Cours 4 - Génotype, Phénotype et Environnement
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Cours 4 : Génotype, Phénotype et Environnement (Partie 1) Quelques définitions : Gène : unité d'hérédité contrôlant un caractère particulier. Cet élément génétique correspondant à un segment d'ADN ou d'ARN (virus), situé à un endroit bien précis (locus) sur un chromosome. Chaque région de l'ADN qui produit une molécule d'ARN fonctionnelle est un gène. Le gène est responsable d'une fonction spécifique, correspondant le plus souvent à la synthèse d'une protéine. Chez les eucaryotes les gènes sont portés par les chromosomes mais aussi par l'ADN extranucléaire, cas des mitochondries et des chloroplastes. Chez les procaryotes, les gènes sont localisés dans un chromosome et éventuellement dans des plasmides. Génome : ensemble du matériel génétique présent dans chacune des cellules d'un individu. Patrimoine héréditaire d'un individu. Allèle : une des différentes formes que peut prendre un même gène. Les allèles occupent la même position (locus) sur les chromosomes homologues. Locus (pluriel : loci) : emplacement précis d'un gène sur un chromosome. Génotype : ensemble des constituants génétiques (ensemble des gènes) d'un organisme, qu'ils soient exprimés ou non. Phénotype : ensemble des caractères observables (à l’œil nu) d'un individu. Le phénotype correspond à la réalisation du génotype (expression des gènes) mais aussi des effets du milieu, de l'environnement. Hétérozygote : un individu est hétérozygote pour un gène quand il possède deux allèles différents de ce gène. Homozygote : un individu est homozygote pour un gène quand il possède deux allèles identiques de ce gène. Hérédité : transfert des caractères d’une génération à une autre par l’intermédiaire des gènes. Mutation : Modification définitive et héréditaire de la structure de la molécule d'ADN, donc du matériel génétique, qui a échappé aux systèmes de réparation. Elle peut être due à un dysfonctionnement de la machinerie cellulaire lors de la fabrication de la molécule d'ADN (mutation dite spontanée), elle peut être induite au hasard par des agents chimiques, physiques ou biologiques dits agents mutagènes, ou précisément par des manipulations de l'ADN (mutagenèse dirigée). Le polyallélisme correspond au fait que pour un gène donné, au sein d’une espèce ou d’une population, il existe plusieurs versions de ce gène (allèles). Le polymorphisme d’un gène a un sens plus restrictif. Il correspond au fait que pour un gène donné, au sein d’une espèce ou d’une population, il existe plusieurs versions de ce gène (au moins deux), des allèles, mais ces derniers doivent être présents avec une fréquence égale ou supérieure à 1% au sein de cette population. On estime que chez l’homme la majorité des gènes sont polyalléliques mais seulement 1/3 sont polymorphes. Un gène peut donc être polyallélique mais pas polymorphe. I- Les différents niveaux d'analyse du phénotype Le phénotype se définit comme l'ensemble des caractères observables d'un individu. L'observation peut se faire à plusieurs échelles permettant de définir un phénotype à chaque niveau. Par convention d'écriture, le phénotype se notre entre crochets ( [phénotypes] ). Les caractères observés à une échelle vont, en partie, déterminer les caractères observés à l'échelle suivante. Les différentes échelles sont, en partant du gène (le génotype) : - Le phénotype moléculaire : déterminé lors de la synthèse des protéines. La structure de la protéine synthétisée va déterminer sa fonction. - Le phénotype cellulaire : défini par l'aspect du fonctionnement de la cellule ayant intégrée la protéine synthétisée (aspect, forme, taille, productions cellulaires...). - Le phénotype macroscopique : ce sont les symptômes visibles d'un caractère individuel ou d'une maladie (caractères morphologiques, anatomiques, état