4.3 La génétique théorique Génotype : L’ensemble du patrimoine héréditaire d’un individu. C’est en fait la liste complète des allèles de chacun des gènes. L’interaction du génotype d’un individu avec son environnement détermine son phénotype qui peut être modifié par mutation. Phénotype : Le phénotype est l'ensemble des traits observables (caractères anatomiques, morphologiques, moléculaires, physiologiques, éthologiques) qui caractérisent un être vivant (couleur des yeux, des cheveux, maladies génétiques, etc.). Interrelation entre le génotype et le phénotype (http://www.bbc.co.uk/schools/gcsebitesize/science/images/bigenopheno.gif) De nombreux phénotypes sont dépendants de multiples gènes et influencés par certaines conditions spécifiques du milieu. Comme les phénotypes sont beaucoup plus faciles à observer que les génotypes, la génétique classique utilise les phénotypes pour déduire les fonctions des gènes. Des expériences de croisement permettent d'étudier les interactions entre les gènes. C'est ainsi que les premiers généticiens furent capables de travailler sans aucune connaissance de biologie moléculaire. Influence de l'environnement sur l'expression des gènes (http://www.coramh.org/coramh/heredite/img/traitComplexe.gif) La diversité des phénotypes est un élément fondamental de l'évolution par sélection naturelle. Sans variation phénotypique, tous les individus auraient la même valeur sélective et les changements phénotypiques ne se feraient sans aucune sélection (au hasard). Variabilité génétique (http://www.somosamigosdelatierra.org/00_imagenes/corn_diversity.jpg) Types de croisements Chez les organismes diploïdes, chaque individu possède deux copies (allèles) de chaque gène, une copie venant de la mère et l'autre du père (sauf ceux situés sur une partie du chromosome Y de l'homme et du chromosome X de la femme). Individu homozygote Si ces deux allèles sont identiques, l'individu est dit homozygote pour le gène considéré. Individu hétérozygote Si les deux allèles sont différents, l'individu est dit hétérozygote pour ce gène. Individu hémizygote Un individu n'ayant qu'un seul allèle pour un gène donné est dit hémizygote (l'allèle du daltonisme chez un mâle par exemple). Dominance et récessivité Heureusement pour lui, Mendel a choisi d'étudier des caractères qui étaient soit dominants, soit récessifs. Allèle dominant Un allèle dominant s'exprime toujours même à l'état hétérozygote. On utilise généralement une lettre majuscule pour représenter un allèle dominant. Allèle dominant (http://www.coramh.org/coramh/heredite/Heredite.asp) Allèle récessif Un allèle récessif est masqué par un allèle dominant et ne s'exprimera que lorsqu'il est présent à l'état homozygote ou hémizygote. On utilise généralement une lettre minuscule pour représenter un allèle récessif. Allèle récessif (http://www.coramh.org/coramh/heredite/Heredite.asp) Hérédité dominante autosomique (Wikipedia) Maladie dominante Une maladie dominante se transmettra du parent atteint à tous les enfants si le parent atteint est homozygote ou à la moitié des enfants s'il est hétérozygote (voir figure suivante). Transmission d'une maladie dominante (http://www.coramh.org/coramh/heredite/Heredite.asp Maladie récessive Dans le cas d'une maladie récessive, il faut recevoir l'allèle de la maladie de nos deux parents pour être atteint de la maladie. Dans l'exemple suivant, les deux parents sont porteurs et ils ont une chance sur 4 d'avoir un enfant atteint de la maladie. Transmission d'une maladie récessive (http://www.coramh.org/coramh/heredite/Heredite.asp) Croisements monohybrides Mendel s'est procuré diverses variétés de pois qu'il cultiva pendant deux ans dans le but d'obtenir des lignées pures (jusqu'à ce que tous les descendants soient identiques pour un caractère donné). Mendel effectua une pollinisation croisée entre deux variétés de pois de lignée pure qui avaient au moins un caractère différent. Il retira les étamines (organe fabriquant le pollen) pour éviter l'autofécondation puis transféra le pollen d'un autre individu pour créer ce qu'on appelle une hybridation. Croisement entre deux homozygotes Lorsqu'on croise des individus homozygotes issus de races pures de phénotype dominant avec des individus