PARTIE 1 La Terre dans l’Univers, la vie et l’évolution du vivant A/Expression, stabilité et variation du patrimoine génétique CHAP.4: Génotype, phénotype et environnement Introduction : Les portions codantes de l’ADN comportent l’information nécessaire à la synthèse de chaînes protéiques issues de l’assemblage d’acides aminés et l’élaboration de protéines variées. Les protéines sont des éléments moléculaires fondamentaux de la cellule et de l’organisme. Le phénotype d’un individu est l’ensemble de ses caractéristiques observables et mesurables. Le Génotype est l’ensemble des allèles d’une cellule (donc d’un organisme) I. Les différents niveaux de phénotype : ACT.7/8 Tableau récapitulatif relatif au phénotype drépanocytaire 1) Exemple de la drépanocytose : L’ensemble des protéines qui se trouvent dans une cellule correspond au phénotype moléculaire. L’hémoglobine est la protéine concernée ici. Chez les ind. sains, on trouve la protéine HbA soluble dans le plasma : protéine constituée de 4 chaînes de globine. Rôle dans le transport de l’O2. Chez les drépanocytaires, on trouve Hb S qui diffère de HbA par un seul AA ( une valine est remplacé par un acide glutamique) Phénotypes moléculaires sont soient : [HbA] . [HbS] Cette modification de la séquence induit le changement de la conformation 3D, ce qui provoque la polymérisation des molécules d’HbS, qui forment alors des fibres dans la GR. Chez l’individu sain le phénotype cellulaire est [GR biconcaves] alors que chez l’individu drépanocytaire, c’est [GR en faucille] ; Ces GR déformés ont des difficultés à circuler dans les vaisseaux, en particulier au niveau des articulations, ce qui cause [les crises de douleur articulaire, les problèmes d’anémie….] :Phénotype macroscopique. Le ph. Moléculaire détermine donc le ph. Cellulaire qui induit le ph. Macroscopique. 2) Exemple de l’albinisme II. Le génotype détermine le phénotype : Le phénotype moléculaire est le résultat de l’expression des gènes. a) Notation Génotype : allA1//allA2 Analyse génétique : Observation : La drépanocytose touche différents membres de cette famille aux différentes générations. ( et ) I 1 II 1 2 2 3 4 5 III 1 2 3 IV 1 2 3 On peut donc en déduire qu’il s’agit d’une maladie héréditaire, c'est-à-dire transmissible à la descendance. Cette maladie touche aussi bien les garçons que les filles. Il s’agit d’une maladie autosomale, cela veut donc dire que le gène impliqué dans cette maladie se trouve sur une paire d’autosomes (chromosomes non sexuels). Les individus I1 et I2 sains, ont un enfant exprimant la drépanocytose sur 4. Les individus I1 et I2 ont donc transmis chacun à leur enfant II4 l’allèle muté GHbS. Il est donc homozygote pour le gène de la bétaglobine (GHbS//GHbS) et les parents hétérozygotes (GHbS//GHbA). Les parent n’exprimant pas la maladie, mais porteurs d’un allèle muté, sont qualifiés de porteurs sains. La drépanocytose est donc qualifiée de maladie récessive. b) des génotypes différents pour un phénotype : - Les allèles d’un même gène peuvent coder pour des protéines différentes ; le génotype influence la réalisation du phénotype, on obtient des phénotypes différents. Ex : (HbS//HbA). - Des génotypes différents peuvent aboutir à un même phénotype grâce à la possession Des génotypes différents peuvent aboutir à un même phénotype grâce à la possession d’un caryotype diploïde, c'est-à-dire au fait d’avoir des paires de chromosomes homologues ; cette diploïdie permet aux allèles d’un même gène de se retrouver : à l’état homozygote (deux allèles identiques pour la paire de chromosomes homologues) à l’état hétérozygote (deux allèles différents pour le même locus) ; dans un rapport de dominance / récessivité : l’allèle est dominant, il s’exprime même s’il n’est présent qu’en