Deuxième partie : (partie au choix) DU GENOTYPE AU PHENOTYPE. APPLICATIONS BIOTECHNOLOGIQUES. 1 DU GENOTYPE AU PHENOTYPE, APPLCATIONS BIOTECHNLOGIQUES Motivation : La motivation se base sur les acquis de troisième et de seconde : Les êtres humains font tous partie de l’espèce humaine. Cependant si on les observe ils présentent des différences ; Q1 : observation de la classe ; quelles sont les différences entre vous ? Réponse attendue : couleurs de cheveux, des yeux, de la peau différentes, taille différente….. Q2 : Comment se nomment ces différences ? Réponse attendue : ce sont les caractères propres des individus. Q3 : Comment s’appelle l’ensemble des caractères d’un individu ? Réponse attendue : le phénotype. Q4 : A quoi sont dus les caractères différents de deux personnes différentes ? Réponse attendue : les phénotypes sont dus à l’information génétique des individus. Q5 : Existe-t-il d’autres facteurs qui agissent sur les caractères ? Ils ne se souviendront probablement pas Q6 : La couleur de la peau est un caractère phénotypique. La couleur de votre peau est elle la même aujourd’hui en septembre, donc après l’été, qu’au mois de juin ? A quoi ceci est-il dû ? Qu’en déduisez vous ? Réponse attendue : La peau a une couleur plus foncé en septembre qu’en juin car elle a bronzé. Le caractère phénotypique a donc été modifié. L’environnement agit donc également sur le phénotype. Introduction : Chaque individu présente les caractères de son espèce avec des variations qui lui sont propres. L’ensemble de ces caractères observables constitue le phénotype. Le phénotype est le résultat de l’expression du programme génétique et de l’influence des conditions de vie. Le programme génétique est porté par les chromosomes dans le noyau. Problème : Quelle est le lien entre le programme génétique d’un individu enfermé dans le noyau des cellules et la réalisation de son phénotype ? ? Gène caractère 2 Si l’on prend comme exemple la couleur de la peau ; c’est un caractère qui se remarque à l’échelle de l’organisme. Q7 :Mais comment se manifeste la couleur de la peau à l’intérieur de l’organisme ? Réponse attendue : un organisme est fait de cellules ; le caractère couleur se retrouve donc certainement au niveau des cellules de la peau. Q8 : A quoi est due la couleur au niveau des cellules de la peau ? Réponse attendue : mélanine Q9 : alors finalement à quelle échelle se définit le phénotype ?? TP1 : I La réalisation du phénotype 1°) Des phénotypes à différentes échelles Bilan TP1 Le phénotype se réalise à différentes échelles : à l’échelle de l’organisme c'est-à-dire les caractères observables sur l’individu ( couleur de cheveu, signes cliniques de la drépanocytose…), à l’échelle cellulaire cad observable au niveau des cellules d’un individu ( hématies falciformes), puis à l’échelle moléculaire , cad observable au niveau des molécules présentes dans les cellules(Hb S). Il existe un lien entre ces divers niveaux de phénotypes : le phénotype moléculaire est responsable de la réalisation du phénotype cellulaire ; puis le phénotype cellulaire induit le phénotype à l’échelle de l’organisme. Ex TP1, activité : faire schéma bilan HbA hématie discoïdale pas d’anémie HbS hématie falciforme anémie, douleurs articulaires Schéma des liens entre les divers niveaux de phénotypes de la drépanocytose. Lexique : Anémie : teneur du sang réduite en hémoglobine. Elle se traduit par une grande fatigue. Hémoglobine : protéine des globules rouges permettant le transport d’oxygène dans le sang. 2°) Des molécules importantes : les protéines. L’hémoglobine est une protéine. Connaissez vous d’autres protéines ? A quoi servent elles dans l’organisme ? Il existe dans le corps des milliers de protéines, qui ont chacune une fonction propre. Ex : hémoglobine : transport d’oxygène mélanine : pigmentation de la peau 3 Une protéine est constituée de polypeptides qui sont des chaînes d’acides aminés. La succession des acides aminés selon un ordre précis dans une chaîne se nomme une séquence