿

r

r+ ¿ r ¿

) ( )

(

r r

)

r+ (lisses) r+

( )

r

(

r+ ¿ r+ ¿ ¿ ¿ r+ ¿ r ¿

) )

r (ridés)

r+ ¿ r ¿ ¿ r ( r

) )

1ère loi de Mendel : Au cours de la formation des gamètes les allèles se séparent (ségrégent) de telle façon qu’une moitié des gamètes porte un des allèles et la moitié restante l’autre. On appelle ce concept la ségrégation gale ou ségrégation de type 1:1

Rappel probabilités :

 Règle du produit : La probabilité que 2 évènements indépendants se produisent simultanément est la produit de leur probabilité respective p(a et b) = p(a) x p(b)  Règle de la somme : La probabilité pour que se produise l’un ou l’autre de 2 évènements indépendants est la somme de leurs probabilités individuelles p(a ou b) = p(a) + p(b)

 On obtient ¾ ¼ lors de la ségrégation d’un seul couple d’allèle = 2 hétérozygotes entre eux

I. Transmission de deux caractères = dihybridisme Le croissement dihybride de Mendel : DIAPO 9 - A l’issu de ce croissement il obtient 4 phénotypes différents. - proportion de 9 : 3 : 3 : 1

Dihybridisme Générations P (ou F0) :

[grains lisses, jaunes] x [grains ridés, verts]

1ère génération F1 :

100% [grains lisses, jaunes] (

2ème générations F2 :

¼ r.v

¼ r+.v

¼ r+.v+

.

v+ ¿ v ) ¿

9/16 jaunes-rondes 3/16 vertes-rondes 3/16 jaunes-ridées 1/16 vertes-ridées

¼ r.v ¼ r.v+

r+ ¿ r ¿

(

r. v ( r. v ) r .v+ ¿ r. v ¿

¼ r.v+

)

¼ r+.v

¼ r+.v+

II. Théorie chromosomique de l’hérédité 1. Historique -Tous les résultats de Mendel n’ont pas été reconnu de son vivant. -Ce sont 3autres botanistes en 1900 qui sont arrivés aux mêmes résultats que Mendel. -On commence à établir une corrélation entre le nombre de chromosomes et le nombres de gènes, la théorie chromosomique de l’hérédité prend forme : les gènes sont organisés en série linéaire le long du chromosome. -Les gènes Mendéliens sont situés sur les chromosomes et ce sont les chromosomes qui subissent les phénomènes de ségrégation et un assortiment indépendant durant la méiose. -Une explication physique au modèle de l’hérédité de Mendel est enfin donnée.

2. Méiose LES TRANSFORMATIONS CYTOLOGIQUES LORS DE LA MEIOSE :  Méiose réductionnelle Prophase 1 : l’appariement des chromosomes homologues Métaphase 1 : séparation des chromosomes homologues  possibilité de crossing over Anaphase 1 : Télophase 1 :  Méiose équationnelle Prophase 2 : Métaphase 2 Anaphase 2 : Télophase 2 :

3. Découverte de la liaison au sexe 1. Chez un diplonte, tous les chromosomes sont présents par paires d’homologues morphologiquement identiques sauf les chromosomes sexuels : - en 1891, on a montré que chez les mâles criquet, un des chromosomes n’a pas d’homologue : ce chromosome non apparié a été appelé chromosome X - ce chromosomes état présent dans toutes les cellules somatiques et dans seulement la moitié des cellules spermatiques - la signification biologique de cette observation devient évidente lorsqu’on s’aperçut que les femelles possédaient 2 chromosomes X - chez d’autres espèces où les femelles ont 2chromosomes X, le mâle possède un chromosome morphologiquement différent, appelé chromosome Y -Les chromosomes X et Y s’apparient au cours de la méiose mâle car ils possèdent une courte région homologue aux deux extrémités. -Les ovules contiennent un chromosome X -La moitié des spermatozoïdes contiennent un chromosomes X, l’autre moitié contient un chromosome Y -Chez les mammifères, beaucoup d’insectes et autres animaux ainsi que chez certaines plantes à fleurs, la femelle est XX et la mâle XY

-Chez les oiseaux, certaines reptiles et poissons, chez les papillons on a l’inverse -Afin de distinguer ces chromosomes, on appelle W et Z les chromosomes sexuels chez ces espèces -Les femelles sont WZ et les mâles WW

2. Les expériences de Thomas Hunt Morgan, successeur de Mendel -Au début des années 1900 -Le premier à associer un gène spécifique à un chromosomes donnés. -Expérience menées sur des drosophiles.