physiologique). Le phénotype alternatif correspond aux différentes variations rencontrées pour un même caractère dans une espèce (couleurs des yeux, des cheveux...). Il repose sur le polyallélisme des gènes. Le phénotype morbide est le phénotype lié à la maladie en opposition au phénotype sain. Le phénotype le plus couramment rencontré dans la nature est appelé phénotype sauvage ou normal. II- Exemple 1 d'analyse du phénotype : la drépanocytose Il s’agit ici d’étudier les différents niveaux d’analyse et de définitions du phénotype ainsi que leur relation de cause à effet, à travers un exemple d’une pathologie génétique, la drépanocytose. Génotype -> Phénotype moléculaire -> Phénotype cellulaire -> Phénotype clinique/macroscopique. La drépanocytose (ou anémie falciforme) est une maladie génétique qui touche des millions de personnes dans le monde (notamment en Afrique, dans le bassin méditerranéen, en Inde…) et des milliers en France. C'est la plus fréquente des maladies génétique. Comme on l’a introduit dans le cours 3 : chez les personnes atteintes de drépanocytose, une mutation sur un gène du chromosome 11 provoque le remplacement d’un acide glutamique par une valine -> provoquant une modification de l’architecture de l’hémoglobine qui se polymérise entre elles et déforment le globule rouge (qui prend une forme de faucille). Pour aller plus loin sur la drépanocytose : http://www.inserm.fr/thematiques/genetique-genomique-etbioinformatique/dossiers-d-information/drepanocytose http://www.allodocteurs.fr/actualite-sante-la-drepanocytose-une-maladie-des-globules-rouges_11438.html A- Le génotype La synthèse des chaînes protéiques de l'hémoglobine par les cellules de la moelle osseuse est gouvernée par deux gènes différents : un gène pour la chaîne alpha (chromosome 16) et un gène pour la chaîne bêta (chromosome 11). Rappel sur la structure de l’hémoglobine : l’hémoglobine est constituée de quatre sous-unités (4 chaînes ou polypeptides appelés globines), identiques deux-à-deux : deux chaînes alpha et deux chaînes béta, reliées par des liaisons faibles. Les individus drépanocytaire et non drépanocytaires diffèrent par les allèles du gène qui dirige la synthèse des chaînes bêta. Allèle βA → phénotype non drépanocytaire, hémoglobine HbA (A pour Adulte) Allèle βS → phénotype drépanocytaire, hémoglobine HbS (S pour sickle = faucille en anglais) Individu sain : Hémoglobine A (HbA) Allèle (fragment) : Brin non transcrit --- GTG CAC CTG ACT CCT GAG GAG AAG --Brin transcrit --- CAC GTG GAC TGA GGA CTC CTC TTC --Individu drépanocytaire : Hémoglobine S (HbS) Allèle (fragment) : Brin non transcrit --- GTG CAC CTG ACT CCT GTG GAG AAG --Brin transcrit --- CAC GTG GAC TGA GGA CAC CTC TTC --- Chez les individus malades, on a donc une mutation avec substitution de nucléotides (mutation faux-sens). Rappel : Après transcription : Individu sain : ARNm --- GUG CAC CUG ACU CCU GAG GAG AAG --Individu drépanocytaire : ARNm --- GUG CAC CUG ACU CCU GUG GAG AAG --- B- Phénotype moléculaire Voici l'enchaînement des premiers acides aminés des chaînes β (Seuls les 8 premiers acides aminés de la globine béta sont représentés) : Hémoglobine A (individu sain) : Val - His - Leu - Thr - Pro - Glu - Glu - Lys Hémoglobine S (individu drépanocytaire) : Val - His - Leu - Thr - Pro - Val - Glu - Lys HbA est une protéine soluble dans le cytoplasme des hématies. Sous sa forme oxygénée, HbS est soluble également dans le cytoplasme des hématies. Alors que sous leur forme désoxygénée, les molécules HbS se fixent les unes aux autres et forment des fibres rigides, insolubles. Ce changement réside dans la substitution de l'acide aminé glutamate (qui est hydrophile) par l'acide aminé valine (qui lui est hydrophobe) en sixième position de la séquence primaire. Pour illustrer ses fibres de HbS : C- Phénotype cellulaire