Introduction Chromosomes polyténiques de la drosophile

Simonnet Jean
Structure des chromosomes et expression des gènes
Chateigner Aurélien
Influence de la structure des
chromosomes sur l’expression des
gènes
But des manipulations : A partir de 2 caryotypes de drosophile, étant identiques au niveau de la
séquence du gène white (sauvage) et d’une série de dosages montrant le degré de pigmentation de
l’œil, on va montrer que la structure chromatinienne peut jouer un rôle dans l’expression de certains
gènes et conduire à des phénotypes différents.
I.
Introduction
A.
Chromosomes polyténiques de la drosophile
Chez la drosophile, on dénombre 4 paires de chromosomes. La première paire est celle des
chromosomes sexuels, avec notamment le chromosome X dont le centromère se situe à une
extrémité, un renflement est situé à l’autre extrémité, et un étranglement se trouve juste avant ce
renflement. La deuxième possédant un bras court et un bras long pour chaque chromosome, du fait
de la position excentrée du centromère. La troisième paire possède un centromère central, qui fait
que les bras sont de même taille. La quatrième paire se compose de chromosomes de petite taille.
Figure 1 : Les 4 paires de chromosomes chez Drosophila Melanogaster (femelle) (chromosomes homologue séparés)
Un chromosome polyténique résulte de multiples cycles de synthèse d'ADN sans division cellulaire ni
séparation physiologique des chromosomes, ce qui entraîne des copies de gènes multiples du même
chromosome associés en brins parallèles. Cette propriété de duplication en plusieurs milliers
d’exemplaires confère une très grande taille au chromosome. L’activité transcriptionnelle est plus
intense.
Il est facile d’observer ces chromosomes dans les noyaux des cellules des glandes salivaires de larves
de drosophile de 3ème stade, de par leur grande taille. On constate que les chromosomes
polyténiques sont constitués de bandes sombres et de bandes claires, les bandes sombres contenant
beaucoup d’ADN (hétérochromatine) et les claires en contenant peu (euchromatine). Les parties
sombres correspondent donc à des gènes réprimés et les claires à des gènes qui s’expriment. Chaque
profil de bande de chromosome est spécifique, pour 2 chromosomes X issus de 2 drosophiles
différentes, on retrouvera un même enchainement de bandes claires et sombres. Au niveau des
bandes claires on dénombre un certain nombre de bandes sombres très fines, décelables seulement
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au microscope électronique. On constate alors que les centromères sont constitués largement
d’hétérochromatine et qu’ils sont tous réunis dans une zone appelée chromocentre.
Figure 2 : chromosomes des glandes salivaires de Drosophile (chromosomes homologues appariés)
B.
Gène White chez la drosophile
C’est un gène impliqué dans le transport des pigments dans les facettes de l’œil, chaque facette
correspondant à un neurone sensitif. Il se situe sur le chromosome X dans la région de la constriction
cité précédemment, dans de l’euchromatine.
II.
Manipulations et résultats
4 souches différentes de drosophiles sont mises à disposition. Une sauvage, une [w-] (phénotype
white : yeux blanc), la souche B appelés 25300 et une A appelé 25300’. Notre but dans cette
expérience va être de doser le pigment rouge de l’œil de la drosophile.
Pour chaque lignée, on prend 10 mouches auxquelles on coupe la tête. On dispose ensuite les têtes
dans un tube Eppendorf contenant 150 µL de chloroforme et 150 µL d’Ammoniaque. On écrase les
têtes dans la solution avec un pilon adapté au tube, puis on vortex pendant 30 secondes.
On centrifuge ensuite pendant 2 minute à vitesse maximale. Deux phases sont visibles après, la
supérieure contenant le pigment à doser. Elle est colorée pour la souche sauvage et pour les autres
un peu moins. On récupère 100 µL de la phase avec le pigment que l’on place dans 900 µL
d’ammoniaque ce qui fait un volume final de 1000 µL.
On mesure ensuite la DO à 485 nm de chaque solution. Les résultats du groupe sont reportés dans le
tableau suivant :
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[sauvage]
[w-]
25 300
25300’
0,484
0,542
0,437
0,504
0,547
0,481
0,587
0,466
0,504
0,394
Moyenne = environ 0,5
0
0
(0,004)
0
0
0
0
0
0
0
Moyenne = 0
0,035
0,034
0,029
0 ,023
(0,017)
0,036
(0,004)
0,035
0,044
0
Moyenne = environ 0,035
(0,01)
0,038
0,069
0,048
0,067
0,058
0,056
0,059
0,051
Moyenne = environ 0,06
Les valeurs entre parenthèses ne sont pas prises en compte : elles résultent d’erreur de
manipulation.
