Génétique des eucaryotes diploïdes et haploïdes PDF

Preview

Summary

Cours GEF L2 sciences de la vie...

Description

Génétique des eucaryotes diploïdes et haploïdes I.

Introduction

La génétique est l’étude de l’hérédité et des mécanismes héréditaires avec ces caractéristiques. C’est une discipline récente en lien étroit avec la biochimie, la biologie moléculaire et la biologie cellulaire, et constitue une part importante de l’Histoire de la biologie du XXe siècle. C’est une discipline touchant d’autres domaines, tel que la médecine, la pharmacie, l’agriculture, la philosophie, l’éthique, la justice… Mendel est à l’origine des 1ère expériences solides des gènes et de leurs transmission. Un gène est transmis de façon : - Vertical, via les progéniteurs. - Horizontal, c’est-à-dire l’acquisition d’un gène ou d’une information génétique par un apport extérieur, d’une autre espèce. Exemple: la transformation, mécanisme de transduction, de conjugaison. La génétique a 2 niveaux: le gène et le génome. En 1940, on peut définir un gène comme une portion d’ADN qui code pour une protéine. Mais depuis on a démontrer qu’un gène peut coder pour des ARN qui ne donneront pas de protéine, et des gènes qui peuvent donner plusieurs protéines. On peut aussi qualifier un gène comme étant une unité donnant un caractère (phénotype). Aujourd’hui la connaissance des génomes et de segments d’ADN transcrit dont nous n’avons pas accès à son devenir, nous donne une conception flou et compliqué du gène. Nous avons en plus une variabilité allélique, visible par le phénotype, ainsi que son évolution. Le génome décrit l’organisation des gènes, leur nombre, la n  aissance et d  isparition des gènes et leurs fonctionnement global et évolutive. Il existe 3 différentes manière de répondre à une question biologique: - Génétique classique: on va du phénotype au génotype. On considère un individu mutant en cherchant le ou les gènes responsables de ce caractère mutant. Il faut pour cela une analyse génétique et de la biologie moléculaire. La notion de mutant permet l’étude des mutations et ses différents niveau, le recombinaison et ses mécanismes, et la transposition. - Génétique inverse: on va du génotype au phénotype. C’est une démarche au départ artificiel qui part du gène vers l’organisme mutant. Ce sont des approches qui nécessitent de connaître les principes d’analyses génétique, de biologie moléculaire et de bioinformatique (séquence d’ADN qui est un probable gène isolé que l’on modifie in vitro  avant de l’introduire transversalement pour modifier le génome).On aura les notions de mutagenèse dirigé, d’insertion de gènes et de remplacement de gène.

-

Génomique: on prend l’ensemble du génome à étudier de façon structurale (nombre, forme, taille,...), comparative (entre une même espèce ou espèces proches / variation intraspécifique), fonctionnelle.

Transcriptome : analyse de l’ensemble des ARN exprimer dans des conditions donnée d’une cellule ou un tissu. 150 ans après Mendel, la génétique a pris divers trajectoires tel que la reproduction sexuée, variation et sélection avec des points encore à étudier: - Mécanismes de la recombinaison méiotique - Origine et évolution des sexes : nouveaux éclairages apportés par les algues brunes - La valse des gènes déterminants majeurs du sexe chez les vertébrés - Micro évolution des arbres en réponse aux crises environnementales passées et actuelles - La domestication des plantes : processus et conséquences Au niveau de la santé et maladies nous avons également des points à étudier encore de nos jours: - Gènes, synapse et autismes - La révolution CrIsPr-Cas9 dans l’ingénierie des génomes : leçons tirées des bactéries - Le cancer : de la variation génomique aux mécanismes moléculaires - La thérapie génique : mythe ou réalité ? - La génétique de l’épigénétique : les leçons du chromosome X - Anticiper les maladies par la connaissance du génome individuel : quelles applications ? quelles limites ? Il existe aussi une évolution des gènes et génomes passé et futur: - La complexité cachée des mutations au sein des populations - Eléments génétiques mobiles et capture de gènes d’origine virale : mutations et « nouveaux » gènes - Les transferts horizontaux d'éléments transposables : source d'évolution des génomes eucaryotes - Variabilité génétique et épigénétique des populations humaines : une histoire adaptative

II.

