RR - 16/04/17 - 769773273 - 1/6 Première ES Chapitre 2.1 4 semaines De l’information génétique au phénotype ►TP 1. La drépanocytose I. Le phénotype se définit à différentes échelles A. À l’échelle macroscopique B. À l’échelle cellulaire C. À l’échelle moléculaire ►TP 2. Structures et propriétes des hémoglobines A et S II. Les protéines régissent le phénotype A. Les protéines diffèrent par leur séquence d’acides aminés B. La forme d’une protéines dépend de sa séquence d’acides aminés C. Les protéines régissent la structure et les activités cellulaires III. La séquence de l’ADN gouverne la séquence des protéines A. Le code génétique est un système de correspondance entre ADN et protéine ►TP3. Relation entre ADN et protéines ►TP 4. Les OGM en débat B. La transgenèse repose sur l’universalité du code génétique C. L’exploitation des OGM pose des problèmes ► REVOIR le cours de 2e chapitre 2.2 Universalité et variabilité de la molécule d’ADN. ► QUESTION. Définir : information génétique ; chromosome ; gène ; mutation, allèle ; phénotype ; ADN. OBJECTIF Chaque espèce se définit par un ensemble de caractères, présents chez tous les individus, et contrôlés par l’information génétique. Souvent, ces caractères présentent des variations individuelles qui déterminent le phénotype de chacun. Cela suppose des variations individuelles de l’information génétique. L’ADN (acide désoxyribonucléique) est le support moléculaire universel de l’information génétique portée par les chromosomes. On appelle gène une unité d’information génétique qui commande l’expression d’un caractère de l’espèce, et allèles les différentes versions d’un même gène. On cherche à établir la nature du lien entre information génétique et phénotype. RR - 16/04/17 - 769773273 - 2/6 ►TP 1. La drépanocytose I. Le phénotype se définit à différentes échelles Le terme phénotype est généralement employé de façon restrictive et ne concerne que l’expression individuelle d’un seul caractère. Dès lors UN phénotype peut être observé à différentes échelles. Pour une espèce donnée, chaque variante phénotypique d’un même caractère est appelée phénotype alternatif. A. À l’échelle macroscopique Les phénotypes liés à la morphologie (organisation externe), à l’anatomie (organisation interne) ou à la physiologie (fonctionnement de l’organisme) sont identifiables sans outil particulier. On parle de phénotype macroscopique. Exemples : individu sain ou atteint de drépanocytose, possibilité de « rouler la langue », etc. B. À l’échelle cellulaire Les phénotypes liés à l’organisation et à la structure cellulaire ne sont observables qu’au microscope. On parle de phénotype cellulaire. Exemple : hématie biconcave ou en faucille. C. À l’échelle moléculaire Les phénotypes liés à la nature des molécules produites par les cellules ne sont identifiables qu’à la suite d’analyses chimiques. On parle de phénotype moléculaire. Exemple : hémoglobine HbA ou HbS. Chaque hématie contient environ 280 millions de molécules d’hémoglobine, ce qui représente 33% de sa masse. Remarques Les phénotypes des trois échelles d’observation sont liés. Ainsi l’HbS fibreuse est une protéine (phénotype moléculaire). Elle entraîne la formation d’hématies en faucille (phénotype cellulaire) qui fixent le dioxygène de manière incorrecte et circulent mal dans les capillaires sanguins. Il en résulte des symptômes d’anémie caractéristiques de l’anémie falciforme (phénotype macroscopique). Cela est généralisable : - tout phénotype macroscopique ou cellulaire a une explication à l’échelle moléculaire ; - tout phénotype moléculaire repose sur une ou des protéines ; - tout phénotype alternatif résulte toujours de différences dans la ou les protéines concernées. ►TP 2. Structures et propriétés des hémoglobines A et S RR - 16/04/17 - 769773273 - 3/6 II. Les protéines régissent le phénotype A. Les protéines diffèrent par leur séquence d’acides aminés Une protéine est formée d’une succession d’unités élémentaires : les acides aminés. Dans la nature il n’existe que 20 acides aminés qui différent par la nature du radical R. COOH | R―C―H | NH2 Un acide aminé La nature, le nombre et l’ordre des acides aminés constitue la séquence de la protéine. On distingue : - les peptides, formés de quelques acides aminés seulement ; - les polypeptides formés d’une cinquantaine d’acides