homozygotes issus de races pures de phénotype récessif, on obtient, à la première génération filiale (F1), des individus identiques de phénotype dominant (mais qui seront hétérozygotes). Dans notre exemple, on a deux allèles : l'allèle dominant (S) qui donne des pois sphériques et l'allèle récessif (s) qui donne des pois ridés. Croisement entre deux homozygotes (un dominant et un récessif) (http://ib.berkeley.edu/courses/ib162/Week2a.htm) Pour bien comprendre ce qui se passe, on doit créer un échiquier de Punnett. On indique le génotype des gamètes mâles sur le dessus puis ceux des gamètes femelles sur le côté. Chaque individu du tableau reçoit un allèle du père et un allèle de la mère. Dans ce cas particulier, tous les individus de la première génération filiale (F1) seront identiques phénotypiquement (pois sphériques) et génétiquement (hétérozygotes). Échiquier de Punnett de la F1 (http://ib.berkeley.edu/courses/ib162/Week2a.htm) Croisement entre deux hétérozygotes Lorsqu'on croise les individus de la F1 précédente, on obtiendra, à la seconde génération filiale, deux phénotypes différents (le phénotype dominant et le phénotype récessif) dans un rapport de 3 pour 1. Croisement des individus issus de la F1 (http://ib.berkeley.edu/courses/ib162/Week2a.htm) On réalise un second échiquier de Punnett pour la seconde génération filiale (F2) : Échiquier de Punnett de la F2 (http://ib.berkeley.edu/courses/ib162/Week2a.htm) Mendel tira de ses expériences les conclusions suivantes (première loi de Mendel) : " Les variations des caractères héréditaires s'expliquent par les formes différentes que peuvent avoir les gènes. " (En fait, ces différentes formes sont des allèles.) " Pour chaque caractère, tout organisme hérite de deux allèles, un de chaque parent. " " Si les deux allèles diffèrent, l'un d'eux, l'allèle dominant, s'exprime pleinement dans l'apparence de l'organisme; l'autre, l'allèle récessif, n'a pas d'effet notable sur l'apparence de l'organisme " " Il y a ségrégation des deux allèles de chaque caractère au cours de la formation des gamètes. " Croisement de contrôle Afin de vérifier ses résultats, Mendel procéda à des croisements de contrôle (test cross). Un croisement de contrôle permet de trouver le génotype d'un individu de phénotype dominant qui peut soit être hétérozygote, soit homozygote pour l'allèle dominant. Il suffit de le croiser avec un individu de phénotype récessif (nécessairement homozygote). L'observation des individus issus de ce croisement permettra de déterminer le génotype du parent ayant un phénotype dominant. Si l'individu est homozygote dominant, tous les enfants auront le phénotype dominant : Croisement de contrôle où le parent est homozygote dominant (http://ib.berkeley.edu/courses/ib162/Week2a.htm) Si l'individu est hétérozygote, la moitié des enfants auront le phénotype dominant et l'autre moitié auront le phénotype récessif : Croisement de contrôle où le parent est hétérozygote (http://ib.berkeley.edu/courses/ib162/Week2a.htm) Croisements dihybrides Lorsqu'on effectue un croisement dihybride (hétérozygotes pour deux caractères), on obtient un rapport de 9 : 3 : 3 : 1. Croisement dihybride (http://ib.berkeley.edu/courses/ib162/Week3a.htm) Mendel tira de cette expérience la conclusion suivante (seconde loi de Mendel) : " Chacune des paires d'allèles se sépare indépendamment des autres paires lors de la formation des gamètes. " Hérédité postmendélienne Dominance incomplète Lorsque la présence de deux allèles différents donne un phénotype intermédiaire, on parle alors de dominance incomplète (par exemple un croisement entre des fleurs blanches et rouges qui donne des fleurs roses). Les individus hétérozygotes produiront moins de pigment rouge que les individus homozygotes rouges mais plus que les homozygotes blancs. On représente généralement les allèles à dominance incomplète par une lettre prime (r et r' ou R et R'). Dominance incomplète (http://sps.k12.ar.us/massengale/images/snapdragon.gif) Codominance Lorsque les deux allèles s'expriment pleinement, on parle alors de codominance. Un exemple de codominance (http://www.gwu.edu/~darwin/BiSc150/One/codominance.GIF) Allèles multiples Lorsque plusieurs allèles sont présents dans une population, on