Deux types d'hématies (globules rouges) d'aspect différent : Hématie normale (disque biconcave) Hématie falciforme (en forme de faucille) Les hématies sont des cellules spécialisées dans le transport du dioxygène. Elles ont la forme d'un disque biconcave. Elles se déplacent dans tous les vaisseaux sanguins et même dans les capillaires les plus fins, grâce à leur capacité à se déformer. Les hématies de malades atteints de drépanocytose ont une forme en faucille (hématies falciformes) et sont beaucoup plus rigide, ce qui empêche leur passage dans les capillaires et réduits l'irrigation des organes. D- Phénotype clinique (ou macroscopique) Le phénotype drépanocytaire est caractérisé par des individus montrant une anémie chronique due à la destruction des globules rouges contenant l'hémoglobine HbS. Cette anémie modérée, mais permanente se traduit par de la fatigue, une tendance à l'essoufflement, des douleurs articulaires et même des lésions aux organes. Dans certaines conditions, des crises peuvent subvenir, se traduisant par une anémie aiguë. Cette situation nécessite souvent des transfusions sanguines. Des accidents vasculaires ainsi que des infections limitent l'espérance de vie, mais grâce à un suivi médical, celle-ci dépasse actuellement l'âge de 50 ans. Conclusion : Les trois niveaux phénotypiques découlent les uns des autres chez un malade, les molécules d'HbS s'unissent les unes aux autres lorsque le dioxygène se raréfie, cette polymérisation forme de longues fibres qui déforment les globules rouges, ces derniers prennent alors un aspect en faucille. Les globules rouges déformés sont plus fragiles et subissent une destruction anormale et élevée d'où l'anémie chez les malades. Remarque 1 : Drépanocytose et Paludisme (ou malaria, maladie infectieuse due à un parasite qui est transmis par piqure de l’anophèle) : Pourquoi l'allèle muté du gène béta a-t-il conféré un avantage sélectif à certaines populations et y devenir plus fréquent au sein de cette population ? (Pour la culture générale) Autrefois la drépanocytose était une anomalie génétique létale responsable d'environ 100 000 morts par an. Environ 80% des homozygotes (HbS//HbS) mourraient alors avant l'âge de la reproduction. Compte-tenu d'une sélection aussi puissante contre le gène HbS, il a été longtemps difficile de comprendre pourquoi, dans certaines populations humaines, sa fréquence atteint et même dépasse largement les 10 %. Comparant les cartes de répartition de la malaria d'une part, de la drépanocytose d'autre part, le physiologiste Haldane fut frappé de leur ressemblance. Une telle coïncidence suggérait que l'hémoglobine HbS pouvait apporter un avantage en milieu touché par le paludisme. En effet, si l'homozygote (HbS//HbS) succombe de drépanocytose, l'hétérozygote (HbA//HbS) résiste mieux au paludisme. Une explication schématique : lorsque le parasite de la malaria s'installe dans une hématie, il en détruit l'hémoglobine ; l'hématie est donc mal oxygénée ce qui provoque des déformations supplémentaires. L'hématie est alors détruite et avec elle le parasite qu'elle contient. Comme les hématies non parasitées sont majoritaires, le sujet survit bien dès lors que ses parasites sont éliminés régulièrement. Les hétérozygotes (HbS//HbA) ont donc une probabilité de survie plus grande que les homozygotes (les homozygotes (HbA//HbA) meurent des suites du paludisme ; les homozygotes (HbS//HbS) ne sont pas protégés). Remarque 2 : Hérédité La drépanocytose tout comme la mucoviscidose sont des maladies à transmission héréditaire autosomique récessive : Un caractère génétique est dit à transmission autosomique récessive quand le gène impliqué est porté par un autosome (et non par un chromosome dit sexuel) le phénotype associé de ce caractère est récessif (la présence de deux allèles identiques est indispensable pour