Lycée Regnault Ibtisam Boudouaia 2017-2018 Chapitre II : la dynamique du génome Notions : Des anomalies peuvent survenir. Un crossing-over inégal aboutit parfois à une duplication de gène. Un mouvement anormal de chromosomes produit une cellule présentant un nombre inhabituel de chromosomes. Ces mécanismes, souvent sources de troubles, sont aussi parfois sources de diversification du vivant (par exemple à l'origine des familles multigéniques). Notion : D'autres mécanismes de diversification des génomes existent : hybridations suivies de polyploïdisation, transfert par voie virale, etc. Rappel des acquis : En seconde : À l’échelle d’une espèce, la biodiversité correspond à la diversité des allèles des différents gènes et à leur fréquence dans les différentes populations de cette espèce. En première : les mutations géniques créaient de nouveaux allèles. Au niveau d’une espèce, la biodiversité génétique est donc le résultat d’une accumulation de ces mutations. Le chapitre précédent a permis de comprendre que la reproduction sexuée par les mécanismes de la méiose et de la fécondation permettait de créer de nouvelles combinaisons d’allèles d’une génération à l’autre. Pourtant, l’association de mutations et du brassage génétique au cours de la méiose puis de la fécondation ne suffit pas à expliquer la diversification génétique des êtres vivants. Pb : Quels sont les processus autres que les mutations et le brassage génétique pouvant rendre compte de la complexité des génomes et donc de la diversification génétique des êtres vivants ? I- Les modifications du nombre de chromosomes A- La non ségrégation des chromosomes ou des chromatides lors de la méiose Etude de caryotypes d’individus atteints d’aneuploïdie (anomalies du nombre de chromosomes) 1 Lycée Regnault Ibtisam Boudouaia 2017-2018 Thème 1-A-2 Diversification génétique et diversification des êtres vivants TS OBLI ACTIVITE 1 : Etude de quelques anomalies du nombre de chromosome Eléments de correction pour l’ACTIVITE 1 : Etude de quelques anomalies du nombre de chromosome La perturbation responsable de la formation d´un gamète contenant deux chromosomes 21 peut survenir durant la première ou la deuxième division de la méiose. Durant la première division : la non-séparation des Durant la deuxième division : la non-séparation chromosomes homologues : des chromatides : Les deux chromosomes 21, toujours formés de deux La première division se déroule normalement et chromatides, migrent du même côté de la cellule lors donne naissance à deux cellules filles qui de l´anaphase I. contiennent chacune un chromosome 21 formé de Une des deux cellules à l´issue de la télophase I deux chromatides. Lors de la deuxième division, possède alors deux chromosomes 21 et l´autre aucun. les deux chromatides se séparent mais migrent La deuxième division aboutit à la formation de deux vers le même pôle de la cellule donnant ainsi cellules possédant deux chromosomes 21 simples. naissance à un gamète possédant deux chromosomes 21. Ensuite à la fécondation, il y a fécondation d´un ovocyte contenant deux chromosomes 21 par un spermatozoïde n´en contenant qu´un seul. Cela donne une cellule œuf d´individu trisomique. Schéma pour la translocation robertsionienne 2 Lycée Regnault Ibtisam Boudouaia 2017-2018 Les patients porteurs d’une translocation robertsonienne ont un caryotype à 45 chromosomes. Le fragment composé des bras courts des acrocentriques est perdu. Lors de la méiose, Il existe un risque de formation de gamètes déséquilibrés donnant des zygotes trisomiques ou monosomiques. Conclusion : Les anomalies de nombre peuvent se traduire par l’absence d’un ou de plusieurs chromosomes ou la présence d’un chromosome supplémentaire dans le caryotype de l’espèce. Les anomalies de nombre s’expliquent le plus souvent par la non-disjonction des chromosomes homologues au cours de l’anaphase de la première division de méiose ou par la non-disjonction des chromatides lors de la seconde phase de la méiose. Au final, deux chromosomes d’une même paire au lieu d’un seul peuvent alors se retrouver dans un même gamète. Si ce gamète est fécondé par un gamète normal, l’œuf qui en résultera sera donc trisomique : si le gamète ne contient aucun chromosome de la paire considérée, l’œuf sera monosémique. B- Polyploïdie etdiversification des génomes Indication : La ploïdie est le nombre de jeux de chromosomes, c’est à dire le nombre de copies des différents chromosomes formant le génome. Dans le noyau des cellules humaines, il y a deux copies de chaque chromosome. On parle alors de diploïdie. Quand le nombre de lots de chromosomes est supérieur a` deux, on parle de polyploïdie. 