Les innovations génétiques - Raymond Rodriguez SVTperso

RR - 16/04/17 - 769773499 - 1/7
Termle S
Chapitre
4.2
3 semaines
Les innovations génétiques
I. Les mutations géniques sont à l'origine de nouveaux allèles
A. Une mutation est une modification de la séquence des nucléotides d'un gène
►TP 1a. Polyallélisme et mutations (version Anagène)
►TP 1b. Polyallélisme et mutations (version papier)
B. On distingue trois principaux types de mutations
C. Les mutations ont des conséquences phénotypiques variables
►TP 2. La famille multigénique des globines
II. Duplications et mutations géniques permettent l'apparition de nouveaux gènes
A. Les familles multigéniques s'expliquent d’abord par la duplication génique
B. La divergence des gènes d'une même famille s'explique ensuite par l'accumulation de mutations
III. Les innovations génétiques ont des succès divers
A. Seules les innovations de la lignée germinale ont une chance de succès
► TP 3. Génotype et environnement FACULTATIF
B. Certains allèles confèrent un avantage sélectif
C. Des allèles neutres peuvent se répandre
► TP 4. Chronologie du développement FACULTATIF
D. Les mutations des gènes de développement : petites causes et grands effets

OBJECTIF
Beaucoup de gènes présentent de nombreux allèles. Un gène est dit
polymorphe si au moins deux allèles sont présents dans l'espèce avec
une fréquence supérieure à 1%.
Chez l'Homme, environ 30% des gènes sont polymorphes. Les gènes non
polymorphes codent généralement des protéines dont la variabilité entraîne la
mort de l’individu qui les porte.


Chaque individu est unique car il ne possède que deux allèles par gène,
et se caractérise par une collection originale d'allèles (voir chapitre 4.1).
Sur le plan génétique, une espèce se caractérise par un ensemble de
gènes qui en définissent les caractères.
L'Homme possède environ 35 000 gènes.


Au cours des temps géologiques, les espèces se sont succédées, ce qui
suppose l'apparition de nouveaux gènes. Or méiose et fécondation
permettent le brassage allélique mais ne permettent pas l’apparition ni de
nouveaux allèles ni de nouveaux gènes.
On recherche les mécanismes à l'origine de la formation de
nouveaux allèles et de nouveaux gènes ainsi que le devenir de ces
innovations.
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I. Les mutations géniques sont à l'origine de nouveaux
allèles
A. Une mutation est une modification de la séquence des nucléotides
d'un gène
 Les mutations s'accumulent au fil des générations (dans l'espèce et dans les
espèces ancestrales).
 Une mutation peut intervenir lors de la réplication de l'ADN qui précède toute
division cellulaire (mitose ou méiose) ou résulter d'un remaniement
chromosomique. Elle est typiquement spontanée (= aléatoire), et non orientée
(= sa nature ne dépend pas des caractéristiques du milieu).
 Une mutation peut être ponctuelle, c'est à dire n'affecter qu'un seul nucléotide ou,
étendue c'est à dire affecter de larges portions du gène.
Dans un chromosome seulement 10% environ de l'ADN correspond à des gènes. Le reste
est dit extragénique. Ces régions extragéniques sont très polymorphes car elles peuvent
accumuler de nombreuses mutations (voir Nathan p. 81) sans que cela n’ait de
conséquence particulière. Ce sont elles qui sont utilisées pour réaliser les empreintes
génétiques.

La fréquence des mutations (= taux de mutation) est faible pour un gène donné.
Elle est de l'ordre de 10-6 (variable selon les organismes et les gènes de 10-3 à 10-11).
Cependant, compte tenu du grand nombre de gènes (environ 35 000 chez l'Homme) la
probabilité d'une mutation par gamète n'est pas négligeable (environ 1%).
Pour un gène donné, la rareté des mutations permet le maintien des caractéristiques de
l'espèce pendant quelques centaines de générations. Cela n'empêche pas le polyallélisme
et donc une variabilité intraspécifique pour de nombreux caractères.

Les mutations sont plus nombreuses sous l'action de certains agents mutagènes
comme les rayons ionisants (rayons X et gamma), les ultraviolets (voir cours de
2de chapitre 2.2.TP3 et §II.C) ou certaines substances chimiques (benzène...). Ces
agents augmentent la fréquence des mutations mais n'orientent pas leur nature.
►TP 1a. Polyallélisme et mutations (version Anagène)
►TP 1b. Polyallélisme et mutations (version papier)
Selon le temps disponible le TP0 se fait sous forme de TP(TP0a), de TD (TP0b)
ou simplement en support du cours (transparents de TP0b).
B. On distingue trois principaux types de mutations
Codon : séquence de trois nucléotides successifs sur l'ARNm.
Triplet : séquence de trois nucléotides successifs sur l'ADN.
Le nucléotide est la plus petite unité de mutation.



