I - Principaux modèles en génétique moléculaire

LSVS – Semestre 5 – Génétique des eucaryotes et modèles moléculaires - 1
GENETIQUE DES EUCARYOTES ET
MARQUEURS MOLECULAIRES
Marylène Poirié - Marylene.POI[email protected]
ORGANISATION DE L’ENSEIGNEMENT
Dans ce cours, nous discuterons tout d’abord de la notion d’organisme modèle en passant en revue les
avantages et inconvénients de plusieurs d’entre eux, et nous traiterons ensuite de l’utilisation des champignons
filamenteux, des interactions géniques, ainsi que du modèle drosophile.
LES PRINCIPAUX MODELES EN GENETIQUE
Une liste exhaustive des organismes modèle en génétique formelle et moléculaire pourrait être la suivante :
• Bactériophages
• Escherichia coli
• Saccharomyces cerevisiae
• Neurospora crassa
• Drosophila melanogaster
• Caenorhabditis elegans
• Zebra fish
• Arabidopsis thaliana
• Mus musculus
Le modèle idéal est caractérisé par un ensemble de paramètres répartis selon deux catégories :
• Caractéristiques biologiques :
o cycle de vie court, autorisant l’analyse de populations sur plusieurs générations
o descendance abondante
o facilité d’élevage
o niveau de ploïdie
• Capacités génétiques :
o mutagénèse et criblages possibles (utilisation de transposons, plasmides, etc.)
o transgénèse possible (introduction)
o inactivation de gènes possible
Les pois de Mendel, premier organisme modèle, représentent un véritable coup de chance pour la génétique
puisque présentant un codage simplifié des caractères sur un seul allèle, alors que la majorité des plantes
possède un codage multifactoriel.
A la première pensée, l’une des caractéristiques d’un organisme modèle serait que celui-ci reflète les
mécanismes ayant lieu chez tous les organismes du même taxon. Ce n’est cependant pas le cas ! Un organisme
modèle est un organisme sur lequel il est facile d’étudier certains processus biologiques, ici la génétique
formelle et la biologie moléculaire, et ce à travers un grand nombre d’outils. Les organismes modèles sont

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également caractérisés par la connaissance de leur génome, entièrement séquencé (ce qui est néanmoins le
cas chez un nombre croissant d’espèces), et enfin par une communauté active de chercheurs.
VIRUS
Nous citerons en particulier les bactériophages, ayant été des organismes indispensables à la compréhension
de la structure de l’ADN ainsi que des mécanismes de réplication et de traduction, de par la production en
masse de particules virales et la quantité d’information incidente sur les mécanismes mis en jeu. Leur taux de
mutation étant extrêmement élevé, ils sont d’une utilité première lors de l’étude des mécanismes de mutation.
E.COLI
Le colibacille constitue un organisme modèle de par sa taille, son faible temps de réplication et sa descendance
abondante, son haploïdie, ses 4288 gènes répartis sur un chromosome circulaire de 4,7Mb, ses 8% d’homologie
avec le génome humain, l’utilisation possible de plasmides, phages et transposons. Enfin, la mutagénèse et le
criblage sont faciles sur cet organisme.
La mutagénèse sur un organisme haploïde présente l’intérêt d’un génotype et phénotype confondus, ce qui ne
sera pas sans poser de problème lors de l’étude de mutations létales. Pour pallier à ce souci, nous noterons
qu’il sera possible de réaliser des réplications de colonies sur boîte.
• L’utilisation de transposons et de plasmides permettent la pratique de mutagénèse par transduction
et transformation, respectivement. La cartographie est également possible.
• Il est possible de pratiquer de la transgénèse libre ou intégrée. Pour cela, des séquences sont
transférées sous forme de plasmides libres, ou intégrés dans le génome bactérien en vue de la
transmission de l’information à la génération suivante.
• L’inactivation ciblée de gènes est aisée, par remplacement de séquences fonctionnelles via
recombinaison ou mutagénèse dirigée.
E. coli est principalement utilisée à des fins d’étude des mécanismes moléculaires informationnels, ainsi que
des voies de biosynthèse. Elle a été la référence pour une grande quantité de travaux durant une certaine
période. Aujourd’hui, d’autres organismes aussi faciles d’utilisation présentant néanmoins plus de
caractéristiques communes avec les mammifères sont utilisés, comme les bactéries du genre Pyrococcus.
LEVURE
Champignon du groupe des Ascomycètes, Saccharomyces cerevisiae est possède 6200 gènes répartis en 16
chromosomes en phase haploïde, pour un total de 14Mb. Modèle eucaryote de base, elle présente 25%
d’homologie avec le génome humain. Même si son cycle de réplication est court (1h30), il reste plus lent que
celui des bactéries. Organisme haploïde, il peut présenter des phases transitoires diploïdes. De la même façon
que les champignons filamenteux, il est possible de disposer de ces deux phases, permettant alors l’étude des
phénomènes de dominance et de récessivité.
Au niveau moléculaire, la levure est caractérisée par une pratique intrinsèque de recombinaison homologue à
haute fréquence (en réalité, c’est l’organisme en pratiquant le plus). C’est pour cela que la transformation de
levure permet naturellement l’intégration des acides nucléiques exogènes dans le génome. La levure est
beaucoup utilisée a des fins de synthèse protéique, étant en particulier capable de modifications post-
traductionnelles, mais aussi car la récupération des protéines produites est aisée.
Nous pratiquons donc chez la levure :

