Les Cours de PCEM2

La ségrégation des allèles
Pierre Ray
Département de Génétique
Plan
• Rappels : le cycle cellulaire, la méiose, le chromosome
• Dominance et récessivité
• Ségrégation allelique
• Liaison génétique
Rappel : le cycle cellulaire (1)
G1
Préparation
à la mitose
Phase de
synthèse
de l’ADN
G0
Cellule quiescente
Mort cellulaire
Phases G1-G2 = INTERPHASE activité fonctionnelle de la cellule.
Rappel : l’ADN pendant le cycle cellulaire
Fin de Phase S
2 fibres d’ADN
Chromatine à l’interphase
1 fibre d’ADN
1 Chromosome
Métaphasique
Quantité d’ADN
G2
4c
G2
S
2c
G1
G0
Décondensation
G1
Chromosome
anaphasique
1ere Div
INTERPHASE
c
2ème Div
MITOSE
MITOSE
MEIOSE
Rappel la méiose : 1ere division cellulaire
2’2’
1’
1’ 1’’
1’’
2’’
2’’
12
34
5
6
Fin
de
S
Phase
G1phase
Prophase
: Recombinaison
condensation
des
Métaphase
:chromosomes
Formation du
4c
ADN,
2n
Chromatine
à
l’interphase
des
chromosomes
homologues
Filaments
en chromatides
fuseau
bipolaire
à
2
chromatides
2c 4c,
ADN,
2n à2n2 chromosomes
chromatides
Anaphase
4c, 2n à 2 chromatides
Rappel la méiose : 2eme division cellulaire
9710
8
IIIIà
Anaphase
2Métaphase
cellules
4 gamètes
filles
Séparation
2c ADN
1c ADN des
chromatines
n chromosomes
n chromosomes
homologues
à 2 chromatides
À 1 chromatide
Caryotype “brut” normal 46, X,Y
G-Banding (Giemsa) sur noyau en prophase/métaphase
Après traitement par la Cochicine : interagie avec les microtubules du fuseau
= bloque la division cellulaire.
Méiose : conclusion
• Succession de 2 divisions cellulaires formant à partir
d’une cellule diploïde (2n chromosomes) quatre cellules
haploïdes (n chromosomes).
génome diploïde
gamètes haploïdes
46,XX
46,XY
23,X
23,Y
• Des recombinaisons ont lieu entre les chromatides non-sœur
des chromosomes homologues lors de la 1ere division de
Méïose.
• Du fait de ces recombinaisons tous les gamètes sont différents
Caryotype “final” normal 46, X,Y
Les chromosomes sont identifiés et appariés grace à la carte cytogénétique.
Chromatides soeurs
Centromère
Télomère
Locus et allèles
Locus : site physique où se
situe une séquence d’ADN
(codante ou non) sur un
chromosome
Chromosomes
Homologues
Locus A
Chromosome
Maternel
Allèle : une des formes que peut
prendre une même séquence, à un
locus donné.
Individu diploïde comporte pour
chaque locus 2 allèles (1 mat, 1 pat)
• identiques :homozygote
• différents : hétérozygote
Chromosome
Paternel
Mat. Allele
Pat. Allele
Allèle sauvage : le plus fréquent/non pathologique.
Ségrégation allélique
• Ségrégation allélique
– séparation des allèles dans les cellules filles
– repose sur la disjonction des paires de chromosomes lors de la méïose
– probabilité de transmission d’un gène maternel ou paternel est de 1/2
Les lois de transmission des caractères chez le pois par Grégor Mendel
•
Les 3 premières lois de l'hérédité
• dans la 1ère génération d'un croisement impliquant 2 lignées pures différant par un unique
caractère, tous les individus présentent un même phénotype. Le caractère qui se manifeste
dans la génération F1 est qualifié de dominant et le caractère qui en est exclus est qualifié
de récessif
• dans la descendance d'un croisement impliquant 2 individus F1 (génération F2),
les 2 caractères parentaux réapparaissent suivant une proportion prédictible de 3:1
• si l'on croise des lignées pures différant pour plusieurs caractères, chacun de ces
caractères se comporte de façon indépendante vis-à-vis de l'autre
Dominance – Récessivité. Expression phénotypique des différents allèles
• Génotype : constitution allélique des gènes d’un individu (à un locus donné).