La substitution est le remplacement d'une ou plusieurs paires de nucléotides par
une ou plusieurs autres.
L'addition (= insertion) est l’ajout d'une ou plusieurs paires de nucléotides.
La délétion (= suppression) est la perte d'une ou plusieurs paires de nucléotides.
 Parmi les autres types de mutation certaines entraînent la répétition d'un triplet
(voir le cas de la Chorée de Huntington dans Nathan exercice n° 6 p. 89).
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C. Les mutations ont des conséquences phénotypiques variables
 La substitution ne modifie ni le nombre de nucléotides ni le cadre de lecture de
l'ADN. Par contre addition et délétion modifient non seulement le nombre de
nucléotides mais aussi le cadre de lecture quand le nombre de nucléotides
affectés n'est pas un multiple de trois (l'ADN code par triplets). Cela a pour effet
de modifier tout le codage de la protéine correspondante en aval de la mutation.
 Pour chaque triplet, trois cas sont à envisager.
- Cas 1. Le triplet mutant est synonyme du triplet antérieur, du fait de la
redondance (= dégénérescence) du code génétique, il n'y a aucune conséquence.
La mutation est dite silencieuse (c'est souvent le cas lors d'une substitution
ponctuelle sur le troisième nucléotide d'un triplet).
- Cas 2. Le triplet mutant correspond (ou ne correspond plus) à un codon stop, la
synthèse protéique est interrompue prématurément (ou est poursuivie au delà de
la normale). C'est une mutation non sens.
- Cas 3. Le triplet mutant code un acide aminé différent du triplet antérieur
(l'altération de la séquence des nucléotides du gène muté est reproduite lors de la
transcription de l’ADN en ARNm puis lors de la traduction de l’ARNm en
protéine, voir cours de 1ère S chapitre 2.1.III ). Dans ce cas :
- soit la mutation entraîne une modification de la longueur et/ou de la
structure spatiale de la protéine provoquant modification de sa fonction
biologique (bénéfique ou non), c'est une mutation faux-sens ;
- soit la mutation n'entraîne pas de modification de la fonction de la protéine,
elle est dite neutre.
Beaucoup de mutations faux-sens sont délétères (= nuisibles au fonctionnement de
l'organisme).
Les parties non fonctionnelles d'une protéine conservent beaucoup plus facilement les
mutations (= évoluent plus rapidement du fait de mutations neutres) que les parties
fonctionnelles (mutations faux-sens).
►TP 2. La famille multigénique des globines
Possible après II (en application)
II. Duplications et mutations géniques permettent
l'apparition de nouveaux gènes
► FIGURE 1. La famille multigénique des globines (au complet) dans Ridley,
De Boeck, 1997 voir aussi Nathan p. 78.

On appelle famille multigénique un ensemble de gènes issus d'un même gène
ancestral.
On estime qu'une similitude (même acide aminé situé à la même position) entre deux
protéines supérieure à 20 % indique une parenté, c'est à dire une origine commune.
► FIGURE 2. Évolution du génome dans Nathan p. 87.
A. Les familles multigéniques s'expliquent d’abord par la duplication
génique
Accompagnement. Les mécanismes à l'origine de la duplication génique dans les
familles multigéniques ne sont pas au programme.
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