d’acides aminés. La séquence d’acides aminés est responsable de la forme de la protéine. Puis c’est grâce à cette forme ou structure dans l’espace que la protéine réalise sa fonction et donc permet la réalisation d’un phénotype. Séquence d’aa structure protéique fonction de la protéine phénotype Les propriétés des protéines dépendent donc de leur séquence en acides aminés. Les fonctions des protéines sont multiples. Elles permettent notamment le fonctionnement des cellules. Certaines protéines sont particulières : ce sont les enzymes. D’après vous les maladies comme la drépanocytose ou la mucoviscidose sont elles héréditaires ? Oui Quelle est alors la cause ? Les gènes Quels liens y a-t-il alors entre les gènes et les protéines ? 3°) La relation ADN-protéines BILAN TP2 Les gènes sont des segments de la molécule d’ADN (acide désoxyribonucléique). Ils sont constitués de longues séquences, agencement dans un ordre précis, de nucléotides (adénine, guanine, cytosine, thymine). Chaque gène, contenant un grand nombre de nucléotides, est composé d’une séquence nucléotidique unique. Cette séquence nucléotidique constitue un message codant pour une protéine. En effet la succession des nucléotides d’un gène est un message qui code la succession des acides aminés d’une protéine. Ce message génétique est traduit grâce au code génétique : celui-ci fait correspondre un triplet de nucléotides (association de 3 nucléotides) à un acide aminé particulier, toujours le même. Par exemple le triplet (ou codon) AAG est traduit en lysine. C’est l’étape de traduction. Cependant il existe 4 nucléotides, qui s’associent par trois, donc 4x4x4 = 64 possibilités, or il n’y a que 20 acides aminés. Plusieurs triplets sont traduits en un même acide aminé ; le code génétique est dit redondant. Certains triplets sont dits codon stop car ils ne codent pour aucun acide aminé. Ces triplets sont à la fin du gène et codent pour la fin de la protéine. Ainsi la succession des acides aminés d’une protéine est commandée par la succession des nucléotides d’un gène. Les gènes codent donc pour les protéines. Les différents allèles d’un gène divergent de quelques nucléotides, et codent donc pour des protéines différentes. Le grand nombre de gène d’un organisme explique la diversité de ses protéines. 4 Schéma bilan. Le génotype d’un individu code donc pour l’ensemble des protéines d’un organisme et donc pour son phénotype. Peut t on modifier le génotype d’un organisme ? 4°) La transgénèse Lexique : La transgénèse est la modification du génotype d’un individu. La transgénèse permet la formation d’organismes génétiquement modifiés. Quelles sont les étapes de la transgénèse ? 5 TP3 : la transgénèse. Etude du document 1p180. Q1 : répondre à la Q1p181. Q2 : Quelles sont les étapes de la transgénèse ? Q3 : A l’aide des documents 3 et 4 p 180 – 181 donner des exemples de transgenèse et les risques qui leurs sont associés. Réponses attendues : 1.Les insulines de divers mammifères diffèrent au niveau des aa 8 et 9. L’insuline produite par la bactérie est de type humaine car le gène de l’insuline humaine a été introduit dans la bactérie.le code génétique est universel. 2.les étapes de la transgénèse sont : Extraction d’un gène d’intérêt. Intégration de ce gène dans l’ADN d’un autre organisme ( bactérie, plante…). Ce 2eme organisme produit alors la protéine codée par le gène. 3. Mais ogm résistant à un insecte, sajo ogm résistant à herbicide, tomate qui se consevre mieux…… mais problème de contamination génétique dans environnement, pollution du sol, toxicité pour animaux et hommes…. O.M : rechercher des informations en relation avec le pb donné. Communiquer. Il est possible de modifier le génotype d’un organisme en lui transférant des gènes provenant d’un autre organisme ; c’est la transgénèse. L’organisme ayant reçu des gènes étrangers est un Organisme Génétiquement Modifié. Les gènes étrangers s’expriment, et permettent la production de nouvelles protéines, et donc un phénotype différent ; ceci