Vocabulaire

Gène: information portée par une séquence d ’ADN vouée à être transcrite. Génome : ensemble de l ’information génétique d ’un individu. Mutation : Changement(s) de l’information génétique (ADN) donc héréditaire(s). Réversion : passage de l’état mutant à l’état sauvage Suppression : 2° mutation qui compense les effets de la 1°. Haploïde : individu ayant un seul lot de chromosomes Diploïde : Individu possédant deux exemplaires de chacun des chromosomes constitutifs de l ’espèce. Allèles : différentes formes d’un gène n Hétérozygote : cellule ou individu diploïde ayant 2 allèles différents. Homozygote : cellule ou individu diploïde ayant 2 allèles identiques. Dominant/récessif : Si l ’hétérozygote a1/a2 a le même phénotype que l ’homozygote a1/a1, l'allèle a1 est dominant et a2 est récessif Caractère : paramètre observable au niveau d’un individu, d’une cellule ou d’une molécule. Phénotype : ensemble des caractères observables. Génotype : description des allèles portés par un individu. Chromosome : ADN + Protéines (chromatine) contient un centromère, 2 télomères et plusieurs ARS (Séquences autonomes de réplication). Chromatide : Un chromosome en 1° division méiotique possède 2 chromatides. Centromère : 1 par chromosome, permet l’association des chromosomes aux fibres du fuseau au moment de la division cellulaire (mitose ou méiose). Télomère : extrémité des chromosomes. Conversion : forme de recombinaison, échange non réciproque de matériel génétique (ADN). Crossing-over : échange réciproque de segments homologues d ’ADN après cassure double-brin et réunion. Distance génétique : donnée par la fréquence de Crossing-over entre deux marqueurs chromosomiques. Locus : emplacement d ’un gène. > Ces définitions rappels les notions de base, mais ne sont pas à apprendre car non complète. Mutation non-sens: mutation de substitution, qui conduit au changement d’un nucléotide dans une phase codante et qui a pour conséquence l’apparition d’un codons STOP, ce qui aboutira à l’absence d’une protéine ou une protéine tronquée. Mutation faux-sens: mutation de substitution, qui conduit à la modification d’un codon qui va coder pour un autre acide aminé. Mutation décalage du cadre de lecture: changement du positionnement relatif du ribosome par rapport à la séquence de l'ARN messager d'un nombre de nucléotides non multiple de 3 conduisant à un changement d'interprétation des codons du cadre et donc de la protéine traduite.

III.

Rappels des notions de bases en génétique

Caractère: aspect, propriété biologique, structure dont on veut étudier le déterminant génétique à travers les modalités de sa transmission héréditaire. Croisement test: (test-cross) croisement d’un individu de phénotype dominant avec un individu homozygote récessif. Le but est de caractériser le génotype de l’individu au phénotype dominant qui peut être homozygote ou hétérozygote. Ce test permet de déduire le génotype des gamètes issus de la méiose et donc son déroulement. 1. Monohybridisme Le monohybridisme consiste en un croisement entre deux parents qui ne diffèrent que par un seul caractère (1 gène). On a un couple d’allèle A/a. Un gène est définie par 2 allèles, chacun caractérisé par un phénotype (un couple d’allèle). On a un allèle A (dominant) et a (récessif). Allèle dominant: allèle qui conduit au phénotype [A] dominant. (A/A ou A/a) Allèle récessif: allèle qui conduit à son phénotype [a] uniquement si on est sous forme homozygote. (a/a) Il existe des dominance complète: pas de phénotype intermédiaire avec 2 phénotypes possibles parmis les descendants. Haplo-suffisance: Semi-dominance ou dominance incomplète: on a un phénotype intermédiaire et donc 3 phénotypes possibles parmis la descendance. L’hétérozygote (A/a) a un phénotype intermédiaire, c’est-à-dire qu’il n’a pas le phénotype de A/A. Exemple: une fleur rouge (R/R), blanche (r/r) et rose (R/r). Co-dominance: les 2 caractères s’expriment et donc additivité. Exemple: les groupes sanguins du système ABO, tel que le groupe sanguin AB (allèle du groupe A et allèle du groupe B qui s’exprime par co-dominance).