que le caractère s'exprime). L'un des deux allèles est transmis par le gamète mâle, l'autre par le gamète femelle. III- Exemple 2 de l’analyse du phénotype : la mucoviscidose La mucoviscidose est une maladie génétique létale (à transmission autosomique récessive) qui touche une naissance sur 3500 en France. Il s’git d’une maladie fréquente dans les pays occidentaux. La maladie à pour origines, des mutations du gène CFTR sur le chromosome 7, entraînant une altération de la protéine CFTR (Cystic Fibrosis Transmembrane conductance Regulator). La protéine CFTR est un canal ionique perméable au chlore, dont le rôle est de réguler le transport du chlore à travers les membranes cellulaires. Son dysfonctionnement provoque une augmentation de la viscosité du mucus et son accumulation dans les voies respiratoires et digestives. Les manifestations pulmonaires restent la cause majeure de la mortalité. Il existe une inflammation chronique des bronches avec surinfection bactérienne qui entrainent à terme une dégradation de l'état pulmonaire. Pour aller plus loin sur la mucoviscidose : http://www.inserm.fr/thematiques/genetique-genomique-etbioinformatique/dossiers-d-information/mucoviscidose Le corps de chacun d’entre nous produit du mucus. Cette substance fluide tapisse et humidifie les canaux de certains organes de notre corps (poumons, pancréas etc.). Chez une personne atteinte de mucoviscidose, le mucus est épais et collant. Il reste dans les bronches et les voies respiratoires, favorisant la croissance d’agents infectieux (virus et surtout bactéries). Il bouche aussi les canaux pancréatiques. Or, le pancréas sécrète des substances appelées enzymes, nécessaires à la dégradation des aliments en nutriments dans l’intestin. Les personnes atteintes ont donc souvent des troubles digestifs. A- Le génotype Le gène CFTR qui code pour la synthèse d'une protéine CFTR, est un grand gène qui est localisé sur le locus 7q31.2, sur le bras long du chromosome 7. Les mutations dans ce gène sont responsables de la mucoviscidose. Environ 2000 mutations différentes ont été recensées pour ce gène. La majorité des mutations du gène CFTR sont des mutations ponctuelles, dont les plus fréquentes sont des mutations faux-sens, des microinsertions et des microdélétions. La mutation la plus fréquente est la mutation « Delta F508 » (ΔF508) qui consiste en une délétion de trois nucléotides (surlignée en rouge ci-dessous), aboutissant à l'élimination d'un acide aminé, la phénylalanine, en position 508. Allèle « sain » : A Brin non transcrit --- AAA GAA AAT ATC ATC TTT GGT GTT TTT --Brin transcrit --- TTT CTT TTA TAG TAG AAA CCA CAA AAA --Allèle « muté » : Deltaf508 Brin non transcrit --- AAA GAA AAT ATC ATT GGT GTT TTT --Brin transcrit --- TTT CTT TTA TAG TAA CCA CAA AAA --- Transcription Individu sain : A ARNm --- AAA GAA AAU AUC AUC UUU GGU GUU UUU--Individu malade : ARNm --- AAA GAA AAU AUC AUU GGU GUU UUU --- B- Phénotype moléculaire Traduction Allèle sain A : Lys Glu Asn Ile Ile Phe Gly VAL Phe Allèle muté Deltaf508 : Lys Glu Asn Ile Ile Gly VAL Phe Chez les individus atteints de la mucoviscidose, on a donc délétion d’un acide aminé (phénylalanine, acide aminé numéro 508) La protéine CFTR est une protéine transmembranaire de 1480 acides aminés, qui forme un canal chlore (donc perméable aux ions chlorures (Cl-)) situé du côté apicale des cellules épithéliales. Ce canal laisse diffuser les ions Cl- à l’extérieur de la cellule. Ce flux de Cl– est accompagné d’une diffusion de l’eau, qui participe à l’hydratation du mucus (il est ainsi plus fluide). Chez un individu atteint de mucoviscidose, le flux de Cl– est annulé, le flux d’eau est donc aussi supprimé. Le mucus est insuffisamment hydraté : il devient épais et collant (visqueux). Protéine CFTR normale : Protéine CFTR anormale : la délétion d’un phénylalanine rend