parle d'un gène à allèles multiples. Les groupes sanguins en sont un bon exemple. On trouve, dans la population humaine, trois allèles différents pour un type de groupe sanguin (ABO) : IA, IB et i. Pour ce gène, i est récessif par rapport à IA et IB qui sont codominants entre eux. Allèles des groupes sanguins humains (Wikipedia) Hérédité polygénique Chez l'humain, plusieurs caractères sont codés par plusieurs gènes telles la taille et la couleur de la peau. Lorsque plusieurs gènes influencent un trait phénotypique, on parle d'hérédité polygénique. On croit que chez l'humain, la couleur de la peau est codée par trois gènes ayant chacun deux allèles. Les allèles sont soit " pâle " soit " foncé ". La combinaison des 6 allèles donne la couleur de la peau. Une personne ayant 6 allèles " pâles " aura la peau très pâle tandis qu'une personne ayant 6 allèles " foncés " sera de couleur très foncée. Bien entendu, la présence du Soleil influence également la couleur de la peau. Hérédité polygénique (couleur de la peau) (http://www.emc.maricopa.edu/faculty/farabee/BIOBK/BioBookgeninteract.html) Étude des lignages Chez l'humain, il est impensable de forcer des croisements dans le but d'étudier la génétique. Les généticiens ont recours à l'étude des lignages pour étudier la transmission des caractères. L'hémophilie, un caractère lié au sexe, est étudiée dans la famille royale depuis plusieurs générations. L'arbre généalogique de la famille royale (http://sps.k12.ar.us/massengale/images/royal_hemophilia.jpg) Gènes liés Chaque chromosome comprend de nombreux gènes. Les gènes situés relativement près les uns des autres sur un chromosome sont dits " liés ". La seconde loi de Mendel ne s'applique pas aux gènes liés et les rapports phénotypiques ne sont pas de 9:3:3:1. Les rapports phénotypiques vont dépendre de la distance qui sépare les gènes. Plus les gènes seront près les uns des autres, plus ils auront tendance à être transmis ensemble aux gamètes (moins il y aura de recombinaison). Plus les gènes sont éloignés les uns des autres, plus il y aura de recombinaison (donc, seront séparés dans des gamètes différents). La distance est mesurée par la fréquence de recombinaison (développé par Morgan chez la drosophile) et est donnée par la formule suivante : Quelle est la distance séparant les gènes P et L? Gènes liés (http://home.inje.ac.kr/~lecture/biology/ch9/9-18.gif) Gènes liés au sexe Le sexe d'un individu est généralement déterminé par une paire de chromosomes dits " sexuels " (XX chez la femelle et XY chez le male). Les chromosomes X et Y ont une partie en commun. Par contre, plusieurs gènes du chromosome X n’ont pas de gène équivalent sur le chromosome Y. Ils sont dits liés au X. Ceux situés sur la partie non homologue du chromosome Y sont dits holandriques. L’hémophilie, le daltonisme, la myopie héréditaire et la cécité nocturne sont des maladies liées au sexe. Transmission du daltonisme (lié au X) (http://www.nlm.nih.gov/medlineplus/ency/images/ency/fullsize/19097.jpg) Règles de probabilité Pour mieux analyser les problèmes de génétique, il importe de connaître quelques règles de bases des probabilités. Échelle de probabilités La probabilité qu'un évènement survienne varie entre 0 et 1. Si l'évènement est impossible, sa probabilité sera de 0 tandis que si l'évènement est certain, sa probabilité sera de 1. Si on lance une pièce de monnaie, la probabilité qu'elle retombe sur " pile " est de ½. Règle de la multiplication La probabilité que deux événements indépendants se produisent simultanément est le produit de leurs probabilités respectives. Par exemple, lorsqu'on croise deux individus hétérozygotes pour un gène (Aa), chacun des enfants a une chance sur deux (½) d'avoir un allèle récessif. La probabilité d'obtenir deux allèles récessifs (aa) sera de ½ x ½ donc ¼. Ainsi, au loto 6/49, la probabilité de gagner le gros lot est de soit vraiment pas beaucoup! Règle de l'addition La probabilité que l'un ou l'autre de deux événements indépendants (qui s'excluent mutuellement) survienne est la somme de leurs probabilités individuelles. Par exemple, lorsqu'on croise deux individus hétérozygotes pour un gène (Aa), la probabilité d'obtenir un individu hétérozygote sera de ¼ + ¼ = ½.