aminés ; - les protéines (s.s.) sont formées au moins d’une centaine d’acides aminés. Avec l’ADN, les protéines sont les seules molécules être caractéristiques de chaque espèce et même de chaque individu. En effet, d’un individu à l’autre, la séquence des acides aminées d’une protéine peut être différente tout comme l’est celle des nucléotides de l’ADN. Les autres molécules biologiques (lipides et glucides), sont identiques chez tous les individus de la même espèce et même dans de nombreuses espèces différentes. Elles ne peuvent donc pas être à l’origine d’un phénotype individuel. B. La forme d’une protéines dépend de sa séquence d’acides aminés FIGURE 1. Les niveaux d’organisation de l’hémoglobine dans Hatier 1e S p. 162. Les acides aminés éloignés sur une chaîne protéique peuvent s'associer deux à deux par liaison de faible énergie (liaison hydrogène ou pont disulfure). La chaîne se replie ainsi plusieurs fois et acquiert dans l’espace une structure tridimensionnelle déterminée qui dépend uniquement de la séquence des acides aminés qui la composent. Ainsi chaque protéine ayant un enchaînement d’acides aminés qui lui est propre, elle a aussi une structure tridimensionnelle (= une forme dans l’espace) qui lui est propre. On appelle : - structure primaire, l’enchaînement linéaire des acides aminés ; - structure secondaire, le repliement simple de la chaîne d’acides aminés ; - structure tertiaire, le repliement complexe dans l’espace de la chaîne d’acides aminés ; - structure quaternaire, l’association de plusieurs chaînes polypeptidiques formant une seule protéine fonctionnelle. Les variations de séquence des protéines sont héréditaires, la structure des protéines a donc une origine génétique. RR - 16/04/17 - 769773273 - 4/6 C. Les protéines régissent la structure et les activités cellulaires Les propriétés d’une protéine dépendent étroitement de sa forme dans l’espace et donc de sa séquence d’acides aminés. On distingue deux types de protéines : - les protéines de structure qui imposent la forme des cellules et donc celle des organes ; - les protéines fonctionnelles, comme les enzymes, indispensables pour catalyser toutes les réactions biochimiques de l’organisme, certaines hormones (toutes les hormones ne sont pas protéiques), les anticorps qui interviennent dans l’immunité, les protéines de transport (hémoglobine), etc. Les protéines fonctionnelles « reconnaissent » leurs molécules cibles grâce à une complémentarité de forme. III. La séquence de l’ADN gouverne la séquence des protéines Chaque chromosome est formé d’une seule molécule d’acide désoxyribonucléique (ADN) qui est le support de nombreux gènes. Chaque gène occupe un emplacement précis sur le chromosome, c’est son locus (lieu). Le génome humain comprenant environ 35 000 gènes alors que nous ne possédons que 23 paires de chromosomes homologues, chaque chromosome porte donc plus de mille gènes. Un gène est une partie de molécule d’ADN qui constitue l’unité d’information gouvernant la synthèse d’une protéine. On appelle mutation, la modification au hasard de la séquence des nucléotides de l’ADN constituant un gène (remplacement (= substitution), ajout (= insertion) ou perte (= délétion) de nucléotides). Les allèles sont les différentes versions d’un même gène obtenues à la suite de mutations successives (voir cours de 2e chapitre 2.2). Une mutation peut entraîner la modification d'un phénotype. Les propriétés de la molécule d'ADN sont donc liées à sa séquence, c’est à dire à la succession des nucléotides qui la composent. ► FIGURE 2. Le code génétique (en termes d’ADN) A. Le code génétique est un système de correspondance entre ADN et protéine L e s m é c a n i s m e s a s s u r a n t l a c o Problème Il existe 20 acides aminés différents et quatre nucléotides différents. Combien faut-il, au minimum, de nucléotides pour désigner un acide aminé? Solution 1 - Si un nucléotide désigne un acide aminé alors 4 = 4 acides aminés possibles. 2 - Si deux nucléotides désignent un acide aminé alors 4 = 16 acides aminés possibles. 