le canal chlore non fonctionnel. Il n’y a plus de sortie d’ions chlorure au niveau du mucus, ni d’eau. C- Phénotype cellulaire Chez l’individu sain, le mucus est hydraté et donc fluide, alors que chez une personne atteinte de mucoviscidose, le mucus est peu hydraté, du fait de l’absence de flux d’ions chlorure en provenance des cellules épithéliales. Le mucus devient visqueux, épais et ne s’écoule pas. (Les microvillosités sur la face supérieure n’ont pas été représentées) D- Phénotype macroscopique Le phénotype macroscopique de la mucoviscidose se caractérise par des sécrétions abondantes d’un mucus épais et collant, qui envahit les voies respiratoires et perturbe la fonction digestive. Plus en détails : - Les voies respiratoires : La respiration est gênée par les infections qui détruisent progressivement les poumons (fibrose pulmonaire = destruction du tissu pulmonaire). Cette atteinte pulmonaire est à l'origine de la plupart des décès des patients atteints de mucoviscidose. - Le foie : Chez 5% environ des patients, l'obstruction des canaux biliaires perturbe le fonctionnement du foie et la digestion. - Le pancréas : Chez 85% des malades, l'obstruction des canaux empêche le pancréas de déverser dans l'intestin les enzymes digestives indispensables. Un diabète peut apparaître. - L'intestin grêle : Chez 10% environ des nouveau-nés atteints, un bouchon épais obstrue l'intestin (occlusion intestinale et nécessite une intervention chirurgicale. - L'appareil reproducteur : L'absence des canaux déférents, rend stériles 95% des hommes atteints. Les femmes sont parfois stériles, car un épais bouchon de mucus empêche la pénétration des spermatozoïdes dans l'utérus. - La peau : En raison d'un mauvais fonctionnement des glandes sudoripares, la transpiration contient un excès de chlorure de sodium. On diagnostique la maladie en mesurant la concentration dans la sueur des ions chlorure (test de la sueur). Représentation simplifiée des différentes échelles d’étude de la mucoviscidose : Remarque : La fréquence élevée d'hétérozygotes porteurs sains, 4 % de la population occidentale, peut surprendre et pourrait être expliquée par le fait que l'état hétérozygote augmenterait la résistance contre certaines maladies. Cet avantage sélectif au niveau de l'état hétérozygote a été retrouvé par exemple chez les drépanocytaires chez qui le portage du gène HbS atténue l'expression et la gravité de l'accès palustre (voir partie précédente). Des résistances à différentes maladies infectieuses ont été proposées (hypothèses à l’étude) comme étant la cause de l'avantage hétérozygote lié au gène CFTR (le choléra (qui a besoin de la protéine CFTR pour fonctionner correctement), ou encore la tuberculose auraient pu exercer une telle pression séléctive : les individus qui ont seulement un des deux chromosomes porteurs de la mutation ΔF508 ont un poumon suffisamment visqueux pour être plus résistant à la tuberculose). IV- Précisions sur le génotype Puisque le phénotype dépend en partie des protéines synthétisées par lecture de l'information contenue dans le génotype, il est important de connaître quelques éléments relatifs au génotype. Un gène est un fragment d'ADN qui permet la synthèse d'un polypeptide ou d'un ARN. Il se situe à une position déterminée sur un chromosome : le locus du gène. Un gène peut exister sous plusieurs versions appelées allèles (on parle de polyallélisme). Quand il existe au moins deux versions différentes d'un gène avec une fréquence supérieure à 1%, le gène est polymorphe. Polymorphisme génétique = Variation entre individus dans la séquence de gènes. Ces variations qui rendent compte des différents allèles dans une population sont normales et ne sont pas pathogènes. Les mutations (substitution, addition ou délétion d'un ou plusieurs nucléotides) expliquent le polymorphisme. Ces mutations