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• Mutagénèse
• Transgénèse via plasmide intégratif ou réplicatif, chromosome artificiel YAC, vecteur navette
• Inactivation ciblée de gènes via recombinaison homologue
• « criblage double hybride »
• Expression de protéines
CHAMPIGNONS FILAMENTEUX
Comprenant 10000 gènes caractérisés par 6% d’homologie avec le génome humain, Neurospora crassa est le
meilleur modèle connu de champignon filamenteux. Composé de cellules eucaryotes et caractérisé par un cycle
haplobiontique ainsi qu’une croissance rapide, ce sont les seuls organismes à partir desquels il est possible de
calculer la distance entre un gène et le centromère en suivant individuellement les méioses. Il est possible de
pratiquer chez cet organisme :
• Mutagénèse chimique
• Transgénèse via plasmide intégratif et insertion aléatoire
• Inactivation ciblée de gènes via système RIP spécifique à l’organisme, consistant en des mutations
ponctuelles induites par des répétitions : les CG sont transformés en AT. Introduisant une copie d’un
gène inactivé, celui-ci le sera aussi. De cette façon, pour inactiver un gène donné, il suffit de
transformer un plasmide le comprenant ainsi qu’une séquence répétée. Ce système induit qu’on ne
trouvera ni transposon ni séquences satellites au sein de son génome.
A. THALIANA
L’arabette des dames constitue le modèle végétal de référence. Choisi à l’origine puisque possédant l’un des
plus petits génomes du règne végétal, cet organisme possède 18% d’homologie avec le génome humain. La
plante est de petite taille, possède un cycle cellulaire de courte durée, et se reproduit par autofécondation ou
allofécondation manuelle, cette dernier présentant comme avantage sélectif la possibilité de créer rapidement
des homozygotes. Il est possible d’effectuer sur cet organisme :
• Mutagénèse chimique, par ADN-T et transposons. L’ADN-T est un segment provenant du plasmide Ti
ou Ri, présent chez Agrobacterium tumefaciens et A. rhizogenes codant pour les enzymes induisant
chez la plante la synthèse des facteurs de croissance bactériens. Dans les ADN-T modifiés, ces gènes
sont remplacés par un ou plusieurs transgènes s’intégrant aléatoirement dans le génome de la plante.
• Inactivation ciblée de gènes via insertion aléatoire et sélection (ADN-T, transposons) ou ARN
interférents
• Transgénèse via ADN-T, aléatoire
C. ELEGANS
Avec ses 19000 gènes et ses 25% d’homologie avec le génome humain, ce nématode de petite taille constitue
un modèle de choix pour les études portées sur la migration cellulaire, la neurogénèse et le développement
puisqu’étant constitué d’un nombre fixé de cellules (hermaphrodite : 959 cellules, mâle : 1031 cellules) et étant
transparent. Cet organisme pratique l’autofécondation (XX/XO). Il est possible d’effectuer sur cet organisme :
• Mutagénèse via agents chimiques et transposons
• Transgénèse via injection de transgènes dans les gonades, assemblage et expression
extrachromosomique, intégration occasionnelle
• Inactivation ciblée de gènes via insertion aléatoire et sélection, ARNi, ablation laser
• Développement, neurogénèse