POURQUOI DES DROSOPHILES : -Mouche peu nuisible -Prolifique (environ 100individus en 15jours) -On peut facilement en identifier le sexe par l’abdomen -N’a que 8chromosomes -Ses chromosomes sont géants donc bien visible au microscope -Détermination du sexe ressemble à celle de l’humain 3paries autosomes (=chromosomes non sexuels) et 1paires hétérosomes (=chromosomes sexuels) XX chez la femelle

LE MATERIEL DE MORGAN N’ETAIT PAS VARIE Donc Morgan a créé ses propres mutations. Pour cela il a soumis certaines populations au rayon X  obtention d’un mâle aux yeux blancs. Il a donc commencé à réaliser plusieurs types de croisements.

LA NOTATION DE MORGAN BASEE SUR L’ALLELE MUTANT  Désignation de l’allèle mutant ? -Un premier mutant aux ailes courbées (curly) est trouvé -Il sera désigné par cy -Si cet allèle domine l’allèle normal « ailes droites » on le désigne par Cy (c majuscule) -Si cet allèle est récessif par rapport à l’allèle normal (ailes droites » on le désigne par cy (c minuscule)  Désignation de l’allèle sauvage ? -Par le celui qui -Doté exposant : Cy+

même symbole que désigne l’allèle mutant d’un signe + en ou cy+

 Le gène est situé sur le chromosome sexuel X P1 Lignée pure :

femelle [rouge] Sauvage

x

mâle [blanc] mutant

X b+¿ ( X b+ ¿ ) ¿ ¿ Gamètes

(

(X b+)

(X b) ; (Y)

F1 hybrides :

(X w+)

F2 :

Xb ) Y

femelle [rouge]

(X b)

(Y)

Femelle [rouge]

Mâle [rouge]

x

mâle [rouge]

(X b+)

(Y)

(X b+)

Femelle [rouge]

Mâle [rouge] 50%

(X b)

Femelle [rouge]

Mâle [blanc] 50%

3. La non-disjonction -A partir de travaux d’un élève de Morgan : Calvin BRIDGES -Chez la drosophile le chromosome Y est indispensable au développement des mâles mais n’intervient pas dans la détermination du sexe -Les individus XXY sont des femelles morphologiquement normales et fertiles -Les individus X0 sont des mâles morphologiquement normaux mais stériles.

CROISEMENT ET RESULTATS EXPERIMENTAUX 1mouche sur 2000 état différente en F1 : Soit obtention d’une femelle aux yeux blancs. Soit obtention d’un mâle aux yeux rouges  Ces rares exceptions sont dues à d’occasionnels problème de séparation des 2chromosomes X au cours de la méiose femelle, c’est ce qu’on appelle la non-disjonction.

III. Chromosomes sexuels et liaison au sexe 1. Terminologie -Sexe homogamétique : sexe ne présentant qu’un type de chromosome sexuel (XX ou WW) -Sexe hétérogamétique : sexe présentant 2 types de chromosomes sexuels (XY ou WZ) -Autosomes : chromosomes non sexuels -Hétérosomes : chromosomes sexuels (Ex : l’homme possède 22paires autosomes et 1paire hétérosome)

2. Hérédité liée à l’X chez l’homme GENERALITE -Tous les gènes portés par les chromosomes sexuels ne concernent pas les fonctions sexuels (ex : gène white de la drosophile) -Les généalogies humaines de caractères liés à l’X présentent des propriétés différentes des autres modes de transmission : -pour les caractères dus à un allèle récessif lié à l’X, les individus affectés sont, dans la majorité des cas, des hommes. Les femmes étant presque toujours hétérozygotes, elles n’expriment que très rarement le phénotype mutant. -Les hommes affectés ont des fils qui n’expriment pas le caractère (on suppose que la femme qui entre dans la famille est saine). Ceci s’explique car les hommes transmettent leur chromosome X à leurs filles. -Une femme dont le père était porteur du caractère aura des fils normaux et de fils affectés en proportions égales. La fille d’un homme affecté étant presque toujours hétérozygote.