On appelle duplication, un mutation particulière qui provoque l’apparition d’une
copie supplémentaire d’un gène entier. Les copies ont la même fonction.
Ces gènes copiés peuvent rester groupés sur le même chromosome ou bien se
disperser sur deux ou plusieurs chromosomes différents (= transposition).
B. La divergence des gènes d'une même famille s'explique ensuite par
l'accumulation de mutations
 Les gènes dupliqués peuvent :
- ne pas muter (nous possédons ainsi des milliers de gènes identiques d'histone
(protéines associées à la structure des chromosomes) ou d'ARN ribosomal), on
parle de gènes répétés ;
- muter chacun pour son compte, tout en restant apparentés, les nouveaux
polypeptides codés conservent la même fonction (cas des globines) ;
Dans ce cas une mutation délétère est sans conséquence car une copie intacte du gène
initial est conservée.
- muter chacun pour son compte en ne conservant pas la même fonction. Ils
suivent une évolution indépendante et permettent l'acquisition de nouvelles
fonctions (cas des hormones post-hypophysaires ou de la myoglobine (stockage
de O2) par rapport aux autres globines (transport de O2)).
► FIGURE COURS. Évolution du génome d’après la figure 2. Gène ancestral,
duplication, transposition, divergence (= mutations indépendantes des gènes
dupliqués) voir aussi dans Bordas p. 99.
► FIGURE 3. Quelques familles multigéniques dans Nathan p. 79 fig. 3.
Certains gènes dupliqués, les pseudogènes, ne sont plus fonctionnels.
III. Les innovations génétiques ont des succès divers
Accompagnement. Cette partie du programme (chapitre 3.2. III) ne peut, à elle
seule, être l'objet d'une question au baccalauréat.
A. Seules les innovations de la lignée germinale ont une chance de
succès
 Dans un organisme on distingue deux grandes lignées de cellules : la lignée
somatique (du grec sôma = corps) qui aboutit aux cellules non reproductrices, et
la lignée germinale qui aboutit aux cellules reproductrices.
 Les mutations qui affectent la lignée somatique peuvent avoir des conséquences
sur l'individu porteur (ex. cancérisation, cf. cours de 2e chapitre 2.2.II.C). Elles
sont sans conséquences sur la descendance donc sur l'évolution car non
transmissibles.
Certaines tâches pigmentaires de la peau, qui apparaissent en cours de vie, proviennent
d'une mutation somatique.

Les mutations qui affectent la lignée germinale peuvent a voir un impact évolutif
car elles sont transmissibles à la descendance par l'intermédiaire des gamètes.
► TP 3. Génotype et environnement
FACULTATIF
Selon le temps disponible le TP3 se fait sous forme de TP de TD ou simplement
en support du cours (pages Génotype et environnement).
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B. Certains allèles confèrent un avantage sélectif
 Les facteurs de l'environnement peuvent provoquer pour les porteurs de certains
allèles, une variation de l'espérance de vie et/ou de la capacité à se reproduire.
Ainsi, la fréquence des allèles favorables, ou non défavorables, augmente dans la
population : on parle de sélection naturelle.
Inversement la fréquence des allèles défavorables ou non favorables diminue.
 L'observation montre qu'il existe une sélection diversifiante quand l'hétérozygotie
confère un avantage (vigueur hybride) et une sélection uniformisante qui tend à
éliminer les allèles défavorables que des néomutations tendent à restaurer.
 Du fait de la sélection naturelle les allèles délétères (= provoquant des maladies
graves) devraient disparaître d'une population. En fait ils sont sans cesse renouvelés du
fait de néomutations (voir Hatier p. 95 fig. 10).

Un changement d'environnement peut modifier la pression de sélection et
entraîner un changement de(s) l'allèle(s) favorisé(s). Il n'entraîne en aucun cas
l'apparition d'allèles nouveaux.
 On ne s'adapte pas à de nouvelles condition de milieu. On est (= naît) adapté ou
on ne l'est pas.
► FIGURE 4. Dérive génétique et fréquence allélique (marqueurs de groupes
sanguins) dans Nathan p. 133 fig. 2, voir aussi Didier p. 104, 105 (cf. fig. ts42_10)
La fréquence des allèles de groupe sanguin (système A, B, 0) varie selon les
populations alors qu'aucun argument ne plaide pour la prévalence de tel ou tel
allèle.
► FIGURE 4b. Fréquence de l’allèle béta S et paludisme dans Nathan p. 130.
► FIGURE 5. La dérive génétique dans Nathan p. 132.
► FIGURE 6. Fréquence allélique de quatre populations dans Nathan p. 141.
C. Des allèles neutres peuvent se répandre
 Si la sélection naturelle agissait seule on devrait observer un faible polymorphisme
génique (= un appauvrissement génique) au sein des populations.


Dans des conditions de milieu données, la majorité des allèles ne confèrent aucun
avantage ni désavantage au regard de sélection naturelle, ils sont neutres.
Dans une population, la fréquence des allèles neutres fluctue au cours du temps
du fait du tirage aléatoire, à chaque génération, des gamètes participant à la
reproduction. De manière non prévisible certains allèles se fixent (= se
répandent) et d'autres peuvent se perde, c'est la dérive génétique. Ainsi, des
mutations peuvent se répandre dans la population sans conférer d'avantage
sélectif particulier.
Accompagnement. Les mécanismes et les effets de la dérive générique ne sont
pas exigibles.
► FIGURE 7. Les hémoglobines des mammifères dans Nathan p. 133 fig., voir
aussi Bordas p. 152, 153, 156.