repose sur l’universalité du code génétique. Les OGM sont une biotechnologie de plus en plus utilisée aujourd’hui, dans de nombreux domaines : santé : production de médicament par des bactéries ou des levures, plantes…ex : insuline agronomie : production de plantes résistante aux herbivores, insectes ravageurs… ex : le mais transgénique résistant à une chenille :la pyrale du mais. L’alimentation : production de légumes plus riches en éléments nutritifs, plus gros, plus beaux, plus digestes ex : tomates, pomme de terre, soja…. Environnement : la formation de plantes résistantes permet de limiter l’utilisation d’insecticides, de pesticides… + utilisation d’herbicide biodégradables. Pays en développement : augmenter la productivité, et les qualités nutritives des cultures ex : manioc en afrique. Industrie : production de matériaux en limitant la pollution ex : arbre à fort taux de lignine pou production de papier. Les OGM permettent souvent une amélioration de la qualité de vie des hommes, cependant ils doivent utilisés avec car nous ne connaissons pas encore Nous avons donc vu que être le phénotype d’unprécautions individu dépend de ses protéines et donc de son les effets qu’ils peuvent avoir sur l’environnement et l’ensemble des êtres vivants. génotype. Ils sont entre à l’heure actuelle en masse Etats-Unis, au Canada, en Amérique du La relation génotype et utilisés phénotype est elleaux cependant si simple et directe ? Sud, mais beaucoup de pays comme la France préfèrent poser un moratoire et ne pas les utiliser par principe de précaution. Problème économique car centralisé principalement par un seul grand groupe : monsanto. Débat sur les cotés positifs et négatifs des ogm. 6 II) Complexité des relations entre génotype et phénotype 1°) Les mutations Le génotype d’un individu peut être modifié naturellement, lorsqu’il subit une mutation. Une mutation est la modification de la séquence nucléotidique d’un gène. Les mutations ont pour conséquence la modification de la séquence nucléotidique, donc modification de la protéine et donc une modification du phénotype. A cause de la redondance du code génétique, une mutation peut parfois conduire au même acide aminé ; le phénotype n’est alors pas modifié. On parle de mutation silencieuse. Parfois une mutation peut conduire à un codon stop, la protéine est alors plus courte, et donc non fonctionnelle. Les agents mutagènes peuvent être physiques (les UV du rayonnement solaire) ou chimiques (molécules contenue dans la fumée de cigarette). 2°)Implication de divers gènes TP4 Le génotype d’un individu contient deux allèles pour chaque gène. Lorsque les deux allèles sont identiques l’individu est dit homozygote ; si ces deux allèles sont différents, l’individu est hétérozygote. Le phénotype résulte de l’expression du génotype. Si les allèles sont codominants, ils s’expriment tous les deux (ex : groupe sanguin AB). Si un seul des deux s’exprime, il est dominant sur l’autre qui est récessif ( ex : allèle A dominant sur allèle O). Selon les allèles présents, il apparaît que plusieurs génotypes différents conduisent au même phénotype (ex : groupe sanguin A codé par génotype AA ou AO). A l’inverse un phénotype macroscopique peut dépendre d’un seul gène (ex ; drépanocytose) ou bien il peut résulter de l’expression de plusieurs gènes (ex ; groupes sanguins 2 gènes pour l’action de 2 enzymes A+,A-).On dit dans ce cas que le caractère est polygénique. C’est le cas du plus grand nombre des caractères et de maladies génétiques ( ex : l’albinisme est due à un défaut de mélanine ; la synthèse de mélanine fait intervenir plusieurs réactions, donc plusieurs enzymes, codées par des gènes différents). 