3 Lycée Regnault Ibtisam Boudouaia 2017-2018 Thème 1-A-2 Diversification génétique et diversification des êtres vivants TS OBLI ACTIVITE 2 : Polyploïdie et diversification des génomes Eléments de correction : ACTIVITE 2 : Polyploïdie et diversification des génomes Correction : La figure de métaphase d’une mitose Triticum monococcum montre distinctement 14 chromosomes ; celle de métaphase de méiose 1 montre 7 paires de chromosomes appariés. Cela conduit à la formule chromosomique 2n=14. Il s’agit donc du caryotype d’une espèce diploïde. La figure de métaphase de mitose de Triticumturgidum (durum) montre 28 chromosomes et celle de méiose 1 montre 14 paires de chromosomes appariés. On arrive dont à la formule chromosomique 2n=28. Enfin, la photo de métaphase de mitose de Triticumaestivum permet plus difficilement de compter le nombre de chromosomes : 42 mais sur la photo de méiose 1 on distingue nettement 21 paires de chromosomes appariés. La formule chromosomique est donc 2n=42 chromosomes. Avec ces documents, on ne peut conclure à la polyploïdie des blés dur et tendre car le comportement des chromosomes à la méiose chez ces deux espèces est typique de celui d’une espèce diploïde. On peut seulement constater que les trois espèces de blé diffèrent par leur nombre de chromosomes et que ce nombre est un multiple de 7. Est ce que cela est dû au hasard ou à un mécanisme à l’œuvre lors de la formation des deux espèces de blé dur et tendre ? Comparaison des caryotypes Le caryotype de Triticum monococcum présente toutes les caractéristiques d’un caryotype classique. Il s’agit donc du caryotype d’une espèce diploïde. En revanche les caryotypes du blé dur et du blé tendre présentent une originalité. Celui du blé dur montre deux groupes de 7 chromosomes, désignés par les lettres A et B. Dans chaque groupe, chaque chromosome est représenté en deux exemplaires ce qui est habituel (chromosomes homologues). Le caryotype du blé tendre montre, outre les deux groupes de chromosomes A et B, un troisième groupe de 7 chromosomes, D. Chez une espèce comme Triticum turgidum où le nombre de chromosomes est de 28, les chromosomes du caryotype devraient être numérotés de 1 à 14 et chez le blé tendre (42 chromosomes) de 1 à 21. Ce n’est pas le cas. 4 Lycée Regnault Ibtisam Boudouaia 2017-2018 On identifie seulement 7 chromosomes ayant chacun un représentant dans les groupes A et B (A1 et B1, A2 et B2, etc.) chez le blé dur, et un représentant dans les groupes A, B et D chez le blé tendre. Ainsi, on voit que le Triticum turgidum a 4 exemplaires de chaque chromosome et est donc tétraploïde ; Triticum aestivum a 6 exemplaires de chaque chromosome et est donc hexaploïde. TOP :http://lewebpedagogique.com/tleclerc/files/2016/10/activite-GE6v1-ble-corrige.pdf Comparaison des séquences de GLU La comparaison des séquences nucléotidiques des gènes GLU (gènes de gluténines) des lots A,B et C du blé tendre à l’aide d’anagène montre : • 72,3% d’identité entre GLU-A et GLU-B • 77% d’identité entre GLU-A et GLU-D • 73,3% d’identité entre GLU-B et GLU-D Ce fort degré d’homologie confirme que les trois séquences ont une origine commune : elles sont issues d’un unique gène GLU ancestral présent chez l’espèce ancestrale à partir de laquelle la famille des blés s’est diversifiée. Remarque : ce degré d’homologie est cependant moins élevé que celui qui existe entre des allèles du même gène. En effet, ces gènes différents ont évolué indépendamment les uns des autres au fil des générations et accumulé des mutations différentes Les gènes GLU-A, GLU-B et GLU-D sont homéologues. Comparaison des séquences des gènes GLU de T. monococcum, T. speltoides et T. Tauchii 5 Lycée Regnault Ibtisam Boudouaia 2017-2018 La comparaison des séquences des gènes GLU de T. monococcum, T. speltoides et T. Tauchii confirme l'implication de ces espèces dans l'histoire évolutive des blés. En particulier, les séquences de GLU-D de T. aestivum et GLU de T. tauschii présentent près de 88% d'identités. C'est en accord avec l'implication relativement récente de T. tauschii (8000 à 9000 ans). Bilan : Pour l'obtention du blé dur : Il y a d'abord eu hybridation de deux espèces Triticum urartu et Aegilops speltoides (-17000 ans). Les hybrides possèdant des chromosomes non homologues (7 de type A et 7 de type B), ils étaient certainement stériles car les chromosomes ne pouvaient pas s'apparier lors de la méiose (pas de formation de gamètes). Un événement secondaire de polyploïdisation (méiose anormale) a permis le doublement des chromosomes. Ceci conduit à l'apparition d'une nouvelle espèce T. turgidum tétraploïde (génome AABB) sauvage. L'homme a sélectionné certains individus du fait