Activité 7 Gènes du développement Diversification des êtres vivants

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Thème 1A Génétique et évolution TS
Thème 1A
Activité 7 : Gènes du développement, diversification des êtres vivants et évolution de la biodiversité
Notions à construire
S'agissant des gènes impliqués dans le
développement, des formes vivantes très
différentes peuvent résulter de variations dans la
chronologie et l'intensité d'expression de gènes
communs, plus que d'une différence génétique.
Capacités
Attitudes
Recenser, extraire et organiser des informations en vue de
Faire preuve d’autonomie
comprendre l’évolution de la biodiversité
Manifester sens de l’observation
Interpréter des changements évolutifs en termes de modification du
Comprendre la nature provisoire,
développement
en devenir, du savoir scientifique
Comparer des séquences peptidiques et nucléiques des gènes
homéotiques et homéoprotéines avec Anagène pour en identifier
les homologies de séquences
Visualiser des homéoprotéines avec Rastop pour en identifier la
structure et expliquer
la fonction l’implication des gènes du développement dans la
A partir des documents proposés et vos connaissances,
Réaliser un arbre phylogénétique avec Phylogène
diversification des êtres vivants et ainsi dans l’évolution de la biodiversité.
Production attendue :
Modélisation 3D légendée et titrée de la fixation de l'homéodomaine de la protéine homéotique Antennapedia au gène-cible
- Tableau de comparaisons des homéoboites d’homéogènes de Drosophile, de Souris et d’Homme
- Arbre évolutif moléculaire des homéogènes B4, B6 et B7 issus du complexe Hox b de la souris
Document 1 : Des drosophiles mutantes
(D’après http://www.biology.arizona.edu/developmental_bio/problem_sets/Developmental_Mechanisms/07t.html)
Chez la drosophile, certaines mutations entrainent le
changement d'une partie du corps en une autre : on parle
de transformation homéotique. Ces mutations sont donc
été appelées mutations homéotiques et les gènes
concernés ont pris le nom de gènes homéotiques.
Il existe deux exemples célèbres chez la drosophile. Il
s'agit des mutations : antennapedia , où des pattes se
sont formées à la place des antennes ; et bithorax où le
3ème segment thoracique est transformé en 2ème
segment thoracique; le résultat est une mouche avec deux
paires d'ailes au lieu d'une seule.
Au niveau moléculaire, les gènes homéotiques sont
transcrits en protéines appelés homéotiques qui
interagissent directement avec la molécule d’ADN pour
réguler l’expression d’autres gènes. L’homéoprotéine possède une séquence de 60 acides aminés (l’homéodomaine) dont la
conformation tridimensionnelle reconnait spécifiquement des régions régulatrices de certains gènes. On dit qu’elles ont un rôle
sélecteur. Les protéines homéotiques sont donc des facteurs de transcription d’autres gènes.
Logiciel : Rastop
Fichiers :antennapedia_adn.pdb (fragment d’une protéine homéotique Antennapedia complexé à l’ADN)
Document 2 : Comparaison des séquences peptidiques d’un fragment de 50 acides aminés des homéodomaines des protéines
homéotiques Antennapedia d’une drosophile sauvage HOM et mutante antp (avec deux paires d’ailes)
Logiciel : Anagène
Fichiers : 2antp.edi
Document 3 : Les homéoboites et homéodomaines ( http://www.snv.jussieu.fr/bmedia/homeotique/homeo2.html)
Le gène homéotique se caractérise par une séquence nucléotidique de 180 paires de nucléotides (l’homéoboite) qui code pour
l’homéodomaine et qui est très semblable à tous les gènes homéotiques.
Logiciel : Anagène
la drosophile)
Fichiers : BoxDrHoSo.edi.(séquences nucléotidiques d’ homéoboites de la souris, de l’homme et de
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Thème 1A Génétique et évolution TS
Document 4 : Réalisation d’un arbre phylogénétique moléculaire des homéodomaines d’homéoprotéines issus du complexe Hox b
de souris avec le logiciel Phylogène
Logiciel : Phylogene
b7sou).
Fichiers : domsou.aln (séquences peptidiques des homéodomaines de la souris (b4sou, b6sou,
Logiciel : Anagène
b7sou).