un seul exemplaire, c'est-à-dire à l’état homozygote et hétérozygote ; l’allèle est récessif, il s’exprime uniquement lorsqu’il est présent en deux exemplaires, c'est-à-dire à l’état homozygote ; des allèles peuvent être codominants, ils s’expriment tous les deux à l’état hétérozygote. Le polyallélisme (nombreux allèles existant pour un même gène) est tel que l’expression d’un gène donné conduit bien souvent à de multiples phénotypes, et pas seulement à deux phénotypes alternatifs. Exemple des groupes sanguins : GR Chaque individu est caractérisé par son phénotype sanguin (= groupe sanguin). Il en existe quatre au total (A, B, AB et O) déterminés par la présence ou l'absence de marqueurs(= à la surface des globules rouges. Chaque phénotype sanguin est déterminé par un couple d'allèles portés par la paire de chromosomes 9. Il existe 3 allèles en tout (système ABO) : - allèle A permet la synthèse d’une molécule de surface de type A - allèle B permet la synthèse d’une molécule de surface de type B - allèle O ne permet la synthèse d’ aucune molécule de surface Les allèles du système ABO sont co-dominants : si un individu possède deux allèles différents, ils s’exprimeront tous les deux. Exercice Déterminer génotype chacun individus : le de des de l'arbre généalogique et indiquer si ils sont homozygotes ou hétérozygotes pour le gène considéré. Représenter les chromosomes pour tous les individus de l’arbre. Expliquer la transmission héréditaire du caractère groupe sanguin pour la descendance des individus I1 et I2. Schéma bilan : diapo geno PHENOTYPE ALLELE HOMOZYGOTE Centromère Chromatides Un gène : 2 allèles Allèle A, allèle le plus fréquent Allèle a, allèle muté, moins fréquent Ecriture du génotype : A A A A A a A a A A Ecriture du génotype : A a a Ecriture du génotype : a a a a Individu : A A a a Hétérozygote pour le gène considéré Individu : A Hétérozygote pour le gène considéré Individu : a a Ecriture du génotype : Homozygote pour le gène considéré A a Ecriture du génotype : L oc us d’un g ène Deux chromosomes homologues ont la même taille, la même place du centromère et portent aux mêmes locus les mêmes gènes (pas forcément les mêmes allèles) Individu : a A L’homme est un organisme diploïde. Chaque chromosome est présent en 2 exemplaires, on parle de chromosomes homologues. Un chromosome constitué de 2 chromatides (issues de la duplication de l’ADN) Homozygote pour le gène considéré Individu : A a Hétérozygote pour le gène considéré Phénotype ; [A] Phénotype si A> a ; [A] Phénotype si a> A ; [a] Phénotype : [a] Phénotype si A et a codominent [Aa] Attention ne pas utiliser la notation du tableau pour dominance et récessivité Exemple de la drépanocytose Cellule homozygote (HbA//HbA) Cellule hétérozygote (HbA//HbS) L’individu qui possède le génotype HbA//HbS ne présente pas de signe clinique de drépanocytose. Il présente donc le même phénotype que l’individu homozygote pour ce gène HbA//HbA. donc la maladie. Seul l’individu HbS //HbS présente On observe que du fait de la dominance ou récessivité des allèles, plusieurs génotypes peuvent donc correspondre à un même phénotype. De plus, il existe de nombreux caractères poly ou multigéniques (voies métaboliques comme pour l’albinisme, phénylcétonurie, groupes sanguins), il suffit d’un gène défectueux pour que le produit final diffère. De ce fait plusieurs génotypes peuvent engendrer le même phénotype. (Cf.EXOS) III/ Influence de l’environnement : ACT 7/8 1) Facteurs environnementaux : D’après les documents de l’activité 7/8, dégagez les conditions indispensables pour que les hématies d’une personne subissent les déformations caractéristiques de la drépanocytose ? Quelles « conditions environnementales »semblent favoriser la polymérisation de l’hémoglobine S ? 