• Phénotype : manifestation visible du génotype. Plus généralement c’est l’ensemble
des caractères observables d’un individu, dépend du génotype en interaction avec le
milieu.
• Dominance : l’allèle dominant A manifeste toujours son caractère
Génotype
Phénotype
Homozygote
AA
[A]
Hétérozygote
Aa
[A]
– Co-dominance : Aa exprime à la fois le génotype AA et aa (ex : Groupes sanguins A et B)
– Semi-dominance : phénotype Aa est intermédiaire entre AA et de aa
• Récessivité
–Allèle récessif a ne se manifeste pas en présence de A, ne s’exprime qu’à l’état homozygote
Génotype
Phénotype
Hétérozygote
Aa
[A]
Homozygote
aa
[a]
Ségrégation d’un couple d’allèles
PA = 1
Pa = 1
Individu AA : gamètes A
Individu aa : gamètes a
Individu Aa : gamètes A ou a
PA = 1/2 Pa = 1/2
Tableaux des gamètes :
AA x aa : [A] x [a]
Aa x aa : [A] x [a]
a
A
Aa [A]
A
Aa [A]
a
A
Aa [A]
a
aa [a]
a
Aa [A]
Aa [A]
a
Aa [A]
aa [a]
Phénotype : 100% [A]
AA x Aa : [A] x [A]
A
A
AA [A]
A
AA [A]
a
Aa [A]
Aa [A]
Phénotype : 100% [A]
Phénotype : 50% [A]
Aa x Aa : [A] x [A] :
A
A
AA [A]
a
Aa [A]
a
Aa [A]
aa [a]
- Phénotype : 75% [A]
Ségrégation de deux couples d’allèles : Aa , bB (1)
b
a
a
a
b bB B
B
a
A
b
A
b
A
B
B
a
A A
A
a
a
B
B
A
b
b
Ségrégation de deux couples d’allèles : Aa , bB (2)
a
a
a
b
A
b
A
A
b
a
25% a, b
b
B
A
a
B
B
a
b
A
B
a
B
A
25% A, B
B
A
B
a
b
B
25% a,B
b
A
b
25% A, b
Ségrégation de deux couples d’allèles
Individu AABB : gamètes AB
Individu aabb : gamètes ab
p(AB) = 1
p(ab) = 1
Tableaux des gamètes :
AABB x aabb :
ab
AB
AaBb [AB]
AB
AaBb [AB]
ab
AaBb [AB]
AaBb [AB]
Phénotype : 100% [AB]
Ségrégation de deux couples d’allèles
• Individu AaBb, phénotype [AB]
• 4 types de gamètes : AB ou Ab ou aB ou ab. pAB = pab = pAb = paB = 1/4
Tableaux des gamètes :
AaBb x AaBb
AB
Ab
aB
ab
AB AABB [AB] AABb [AB] AaBB [AB] AaBb [AB]
Ab AABb [AB] AAbb [Ab] AaBb [AB] Aabb [Ab]
aB
AaBB [AB]
AaBb [AB]
aaBB [aB]
aaBb [aB]
ab
AaBb [AB]
Aabb [Ab]
aaBb [aB]
aabb [ab]
9 Génotypes : AABB, AABb, AaBb, Aabb, AaBB, aaBB, aaBb, AaBb, aabb
4 Phénotypes :
2 parentaux : p[AB] = 9/16, p[ab] = 1/16
2 recombinés : p[Ab] = 3/16, p[aB] = 3/16
Loi de ségrégation indépendante des caractères
– pendant la méïose, la ségrégation d’une paire d’allèles est indépendante de la
ségrégation d’une autre paire d’allèles
–
–
–
–
Pour 1 couple d’allèles
Pour 2 couples d’allèles
Pour 3 couples d’allèles
Pour n couples d’allèles
2 types de gamètes
22 = 4 types de gamètes
23 = 8 types de gamètes
2n types de gamètes
3 génotypes
32 = 9 génotypes
33 = 27 génotypes
3n génotypes
– loi vérifiée que dans le cas de couples d’allèles indépendants (situés sur des
chromosomes différents)
Liaison génétique
• Coségrégation de 2 ou plusieurs allèles au cours de la méïose en raison de
la proximité physique de leur locus sur le génome
Recombinaison (I)
– Echange réciproque de matériel génétique entre les chromatides
de chromosomes homologues survenant lors de la méïose au
niveau des chiasmas
– Mécanisme responsable des recombinaisons génétiques
Recombinaison(II)
Recombinaison (III)
• Recombinaisons génétiques
– aléatoires et imprévisibles
– loi statistique : la probabilité de recombinaison entre 2 locus dépend de
la distance physique qui les sépare.