de leurs caractéristiques, peu à peu et cela a conduit à la formation d'une variété domestiquée de T. turgidum (blé dur). [Voir chapitre sur la plante domestiquée] Pour l'obtention du blé tendre : Il y a eu croisement du blé dur cultivé par l'homme avec une espèce diploïde sauvage (T. tauschii). Les hybrides triploïdes (ABD) étaient certainement stériles car leurs chromosomes de type A, B et D ne sont pas homologues. Un événement de polyploïdisation a permis de doubler le nombre de chromosomes de façon accidentel et a conduit à l'apparition d'individus hexaploïdes fertiles. C'est la naissance d'une nouvelle espèce, le blé tendre. Les hybridations entre espèces, suivies de polyploïdisation peuvent donc être à l'origine de nouvelles espèces et c'est donc un processus permettant la diversification du génome. 6 Lycée Regnault Ibtisam Boudouaia 2017-2018 7 Lycée Regnault Ibtisam Boudouaia 2017-2018 La polyploidisation La polyploidisation peut résulter d’un doublement du stock chromosomique d’une même espèce : dans ce cas, on parle d’autopolyploïdasation. Les espèces dites alloploïdes résultent, quant à elles de l’addition du génome de deux espèces différentes. L'allopolyploïdie : Lors d’une hybridation le descendant hérite de chaque parent d’un lot de chromosomes : la méiose est impossible car les chromosomes n'ayant pas leur homologue, l’appariement est impossible. Cet individu hybride est alors stérile. Parfois dans une cellule germinale, une méiose débute, les chromosomes sont doublés mais la division ne s’effectue pas car le fuseau méiotique ne se forme pas. Les chromosomes néoformés ne sont pas séparés : il y a eu doublement accidentel de chromosome. Si plus tard une méiose reprend, comme chaque chromosome possède un double, la division sera possible et la fertilité sera rétablie. Ces polyploïdes présentent donc des génomes différentes de ceux des espèces dont ils proviennent : ils exprimeront des caractères différents. Indication et rappel : Un polyploïde contient plus de deux lots complets de chromosomes. Les cellules polyploïdes sont généralement plus volumineuses que les diploïdes. Les plantes polyploïdes donnent généralement (mais pas toujours) des fruits plus gros que les plantes diploïdes. C’est pourquoi des événements de polyploïdisation spontanée ont été sélectionnés à plusieurs reprises au cours de l’histoire de l’agriculture. Schéma représentant l’autopolyploidisation 8 Lycée Regnault Ibtisam Boudouaia 2017-2018 Schéma représentant l’allopolyploidisation Conclusion : La polyploïdie caractérise les organismes qui possèdent plus de deux jeux complets de chromosomes dans leur génome. Ce phénomène contribue à la complexification du génome et à la diversification génétique des êtres vivants. Il peut être à l’origine de l’apparition d’une nouvelle espèce par hybridation et est donc un mécanisme important sur le plan évolutif. En effet, la duplication du génome offre un large potentiel d’innovation et donc d’adaptation des espèces car les gènes dupliqués peuvent diverger. Transition : Le nombre de chromosomes d’un individu au sein d’une population peut être conforme à celui de l’espèce à laquelle il appartient alors qu’une observation attentive de chaque chromosome peut révéler des remaniements dans la structure d’un ou de plusieurs chromosomes. Q : Comment la structure des chromosomes peut être modifiée ? Comment ces modifications peuvent-ils être à l’origine d’une diversité génétique ? II- Les modifications de la structure des chromosomes 9 Lycée Regnault Ibtisam Boudouaia 2017-2018 Thème 1-A-2 Diversification génétique et diversification des êtres vivants TS OBLI ACTIVITE 3 : Modification de la structure du chromosome et diversité génétique Eléments de correction ACTIVITE 3 : Modification de la structure du chromosome et diversité génétique Document 1 : Les trois hormones présentent des formes très voisines ce qui laisse penser à des séquences d’acides aminés très voisines et sans doute des séquences de nucléotides très voisines à l’origine de ces différentes séquences d’acides aminés. Ce document permet d’affirmer que ces séquences de nucléotides sont des gènes différents car situés à des loci différents et non des allèles d’un même gène (hypothèse possible pour expliquer la parenté). Présentation des résultats pour les communiquer : lorsque vous avez à présenter des résultats de comparaison avec le logiciel Anagène, il faut toujours penser au TABLEAU de comparaison qui est le plus judicieux. Tableau 1 : Comparaison des séquences en acides aminées des différentes hormones (2 à 2) en % de ressemblances (Comparaison avec discontinuité) GH HLP HPRL GH 100 % HLP 85% 100 % HPRL 22.5% 