III.
Interprétations
Tout d’abord, on peut noter des différences entre les valeurs des différents binômes. On peut les
expliquer tout simplement par le fait que l’écrasement des têtes n’a pas été le même. La
pigmentation peut être différente en fonction de l’âge des drosophiles.
Pour les souches sauvages, le témoin positif, la valeur d’absorbance est élevée, ce qui est normal car
l’œil est pigmenté.
Pour les souches de phénotypes white, le témoin négatif, il n’y a pas de pigmentation dans l’œil
donc la valeur d’absorbance est nulle. En effet le gène white est muté, la protéine impliquée dans le
transport des pigments dans l’œil n’est donc pas fonctionnelle ce qui explique la non pigmentation
de l’œil.
Pour les souches 23500, on constate que la valeur d’absorbance est plus de 10 fois moins importante
que la valeur déterminée pour la souche sauvage. On peut s’attendre à avoir alors des yeux plus
clairs, par exemple une mutation dans le gène white qui fait que les pigments auraient moins
d’affinité pour la protéine de transport. Cependant lorsque l’on regarde les yeux, on constate un
phénotype en mosaïque : des facettes sont rouges et d’autre sont blanches.
Regardons maintenant le caryotype de la souche sauvage et celui de la souche 23500 (voir Annexe).
On constate une boucle d’inversion sur le chromosome X (repéré grâce au renflement visible à son
extrémité). Cette inversion positionne le gène White, situé normalement dans la boucle près de son
commencement, à proximité du centromère. Le gène est alors déplacé près d’une zone ou la
chromatine est sous forme condensée (hétérochromatine). Or les gènes situés dans
l’hétérochromatine sont réprimés de par cette structure condensée qui empêche les facteurs de
transcription spécifiques du gène de s’y fixer ; de plus la frontière de l’hétérochromatine n’est pas
fixe, elle peut s’étendre plus ou moins dans l’euchromatine : la chromatine est dynamique. Ce
phénomène est appelé la Variégation : les gènes de l’euchromatine, proche de l’hétérochromatine
vont être plus ou moins réprimés du fait du dynamisme chromatinien et vont alors s’exprimer dans
certaines cellules et pas dans d’autres. Ceci explique alors pourquoi dans le cas de cette inversion, le
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gène white s’exprime dans certains neurones et pas dans
d’autres, ce phénomène aboutissant à des yeux en
mosaïque.
Souche 23500’ : Ici on voit que la variégation est moins
importante : l’absorbance est plus forte que pour 23500, ce
qui signifie que les yeux sont plus colorés (plus de facettes
colorées). Cependant l’inversion est la même.
On peut déduire que la condensation de la chromatine
s’effectue avec un rendement moins important. Une des
protéines participant à la condensation à ce niveau ne doit
pas être fonctionnelle. On peut alors supposer qu’il y a une
mutation au niveau d’un gène codant pour une protéine de
condensation de la chromatine, qui ne sera pas
fonctionnelle, ce qui empêche une bonne condensation et
qui diminue la variégation.
Figure 3 : boucle d’inversion sur un
chromosome polyténique
IV.
Conclusion
Ainsi, nous avons démontré par cette simple expérience que la structure chromatinienne peut jouer
un rôle dans l’expression de certains gènes et conduire à des phénotypes différents. En effet, par des
phénomènes de boucle d’inversion, ou encore par des phénomènes, que nous n’avons pas vus ici, de
boucle de délétion, le phénotype varie, et l’expression des gènes est différente. De plus, le degré de
condensation de la chromatine qui implique la Variégation fait aussi varier l’expression des gènes en
des phénotypes multiples.
Nous avons ici étudié ce phénomène dans le gène white de la drosophile, mais il s’observe aussi dans
le gène « notch-wing » (ailes présentant des indentations), où la délétion est létale à l’état
homozygote et apparaît récessive en ce qui concerne la létalité. Cette mutation se comporte comme
si elle était dominante dans le cas de certaines délétions et cassures chromosomiques à l’intérieur du
gène.
La structure chromatinienne est donc primordiale, et peut présenter d’énormes différences, dans de
nombreux cas de mutations spéciales.
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