ETUDE DES LIGNAGES (arbres généalogiques)  Lignage : regroupement, dans un arbre généalogique, de l’histoire d’un caractère particulier d’une famille  Utilité ? - permet d’étudier la génétique humaine sans faire les nombreux accouplements que l’on fait parfois pour d’autres espèces - de déceler les porteurs d’une maladie dans une famille - de prédire la probabilité d’apparition de cette maladie chez les futurs enfants - de déduire si le caractère étudié est dominant ou récessif et s’il est lié aux autosomes ou aux hétérosomes.

3. L’inactivation du chromosome X GENERALITE -Chez les individus de type XX il existe 2copies du chromosomes X d’où un problème de dosage des gènes portés par ce chromosome par rapport aux individus de type XY (le Y porte peu de gènes) -Chez les organismes concernés s’est mis en place un phénomène de compensation de dosage afin de corriger la différence de dosage entre les sexes : -Soit par augmentation de l’activation des gènes portés par le chromosome X chez les mâles (drosophiles) -Soit par leur diminution chez les femelles. -Chez les mammifères, un chromosome X est activé et l’autre est inactif.

LE CORPUSCULE DE BARR Les femmes ont deux chromosomes X. Comme un seul X est nécessaire pour assurer le développement normal, un des deux X se condense. Au début du développement embryonnaire femelle, les deux X sont actifs et ils demeurent dans les cellules germinales (ovogonies).  Conséquences : -Compensation de dosage -Les femelles sont « mosaïques » pour l’expression des gènes liés au chromosome X ; Une mosaïque génétique est un individu qui possède des cellules d’au moins 2génotypes.

4. Hérédité liée à l’Y Maladies liées au chromosome Y : - palmure des orteils - fusion de deux ou trois dents - oreilles et corps couverts de poils - peau craquelée et écailleuse Chez les humains, le sexe mâle est déterminé par la présence d’un gène SRY sur le chromosome Y.

IV. Liaison génique (linkage) 1. Découverte Le croisement pour deux caractères non liés au sexe : - caractère corps gris (b+) ou noir (b) - caractère ailes normales (vg+) ou vestigiales (vg) Morgan a utilisé ces 2 caractères pour faire le croisement : Il a croisé une drosophile femelle sauvage [corps gris, ailes normales] de race pure, avec un mâle double mutant au corp noir [black] et aux ailes atrophiées [vestigiales] La F1 est homogène et sauvage. A la F2, on croise une femelle F1 avec un mâle au corps noir et au ailes vestigiales. Les résultats obtenus sont : -965 drosophiles [sauvages] -944 drosophiles [corps noir, ailes vestigiales]

-206 drosophiles [corps gris, ailes vestigiales] -185 drosophiles [corps noir, ailes normales] Les phénotypes sont le reflet direct des gamètes de l’hétérozygote. Les 2derniers phénotypes obtenus sont les phénotypes recombinés. F2 :

femelle

x

mâle

b+ , vg+ ¿ b,v ) ( ¿

(b , vg)

b , vg

( b , vg )

(b+ , vg+)

(b , vg)

(b+ , vg)

(b , vg+)

[b+, vg+]

[b, vg]

[b+, vg]

[b, vg+]

Gamètes parentaux Gamètes recombinés

P>>>R Les phénotypes parentaux et recombinés seront égaux deux à deux

Les phénotypes de la F2 sont le reflet exact des gamètes de l’hétérozygotes. Hypothèse de Morgan : - Les gènes étudiés sont portes par le même chromosome et se transmettent ensemble dans un gamète - Il existe un mécanisme d’échange de segments entre les homologues qui brise quelquefois la liaison entre les gènes.  Le mécanisme d’échange de Morgan est le processus de l’enjambement ou chiasma qui se produit en prophase 1 de la méiose.