3°)Intervention environnementale TP4 Le phénotype macroscopique ne résulte pas seulement de l’expression du génotype mais aussi de l’environnement. En effet des facteurs externes tels que le soleil, l’alimentation…interagissent avec le génotype pour la réalisation du phénotype . Ainsi une peau blanche exposée un certain temps au soleil devient bronzée, une personne atteinte de phénylcétonurie limite le développement de sa maladie si elle n’ingère pas d’aliments riches en phénylalanine. Facteurs génétiques (génotypes , mutations…) PHENOTYPE Facteurs environnementaux ( UV,alimentation, stress…) Schéma bilan des interactions entre génotype et environnement pour la réalisation du phénotype 7 Certaines maladies sont d’origine génétique, héréditaires ou congénitales ; elles sont dues à des allèles particuliers. Peut on prévoir avant la naissance si un enfant sera malade ? IV Médecine préventive et diagnostic prénatal Il est à l’heure actuelle possible de prévoir si un bébé à venir est atteint d’une maladie génétique. Pour cela plusieurs techniques sont utilisées pour réaliser un diagnostic prénatal. 1°) Analyse du génome Livre p74 Des cellules de l’embryon ou foetus humain sont prélevées par amniocentèse ( dès la 17ème semaine d’aménorrhée) ou choriocentèse(dès la 9ème semaine d’aménorrhée) (lexique). A partir de ces cellules, on peut prélever leur noyau, qui contient le matériel génétique. Puis on peut : - réaliser un caryotype (Représentation ordonnée de tous les chromosomes d’une cellule). Ceci permet de vérifier le nombre de chromosomes, leur forme… dépistage notamment de la trisomie 21. - analyser les gènes de l’individu en réalisant des tests génétiques (doc 1p74) : l’ADN de l’individu est découpé en petits fragments grâce à des enzymes particulières ; les petits fragments peuvent correspondre aux allèles. Puis ces fragments sont mis à migrer sur un gel dans un champ électrique (c’est la technique d’électrophorèse), ce qui permet de les séparer puis les visualiser. Ceci permet par exemple de mettre en évidence la présence d’un allèle responsable d’une maladie génétique chez un individu. Ceci correspond au diagnostic prénatal qui permet de voir si l’enfant à venir est normal. Enfin lors de FIVETE, on peut réaliser un diagnostic préimplantatoire, c'est-à-dire analyser le génome d’un embryon de quelques cellules, avant de l’implanter dans le ventre de la maman. Ceci permet de déterminé si l’allèle responsable d’une maladie génétique est dominant ou récessif ( un 2°)dominant Réalisation d’arbres généalogiques allèle est lorsque son expression prévaut(domine) sur celle des autres allèles dits récessifs). Afinsidecet prédire enfant à venir soit malade, des spécialistes transmission Puis allèle la estprobabilité porté par qu’un un chromosome autosomal (autosome = paires 1 étudient à 22), oulapar un d’une maladiesexuel au cours des générations dans une famille. chromosome (gonosome). TP4 Ces méthodes permettent donc de prévoir si un enfant sera atteint ou non d’une maladie génétique. Dans le cas où une mère attend un fœtus malade, le couple peut prendre la décision de ne pas le laisser vivre ( IVG ). Ceci pose certains problèmes bioéthiques 3°) Bioéthique Textes p 75 Le fait que l’on puisse savoir avant la naissance si notre futur sera malade et le fait de pouvoir décider de sa survie est certes rassurant mais pose cependant d’importants problèmes éthiques…( a-t-on le Conclusion : droit de décider de la vie d’un individu …..) De plus une dérive d’un de la individu, maitrise du génome des individus est à craindre par la suite, et pose Le phénotype définit à plusieurs échelles, est le résultat de l’interaction également de graves problèmes éthiques (choix du sexe de l’enfant, de la couleur des entre le génotype de cet individu et l’environnement dans lequel il évolue. Le yeux…). génotype code pour l’ensemble des protéines qui permettent la réalisation du phénotype de l’individu ; puis les facteurs externes de l’environnement (UV, alimentation) modulent le phénotype. Grâce aux techniques scientifiques actuelles, il est possible de prévoir la maladie d’un futur enfant. 8 Enfin des techniques récentes visent à modifier les gènes d’un individu ou utiliser des gènes étrangers afin de soigner certaines maladies génétiques, c’est la thérapie génique, encore en expérimentation. 9