– en moyenne 60 chiasmas par génome diploïde pendant la méïose
– points chauds de recombinaison
– variation du nombre de crossing over en fonction du sexe
(femme > homme)
• Taux de recombinaison  entre deux locus
– pourcentage de gamètes recombinés parmi l’ensemble des gamètes
transmis par les parents.
–  = nombre de gamètes recombinés / nombre de gamètes transmis
•indépendance des 2 locus :  = 1/2
•liaison des 2 locus : 0   < 1/2
Recombinaison (IV)
Allèles non liés
Ap
Ap
Bp
Am
Bm
= 50%
gamètes
parentaux
Bp
= 50%
gamètes
recombinés
Bp
méïose
25%
25%
Ap
Am
Bm
Am
Bm
25%
25%
Allèles liés
Ap
Bp
Ap
Bp
Am
Bm
> 50%
gamètes
parentaux
Ap
Bm
Am
Bp
< 50%
gamètes
recombinés
méïose
Am
Bm
Thomas Hunt Morgan
• Morgan découvre un certain nombre de mutations. Il étudie leur transmission
d’une génération à l’autre.
• Il découvre 4 groupes de liaison: les mutations ne se répartissent pas au
hasard dans les descendants.
• Il émet l'hypothèse que ces quatre groupes de liaison sont assimilables
aux 4 paires de chromosomes de la drosophile. La liaison étant donc
"simplement le résultat mécanique de la localisation des gènes dans les
chromosomes”
• Morgan présente avec Alfred Sturtevant en 1913 la première carte génétique.
Depuis on a défini le centiMorgan (cM) comme unité de recombinaison: 1 cM
étant égal à 1% de crossing-over.
Quic kTime™ et un
déc ompres seur TIFF (non c ompres sé)
s ont requis pour visionner cette image.
Quic kTime™ et un
déc ompres seur TIFF (non compress é)
s ont requis pour visionner c ette image.
Les expériences de Morgan, indépendance des caractères (1)
On croise deux lignées pures de drosophiles :
Type sauvage : ailes longues [L] et yeux rouges [R]
Quic kTime™ et un
déc ompres seur TIFF (non compress é)
s ont requis pour visionner c ette image.
Double mutant : aux ailes vestigiales [v] et sans yeux [w]
La descendance (F1) est constituée uniquement d’individus
aux ailes longues et aux yeux rouges.
Les males de (F1) X femelles (vv,ww) donnent 4 phénotypes
dans les mêmes proportions
1
L
R
1
L
1
L
2
R
Gamète
sauvage
x
1
v
2
1
w
Gamète
muté
2
L v R w
F1= [ LR]
v
v
2
2
w
1
2
R
1
2
w
Gamètes F1
Les expériences de Morgan, indépendance des caractères (3)
Tableau des gamètes :
ab
AB
AaBb [AB]
Ab
Aabb [AB]
aB
aaBb [aB]
ab
aabb [ab]
ab
AaBb [AB]
Aabb [Ab]
aaBb [aB]
aabb [ab]
ab
AaBb [AB]
Aabb [Ab]
aaBb [aB]
aabb [ab]
ab
AaBb [AB]
Aabb [Ab]
aaBb [aB]
aabb [ab]
Phènotypes attendus : 0.25: 0.25: 0.25: 0.25
Les expériences de Morgan, indépendance des caractères (2)
On croise les males de (F1) avec femelles (vv,ww)
1
2
L v R w
Quic kTime™ et un
déc ompres seur TIFF (non compress é)
s ont requis pour visionner c ette image.
