Version élève Génomes et innovations génétiques

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Version élève Génomes et innovations génétiques
Intro : Dans toutes les espèces, le support de l’information génétique est l’ADN, répliqué et transmis au
cours des divisions cellulaires (mitose). L’ADN détermine, en relation avec l’environnement, le phénotype
de l’individu.
I) Le génome d’une espèce et le polymorphisme.
1) Les gènes polymorphes : le polymorphisme individuel
#Doc 1,2,3 p 86.87:………………………………………………………………………
2) Le polymorphisme de l’espèce
# Doc 2 p 89 :……………………………………………………………….
Concl : chaque individu est unique, pour presque tous les gènes il existe plusieurs allèles qui diffèrent
par leurs séquences de nucléotides. Ces allèles ont des fréquences différentes au sein d’une population.
II) Les mutations géniques créent de nouveaux allèles.
1) la notion de mutation
# Doc2 p 90……………………………………………………………………………………
Définition : les mutations sont des modifications de la séquence d’un gène. Elles sont créées lorsqu’il se
produit des erreurs pendant la réplication semi conservative de l’ADN (étape précédent la division cellulaire,
mitose ou méiose), et que ces erreurs persistent (malgré la machinerie de contrôle qui existe dans la cellule).
Elles sont à l’origine de nouveaux allèles.
Ainsi le polymorphisme des gènes résulte de l’accumulation de mutations au fil des générations. Toute
mutation ne crée cependant pas automatiquement un nouvel allèle. Il faut aussi que la mutation soit
transmise de manière héréditaire à la descendance, donc qu’elle est ait lieu dans les cellules germinales.
Les mutations se produisent en effet au hasard dans n’importe quelle cellule de l’organisme.
Dans les cellules somatiques = elles peuvent aboutir au développement d’un cancer…
Dans les cellules germinales = transmission aux générations suivantes.
2) les principaux types de mutations.
Voir TP,# Doc p 91 …………………………………………………………………………..
Les mutations peuvent correspondre à une substitution, une délétion, ou une addition, d’un ou plusieurs
nucléotides.
 les substitutions : elles résultent du remplacement ponctuel d’un nucléotide par un autre, deux
allèles d’un même gène peuvent différer par un ou quelques nucléotides à des sites précis du gène.
Exemple l’alpha AT antitrypsine par un nucléotide ou par de nombreux nucléotides, exemple les
gènes du système HLA (CMH, complexe majeur d’histocompatibilité) il existe plus de 20 allèles des
gènes HLA A et HLA B d’une fréquence supérieure à 1 % et ou la différence entre deux allèles est
de 30 à 50 substitutions.
- Quand elle ne provoque pas de changement de l’acide aminé codé, la mutation est dite
silencieuse ou synonyme. C’est la redondance du code génétique qui permet l’existence de
telles mutations, sans répercussion sur le phénotype. A l’inverse, la mutation peut engendrer
un changement d’AA dans la protéine, c’est une mutation faux sens ; ou créer un codon stop,
c’est une mutation non sens.
 par délétion, addition (ou insertion) :
Les additions résultent de l’insertion d’un ou plusieurs nucléotides consécutifs dans la séquence du
gène. Les délétions surviennent par perte d’un ou plusieurs nucléotides consécutifs.
- si le nombre de nucléotides insérés ou délétés n’est pas un multiple de trois ; la mutation
provoque un décalage du cadre de lecture, car l’ADN code par triplet. L’enchaînement des
AA sera radicalement différent. De plus la probabilité de voir apparaître un codon stop sera
plus forte. Ces mutations ont souvent des conséquences phénotypiques lourdes.
# Doc 2 p90 :…………………………………………………………………………….
- si le nombre de nucléotides est multiple de trois, la chaîne polypeptidique aura un ou
plusieurs AA en plus ou en moins. La mutation pourra n’altérer que modérément l’activité.
Ces mutations sont dites « décalantes ».
Elles sont dites ponctuelles si elles touchent une seule base de l’ADN.
On les dit étendues dans le cas contraire.
Exemple : la mucoviscidose.

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La fréquence des mutations est faible moins de 10-6 mais peut être augmentée par les agents mutagènes,
UV, radioactivité….