Les croisements de Mendel et post-Mendel ont pour but une analyse génétique et de voir combien de gène(s) sont concernés pour un caractère donné. Les croisements informatifs sont : - Croisement d’une lignée homozygote A/A avec une autre lignée pur homozygote a/a donne 100% de A/a. Si on a dominance complète, tous les individus ont le même phénotype, mais si on a semi-dominance on a tous les descendant avec le phénotype intermédiaire.

-

-

Croisement de 2 h  étérozygotes A/a par A/a donne ¾ [A] et ¼ [a]. (ce résultat indique des hétérozygotes avec une dominance complète). Pour un croisement avec une semi-dominance on obtient ¼ dominant, ¼ récessif et ½ intermédiaire. Croisement retour A/a par a/a, c’est un croisement test, et on obtient ½ [A] et ½ [a]. On a un croisement d’un homozygote récessif par un hétérozygote.

lignée pur: lignée homozygote

2. Dihybridisme (2 gènes) Le dihybridisme consiste en un croisement entre deux parents qui ne diffèrent que par un deux caractères (2 gènes). On a 2 couples d’allèles A/a et B/b, qui sont sur 2 gènes différents. - A/A B/B x a/a b/b on obtient une descendance A/a et B/b de phénotype [AB] à 100% (dominance complète). On a 2 lignées purs croisées entre elles. - A/a B/b x A/a B/b on a une ségrégation classique de 1/16 [ab], 9/16 [AB], 3/16 [Ab] et 3/16 [aB]. Dans ce cas on a dihybridisme, gènes indépendants, les parents sont hétérozygotes, on a un allèle dominant et récessif. gamètes

AB

Ab

aB

ab

AB

[AB]

[AB]

[AB]

[AB]

Ab

[AB]

[Ab]

[AB]

[Ab]

aB

[AB]

[AB]

[aB]

[aB]

ab

[AB]

[Ab]

[aB]

[ab]

Chaque case vaut 1/16 car équiprobables. Les rapports sont modifiés par des interactions de gènes, on peut obtenir des résultats 12/3/1, 9/7 ou 9/3/4. -

A/a B/b x a/a b/b est le croisement test ou retour, sur lequel on s’appuie beaucoup. On a homozygote récessif x hétérozygote avec équiprobabilité d’¼ de chaque. On a également dihybridisme et des gènes indépendants. gamètes

AB

Ab

aB

ab

ab

[AB]

[Ab]

[aB]

[ab]

Avec des gènes liés ont obtient une ségrégation 50/50 Gènes indépendants: gènes portés par des chromosomes différents, qu’on écrit A/A et B/B. Gènes dépendants ou liés: gènes portés par un même chromosome, qu’on écrit AB/AB.

IV.

Vers une définition d’un gène

1. Historique En 1909, Wilhelm Ludvig Johannsen propose le mot gène : un terme pour définir les unités héréditaires de Mendel et successeur. C’est alors pour lui un: • Facteur transmissible (avec un certain nombre de règle) qui détermine un caractère, qui sera observable par un ou plusieurs phénotypes. • Unité de fonction révélée par un phénotype correspondant à une combinaison génotypique. On part d’un phénotype pour aller vers un génotype. Caractère transmis dans la descendance. En 1910, Thomas Hunt Morgan définit un gène comme étant situé sur un chromosome, ce qui complète la définition, et correspondant à une région de ce chromosome appelé locus (= localisation précise d'un gène sur un chromosome). « Au niveau où se situent les expériences génétiques, cela ne fait pas la moindre différence que le gène soit une unité hypothétique ou une particule matérielle. Dans les deux cas, l’unité est associée à un chromosome spécifique et peut être localisée par une analyse purement génétique  ». Extrait du discours de Morgan, lors de la réception de son Prix Nobel. Pour résoudre les analyses génétiques, on peut considérer une cellule diploïde hétérozygote. Dans le schéma de méiose, on a au départ une cellule 2n aboutissant à 4  gamètes haploïdes. A partir des années 1950, on considère un gène comme un segment d’ADN, puis à partir des années 1960 un gène est un segment d’ADN transcrit et traduit ou transcrit.

