Variabilité génétique et génomes humains - Exercice SVT

A7 – Variabilité génétique et histoire des génomes humains SVT
T1C1 – Transmission, variation et expression du patrimoine génétique 1 SPE
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Production attendue :  Compte-rendu répondant aux questions (à finir durant la séance)
Objectifs de connaissances : Conséquences de la variabilité génétique, génome : témoin de l’évolution
Objectifs de compétences : Utiliser des logiciels spécifiques, s’informer.
Autant entre les espèces qu’au sein des espèces, il existe une variabilité génétique entre les individus. Ceci est le reflet
des mutations possibles de l’ADN. Quelles peuvent être les conséquences de cette variabilité génétique sur les caractères
observables des êtres vivants ?
La théorie de l’évolution nous permet d’avancer que l’ensemble des êtres vivants est issu d’un ancêtre commun, le
génome humain est donc le résultat de mutations successives. Ce génome porte-il des traces de son passé ?
Partie A Origine de la variabilité des phénotypes
Q1 : Découvrez une maladie, la drépanocytose, en lisant le doc.1.
Lancez le logiciel Génie génétique (utiliser la barre de recherche), pour comparer les séquences en acides aminés des deux
sortes d’hémoglobine.
 Chargez la séquence drepano.edi (depuis votre dossier « Espaces_partagés »).
 Comparez les séquences des −globines de HbA (alpha.pro) et HbS (alpha-drep.pro). Pour cela :
 Allez sur « Affichage », « Choix d’affichage » puis « Par séquence » ;
 Sélectionnez les 2 séquences à étudier. OK ;
 Allez ensuite sur « Affichage » puis « Comparaison ».
 Comparez les séquences des −globines de HbA (beta.pro) et HbS (beta-drep.pro). La méthode est la même.
Q2 : Identifiez la nature et la position des différences entre les différentes protéines.
Nous allons maintenant comparer les structures 3D des molécules d’hémoglobine HbA et HbS.
Lancez le logiciel RASTOP (utiliser la barre de recherche).
 Ouvrez les fichier HbA.pdb et HbS.pdb (depuis votre dossier « Espaces_partagés »).
 Pour chaque molécule, nous allons « simplifier » l’affichage pour plus de clarté. Pour cela, appliquez la procédure
n°1 du doc.2.
Q3 : Comparez les 2 molécules.
 Ouvrez les fichier HbSHbS.pdb (depuis votre dossier « Espaces_partagés »).
 Appliquez la procédure n°2 du doc.2.
Q4 : Expliquer pourquoi se fait la polymérisation de HbS dans les hématies (= globules rouges) des malades atteints
de drépanocytose sachant que tous les acides aminés présents à la surface de HbA sont hydrophiles alors que la
valine (VAL) est un acide aminé hydrophobe.
Q5 : Le phénotype (= caractères observables d’un individu) peut s’observer à l’échelle macroscopique (échelle de
l’organisme, des organes et des tissus), à l’échelle cellulaire (échelle de la cellule et des organites), et à l’échelle
moléculaire (échelle de la molécule). Décrivez chacun de ces 3 phénotypes dans le cas de la drépanocytose.
Q6 : Etablissez les relations de causalité entre les différents niveaux de phénotypes d’un individu malade, en prenant
pour point de départ la variation génétique (cause 1  effet 1 = cause 2  effet 2 = …, etc.)

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Partie B L’histoire humaine lue dans son génome
Le génome humain, ensemble des gènes de l’espèce humaine, a été séquencé, résultat d’une coopération scientifique qui
s’est effectuée sur une quinzaine d’année (de 1990 à 2003 environ). Le séquençage a été réalisé sur les 23 paires de
chromosomes présents dans le noyau, mais également sur l’ADN présent dans les mitochondries.
La technique initiale de Sanger vous est présentée dans le doc.3. Il existe aujourd’hui une technique améliorée qui utilise
le marquage par fluorescence (une couleur associée à chaque nucléotide).
Q7 : Le séquençage de l’ADN permet de retracer des filiations. Pour cela, on peut utiliser l’ADN autosomal (celui des
chromosomes 1 à 22), l’ADN mitochondrial ou l’ADN du chromosome Y (cf. doc.4). Quel ADN dois-je comparer si
je veux connaître ma filiation maternelle ? ma filiation paternelle ?
❖ L’Histoire d’Homo Sapiens lue dans ses gènes
L’Homme de Neandertal et l’Homme de Denisova, espèces aujourd’hui disparues, sont les plus proches cousins d’Homo
sapiens. On peut le prouver en comparant les gènes de tous les fossiles trouvés jusque-là (cf. doc.5).
Q8 : Placez sur le document ci-dessous les âges des ancêtres communs :
Lancez le logiciel Génie génétique (utiliser la barre de recherche).
 Ouvrez le fichier « Boucle D1.edi » (depuis votre dossier « Espaces_partagés »).
 Cliquez sur « Action » puis « Alignement » pour comparer les séquences en tenant compte des éventuelles
additions et délétions. Le logiciel vous présente alors les nucléotides différents / absents / supplémentaires.
 Cliquez sur « Informations » pour avoir des éléments de comparaison.
Q9 : Présentez dans un tableau les pourcentages d’identité entre la boucle D1 de Neanderthal et celle des autres
Homo. Attention à ne sélectionner que les informations utiles.
Q10 : Le doc.6 propose un croisement (métissage) entre un Néandertal et un Homo sapiens d’Europe. Quelle donnée
de la réponse à la question précédente pourrait confirmer ce métissage ?
❖ L’Homme et la digestion du lait
La capacité à digérer le lait dépend des enzymes digestives de chaque individu.
Notamment, la lactase est produite par tous les bébés et permet de couper le lactose en
deux glucides simples : le glucose et le galactose (cf. ci-contre). De nombreuses
personnes sont incapables de digérer le lait après 6 ans (on qualifie ces personnes de
lactase non persistant, LNP). Cette particularité se traduit par un inconfort digestif
pouvant aller jusqu’à de puissantes diarrhées.