23.3% 100 % Cette comparaison montre que toutes les hormones ont des chaines d’acides aminés qui se ressemblent à plus de 22 %. Tableau 2 : Comparaison des séquences de nucléotides de gènes des différentes hormones (2 à 2) en % de ressemblances (Comparaison avec discontinuité) GH HLP HPRL GH 100 % HLP 92 % 100 % HPRL 43,3 % 45 % 100 % Toutes les hormones ont des chaines de nucléotides qui se ressemblent à plus de 43 %. Ces ressemblances peuvent donc nous conduire à deux propositions d’interprétation. Proposition 1 : ces séquences seraient des allèles différents d’un même gène créés à la suite de mutations. Cette hypothèse ne peut pas être retenue car le document 1 indique que ces séquences de nucléotides ne sont pas situées sur le même locus (soit sur les chromosomes 17 et même sur des chromosomes différents 6). Elles ne sont donc pas des allèles différents d’un même gène mais des gènes différents. Proposition 2 : ces gènes sont tous issus d’un gène ancestral qui aurait été copié. Dans les documents, on précise qu’une ressemblance des séquences d’acides aminés de plus de 20% indique un lien de parenté. Cette parenté traduit une parenté entre les gènes des différentes protéines qui indique que ces gènes sont issus d’un même gène ancestral. 10 Lycée Regnault Ibtisam Boudouaia 2017-2018 Chaque copie et le gène ancestral auraient donc subi des mutations différentes au cours du temps qui explique les différences entre les séquences mais cette hypothèse ne peut être ni réfutée ni approuvée par les documents. Néamoins, on peut dire que des gènes différents possédant une très forte ressemblance de séquence constituent une famille multigénique. Leur forte ressemblance traduit la création de l’ensemble de la famille par copie (= duplication) d’un gène ancestral. Bilan : Les hormones étudiées ont un lien de parenté. Si les séquences d’acides aminés sont très voisines, c’est parce que les séquences de nucléotides qui les codent sont aussi très voisines. Ces séquences très voisines de nucléotides indiquent que ces gènes sont issus d’un même gène ancestral et constituent une famille multigénique. Schéma présentant le mécanisme conduisant à l'apparition d’une famille multigénique 11 Lycée Regnault Ibtisam Boudouaia 2017-2018 Indication : les duplicata peuvent être transposés soit sur le même chromosome soit sur un autre chromosome (respectivement : transposition et tranlocation) Remarque : Certains chercheurs pensent que ces remaniements chromosomiques jouent un rôle important sur le plan évolutif, en particulier dans la formation de nouvelles espèces. INFORMATION : Des familles multigéniques Avec le séquençage du génome, de nombreuses familles de gènes ont pu être décrites parmi les quelles : Famille des gènes des histones : un grand nombre de gènes identiques qui s’expriment tous au moment de la duplication des chromosomes. Famille des gènes des récepteurs aux hormones stéroïdes : gènes qui codent pour des récepteurs spécifiques des molécules de testostérone, oestrogènes, progestérone… Famille des gènes des hormones glycoprotéiques (antéhypophysaires et placentaires) : gènes qui codent pour FSH (chromosome 11), TSH (hormone qui stimule la glande thyroïde, chromosome 1), LH et HCG (chromosome 19)… Famille des gènes des hormones post-hypophysaires : gène de la vasopressine (vasopressine : ADH) qui agit au niveau du rein, gène de l’ocytocine OT qui en présence d’oestrogènes déclenche la contraction des muscles utérins à l’accouchement et agit sur les muscles des glandes mammaires provoquant l’éjection de lait au moment de la tétée. Famille des gènes des ARN ribosomiaux : nombreux et situés sur les chromosomes 13, 14, 15, 21 et 22. Famille des gènes de la rhodopsine et des pigments impliqués dans la vision des couleurs situés sur les chromosomes X et 7 ( voir activité de 1S). Famille des gènes homéotiques : les gènes homéotiques jouent un rôle clé lors du développement embryonnaire des animaux. Ils sont responsables de l’identité des différentes parties du corps suivant un axe antéro-postérieur. Présentant des séquences extrèmement conservées au sein du règne animal, 12 Lycée Regnault Ibtisam Boudouaia 2017-2018 ils sont regroupés en complexes : un complexe Hom situé sur le chromosome 3 chez la drosophile, quatre complexes Hox situés sur les chromosomes 6, 11, 15 et 2 chez la souris. Famille des gènes des marqueurs de l’identité du système HLA : ce sont des molécules de nature protéique présentes à la surface de la membrane cellulaire. Il existe 6 gènes codant pour ces protéines, localisés sur le chromosome 6, dont les principaux sont : HLA-A, HLA-B et HLA-C. Les familles de gènes croissent par duplication