1S-tp-p1A-40 Chapitre 4 : la Variabilité génétique et mutation de l
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1S-tp-p1A-40 Chapitre 4 : la Variabilité génétique et mutation de l’ADN Objectif : comprendre l'origine des mutations et la diversité - réaliser un protocole Observation : il existe une grande diversité parmi les individus au sein d'une espèce, les informations génétiques peuvent varier en raison de mutations. Problème : comment apparaît une mutation et donc la diversité ? Matériel : blouse, livre p. 84, GéniGen, Rastop, fichiers 1S-tp-p1A-40-thalassemies, 1S-tp-p1A-40-xeroADNm, 1S-tp-p1A-40-xeroADNmprot. Capacités et attitudes Extraire des informations Activités expérimentales 1 - Des mutations naturelles ou provoquées Exo 1 p. 84. Exo 3 p. 86. Utiliser un logiciel de données 2 - Molécules et mutation - Protéines Détecter une mutation par électrophorèse, protocole p. 2. - Acides nucléiques Rappel vous avez comparé HbA et HbS dans le TP précédent p. 65. Exo 2 p. 84 (molécule sur le site), afficher aussi l'ARN et comparer. Mettre en relation des données Utiliser un logiciel de données 3 - Des systèmes de réparation Exo 1 p. 88. Protocole p. 2. Manipuler et expérimenter Respecter les règles de sécurité Mettre en relation des données 4 - Les conséquences des mutations Exo 4 p. 90. Exo 7 p. 90. Bilan Mettre en relation des données Donner les causes et les conséquences des mutations génétiques, redéfinir les notions de gènes et d'allèles. Rédaction d’un compte-rendu sur feuille double faisant apparaître la démarche expérimentale. Compétences Recenser, exploiter et interpréter des bases de données et/ou concevoir et réaliser un protocole pour : - mettre en évidence l’influence d’agents mutagènes sur des populations humaines - analyser l’influence de l’irradiation d’une culture de levures par des UV. Utiliser des logiciels pour caractériser des mutations. Recenser et exploiter des informations permettant de caractériser la diversité allélique d’une population. 1 1S-tp-p1A-40 Chapitre 4 : la Variabilité génétique et mutation de l’ADN 2 - Molécules et mutation Matériel disponible et protocole d'utilisation du matériel Ressource complémentaire : L'électrophorèse est une technique utilisée pour séparer des molécules suivant leur charge (polaire) et leur masse. Matériel biologique : Sérum d'individus sain et drépanocytaire Matériel de laboratoire : Matériel pour électrophorèse Afin de détecter les mutations sur l'ADN nous pouvons rechercher les effets sur les protéines : Réaliser une électrophorèse, protocole fiche jointe. Appeler l’examinateur pour vérifier les résultats 3 - Des systèmes de réparation Matériel disponible et protocole d'utilisation du matériel Ressource complémentaire : la protéine présente dans le deuxième fichier est une endonucléase d'une bactérie phage T4. Fichiers de molécules : - 1S-tp-p1A-40-xeroADNm.pdb il s'agit d'un fragment d'ADN altéré par les UV - 1S-tp-p1A-40-xeroADNmprot.pdb il s'agit de l'ADN précédent et d'une protéine de réparation Afin de montrer comment une mutation peut être réparée : Comparer deux molécules à l'aide de Rastop (fiche méthode sur le site et p. 394. Lancer Rastop puis Ouvrir Xéroderma ADN muté.pdb choisir affichage boules et bâtonnets, colorer les paires de bases A, T, C et G de quatre couleurs différentes et repérer la mutation. Ouvrir XeroADNmprot.pdb (et réaliser l'activité doc 3 p. 89. Appeler l’examinateur pour vérifier les résultats Pour en savoir plus sur les thalassémies. Les thalassémies, encore appelées dans leur forme majeure anémie ou maladie de Cooley, sont des formes d'anémies héréditaires associées à une déficience dans la synthèse d'une ou de plusieurs des quatre chaînes formant l'hémoglobine des globules rouges. Cela se traduit par une anémie assez importante. On observe également une hypertrophie de la rate et des déformations du crâne et des os longs. Même s'il existe deux sortes de thalassémie (alpha et bêta), du fait de la rareté de la première, les thalassémies "sans précision" correspondent, en fait, à des bêta thalassémies. 2 1S-tp-p1A-40 Chapitre 4 : la Variabilité génétique et mutation de l’ADN Il s'agit de maladies génétiques atteignant la production de l'hémoglobine. Cette dernière est formée de quatre sous-unités, deux alpha et deux bêta dans le cas de l'hémoglobine adulte (HbA). Suivant le type de sous-unités atteint, on parle de thalassémies alpha ou de thalassémies bêta. Les bêta-thalassémies, appelées aussi "maladies des globules rouges", se caractérisent par l'absence de la chaîne β de l'hémoglobine fonctionnelle. Près de 200 allèles ont été décrits, concernant soit le gène de la chaîne, β soit, beaucoup plus rarement, des gènes régulateurs. Dans la bêta-thalassémie hétérozygote, il y a une diminution de la synthèse de l'hémoglobine. La petite taille des hématies est compensée par leur nombre d'où une pseudo-polyglobulie (6 à 7 millions d'hématies/mm³). Dans la bêta-thalassémie homozygote, l'excès relatif des chaînes alpha précipite dans l'érythroblaste et entraîne sa lyse par toxicité membranaire, ce qui est à l'origine d'une érythropoïèse inefficace. Par ailleurs, l'hyperhémolyse et la métaplasie myéloïde sont à l'origine de la splénomégalie (rate augmentée de volume) et de l'hépatomégalie (foie augmenté de volume). 