DS 2014 correc

Exercice 2.2 (Polynésie 2014) (analyse, connaissances, déduction)
Les épinoches à trois épines (Gasterosteus aculeatus) sont des poissons qui se présentent sous deux formes
(épinoche marine et épinoche d'eau douce), selon le lieu où ils vivent.
Leurs prédateurs varient selon les milieux de vie.
À l'aide des documents ci-dessous et de vos connaissances, proposer une hypothèse pour expliquer le
mécanisme à l'origine de la morphologie des épinoches d'eau douce.
NB le cours n’étant pas finalisé sur la sélection aucune notion d’évolution n’était attendue (bonus)
Suite à la fonte de la calotte glaciaire qui recouvrait l’Amérique du nord, le Canada, des lacs se
sont mis en place et ont été peuplés par des épinoches issues des régions côtières. Aujourd’hui, on
constate de nettes différences morphologiques entre les épinoches marines et les épinoches lacustres, en
particulier les formes des eaux lacustres peu profondes.
On cherche à comprendre l’origine de cette différence morphologique et notamment celle de
l’épinoche d’eau douce.
Document 1 : Morphologie des épinoches en fonction de leur milieu de vie
Je vois que les épinoches marines ont deux nageoires pelviennes épineuses bien développées alors que
les lacustres ont des nageoires très réduites sans épines. Cette différence morphologique leur permet une
bonne adaptation à leur milieu de vie (pression de prédation)
Je sais que dans un environnement donné, ce sont les individus les mieux adaptés qui sont favorisés, ils
survivent mieux, se reproduisent, transmettent leurs gènes dont la fréquence augmente dans les
populations.
On peut faire l’hypothèse qu’un événement (mutation ?) a provoqué la disparition des épines ventrales
chez l’épinoche d’eau douce et ce caractère, favorisant la survie des épinoches a été conservé et s’est
répandu dans la population.
Les épinoches marines ont une
nageoire pelvienne épineuse
proéminente sur leur face ventrale,
ce qui les protège des gros
poissons. Les formes d'épinoche
d'eau douce n'ont plus de nageoire
pelvienne et sont ainsi moins
vulnérables vis-à-vis des larves
d'insectes prédatrices, qui ont plus
de mal à s'accrocher.
Différences morphologiques
Différences environnementales
D’après Cresko et al.2004. Parallel genetic basis for repeated evolution of armor loss in Alaskan threespine stickleback populations.
Proc. Nat. Acad. Sci. U.S.A. 101/6050-6055
Document 2 : Expression du gène PITX1 impliqué dans la mise en place de la nageoire pelvienne
épineuse au cours du développement des épinoches
Présence d’ARNm
du gène PITX1 au
niveau de la zone
d’expression de ce
gène
Les biologistes ont recherché les endroits de l'organisme où l'on peut détecter la présence d'ARNm du
gène PITX1 au cours du développement. Ces territoires sont colorés en grisé par la méthode utilisée sur
des embryons d'épinoche. Les flèches indiquent la zone d'expression du gène PITX1 observé sur la face
ventrale des embryons d'épinoche.
D’après Genetic and developmental basis of evolutionary pelvic reduction in threespine sticklebacks
Shapiro et colli. Nature 428, 717-723
Je vois la présence d’une forte concentration d’ARNm du gène PITX1 au niveau de la zone d’expression
de ce gène chez l’épinoche marine, mais pas chez l’épinoche d’eau douce
Je sais que l’ARNm est le résultat de la transcription d’un gène. ARN qui sera traduit en protéines,
responsables de la mise en place du caractère.
Si le gène PITX1 est responsable de la mise en place de la nageoire pelvienne, c’est un gène homéotique
(de développement) qui s’exprime de façon localisée (zone d’expression) pour construire la nageoire.
J’en déduis que chez l’épinoche d’eau douce
- soit le gène est absent donc non transcrit, il ne s’exprime pas dans le territoire ventral, la nageoire
ne se met pas en place.
- Soit il y a un problème de transcription.
Document 3 : Données moléculaires du gène PITX1
Document 3a : Comparaison des séquences du gène PITX1 impliqué dans le développement de la
nageoire pelvienne épineuse chez les deux formes d'épinoches
La portion du gène étudié est représentative des résultats obtenus sur l'ensemble du gène. La première
ligne correspond au gène de l'épinoche marine et la deuxième ligne au gène de l'épinoche d'eau douce.
Chaque tiret indique une identité de nucléotide.
Je vois que le gène existe bien chez les 2 formes et présente exactement la même séquence.
J’en déduis que le problème ne vient pas de l’absence (ou de la mutation du gène)
Document 3b : La régulation de l'expression du gène PITX1
Des segments d'ADN appelées séquences régulatrices présents à côté des gènes, contrôlent l'expression
des gènes.
Ces séquences de régulation jouent un rôle central dans l'évolution de la morphologie des animaux.
L'expression du gène PITX1 est activée lorsque des facteurs de transcription se lient à des sites de
fixation de la séquence régulatrice PEL. Le complexe ainsi formé déclenche la transcription du gène
PITX1 en un ARNm par l'enzyme polymérase.
D’après Pour La Science n°378 Janvier 2009
Je vois que la transcription du gène PITX1 est dépendante d’une séquence d’ADN adjacente (PEL) sur
laquelle des facteurs de transcription se fixent pour assurer la formation des ARNm.
J’en déduis que c’est un problème de transcription qui explique l’absence de nageoire chez l’épinoche
d’eau douce. On peut faire l’hypothèse qu’une absence ou une modification de la séquence régulatrice a
entraîné une absence de transcription du gène PITX1, ainsi le gène ne s’exprime pas.