génique. Le génome humain est constitué pour environ 5% de segments dupliqués. Cependant beaucoup de gènes dupliqués perdent leur fonction ; ils deviennent des pseudogènes par inactivation génique ; ils contiennent des codons-stops prématurés, des mutations faux-sens ou des délétions qui empêchent la formation d’une protéine active. Conclusion : Deux séquences sont dites homologues si elles ont un ancêtre commun. En pratique, l'homologie est mise en évidence en recherchant des similitudes entre les séquences. Mais deux séquences similaires ne sont pas forcément dérivées d'un ancêtre commun. Au sein du génome d’une espèce, des gènes différents codent pour des protéines très proches dites homologues. Ils présentent des similitudes au niveau de leur séquence nucléotidique témoignant d’une origine commune. Ces gènes homologues constituent une famille multigénique. Une similitude supérieure à 20% des nucléotides ne peut être due au hasard et indique une parenté entre les gènes correspondants. Les similitudes entre gènes s’interprètent comme le résultat d’une ou plusieurs duplications à partir d’un gène ancestral. La duplication génique est un mécanisme génétique faisant appel, entre autres, au crossing-over inégal à partir duquel on retrouve deux gènes identiques à la place d’un seul sur un même chromosome. Ces gènes sont par la suite dupliqués plusieurs fois et les copies ont ensuite divergé par accumulation de mutations pour donner les gènes des familles actuelles. Remarque : Plus le % de ressemblance entre 2 gènes est élevé et plus la duplication est récente. Plus le % de ressemblance entre 2 gènes est faible et plus la duplication est ancienne. Une telle famille de gènes illustre bien comment a pu s’établir la complexification du génome par duplications de gènes puis mutations successives. La duplication génique est donc un processus innovant à l’origine de gènes nouveaux. Indications : - Les mutations sont aléatoires. Les multiples copies du gène ancestral peuvent donc connaître plusieurs évolutions possibles. 13 Lycée Regnault Ibtisam Boudouaia 2017-2018 - - - Dans certaines copies, il apparaît des mutations à l’origine d’un codon-stop par exemple. Ces copies ne codant plus pour des protéines fonctionnelles sont des pseudogènes. Certaines copies codent pour des protéines ayant des fonctions identiques alors que, dans d’autres cas, les mutations accumulées sont à l’origine de copies codant pour des protéines réalisant de nouvelles fonctions. Les copies du gène issues des duplications peuvent rester proches sur les mêmes chromosomes, ou être localisées sur des chromosomes différents (transposition). Notion : Des anomalies peuvent survenir. Un crossing-over inégal aboutit parfois à une duplication de gène. Un mouvement anormal de chromosomes produit une cellule présentant un nombre inhabituel de chromosomes. Ces mécanismes, souvent sources de troubles, sont aussi parfois sources de diversification du vivant (par exemple à l'origine des familles multigéniques). Constat : Le séquençage de nombreux génomes a permis aux chercheurs de constater, non sans surprise, que des espèces différentes sur le plan morphologique possédaient de nombreux gènes similaires. Pb : Comment expliquer qu’un même ensemble de gènes peut aboutir à des organismes différents ? III- Modification de l’expression des génomes A- Gènes de développement et plan d’organisation Gènes du développement = gènes homéotiques Des informations sur le programme de développement des organismes Support 1: les gènes homéotiques, des gènes architectes Le programme de développement d'un organisme est inscrit dans son patrimoine génétique. Les cellules issues d'une même cellule-œuf ayant la même information génétique présentent des destinées différentes. On s'est ainsi longtemps demandé ce qui gouvernait l'identité positionnelle des différentes structures au cours du développement. Les premiers éléments de réponse ont été fournis par l'étude de certaines mutations génétiques changeant le cours du développement chez la drosophile. Un gène homéotique est, par définition, un gène dont la mutation produit une homéose, c’est-à-dire l’apparition d’un organe bien formé, mais à un mauvais emplacement du corps. C’est William Bateson, qui, en étudiant les variations intraspécifiques chez un coléoptère, observa des mutations homéotiques, notamment l’apparition de pattes à la place des antennes. Il fit d’ailleurs des observations similaires chez les végétaux, où les étamines pouvaient par exemple être remplacées par des pétales. Bateson comprit qu’un segment de l’organisme possède toutes les potentialités, et qu’au cours du développement, un « choix » s’opère ; lorsque ce choix est faux, le segment ne possède pas les appendices ou organes attendus. On apprendra plus tard que ce sont des gènes qui déterminent ces choix. 