3 1S-tp-p1A-40 Chapitre 4 : la Variabilité génétique et mutation de l’ADN 1 - Des mutations naturelles : Activité 1 p. 84 1. La présence d’un kangourou albinos dans une population normalement pigmentée et l’apparition d’une drosophile aux yeux blancs dans une population de laboratoire aux yeux rouges indiquent que ce phénomène est spontané puisque les conditions d’élevage sont constantes. Le tableau donne des taux de mutations entre 10-5 et 10-8, soit un mutant tous les dix milles ou tous les cent millions d’individus, ce qui suggère bien une rareté d’apparition des mutants, donc des mutations. Des mutations provoquées Graphique p. 92 : plus le temps d’exposition aux UV est grand, moins il y a de colonies survivantes (effet létal) et plus le pourcentage de colonies blanches parmi les colonies survivantes est grand (effet mutagène). Le séquençage confirme que le changement de couleur résulte d’une mutation. On peut en déduire que les UV induisent des mutations. Si les mutations affectent des gènes indispensables au fonctionnement des cellules, elles entraîneront leur mort. Plus le temps d’exposition aux UV est long, plus la probabilité que les mutations affectent un gène essentiel des cellules est grande. Exo 3. Plus la dose d’UV reçue est forte, plus on observe des cassures dans l’ADN. On en déduit donc que les UV sont capables d’induire des cassures dans l’ADN. Les cellules dont l’ADN est cassé sont incapables de se diviser, l'ADN est donc endommagé en dehors de la réplication. 2 - Molécules et mutation - électrophorèse - exo 2 p. 84. La comparaison des allèles à l’origine de thalassémies montre qu’une séquence d’ADN peut subir des changements (substitution), des éliminations (délétion) ou des ajouts de nucléotides (insertion). en nombres de différences 4 1S-tp-p1A-40 Chapitre 4 : la Variabilité génétique et mutation de l’ADN 3 - Des systèmes de réparation : Activité 3 p. 88 Exo 1. Les cellules d’individus atteints de Xeroderma pigmentosum, une maladie génétique, accumulent davantage de dimères de thymine que les cellules d’un individu sain. Il existe donc des mécanismes d’origine génétique qui limitent l’apparition de mutations. 5’ Bleu T, vert A, rouge G, blanc C. 3’ C Une altération de l’ADN liée à l’action des UV La molécule est localement détorsadée au niveau de A-A sur un brin et de T-T sur l'autre. Les deux nucléotides T voisins ont établi des liaisons, il en résulte la rupture des liaisons entre un A et un T en vis-à-vis ce qui conduit à une désolidarisation locale des deux brins. Lors de la première réplication de cet ADN (s’il n’est pas réparé), l’une des molécules d’ADN fille comportera C-T (au lieu de T-T), donc une mutation. nucléotide G C A G T adénin e guanin e A L'endonucléase est une protéine réparatrice de l'ADN, elle se positionne sur la molécule d'ADN au niveau de la lésion et la répare. Conclusions : Les UV altèrent l'ADN des cellules en modifiant sa structure spatiale. Le plus souvent, chez la plupart des individus, l'ADN est cependant réparé par l'intervention de protéines réparatrices. Chez quelques individus, atteints d'une maladie rare, le Xeroderma pigmentosum, l'ADN n'est pas réparé. G C C cytosin e T thymin e G désoxyribos e H3PO4 3’ 5’ liaison hydrogène 4 - Les conséquences des mutations : Activité 4 p. 90 Exo 4. Famille A : seules les cellules cancéreuses portent l’allèle muté, la mutation affecte donc des cellules de la lignée somatique. Famille B, toutes les cellules portent la mutation chez les individus atteints de cancer, l’allèle muté est transmis à la descendance, la mutation affecte donc la lignée somatique et la lignée germinale des individus. Exo 7. Il existe chez le Serpent des mutations dans les séquences d’ADN régulatrices de l’expression du gène Hoxc-8 par rapport à la séquence régulatrice chez le Poulet. Il y a notamment une délétion dans une région qui détermine les zones d’expression du gène Hoxc-8. Ce gène est normalement responsable de la mise en place des membres chez les Vertébrés, ces mutations permettent donc d’expliquer la disparition ou l’atrophie des membres chez les Serpents. Ainsi, des mutations peuvent avoir de grandes conséquences morphologiques qui vont contribuer à l’apparition de nouvelles espèces. 5