2) Influence du contexte génétique :ex. du % d’hémoglobine F sur le phénotype drépanocytaire : Analyser les documents ci-après afin de montrer que le produit de l’expression d’un gène modifie le phénotype engendré par les allèles d’un autre gène. Comment peut-on qualifier le premier gène par rapport à l’autre ? Parmi une population d’individus de génotype HbS//HbS, on a identifié deux catégories de patients : certains développent des crises drépanocytaires graves et fréquentes ; d’autres ne développent qu’exceptionnellement des crises qui restent bénignes. Les patients qui souffrent de crises caractéristiques de la drépanocytose ont un taux d’hémoglobine F inferieur a 10 ‰ ; ceux qui ne développent que de rares crises ont un taux d’hémoglobine F qui atteint 2 à 7 %. 3) Drépanocytose et paludisme : Le paludisme est dû à un protozoaire transmis à l’homme par des piqûres de moustiques et qui se développe dans les hématies. Plus de 400 millions de personnes sont atteintes et 2 millions meurent chaque année. En utilisant les documents, discuter la part de l’environnement et du génotype dans le phénotype paludéen . Corrige bilan ne Dans un milieu (environnement) normalement oxygéné l’hémoglobine HbS polymérise pas et l’individu présente des hématies normales. Dans un milieu où la concentration en O2 diminue (hypoxie) ou si la température augmente, l’hémoglobine HbS polymérise et déforme les hématies en faucilles, l’individu est atteint d’une crise de drépanocytose. Dans le 2) Influence du contexte génétique (autres gènes présents chez l’individu qui n’ont pas une influence directe sur le phénotype considéré) Par exemple, le % d’HbF (Hb codée par un gène différent de celui codant pour Hb A ou S : ce n’est donc pas un allèle de ce gène) des symptômes des individus de phénotype influe sur la gravité drépanocytaire. On observe en effet que dans la population de drépanocytaires présentée, les individus du groupe 2 possédant un taux important d’HbF (supérieur à 30%), ne présentent que des crises rares et bénignes à l’inverse de ceux du groupe 1, dont le taux d’HbF est inférieur à 30% . On peut donc dire que le gène GHbF est un gène modulateur du gène GHbS responsable du phénotype drépanocytaire . Le phénotype drépanocytaire est donc dit polyfactoriel: il est lié non seulement aux facteurs de l’environnement mais aussi au contexte génétique des individus. Dans le 3, on observe sur les doc. que les individus atteints de paludisme et qui possèdent par ailleurs un génotype hétérozygote HbS//HbA (donc non drépanocytaire) meurent beaucoup moins (0 ou 1) que les individus non hétérozygotes (1 à 6,5). On peut donc en déduire que la présence dans le génotype de l’allèle HbS est un contexte génétique qui protège les individus des conséquences graves du paludisme. On a observé que certains individus n’étaient pas « contaminables » par le VIH. En effet, le VIH pour pénétrer les cellules se fixent à des récepteurs = protéine CCR5 (codée par un gène) à la surface de nos cellules. Lorsque l’individu possède une mutation sur ce gène, la protéine CCR5 est « anormale », le VIH ne peut s’en servir et il ne peut donc contaminer les cellules. L’individu ne peut être infecter et développer le sida. Un caractère phénotypique dépend souvent de l’expression de plusieurs gènes et non d’un seul. De ce fait plusieurs génotypes peuvent conduire à un même phénotype. De nombreux caractères bien que dépendants des gènes sont influencés par des facteurs de l’environnement très variés (paramètres environnementaux, alimentation, pratique sportive, mais aussi le contexte génétique de l’organisme.) Les relations entre génotype, phénotype et environnement sont donc très complexes… diapo du gène vers la protéine Diapo geno pheno environnement