3 - Si trois nucléotides désignent un acide aminé alors 4 = 64 acides aminés possibles. Puisqu’il y a 64 combinaisons de trois nucléotides parmi quatre pour seulement 20 acides aminés, plusieurs combinaisons correspondent au même acide aminé. De plus il existe trois codons de ponctuation aussi appelés codons stop. Un gène est constitué d’une succession de nucléotides associés par trois : les codons. A chaque codon, le code génétique fait correspondance un acide aminé. Ce code présente trois particularités : - il est non chevauchant, un nucléotide n’appartient qu’à une seul codon ; - il est redondant (= dégénéré), plusieurs codons correspondent au même acide aminé ; - il est universel, c’est le même pour tous les êtres vivants (ou presque). RR - 16/04/17 - 769773273 - 5/6 ►TP3. Relation entre ADN et protéines Puisque deux allèles ne possèdent pas la même séquence de nucléotides ils peuvent être à l’origine de deux protéines de séquences différentes, donc de formes différentes. Qu’ils s’agisse de protéines de structure ou fonctionnelles il en résultera généralement deux phénotypes différents car les propriétés d’une protéines dépendent toujours de sa forme dans l’espace. B. La transgenèse repose sur l’universalité du code génétique La transgenèse consiste à introduire un nouveau gène (gène d’intérêt), ou transgène, appartenant à n’importe quelle espèce, dans le patrimoine génétique d’un individu d’une autre espèce, non interféconde. On obtient alors un organisme génétiquement modifié (OGM) capable de produire de nouvelles protéines. Cette possibilité repose sur l’universalité du code génétique et elle peut être transmissible à la descendance. La technique est rapide mais ne permet actuellement de transférer qu’un nombre réduit de gènes. Les gènes doivent être transférés dans une cellule ayant la possibilité d’être à l’origine d’un organisme entier (gamète ou cellule œuf pour un animal, cellule somatique chez un végétal (totipotence)). Le gène est transféré soit par une bactérie, soit par un vecteur viral (Agrobactérium tuméfaciens) soit par bombardement direct (biolistique). Le taux de transfert de gène est faible. C’est pour cette raison qu’on a parfois utilisé, associé au transgène, un gène de résistance à un antibiotique donné de manière à pouvoir sélectionner, en présence de l’antibiotique, les cellules transformées. Cette technique est aujourd’hui abandonnée. Les applications de la transgenèse sont diverses : - en recherche fondamentale, pour comprendre comment un gène s’exprime ou pour obtenir des « modèles animaux » pour étudier des maladies humaines (SIDA, mucoviscidose, athérosclérose…) ; - en chirurgie pour obtenir des organes animaux greffables chez l’homme ; - en agriculture, pour obtenir de nouvelles variétés soit résistantes à certains herbicides, à des maladies ou à des insectes soit ayant de nouvelles propriétés gustatives ou nutritives ; - dans l’industrie chimique pour produire de élastomères ou des matières plastiques ; - dans l’industrie pharmaceutique pour produire des médicaments (insuline, hormone de croissance, enzymes) ou des vaccins. ►TP 4. Les OGM en débat C. L’exploitation des OGM pose des problèmes ► VOIR livre p. 57 et p. 194-195. La culture d'OGM suscite des interrogations concernant les risques pour l'environnement et la santé humaine : - les transgènes introduits dans les variétés cultivées risquent-ils de se transmettre à des plantes sauvages ? RR - 16/04/17 - 769773273 - 6/6 - les plantes transgéniques "insecticides" risquent-elles de favoriser la résistance aux toxines d'insectes nuisibles ? de détruire des insectes utiles ? - les produits consommés, dérivés d'OGM, peuvent-ils augmenter la fréquence des allergies alimentaires ? Lors des premiers essais en laboratoire des gènes de résistance à des antibiotiques ont été transmis pour tester la transmission du transgène. Cette méthode n'a jamais été utilisée au champ du fait du risque de dissémination. Deux groupes industriels (Novartis et Monsanto) sont en mesure d’avoir un monopole mondial sur des semences et des produits phytosanitaires utilisés sur la planète. CONCLUSION Les gènes interviennent sur les phénotypes par l’intermédiaire des protéines qu’ils codent. Les séquences d’ADN qui constituent les gènes sont traduites en protéines selon le code génétique qui associe un acide aminé à chaque codon. L’universalité du code génétique fait que n’importe quelle cellule est capable d’exprimer l’information génétique de n’importe quel organisme. C’est sur ce constat que repose la transgenèse et l’obtention d’organismes génétiquement modifiés.