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LA GENETIQUE DES CHAMPIGNONS FILAMENTEUX
Nous considérerons dans ce chapitre le groupe des ascomycètes, réparti en trois grands types de cycles vitaux
élémentaires :
• Diploïde : seuls les gamètes sont haploïdes
• Haploïdes : la formation d’une ou plusieurs cellules diploïdes est transitoire
• Haplodiploïde : présence de sporophytes et gamétophytes
Tout comme la levure, le champignon filamenteux Neurospora crassa possède un mécanisme de reproduction
relativement complexe, et peut bourgeonner de façon asexuée tout comme pratiquer une reproduction sexuée
à travers un déterminisme Mat (a/), à la suite de laquelle il produit des asques ordonnés à 8 spores.
Chez Sordaria macrospora par exemple, organisme haplobiontique ubiquitaire, les croisements ne peuvent être
effectués qu’entre souches de signes conjugaux différents. Les cellules mâle et femelle d’un même mycélium
peuvent néanmoins se féconder, on parle d’homothallie. Les cellules haploïdes résultantes de la méiose
reproductive, les ascospores, sont entourées d’une enveloppe résistante, l’asque, qui permet de conserver
ordonnées ces premières dans leur ordonnancement méiotique.
On considère deux types d’asques :
• Les pré-réduits, où la méiose n’a pas provoqué de crossing-over entre un gène donné et le
centromère ; on en trouve deux types différents : 11110000 et 00001111.
• Les post-réduits, où au contraire la méiose a provoqué un crossing-over entre un gène donné et le
centromère ; on en trouve 4 types différents : 11000011, 00111100, 11001100, 00110011.
CONSIDERATION D’UN SEUL GENE
Le nombre d’asques post-réduits varie en fonction de la distance entre le gène considéré et le centromère,
correspondant au pourcentage de chromatides recombinés. La distance est donc, chez cet organisme, une
valeur calculable à partir de l’observation des asques.
Plus un gène sera proche du centromère, moins il risquera de subir un crossing-over. Nous obtiendrons une
distance génétique nulle, et des asques uniquement pré-réduits. Au contraire, un gène sera éloigné du

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centromère induira la formation d’un mélange d’asques pré et post-réduits dans des proportions
approximatives respectives de 1/3 et 2/3.
CONSIDERATION DE DEUX GENES
Lorsque nous avons deux gènes, les choses se compliquent. Puisque 6 asques différents sont possibles par
gène, nous aurons ici 36 asques différents au final. Nous commencerons donc d’abord par tester si chaque
caractère est codé par un seul gène, et testerons ensuite l’indépendance des gènes, caractérisée par un
nombre de spores recombinées identique au nombre de spores parentales. Il est possible de classer les asques
selon trois catégories :
• Ditypes parentaux, définis par 8 spores parentales,
• Ditypes recombinés, définis par 8 spores recombinées,
• Tétratypes, définis par 4 spores parentales et 4 spores recombinés.
Si le nombre de ditypes parentaux est égal au nombre de ditypes recombinés, alors les gènes sont
indépendants. Au contraire, si le nombre de ditypes parentaux est cette-fois ci supérieur au nombre de ditypes
recombinés, les gènes sont liés.
Nous pouvons également, à partir des types d’asques, effectuer un calcul de distance génétique.
La formule de Perkins permet de tenir compte des doubles crossing-overs :
CLES : RESOLUTION D’UN EXERCICE DE GENETIQUE
• Etablir le nombre de gènes déterminant le caractère étudié
• Chez les Ascomycètes, prendre compte de la liaison des gènes au centromère
• Chez les organismes diploïdes, considérer les relations de dominance et de récessivité, ainsi que la
liaison au sexe
• Lorsqu’au moins deux gènes sont mis en jeu, considérer l’indépendance ou la liaison génétique.