14 Lycée Regnault Ibtisam Boudouaia 2017-2018 Support 2: Etude des complexes des gènes homéotiques Hom de la Drosophile et Hox de la souris Chez les arthropodes comme la drosophile, les gènes homéotiques déterminent l’identité de chaque segment de l’animal : ils dirigent ainsi l’apparition de pattes, d’antennes, ou de balanciers suivant les segments. Le phénotype « pattes à la place des antennes », décrit par Bateson, est dû chez la drosophile à une mutation dans le complexe de gènes homéotiques Antennapedia. Cette spécification des segments se fait suivant un axe antéro-postérieur, et il est fortement corrélé à l’ordre des gènes sur les chromosomes : c’est la règle de colinéarité. En parcourant l’ADN, on trouve des gènes dont les lieux d’action s’échelonnent de l’avant vers l’arrière de l’animal. Chez les vertébrés, la majeure partie des gènes homéotiques intervient dans l’identité des différentes parties du corps, suivant l’axe antéropostérieur (mais pas dans celle de l’axe dorso-ventral). Une partie d’entre eux joue également un rôle dans l’édification des membres. Chez la souris par exemple, les gènes homéotiques, regroupés en 4 complexes appelés HOX A à HOX D, interviennent dans la régionalisation de la colonne vertébrale et du système nerveux central. Support 3: Des drosophiles mutantes Chez la drosophile, certaines mutations entrainent le changement d'une partie du corps en une autre ou homéosis. On parle de transformation homéotique. Ces mutations sont donc été appelées mutations homéotiques et les gènes concernés ont pris le nom de gènes homéotiques. Il existe deux exemples célèbres chez la drosophile. Il s'agit des mutations : antennapedia, où des pattes se sont formées à la place des antennes ; et bithorax où le 3ème segment thoracique est transformé en 2ème segment thoracique; le résultat est une mouche avec deux paires d'ailes au lieu d'une seule. Au niveau moléculaire, les gènes homéotiques sont transcrits en protéines appelés homéotiques qui interagissent directement avec la molécule d’ADN pour réguler l’expression d’autres gènes. On dit qu’ils ont un rôle sélecteur. Les protéines homéotiques sont donc des facteurs de transcription. Remarque : Des mutations des gènes homéotiques de la souris entraînent par exemple l’apparition de vertèbres cervicales à l’endroit des de vertèbres dorsales ou encore des lombaires à la place de dorsales. Support 4 : Homéoboites, homéodomaines et hiérarchisation du génome 15 Lycée Regnault Ibtisam Boudouaia 2017-2018 Les gènes homéotiques sont des gènes régulateurs de l’expression d’autres gènes, c’est-àdire qu’ils codent pour une protéine régulatrice (ou facteur de transcription). Ces facteurs de transcription interagissent avec l’ADN en amont des gènes ouvriers/ de structure via une région précise de leur séquence peptidique : l’homéodomaine. On peut résumer les différentes étapes sur le schéma ci-après montrant la hiérarchisation du génome c’est-à-dire le contrôle de l’expression de certains gènes par d’autres gènes. Le gène homéotique se caractérise par une séquence nucléotidique de 180 paires de nucléotides semblable à tous les gènes homéotiques qui code pour l’homéodomaine ( appartenant à la séquence peptidique ). Cette séquence nucléotidique s’appelle l’homéoboite. L’homéodomaine possède une séquence de 60 acides aminés dont la conformation tridimensionnelle reconnait spécifiquement des régions régulatrices de certains gènes ( gènes de structure). Remarque : tous les gènes homéotiques ne possèdent pas cette séquence et tous les gènes à homéo boîte ne sont pas des gènes homéotiques. Conclusion : Les gènes homéotiques, ou gènes du développement, sont des gènes qui permettent la mise en place du plan d’organisation des animaux chez qui ils s’expriment pendant le développement embryonnaire. Ce sont des gènes dits « architectes » (ou gènes « maîtres ») qui, par leur expression, donnent l’ordre à d’autres gènes, appelés gènes ouvriers, de construire tel ou tel organe à tel ou tel emplacement selon l’axe antéropostérieur. Ces gènes permettent donc la plupart du temps de contrôler la régionalisation du corps. L’expression de ces gènes donne des protéines homéotiques dont la particularité est de venir se fixer sur l’ADN pour stimuler ou réprimer l’expression des gènes ouvriers. Le domaine particulier de la protéine capable de se lier à l’ADN est appelé homéodomaine et la séquence nucléotidique qui en est à l’origine est appelée homeobox (ou homéoboîte). Leur mutation