Document 4 : Expériences de transgénèse sur une épinoche lacustre
Une séquence régulatrice du gène PITX1 a été identifiée en 2010 et a été appelée « pel ».
Pour détecter si des changements dans cette séquence pouvaient être à l'origine du changement
morphologique, les chercheurs ont réalisé une expérience de transgénèse.
Ils ont injecté dans des œufs d'épinoche d'eau douce, une construction génique comprenant la région
régulatrice « PEL » des épinoches marines et le gène PITX1 noté ([pel-PITX1]). Les résultats de cette
transgénèse montrent chez l'épinoche d'eau douce une nageoire pelvienne épineuse.
Je vois que le transfert d’une construction génétique [PITX1-PEL] permet la mise en place de la nageoire
pelvienne chez l’épinoche d’eau douce.
Cela confirme donc qu’il s’agit bien d’une anomalie de la séquence PEL qui empêche l’expression du
gène PITX1 dans la zone ventrale de l’épinoche d’eau douce
Mise en relation.
La différence de morphologie des épinoches d’eau douce (absence de nageoire pelvienne épineuse)
(doc1) peut être expliqué par un déficit d’expression du gène de développement responsable de la mise
en place de cette nageoire (PITX1)
Chez les épinoche d’eau douce l’abscence ou le dysfonctionnemnt de la séquence régultrice PEL
(doc3/4) empêche la transcription du gène donc pas d’ARNm.
L’absence d’ARNm dans la zone d’expression (ventrale) du gène (doc2) interdit la synthèse de la
protéine necessaire à la mise en place de la nageoire.
Ce caractère a été sélectionné dans le milieu de vie de l’épinoche d’eau douce puisque cette anomalie
représente un avantage sélectif (empêche les larves d’insectes de parasiter les épinoches.
Les sujets auxquels vous avez echappé…pour s’entraîner à la maison.
Exercice 2.2
Un modèle possible de l'histoire évolutive des gènes qui codent la lactico-déshydrogénase, enzyme
présente chez tous les êtres vivants, est représenté dans le document de référence.
Montrez, à l’aide de vos connaissances, que les informations apportées par les documents valident le
modèle proposé de l'histoire évolutive des gènes de la lactico-déshydrogénase.
Problème
Document de référence : modèle
Document1: La lactico-déshydrogénase (LDH) est une enzyme
proposé pour illustrer l'histoire
constituée par l'association de quatre chaînes polypeptidiques
évolutive qui a conduit aux gènes
qui peuvent être identiques ou non.
qui codent la lacticodéshydrogénase chez l'Homme
Chez l'Homme, il existe trois types de chaînes (LDH-A, LDH-B
et LDH-C).
2- localisation des gènes de la LDH sur les chromosomes de
l'Homme :
3 - séquences partielles d'acides aminés des chaînes
polypeptidiques LDH-A, LDH-B et LDH-C humaines, après
alignement :
Dans les séquences de LDH-B et LDH-C un tiret indique un acide
aminé identique à celui présent dans la séquence de LDH-A, laquelle
est prise arbitrairement comme référence.
On cherche à valider le schéma évolutif proposé par les scientifiques dans le document
de référence.
Doc de référence = hypothèse à justifier.
NB : On peut faire le choix de commencer par analyser (décrypter, lire) le doc de référence puis de le justifier à l’aide
des autres documents ou de commencer par analyser les docs…au choix..
Doc de référence
Les protéines A, B, C sont codées par 3 gènes ≠, (locus≠), sur des chromosomes ≠.
Ils résultent de 2 duplications successives (1ere àB/[A/C] et 2 [A/C]àA et C ) et d’une
translocation.
Chaque duplicata a subit ensuite des mutations indépendantes.
Doc 3
Les séquences sont globalement très
Les molécules sont apparentées, elles
ressemblantes.
proviennent d’un gène ancestral commun =
Famille multigénique.
Sachant que plus le nombre de similitudes est
élevé plus les gènes proviennent d’un gène
ancestral récent,
Le maximum de similitudes est observable
(A et C devraient provenir du gène ancestral le
entre entre A et C.
plus récent.
ième
Le minimum de similitudes entre B et C
A
B
C
Nbr de ≠
A
0
9/26
7/26
B
0
12/26
C
0
Doc1a.et b
Homme: 3 chaînes qui se combinent. (A, B, C)
Chez L’Homme, 3 gènes A, B et C (Locus ≠),
sont situés sur des chromosomes différents :
B : sur chromosome 12
A et C sur chromosome 11
B et C devraient provenir d’un gène ancestral plus
ancien.
l’hypothèse du document de référence indique bien
une plus grande parenté entre A et B.)
Les 3 gènes proviennent bien de 2
duplications successives
-la plus récente à A/C
-la plus ancienne à [A/C] /B
Sachant que ces chaînes sont des protéines,
il existe donc 3 séquences codantes ≠
Les 3 chaînes protéiques sont donc bien codées
par des gènes différents
Les duplications se sont accompagnées d’une
translocation
La LDH est une protéine existant chez tous les êtres vivants. Les ressemblances établies (doc3)
entre les 3 chaînes de l’enzyme existant chez l’Homme montrent qu’il s’agit d’une famille
multigénique : ces 3 gènes proviennent d’un gène ancestral présent chez l’ancêtre commun de
tous les êtres vivants.
Ce gène a subit 2 duplications successives .Chaque copie a ensuite évolué de façon
indépendante, l’une d’elle a été transloquée. (doc2)
Les documents confirment bien le scénario proposé dans le document de référence