1
L
L
v
v
Quic kTime™ et un
déc ompres seur TIFF (non compress é)
s ont requis pour visionner c ette image.
1
R
1
1
R
1
1
1
w
1
497 [LR]
1
w
Gamètes F1
1
x
v
2
L v w w
2
502 [ Lw]
w
Gamète
muté
Confirmation de la loi de
ségrégation indépendante
des caractères avec
0.25: 0.25: 0.25: 0.25
1
2
v v R w
1
510 [vR]
2
v v w w
498 [vw]
Les expériences de Morgan, association des caractères (1)
On croise : lignée sauvage (LL, RR),
Double mutant : ailes vestigiales (vv) et aux yeux bruns (bb).
La descendance (F1) est constituée uniquement d’individus [L,R]
Les males de (F1) X femelles (vv,ww) donnent les 2 phénotypes
sauvages dans les mêmes proportions.
2
L
R
Gamète
sauvage
Quic kTime™ et un
déc ompres seur TIFF (non compress é)
s ont requis pour visionner c ette image.
2
x
v
b
Gamète
muté
L
R
22
L
R
v
b
F1= [ LR]
2
2
v
b
Gamètes
des F1
males
Les expériences de Morgan, association des caractères (2)
On croise alors des males (F1) avec des femelles (vv,bb).
On obtient : 996 [L,R], 1008 [v,b].
Quic kTime™ et un
déc ompres seur TIFF (non compress é)
s ont requis pour visionner c ette image.
L
R
L
R
2
x
2
v
b
Gamètes
des F1
males
2
22
v
b
50% [ LR]
v
b
50% [vb]
v
b
Gamètes
muté
v
b
22
Pas de recombinaison au cours de cette méiose
Les expériences de Morgan, association des caractères (3)
On croise (LL, RR), et (vv,bb). F1 est constituée uniquement d’individus [L,R]
On croise alors des femelles de (F1) avec des males (vv,bb).
On obtient : 716 [LR], 702 [vb], 296 [Lb], 238 [vR].
L
R
2
2
2
L
R
Gamète
sauvage
x
2
v
b
Gamète
muté
L
R
22
v
b
2
F1= [ LR]
v
R
Quic kTime™ et un
déc ompres seur TIFF (non compress é)
s ont requis pour visionner c ette image.
v
b
L
b
2
Gamètes des
F1 femelles
Les expériences de Morgan, association des caractères (3)
L
R
L
R
2
2
2
v
R
v
b
L
b
2
Gamètes des
F1 males
x
2
v
b
Gamète
muté
v
b
L
b
v
R
22
22
22
2 2
v
b
v
b
[ LR]
716
On observe des
recombinaison lors
de la méiose femelle
[vw]
702
v
b
[Lb]
v
b
[vR]
296
238
Nb total de méioses : 1952
Nombre de gamètes
recombinés : 534
Fraction des gamètes
recombinés : 534/1952=
0.27%.
Distance entre les 2 loci =
27 cM
Morgan Conclusions
• Morgan a confirmé les lois de
ségrégation des caractères de
Mendel.
• Démontré l’indépendance de certain
caractères et l’association d’autres et
confirmé la notion de chromosomes.
• Défini la notion de recombinaison et
conclu qu’elle était fonction de la
distance entre les gènes positionnés
sur un même chromosome et a pu
établir une carte génétique de la
drosophile.
• A observé que les recombinaisons
chez la drosophile avaient lieu
uniquement lors de la méiose des
femelles.
Ailes
vestigiales
QuickTime™ et un
Yeux bruns
décompresseur TIFF (non compressé)
sont requis pour visionner cette image.