Mais avant ces définitions il faut démontrer que l’ADN est le support de l’information génétique. Une des étapes importantes est, au niveau du segment d’ADN, montrer que le gène contient aussi des éléments de régulation, permettant la modulation de la transcription, en réponse à des signaux qui permette l’augmentation ou diminution de la transcription. On réalise des travaux sur l’opéron lactose pour comprendre ces mécanismes et les molécules en jeu chez une bactérie. Ce sont des mutants qui ont permis l’étude des régions régulatrices. De 1980 à 1990 les introns et exons brouillent la définition d’un gène (épissage, épissage alternatif). En effet des expériences de biologie moléculaire ont montré une différence entre la taille d’un ARNm et la taille du gène. Au départ, on a un gène et l’initiation de la transcription. L’enzyme commence à travailler à partir de ce point là grâce à des promoteur et éléments de signalisation situés en amont. Les zones blanches sont des introns, et seront épissés, et les zones A, B, C, D et E sont des exons. Les rectangles jaunes constituent des régions UTR (région non traduite). On a une étape de transcription donnant les transcrits primaires, avec ensuite des signaux de polyadénylation (pA1, 2, 3). Des régions ne seront pas traduites (jaune) obtenant ainsi différents types d’épissage: c’est l’épissage alternatif ou différentiel. Si on fait toute les combinaisons, on obtient 4 ARN messagers. On trouve la coiffe et la queue poly-A, ajouté après le signal des pA1, 2 ou 3. On a une variabilité de l’épissage avec des domaines conservés ou non. A partir d’un gène on aura donc 4 polypeptides différents à cause de l’épissage alternatif (ils ne sont pas forcément dans la même cellule). Dans certains cas, des exons peuvent être éliminés.

Aujourd’hui on a une notion revisitée à la lumière de l’étude des génomes et des transcriptomes, puisqu’un gène correspond à une unité codante. Le gène est un concept, représentant un élément ou l’interaction d’éléments, transmissible, et dont les différences peuvent être associées à un caractère biologique. 2. Exemple de dihybridisme On a 2 couples d’allèles autosomaux (pas sur les chromosomes sexuels) chez la drosophile. V ou V+ : ailes normales v ou v- : ailes atrophiées B ou B+ : corps gris b ou b- : corps noir V et B sont dominants. - : perte de fonction conduisant à un corps noir ou aux ailes atrophiées. On a une mutation de l’allèle. On réalise le croisement de deux lignées pures (homozygotes). V/V, B/B x v/v, b/b. Le phénotype de F1 : hétérozygote V+/v-, B+/b-. On réalise le croisement retour F1 avec mâle homozygote récessif. On réalise le croisement de prédilection dans ce type d’approche avec v-/v-, b-/b- x V+/v-, B+/b-. On fait d’abord l’hypothèse que les gènes sont indépendants. Si on a 25% de chaque phénotype, les deux gènes seront considérés comme indépendants. gamètes

V+ B+

V+ b-

v- B+

v- b-

v- b-

[V+,B+]

[V+,b-]

[v-,B+]

[v-,b-]

Le croisement montre qu’on obtient quatre catégories phénotypiques. 965 corps gris, et ailes normales 944 corps noir, et petites ailes 206 corps gris, petites ailes 185 corps noir, grandes ailes Effectifs attendus : ¼ de chaque classe phénotypique Effectifs observés : 2 classes majoritaires et 2 classes minoritaires L’effectif attendu étant différents de l’effectif observé, on peut en conclure que les gènes sont liés et donc se situe sur le même chromosome. En faite, si un test-cross donne quatre phénotypes avec des pourcentages différents de 25% et avec 2 classes majoritaires et 2 classes minoritaires, les gènes sont liés.