Les mutations germinales sont comprises entre 1 et 10 pour 1million de gamètes comme il y a 30 000
gènes dans l’espèce humaine, 1 personne sur 30 reçoit un nouvel allèle de l’un ou l’autre de ses parents.
Certains gènes ont une fréquence de mutation plus élevée c’est le cas de la myopathie entre 10 et 100
mutations pour 1 million de gamètes.
Conclusion : les mutations ont pour conséquences de former une combinaison particulière de tous les
allèles d’un individu : c’est le pool allélique, il caractérise l’unicité de l’individu.
Les mutations affectent en permanence le génome de l’ensemble des cellules de l’organisme. Elles
sont pathogènes, indifférentes, ou bénéfiques. Seules celles affectant les cellules de la lignée
germinales peuvent –être transmises aux générations suivantes ; elles enrichissent alors la
collection d’allèles de l’espèce :
Au sein de l’espèce => unicité du génome de chaque individu et diversité des génotypes et des
phénotypes des individus de l’espèce.
III) Les duplications géniques créent de nouveaux gènes.
1) La notion de famille multigénique.
Doc 3 p 93 et p 94,95 et TP famille multigénique :…………………………………
Ces gènes homologues proviennent de l’évolution d’un même gène ancestral unique. On les regroupe au
sein de familles de gènes ou famille multigénique (une similitude supérieure à 20% ne peut pas être due au
hasard). Il est possible de construire des arbres phylogénétiques qui retracent l’histoire évolutive des
familles et de dater approximativement les duplications des gènes.
Exemple : les différentes globines
Pour passer de la bactérie à l’homme il faut passer de 5000 gènes à 30 000 gènes environ, il faut donc créer
de nouveaux gènes à partir de gènes préexistants.
Chez l’homme plusieurs types de globines se succèdent dans le temps. (Représentation de Hb)
Les globines bêta, gamma, delta et epsilon protéines de 146 AA qui jouent le même rôle et assurent la même
fonction.
- avant 8 semaines l’embryon Hb E essentiellement : 2 zêtas et 2 epsilons
- après 8 semaines le fœtus Hb F : 2 alphas et 2 gammas
- après la naissance remplacement progressif par Hb A :
Adulte, 97% d’Hb A : 2 alpha et 2 bêta, et 1,5 % 2 alpha et 2 delta (Hb D), et 1,5% 2 alpha et 2 gamma
(Hb fœtale).
Cette succession de protéines différentes dans le temps correspond à des activations et inactivations des
différents gènes
Pb ? Quel en est la signification et l’intérêt ?
HB E, Hb F et Hb A ayant des affinités différentes pour l’O2
HB E et HB F ont des affinités supérieures pour O2.
Les différentes chaînes Hb sont gouvernées par des gènes différents, localisés sur des chromosomes
différents. Zêta et alpha 2 gènes différents sur chromosomes 16
Bêta, gamma, delta, et epsilon 4 gènes différents sur le chromosome 11.
Ce sont des protéines homologues car = similitudes entre elles de + de 80%.
Les gènes : bêta gamma delta et epsilon du chromosome 11 sont le résultat de la duplication successive
d’un gène ancestral.
La duplication d’un gène signifie qu’il se forme sur un chromosome par des mécanismes génétiques
complexes.
Gènes : β/δ β/ε δ/ε β/g δ/γ γ/ε
% diff 3,7 16 17 17 18 10
Le groupe beta est constitué de plusieurs gènes, il y a donc eu duplication d’un gène ancestral. Ces
duplications n’ont pas eu lieu en même temps sinon les différences entre les gènes prises 2 à 2 seraient les
mêmes.
Les gènes beta et delta les + semblables proviennent de la duplication la plus récente.
Beta et delta sont également distants d’epsilon et gamma 17 % cela signifie que les deux ensembles
proviennent d’une duplication plus ancienne.

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La première duplication est datée de moins 200 million d’années = apparition des mammifères .Tous les
mammifères ont des chaînes différentes de l’Hb fœtale et de l’Hb adulte. La duplication β/γ à donc été
antérieure à l’apparition des mammifères.
C’est un avantage sélectif permettant la viviparité.