2. Nomenclature – Terminologie - Les chiasmas sont les manifestations visibles des crossing over (CO) - Le processus de crossing over est responsable de la recombinaison des allèles entre chromosomes homologues. - L’arrangement initial des gènes sur les 2chromosomes est appelé combinaison (ou type) parental(e) - Les 2 nouvelles combinaisons sont appelés recombinants. - Le génotype s’écrit : (

a+b + ¿ ab ) ¿

- On parle de configuration couplée (cis) ou de couplage lorsque les 2 allèles dominants (ou récessifs) sont sur le même chromosome. - Les allèles sont dits en configurations de répulsion (trans) lorsqu’on a la liaison d’un allèle dominant avec un allèle récessif.

3. Définition LA RECOMBINAISON INTERCHROMOSOMIQUE : - Elle est obtenue par l’assortiment mendélien indépendant

- Elle dépend de la position des chromosomes non-homologues à la métaphase I - Dans ce cas les 2 classes de recombinants constituent toujours 50% de la descendance.

LA RECOMBINAISON INTRACHROMOSOMIQUE : - Elle est produite par le crossing over - La moitié des produits de la méiose sont des recombinants - La fréquence de recombinants est toujours inférieure à 50%

La fréquence de recombinaison : Rapport entre le nombre de recombinants et le nombre total de descendants. Dans le croisement dihybride de Morgan il y a 17% d’individus recombinants :

[

206 +185 ] x 100 = 17% 2300

Remarque 1 : un crossing over donne toujours 2produits réciproques, ce qui explique pourquoi les classes réciproques sont approximativement de fréquences égales. Remarque 2 : les gènes portés par un même chromosome peuvent s’associer de manière indépendante (fréquence de recombinaison égale à 50%), s’ils sont très éloignés l’un de l’autre. Caractéristique de la recombinaison : - Le taux de recombinaison est une caractéristique d’un couple d’allèle - Le taux de recombinaison est le même chez les hétérozygotes en couplage ou en répulsion Unité cartographique : - Une unité de distance relative sur un chromosome - Equivalente à une fréquence de recombinaison de 1% - Egale à 1cM (centimorgan)

- Dans le croisement dihybride de Morgan il y a 17% d’individus recombinants, il y a donc 17cM entre les deux gènes b et vg. Valeur du centimorgan : - Les centimorgans n’ont pas de dimension absolue, car la fréquence des enjambements n’est pas la même partout le long du chromosome. Car particulier de mâle de la drosophile : - Il n’y a pas de recombinaison chez les mâles de la drosophile car tous les crossing over sont inhibés - L’absence de recombinaison provoque une liaison complète de tous les allèles portés par un même chromosome - Chez la plupart des autres animaux et plantes, la recombinaison a lieu chez les 2 sexes.

4. Carte de liaison ou carte chromosomique Carte génétique : - Séquence relative des gènes le long d’un chromosome - Carte établie à partir des données d’enjambements Carte cytologique : - Emplacement exact des gènes le long d’un chromosome donnée - Carte établie par des techniques de coloration, de marquage, de microscopie…

5. Double crossing-over GENERALITE : - Lorsque la région comprise entre 2 gènes est suffisamment large, 2 (ou même plusieurs) crossing over peuvent se produire. - Les doubles CO peuvent passer inaperçus - Les doubles CO sont détectables grâce aux expériences de recombinaison utilisant 3paires d’allèles. - Chez un triple hétérozygote si 2 CO se produisent de part et d’autre du gène médian cela va provoquer un échange réciproque des allèles de ce gène. - C’est un moyen pour obtenir des données de recombinaison et pour déterminer l’ordre des gènes (sans avoir à calculer leurs distance).

Chez un triple hétérozygote si 2 CO entre 2 chromatides se produisent de part et d’autre du gène médian, ils provoquent un échange réciproque des allèles de ce gène.

REGLE : - Dans tout croisement, aussi complexe soit-il, les deux types gamétiques les plus fréquents pour toutes les paires de gènes, sont non-recombinants - Cela fournit la phase de liaison (cis ou trans) des allèles chez les parents. - L’effet d’un double CO est d’interchanger entre les chromosomes représentants de la paire allélique située au milieu. - Pour trouver l’ordre des gènes : chaque gamète double recombinant présentera toujours une combinaison allélique du type parental pour 2 allèles. - Dans les résultats précédents, le gamète double recombinant (lz+, gl+, su) correspond à la combinaison parentale (lz+, gl+, su+) pour le lz et gl mais pas pour su  su est le gène du milieu - Le gène...