entraîne une homéose 16 Lycée Regnault Ibtisam Boudouaia 2017-2018 B- Gènes de développement et différences morphologiques 1) Intensité d’expression des gènes de développement Document 1 p 46 Analyse du document 1 p 46 L’intensité de l’expression du gène Bmp4 est plus élevée chez les pinsons à gros bec après 25h de développement. Après 29h de développement, l’intensité de l’expression du gène Bmp4 est plus localisée et plus intense chez ces mêmes pinsons. Cette région de l’embryon étant à l’origine du bec et ces 2 espèces de pinsons possédant à l’âge adulte des becs de morphologie différente, on peut faire l’hypothèse que l’expression du gène Bmp4 a des conséquences sur la taille du bec. On étudie l’influence du gène BMP4 sur la forme du bec de poulet - un poulet sur-exprimant Bmp4 a un bec plus large qu’un poulet non modifié un poulet sous-exprimant Bmp4 a un bec plus mince qu’un poulet non modifié Les résultats de sous-expression et de sur-expression artificielle du gène Bmp4 chez des embryons de poulet montrent des conséquences au niveau de la taille du bec : une plus forte expression du gène Bmp4 chez l’embryon dans la future région du bec est à l’origine de la formation d’un bec de plus grande taille. Le gène Bmp4 est présent chez les 2 espèces de pinsons. Néanmoins, il est plus exprimé chez l’embryon du pinson à gros bec ce qui a pour conséquence un développement plus important du bec chez cette espèce. Conclusion : Des différences de morphologie entre espèces proches peuvent donc résulter de variations dans l’intensité d’expression de gènes communs. Chez le pinson, c’est l’intensité et la durée d’expression des gènes Bmp4 impliqués dans la croissance du bec qui varient, créant ainsi une multitude de formes différentes. Des différences d’expression de gènes du développement peuvent être à l’origine de variations de caractères phénotypiques. Au cours de l’évolution, des modifications de l’expression de gènes du développement ont pu ainsi être à l’origine de l’apparition de caractères phénotypiques nouveaux et contribuer à la diversification du vivant. 17 Lycée Regnault Ibtisam Boudouaia 2017-2018 Exercice d’entrainement : Sujet type BAC, exercice 2 de la partie II. / Diversification génétique et diversification des êtres vivants (Extrait du sujet de bac de polynésie 2013) Eléments de correction : Les chauves-souris sont des Mammifères adaptés au vol. Nous allons tenter de tirer des documents comment les Chiroptères ont pu, grâce à des changements génétiques, ainsi changer de mode de locomotion par rapport à leurs proches cousins, rats et souris. Le document 1 permet de comparer les corps en vue ventrale d’une souris et d’une chauvesouris. On constate : - des ressemblances frappantes avec un corps, poilu, et l’organisation fondamentale des membres antérieurs comme postérieurs. Le membre antérieur est constitué d’un bras, d’avant-bras et d’une main à 5 doigts numérotés I à V. Ces homologies frappantes témoignent de leur appartenance au même grand groupe des Mammifères. - des différences remarquables avec la présence d’une peau tendue entre les deux membres antérieur et postérieur de la chauve-souris et au niveau des dimensions relatives des segments des membres : tous les segments du membre antérieur de la chauve-souris sont démesurément grands par rapport à ceux de la souris. Ces différences sont en rapport avec le mode de locomotion. Les analogies, les convergences de forme entre l’aile d’Oiseau et de Chauve-souris, notamment leur grande surface, sont en rapport avec leur fonction similaire d’appui efficace sur le fluide qu’est l’air. Comment comprendre l’apparition brutale, il y a une cinquantaine de MA, des Chiroptères au sein du groupe des Mammifères ? Deux gènes Prx1 et Bmp2 connus pour agir sur la croissance des os longs des membres au cours du développement embryonnaire sont étudiés dans les documents 2, 3 et 4. Des os métatarsiens, les os du pied, de fœtus de rats mis en culture dans un milieu contenant des concentrations variées de la protéine Bmp2 (document 2) montre une croissance des métatarsiens très différente au bout de 3 jours : Les concentrations de 0 (témoin) et 10 ng/mL conduisent à une croissance de 250 micromètres. La croissance est double pour 100 ng/ml et quasiment quadruple pour 1000 ng/mL. Cet « effet-dose » montre que la croissance des os longs des membres est fortement influencée par la concentration en Bmp2. Une expression beaucoup plus forte du gène Bmp2 chez la chauve-souris par rapport à ce qui se passe chez la souris pourrait permettre de comprendre la plus grande taille des os longs du membre antérieur de la Chauve souris transformé en aile. 18 Lycée Regnault Ibtisam Boudouaia 2017-2018 Le document 3 compare de l’expression du gène Prx1 au cours du développement embryonnaire des membres antérieurs de la chauve-souris et de la souris. Par la méthode d’hybridation in situ, Pour info : l’hybridation in situ (HIS) est une technique de laboratoire pour localiser une séquence de nucléotides connue mono-brin (ARN ou ADN) sur une coupe histologique de tissu. Cette technique repose sur la complémentarité des nucléotides entre eux (en effet, si l’on place dans un même milieu deux mono-brins complémentaires, ils vont naturellement se rapprocher pour former une hélice). Ainsi, pour pouvoir localiser une molécule d’ADN ou ARN, on doit: 1. 