peuvent avoir des conséquences variées sur le phénotype moléculaire et donc sur le phénotype cellulaire ou macroscopique. A l’échelle des phénotypes, on a aussi un polymorphisme, qu’on appelle plutôt le polyphénisme, qui est la propriété des espèces animales qui se présentent sous plusieurs formes différentes, à un même stade de développement ou plus généralement, à la fin de leur développement. Il est à distinguer du polymorphisme génétique en ce que celui-ci dépend de variation génétiques au sein d'une population ou d'une espèce, tandis que le polyphénisme est l'expression de phénotypes différents à partir du même matériel génétique. Le dimorphisme sexuel est un exemple simple de polyphénisme, puisqu'il correspond à deux formes différentes, chez l'adulte, dans de nombreuses espèces. Dans de nombreuses espèces, il y un polyphénisme important, notamment chez les insectes. Exemple des termites : adultes reproducteurs mâle (roi) et femelle (reine), des soldats et/ou des ouvriers, eux-mêmes parfois sous plusieurs formes différentes, et qui, après disparition des adultes fondateurs, peuvent également générer des adultes de remplacement. Le génotype est l'ensemble des allèles des gènes d'une cellule d'un individu. Il existe environ 25000 à 30000 gènes chez l'Homme. Tous ne peuvent pas être représentés. On utilise donc des conventions d'écriture et on ne représente que les gènes étudiés. Le génotype se note entre parenthèses où chaque allèle est symbolisé par une lettre ou abréviation, le chromosome portant l'allèle par une barre de fraction. Exemple : chez l'Homme, organisme diploïde, le gène A possède deux allèles a1 et a2, le génotype pour ce gène se note (a1 / / a2), pour un organisme haploïde, le génotype est noté (a1) ou (a2). Par convention, l'allèle responsable du phénotype dominant est noté en majuscule, celui qui détermine le phénotype récessif en minuscule. Un individu possédant deux allèles identiques est dit homozygote pour le gène considéré et hétérozygote si les deux allèles sont différents. Exemple : gène A avec deux allèles A et a : un individu homozygote est soit (A / / A), soit (a / / a) ; un individu hétérozygote est (A / / a). Représentation de la paire de chromosomes faisant apparaître le génotype (a1 // a2). a) les chromosomes de la paire sont représentés à une chromatide b) chromosome bichromatidien : les deux chromatides sœurs portent les mêmes allèles Pour un individu hétérozygote, si le phénotype macroscopique ou cellulaire correspond à un seul des deux allèles, alors celui-ci exprime le phénotype dominant. L'allèle non exprimé détermine le phénotype récessif. Le phénotype récessif apparaîtra si les deux allèles du gène sont identiques (individu homozygote). Dans certains cas, le phénotype est codominant : les deux allèles interviennent, à part égale, dans la réalisation du phénotype. On peut également définir des phénotypes à dominance incomplète. Dans ce dernier cas, les deux allèles s'expriment mais en proportion inégale. Dans les cas de dihybridisme (deux gènes étudiés), si les deux gènes sont portés par le même chromosome, les deux gènes sont liés. Si leurs loci sont sur deux paires de chromosomes différentes, les deux gènes sont indépendants. Convention d'écriture : 2 gènes : A possédant 2 allèles a1 et a2, et B avec les allèles b1 et b2. Si les gènes sont liés, le génotype est noté avec une seule barre de fraction: (a1b1 // a1b2) => cas d'un individu homozygote pour A et hétérozygote pour B. Si les gènes sont indépendants, le génotype se note (a1 // a1, b1 // b2). Un caractère est monogénique s'il dépend d'un seul gène et polygénique s'il dépend de plusieurs gènes. Représentation chromosomique a) génotype (a1b1 // a1b2) : une seule paire de chromosome (gènes liés) b) génotype (a1 // a1, b1 // b2) : deux paires de chromosomes (gènes indépendants)