L'existence de molécules homologues chez différentes espèces témoigne de
l'accumulation de mutations neutres. Comme les mutations ne dépendent pas des
conditions de milieu elles s’accumulent en fonction du temps.
Si on admet que les mutations se sont régulièrement accumulées le degré de
similitude entre deux gènes homologues traduit le temps écoulé depuis leur
divergence, c’est la notion d’horloge moléculaire (voir chapitre 3.1 Parentés et
phylogénies).
La notion d’horloge moléculaire a des limites car les vitesses d’évolution diffèrent selon
les molécules et la vitesse d’évolution est variable au sein d’une même molécule.
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► TP 4. Chronologie du développement
FACULTATIF
D. Les mutations des gènes de développement : petites causes et
grands effets
► FIGURE 8. Le plan d'organisation des insectes dans Nathan p. 134 - Hatier
p. 105 - Bordas p. 160 .
► FIGURE 9. La transition nageoire-patte dans Nathan p. 134,135.


On appelle gène du développement (= gène homéotique = gène architecte) un
gène qui contrôle l’expression d’autres gènes. Il gouverne ainsi la position et la
chronologie de mise en place des organes (plan d’organisation).
Les mutations qui affectent les gènes du développement (petites causes) peuvent
avoir deux types de conséquences (grands effets) :
- apparition d'un nouveau plan d'organisation (ex. passage de la nageoire à la
patte chez les tétrapodes) ;
- apparition de décalages (ralentissements ou accélérations) dans le
développement embryonnaire et/ou la durée relative de la mise en place des
caractères morphologiques. On parle d'hétérochronies.
► FIGURE 10a. Hétérochronies chez le chien dans La Recherche n°375, mai
2004.
La différence entre le squelette d’un lévrier et celui d’un pitbull s’expliquerait par des
déphasages dans le temps entre l’action des mêmes gènes régulateurs de la croissance.
► FIGURE 10b. Hétérochronies chez l'Homme et le Chimpanzé dans dossier
PLS Les origines de l’humanité p. 42, 64 et Hatier p. 109, voir aussi Nathan p.
138, 139.
La « forme juvénile » du crâne (front bombé et face peu saillante) du nouveau né
humain, est conservée chez l’Homme adulte, alors qu‘elle disparaît chez le Chimpanzé
et l’ancêtre Lucy au cours de la croissance. La « forme juvénile » du bassin (ailes
iliaques plates et latérales) disparaît chez l’homme adulte (le bassin devient une cuvette)
alors qu’elle est conservée chez le Chimpanzé et l’ancêtre adulte. Chez l'Homme et le
jeune Chimpanzé le trou occipital, situé à la base du crâne, impose une bipédie
permanente. La poursuite du développement crânien du Chimpanzé entraîne la bascule
vers l'arrière du trou occipital qui accompagne la quadrupédie à partir de un an. Des
hétérochronies comparables concernent d'autres caractères (mandibule, longueur
relative des membres...) alors que le développement embryonnaire et nerveux est plus
long chez l'Homme que chez le Chimpanzé.
► FIGURE 11. La diversité des hétérochronies dans Nathan p. 137.
 Trois sortes de modifications peuvent affecter l'ontogenèse :
- le taux de développement ou de croissance (augmenté ou diminué) ;
- le début de développement (précoce ou tardif) ;
- la fin de développement (précoce ou tardive).

Les mutations touchant les gènes du développement ont probablement joué un
grand rôle dans l'évolution et peuvent expliquer son caractère discontinu.
 On oppose l'évolution discontinue (= par sauts) à l'évolution graduelle (=
progressive), telle qu'elle est suggérée par la sélection naturelle.

BILAN
À l'échelle de l'espèce les mutations sont à l'origine de la diversité
allélique qui se manifeste par une hétérozygotie à de nombreux locus.
 La relation entre polyallélisme de l'espèce et fréquence de l'hétérozygotie est une
simplification qui n'est acceptable qu'au sein d'une population se reproduisant selon une
modalité "classique" de reproduction biparentale et aléatoire (= panmictique).
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


Au cours des générations successives, les fréquences des allèles
peuvent être modifiés selon que les innovations génétiques sont
favorables, défavorables ou neutres par rapport aux conditions de milieu
du moment.
L'enchaînement duplication mutation conduisant à l'apparition de
nouveaux gènes, et les mutations touchant les gènes du
développement peuvent avoir de grands effets et expliquer le caractère
souvent discontinu de l'évolution des espèces.
Ces innovations génétiques n'ont d'importance que si elles touchent la
lignée germinale ce qui leur permet de s'accumuler au fil des
générations. Alors qu'elles apparaissent au niveau des individus, ce sont
donc les populations et les espèces qui évoluent.

Gradualisme et discontinuités (voir Bordas p. 157 dernier paragraphe).