2. 3. la dénaturer en la chauffant (la séquence double brin (en hélice) devient mono-brin) choisir une sonde complémentaire de la séquence cible marquer la sonde (pour qu’on puisse la repérer et la visualiser). Les chercheurs repèrent par une coloration sombre les endroits du membre où est présent l’ARN messager du gène Prx1 à divers stades de développement chez la chauve-souris et la souris. La présence d’ARNm étant la preuve que le gène s’exprime dans la cellule, on peut en déduire dans quels tissus (ou dans quels organes) le gène s’exprime le plus. On constate, en comparant les zones similaires que l’expression du gène Prx1 est plus marquée (plus intense et plus étendue) dans l’ébauche de membre de la chauve-souris que dans celle de souris, notamment aux 3ème et 4ème stades fœtaux. Une expression beaucoup plus forte du gène Prx1 chez la chauve-souris par rapport à ce qui se passe chez la souris pourrait permettre de comprendre la plus grande taille des os longs du membre antérieur de la Chauve souris transformé en aile. Ceci semble confirmé par l’existence de mutants de souris (document 4) atteints au niveau de leurs deux allèles du gène Prx1. L’absence de protéine Prx1 fonctionnelle fait qu’ils présentent des avant-bras anormalement petits. Conclusion : Des innovations génétiques ont permis l’éclosion du groupe des Chiroptères au sein des Mammifères. Parmi les différents gènes impliqués, deux semblent d’ores et déjà été identifiés comme intervenant dans les grandes différences anatomiques constatées entre Chauve-souris et souris. Les gènes Bmp2 et Prx1 s’exprimeraient bien davantage dans les ébauches de membres antérieurs de chauve-souris, les protéines synthétisées aboutissant à une croissance osseuse plus rapide, plus prolongée et au final à des os beaucoup plus longs que leurs homologues chez les Rongeurs. Bmp2 et Prx1 sont deux gènes du développement dont des changements dans l’expression au cours de l’histoire évolutive des chauves-souris ont participé à l’allongement des membres antérieurs, et cela sans que les protéines codées par ces gènes soient modifiées. Mais rien ne dit qu’ils soient les seuls gènes en jeu. 19 Lycée Regnault Ibtisam Boudouaia 2017-2018 2) Chronologie de l’expression des gènes de développement Document 2 p 47 Conclusion : la durée des différentes phases du développement peut être modifiée et, par conséquent, la morphologie finale de l’individu l’est également : la taille ou les proportions de l’organisme pourront être différentes. Certaines phases du développement peuvent se prolonger, d’autres ne plus se manifester. Ainsi, certaines espèces se distinguent d’autres espèces, dont elles sont proches, par la persistance chez l’adulte de caractères juvéniles. Bilan: Les gènes du développement jouent un rôle très important en modulant l’expression d’autres gènes et permettent la construction de plans d’organisation différents. Des gènes s’exprimant dans des territoires différents sont à l’origine de plans d’organisation différents. Des variations dans l’intensité d’expression de certains gènes du développement peuvent expliquer des variations morphologiques. Des variations dans la chronologie de l’expression de gènes du développement peuvent également expliquer des variations morphologiques. Comme les autres gènes, les gènes du développement s’expriment à un moment donné, dans certaines cellules, avec une certaine intensité et pendant un temps donné. Des variations dans l’intensité, la durée, la localisation ou la chronologie de l’expression de ces gènes peuvent expliquer une diversité des organismes possédant les mêmes gènes. Ainsi, des variations d’expression des gènes du développement peuvent être à l’origine d’une diversification des êtres vivants. Notion : S'agissant des gènes impliqués dans le développement, des formes vivantes très différentes peuvent résulter de variations dans la chronologie et l'intensité d'expression de gènes communs, plus que d'une différence génétique. 20