Les gènes gouvernant alpha et beta présentant 50 % de similitudes donc on a une parenté entre ces deux
gènes qui viendrait de la duplication d’un gène ancestral suivi d’une divergence plus importante, donc
d’une duplication plus ancienne.
Pb : on veut l’ordre des duplications dans l’ordre chronologique ?
En considérant le rythme des mutations constant au cours des temps, le % de différences entre 2 globines
actuelles correspond au % de différences entre les 2 gènes gouvernant leur fabrication et est fonction du
temps écoulé depuis la duplication.
Mµ (myoglobine) chez tous les vertébrés est la seule globine.
Des agnathes apparue très tôt au Cambrien, fossiles les plus anciens – 470 Ma le gène dériverait du gène
ancestral par mutations neutres accumulées dans le temps quelques soit les vertèbres.
- tous les vertébrés autres que les agnathes ont mµ et d’autres globines
Les poissons et les batraciens ont mµ et alpha +bêta pour ceux-ci il a fallu deux duplications successives
du gène ancestral. Les plus anciens fossiles de ces classes datant de – 470 Ma les duplications sont
antérieures à cette date
- seuls les mammifères possèdent gamma en plus de mµ et de alpha et bêta => duplication chez un
ancêtre commun à tous les mammifères, les plus anciens fossiles de cette dates – 200 ma
- seuls les primates possèdent delta en plus de mu alpha bêta et gamma.
Si les gènes ne sont plus sur le même chromosome c’est qu’il y a eu une translocation.
2) Divergence des gènes et acquisition de nouvelles fonctions.
Doc 1 p 94 :……………………………………………………………………………
Les duplications d’un gène ancestral unique entraînent l’apparition de nouvelles copies identiques qui vont
évoluer sous l’action de mutations aléatoires.
Au cours des générations, ces copies vont alors diverger du fait de l’accumulation de ces modifications.
*les 2 gènes ou nombreux gènes issus de la duplication continuent à coder pour le même produit avec
exactement les mêmes caractéristiques s’exprimant tous et on aboutira à des systèmes permettant une
amplification de la production de protéines ex : pour les protéines histones qui réalisent le compactage de
l’ADN dans les chromosomes des eucaryotes. Ou pour les gènes gouvernant la fabrication d’ADN
ribosomial (résistance aux insecticides)
* si la divergence des copies est faible, les gènes obtenus conservent une fonction identique à celle du gène
ancestral, mais ne vont pas s’exprimer dans les mêmes organes ou aux mêmes périodes de la vie, ex : les
globines
* si la divergence est importante ou très importante les gènes homologues obtenus vont coder pour des
protéines ayant des fonctions nouvelles. Ex : hormones hypophysaires 3 gènes codant pour 3 protéines
différentes avec des rôles différents TSH, FSH, LH, mais similitude de structure et de séquences des gènes.
* après duplication l’un des gènes continus à coder pour la fabrication d’un produit initial et l’autre
contribue à la formation de nouveaux gènes par assemblages avec des gènes différents d’autres origines ex :
les récepteurs LDL
Concl : Au cours des temps se produit un enrichissement progressif du génome d’une espèce et
l’apparition de nouvelles fonctions. Cependant les innovations génétiques sont relativement rares et se
déroulent sur de longues périodes. Les innovations ne vont pas permettre d’expliquer des grands
changements d’organisation. Elles vont constituer des marqueurs de l’évolution, mais elles n’ont rien
à voir avec le moteur de l’évolution : ex différents batraciens actuels : grenouilles –tritons- salamandres ;
peu de différences morphologiques mais beaucoup de différences au niveau des molécules homologues = un
ancêtre commun très éloignés dans le temps avec accumulation de mutations neutres dans les gènes
homologues mais pas de mutations significatives au niveau des gènes de la macroévolution. Par contre
l’homme et le chimpanzé ont des différences morphologiques importantes, mais une très grande similitude
des molécules homologues = ancêtre commun peu éloigné dans le temps peu de mutations neutres mais des
mutations au niveau des gènes responsables de l’architecture et du développement. La complexification
aboutit à un changement d’organisation soumis à la pression de la sélection naturelle qui va former de
nouveaux gènes au cours du temps.