Les classes minoritaires apparaissent suite à une méiose dans laquelle on a des répartitions nouvelles des allèles, par rapport aux parents, sur les chromosomes. On parle

aussi de classes recombinées, par opposition aux c  lasses parentales. On parlera d’haplotype parentaux, et d’haplotype recombiné. Les haplotype de la femelle sont révélés par le test cross et traduit le brassage intra-chromosomique. Le brassage inter-chromosomique est une ségrégation aléatoire des chromosomes durant la méiose. Il n’y a pas nécessité d’un mécanisme pour arriver à la situation. Le brassage intra-chromosomique repose sur un mécanisme moléculaire, de recombinaison homologue, conduisant à un échange d’allèle. Mécanisme de crossing-over, se met en place dans la recombinaison homologue. Ce mécanisme n’est pas obligatoire, mais peut être plus ou moins fréquent.

Schéma du brassage intra-chromosomique dans la méiose Nous avons déterminé que les gènes étaient liés. On calcule maintenant une fréquence de recombinaison, qui correspond au nombre d’individus recombinés sur le nombre total d’individu obtenus. Ici on a 206 + 185 = 391 recombinés. Les individus recombinés apparaissent à une fréquence r. Les phénotypes parentaux apparaissent à une fréquence 1-r (fréquence total = 1).

Chaque phénotype recombinés apparaît à r/2 et pour les parentaux à (1-r)/2. On cherche à calculer r, qui correspond à la fréquence de recombinaison:

 7% r = (206+185)/ 2300 = 0,17 = 1 Fréquence de recombinaison Pourcentage de recombinaison Dans 100 mouches, 17 ont une répartition nouvelle répartition des allèles. Ce pourcentage dépend de la mise en place de ce crossing-over. Si deux gènes sont éloignés l’un de l’autre ils ont plus de chances de faire un crossing-over. Le pourcentage de crossing-over dépend de la distance qui sépare les deux gènes, qu’on assimilé à une distance génétique. Plus la distance est grande, plus la probabilité de crossing-over est importante. Distance génétique = % recombinaison en méiose = nbre gamètes recomb/nbre gamètes totaux x 100 Ainsi 1% = 1 cMorgan. Distance génétique entre B et V = Fr(recombinaison)X 100 = 17 cM Cette unité reflète la probabilité de crossing-over entre deux gènes. Plus ils sont éloignés, plus on a de chances de mettre en place un crossing-over.

50cM est la distance maximale car on trouve au maximum 50% de recombinés. Mais l’approche actuelle ne rends pas compte de tous les cas de figure.

3. Importance du sens de croisement Démarche : • Regarder, observer. Prendre en compte ce qui est dans l’énoncé, croisement avec phénotype, résultat croisement avec phénotype. Raccroché ça à un phénotype. • Définir le génotype de chaque parent. On regarde un caractère à la fois. Un horticulteur a croisé une variété de géranium à port droit et fleurs rouges par une variété au port buissonnant et fleurs blanches. Le caractère port droit est dominant et le caractère port buissonnant est récessif. De même, le caractère fleur rouge est dominant et le caractère fleur blanche est récessif. Le résultat du croisement est le suivant : [port buissonnant, blanc] : 32 plantes [port buissonnant, rouge ] : 69 plantes [port droit, blanc] : 68 plantes [port droit, rouge] : 29 plantes Quelles conclusions apportent ces résultats ? On regarde d’abord le gène “port droit ou buissonnant”: D : port droit d : port buissonnant Le gène D est sous deux forme alléliques. On a 68 + 29 = 97 port droit et 32 + 69 = 101 port buissonnant. On a donc croisé un individu D/d par d/d, car on obtient une descendance ½ d et ½ D. L’individu croisé à port droit était hétérozygote D/d. On regarde ensuite le gène “blanc ou rouge”: R : Rouge r : blanc. On a 69 + 29 = 9...