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Lancez le logiciel Génie génétique (utiliser la barre de recherche).
 Ouvrez le fichier « Alleles LCT Humains et Pan.edi » (depuis votre dossier « Espaces_partagés »).
 Cliquez sur « Action » puis « Alignement » pour comparer les séquences en tenant compte des éventuelles
additions et délétions. Le logiciel vous présente alors les nucléotides différents / absents / supplémentaires.
 Cliquez sur « Informations » pour avoir des éléments de comparaison.
Remarques : il s’agit des séquences (allèles) des gènes de la lactase du chimpanzé (Pan), de la lactase humaine en
version LNP et d’autres lactases humaines en version LP.
Q11 : Un de ces allèles est qualifié d’ancestral. Indiquez lequel en argumentant.
Q12 : A partir de l’étude du doc.7, reliez mutation, élevage et sélection naturelle pour expliquer la répartition actuelle
de la population capable de digérer le lactose à l’âge adulte (population LP).

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Doc.1 La drépanocytose
L’hémoglobine est une protéine très abondante dans
les hématies (globules rouges). C’est elle qui est
chargée de transporter le dioxygène. Elle est
constituée de 4 chaînes égales deux à deux : les -
globines et les -globines (cf. schéma ci-contre).
Chaque globine possède un hème contenant du Fer
qui va se lier au dioxygène pour le transporter.
La drépanocytose est liée à une anomalie de
l’hémoglobine. On appelle HbA l’hémoglobine
normale et HbS l’hémoglobine anormale présente
chez l’individu malade de drépanocytose.
A l’origine de cette maladie on trouve une mutation sur le gène qui est à l’origine de la synthèse d’une partie de cette
molécule d’hémoglobine.
Du fait de cette anomalie, les molécules d’hémoglobine se polymérisent dans le cytoplasme des hématies dans
certaines conditions, ce qui donne aux hématies une structure en faucille.
Les hématies en faucille sont plus rigides et plus fragiles que les cellules normales. Elles se brisent dans le courant
sanguin et subissent une destruction, ce qui conduit à une anémie sévère et provoque leur blocage dans les capillaires
sanguins. Ce blocage ralentit la circulation et provoque des lésions de nombreux organes mal irrigués.
Il en découle une anémie (manque d’hémoglobine) qui se manifeste par une fatigue, une tendance à l’essoufflement
et des douleurs articulaires. Une crise intense d’anémie peut nécessiter une transfusion sanguine.
Globules rouges normaux
(Individu sain)
Globules rouges normaux et anormaux
(Individu drépanocytaire)

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Doc.2 Fiche RASTOP
 Procédure n°1 – Simplifier la vision des molécules d’hémoglobine
 Afficher la molécule sous forme de ruban : cliquer sur « Cacher tout » puis sur « Rubans » ;
 Colorer les différentes chaînes : aller dans « Editer » / « Sélectionner… » / « Tout ». Aller ensuite dans « Atomes »
/ « Colorer par » / « Chaine ».
 Colorer les hèmes : cliquer sur « Expression » et taper hem puis OK. Cliquer sur « Sphères VDW » puis sur
« Palette » et choisir la couleur orange.
 Procédure n°2 – Observer la polymérisation de HbS
 Colorer les différentes chaines : cliquer sur « Fil de fer » et colorez les chaînes (cf. doc.2) ; Chaque chaine
apparait alors d’une couleur différente. Les chaines  correspondent aux chaines B et D pour une HbS, F et H pour
l’autre HbS.
 Afficher les acides aminés mutés : aller dans « Editer » / « Commande… » et taper : select val6 puis OK. Cliquer
alors sur « Sphères VDW » .
Ainsi vous visualisez l’emplacement de l’acide aminé muté chez HbS (Le 1er acide aminé est toujours enlevé de la
protéine) et vous voyez par où deux HbS se lient entre elles.
Doc.3 Le séquençage de l’ADN, selon Sanger (1977)
 On prélève un fragment d’ADN.
 On sépare ce fragment en deux brins. Pour cela, il suffit de chauffer l’ADN à 60°C, ce qui défait les liaisons hydrogène
qui maintenait les deux brins ensemble.
 On met ces brins dans un tube à essai avec de l’ADN polymérase et tous les nucléotides nécessaires à la réplication
(A, T, G, C). On met aussi quelques nucléotides particuliers : ce sont des nucléotides à Adénine transformés. En effet,
on leur a enlevé un oxygène, ce qui fait que quand l’ADN polymérase utilise un de ces nucléotides, elle ne peut pas en
placer d’autre après celui-ci. De plus, elles sont radioactives. Ce nucléotide modifié étant utilisé au hasard, on obtient
des copies de taille variable de l’ADN
 On refait l’étape , mais cette fois-ci ce sont certains nucléotides à Cytosine qui sont modifiés ; puis encore l’étape
 mais avec des nucléotides à Thymine modifiés ; et enfin encore l’étape  mais avec des nucléotides à Guanine
modifiés. On obtient ainsi 4 tubes contenant des fragments d’ADN de tailles variables.
 On fait une électrophorèse de chacun des quatre tubes, en parallèle. Cette technique sépare les molécules selon
leurs tailles. Du résultat de l’électrophorèse, on déduit la séquence du fragment d’ADN étudié.