Fichiers : BoxDrHoSo.edi.(séquences nucléotidiques des homéoboites de la souris (b4sou, b6sou,
Document 5 : Les complexes des gènes homéotiques Hom de la Drosophile et Hox des Vertébrés
Chez la drosophile, l’ensemble des gènes homéotiques forme un complexe Hom situé sur le même chromosome.
Chez les vertébrés, les gènes homéotiques forment 4 complexes Hox (a à d) situes sur 4 chromosomes différents.
Complexes Hom de la Drosophile et Hox de la souris
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Thème 1A Génétique et évolution TS
Les gènes homéotiques contrôlent la mise en place des organes selon l'axe antéropostérieur: leur action est donc spatiale.
Ils s'activent les uns après les autres selon leur position sur le chromosome: leur action est donc temporelle.
A un instant donné du développement, c'est la combinaison des gènes homéotiques activés qui va orienter l'apparition d'une
structure particulière.
«Les gènes occupant les premières positions au sein de leurs complexes respectifs sont ceux qui sont exprimés le plus précocement au
cours du développement embryonnaire et qui s’expriment dans les structures les plus antérieures.
Les gènes suivants commencent à s’exprimer légèrement plus tardivement que les précédents et montrent dès lors une frontière
d’expression plus postérieure au sein de l’embryon. Et ainsi de suite.
Les derniers gènes dans l’ordre linéaire des complexes chromosomiques sont ainsi ceux dont l’expression démarre le plus tard et dont
la frontière d’expression est la plus retirée sur l’axe antéropostérieur de l’embryon.»
D'après René Rezöhazy.
Document 6 « Quand l’évolution change le temps des êtres »
« Les recherches entreprises sur le rôle des « gènes architectes » ou « homéogènes » découverts au cours des années 1980 sont en
train de révolutionner de fond en comble nos idées non seulement sur le développement des individus mais encore sur l'ancienneté
des mécanismes génétiques et donc évolutifs mis en jeu. Ces gènes, appelés Hox, correspondent à des séquences d'ADN, ou
homéoboites très semblables chez tous les organismes. On sait par exemple qu'un même gène architecte intervient dans la formation
de l'œil chez la mouche et chez l'homme - alors même que la structure de l'œil est complètement différente. Ces gènes architectes
imposent une chronologie précise des événements qui se suivent au cours du développement. Un changement dans l'expression d'un
de ces gènes peut suffire à modifier la chronologie et donc la morphologie adulte. [...] On est loin de la conception selon laquelle nous
serions uniquement le produit de la sélection naturelle s'exerçant sur une myriade de micromutations, Il est clair désormais qu'une
simple mutation, autorisant, réprimant ou modifiant l'expression d'un gène à une étape donnée du développement - étape de
préférence précoce - peut suffire à changer chez un individu, la morphologie d'un ou de plusieurs caractères, les fonctions d'un ou de
plusieurs organes, voire un plan d'organisation, et transmettre ces modifications à sa descendance. »
Jean Chaline et Didier Marchand La Recherche n°316 Janvier 1999
Document 7 : Mise en place de la colonne vertébrale en fonction de l'activité des gènes homéotiques
A. Différenciation des différents types de vertèbres
Il existe différentes formes de vertèbres dont les vertèbres cervicales très mobiles et les vertèbres thoraciques qui portent les côtes.
Les deux premières vertèbres cervicales sont respectivement l'atlas (C1) et l'axis (C2).La figure suivante donne, pour le début de la
colonne vertébrale, la chronologie de l'expression de quelques gènes homéotiques au cours du développement embryonnaire.
B. Expérience de désactivation du gène Hoxb4
La radiographie (1) correspond à la colonne cervicale normale d'une souris. En 1993, Ramirez-Solis désactive expérimentalement le
gène Hoxb4, la colonne cervicale de la souris correspond à la radiographie (2). Le nombre de vertèbres n'est pas modifié.
Chronologie de l'expression de quelques gènes
homéotiques au cours du développement
embryonnaire de la colonne vertébrales
Radiographies de la colonne vertébrales
C. Caractéristiques des serpents
Les serpents sont caractérisés par l'absence de pattes et le fait que toutes les vertèbres portent des côtes.
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