Cours 4 - Génotype, Phénotype et Environnement

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-et-
bioinformatique/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