Sans Yeux w
Cartographie du génome : Cartes génétiques
– Ordonnancement de marqueurs polymorphes grâce à l’analyse statistique de leur
ségrégation (transmission) au cours des générations
– Observation empirique : analyses familiale et statistique
– possibilité de distinguer les 2 allèles
– disposer d’un nombre suffisant de méïoses pour permettre à l’analyse statistique d’être significative
– Cartes établies à partir de la fréquence des recombinaisons méïotiques
– Distance exprimée en centiMorgan
• 1 cM correspond à une fréquence de recombinaison de 1 % entre 2 marqueurs (1 crossing over
pour 100 méïoses = 99% gamètes parentaux, 1% recombinés)
– Carte génétique de la femme est environ 40 % plus grande que celle de l’homme
(nombre de recombinaisons supérieur)
Cartographie du génome : Cartes physique
– Ordonnancement de fragments clonés
chevauchants reconstituant la molécule
d’ADN de départ
Carte
cytogénétique
– Distances mesurées entre les différents
marqueurs sont en paires de bases et
sont dites absolues
– En moyenne 1 cM = 106 pb
– Même ordre des marqueurs pour la
carte génétique et la carte physique,
seules les distances relatives changent
– La distance génétique est une
approximation de la distance réelle
physique
Quic k Ti me™ et un
déc om pres s eur T IFF (non c ompres s é)
s ont requis pour vis i onner c ett e i mage.
Distance
physique
Marqueurs
(Millon pb) Gènes polymorphes
Les différent type de polymorphismes
• De nombreux marqueurs génétiques sont présents tout au long du génome.
- Minisatellites : nombre variable de répétitions de séquences courtes (14-100 nt)
- Microsatellites : nombre variable de répétitions de nucléotides répétés (2, 3 ou 4).
- SNPs : Single nucléotide polymorphisms : substitutions d’un nucléotide.
Identification des allèles par PCR fluorescente
Les allèles des marqueurs microsatellites se distinguent après amplification du locus par PCR
et migration éléctrophorètique (séparation des fragments amplifiés en fonction de leur taille).
Electropherogram
Fluorescence
20
Laser
sensor
Amplified product
Primers
100
Size (bp)
Amplification d’un marqueur microsatellite
Individu homozygote pour le marqueur étudié.
CA, n=5
Allèle Paternel
CA, n=5
Allèle Maternel
Individu hétérozygote pour le marqueur étudié.
CA, n=8
Allèle Paternel
CA, n=5
Allèle Maternel
Marqueurs, locus et haplotype
Un haplotype est la constition allèlique d’un individu pour plusieurs loci contigus,
normalement hérités en block par l’un des parent.
Chr 7
Locus
Gene
Markers
D7S3112
CFTR
D7S655
Haplotype Morbide
Alleles
Chr.
Pat.
2
2
3
3
4
4
M
7
7
Alleles Localisation
Chr. Chromosomique
Mat.
7p22
8
2
8
2
4
2
N
3
3
7p11
7q31.2
7q32
Haplotype normal
Exemple d’une étude familiale de ségrégation
D7S3112
2
D7S3112
4
3
D7S655
3
5
D7S655
8
2
D7S3112
2
5
D7S655
3
M
M
7
∆∆
7
Example d’une étude familiale de ségrégation (2)
M
D7S3112
D7S655
N
M
2
M
3
4
N
8
N
5
M
7
3
N
2
Mat. Pat.
D7S3112
D7S655
4
8
2
M
3
5
M
7
3
2
NN
2
3
3
2
5
7
MN
4
8
2
3
5
7
MM
D7S3112
D7S655
Application : Etude familiale de ségrégation, identification du gène morbide
• Exemple : L'hyperthermie maligne, 6 gènes identifiés, dont MHS5 et RYR 1.
Etude de liaison au locus MHS5
I:1
D1S3766
D1S3767
MHS5
D1S3768
D1S3769
I:2
3
2
2
1
1
1
3
2
2
3
1
2
1
1
3
3
II:1
D1S3766
D1S3767
MHS5
D1S3768
D1S3769
Etude de liaison au locus RYR 1
I:1
D19S220
D19S421
RYR1
D19S422
I:2
2
1
1
2
2
1
3
2
3
2
1
3
II:2
3
2
1
1
2
1
3
2
2
3
1
1
1
2
3
3
Exclusion du gène MHS5
II:1
D19S220
D19S421
RYR1
D19S422
II:2
2
1
2
1
2
1
2
1
3
1
3
1
RYR 1 est candidat
Conclusion
• L’étude de la ségrégation des allèles par analyse de
marqueur polymorphe est un outil puissant qui peut être
utilisé en recherche, pour la cartographie du génome ou
en diagnostic génétique.
• Les paradigmes établis au début du siècle (et avant)
constituent toujours la base de la génétique moderne.