De l`information génétique aux phénotypes

De l’information génétique aux
phénotypes
Les échelles de dénition du phénotype
Objectif
Le phénotype définit l'ensemble des caractères apparents d'un individu.
Certains caractères sont directement observables, tandis que d'autres sont présents au niveau
des cellules et des molécules.
Quelles sont les différentes échelles du phénotype ?
1. Au niveau de l'organisme
Ce sont les caractères morphologiques de l'individu : la couleur de la peau, des yeux et des
cheveux, la taille, la forme du nez, etc.
Chez certains individus malades ou atteints d'une maladie génétique (comme la
drépanocytose, par exemple), rien ne permet sur le plan morphologique de distinguer un
individu malade d'un individu sain. Cependant, l'individu atteint présente des symptômes liés
à sa maladie qui définissent son phénotype.
2. Au niveau cellulaire
L'exemple classique est le cas de la drépanocytose, ou anémie à hématies falciformes. Elle se
traduit par une anémie chronique et des douleurs articulaires.
Observées en microscopie électronique, des hématies (globules rouges) humaines normales
ont la forme de disques biconcaves. En revanche, chez les sujets atteints de drépanocytose,
elles prennent une forme de faucille, entravant ainsi la circulation dans les capillaires
sanguins.
Il s'agit ici d'un deuxième niveau de définition du phénotype.
3. Au niveau moléculaire
Des analyses variées rendent accessibles les caractères physiologiques et biochimiques d'un
individu. Elles s'intéressent aux groupes sanguins, aux marqueurs du soi, à la présence ou non
de telle enzyme...
On cherche à expliquer un caractère du phénotype en étudiant différentes molécules de
l'organisme, essentiellement des protéines. Chez les albinos, par exemple, leur aspect est dû
à l'absence d'un pigment, la mélanine.
Dans le cas de certaines maladies et d'affections génétiques, l'analyse au niveau moléculaire
permet de mieux comprendre l'origine de la maladie et d'expliquer les effets observés.
L'essentiel
Le phénotype se définit à différentes échelles : morphologique, cellulaire et moléculaire.

Relations ADN – Protéines
Il existe une relation étroite entre phénotype et protéines. En effet, la réalisation du phénotype
nécessite de nombreux processus biochimiques où les protéines sont directement impliquées :
elles ont un rôle biologique fondamental.
L'information nécessaire à la synthèse d'une protéine est portée par l'ADN : comment se fait la
synthèse des protéines ?
Ce sont des macromolécules, de haut poids moléculaire. Elles sont appelées polymères
d'acides aminés, car elles sont composées d'une multitude de ces éléments de base. Le
nombre d'acides aminés varie d'une protéine à l'autre (de quelques dizaines à plusieurs
centaines).
2. Protéines et ADN
L'ADN est le support de l'information génétique. Cette information est constituée d'un grand
nombre de gènes à l'origine de caractéristiques cellulaires précises.
Un gène est porteur d'une information génétique codée par une succession de nucléotides.
Cet enchaînement précis code pour la nature et l'ordre des acides aminés de chaque protéine.
La séquence des acides aminés est déterminée par l'ordre des nucléotides dans le gène
correspondant.
Vingt acides aminés différents composent les protéines.
Les protéines sont très diverses. La moindre modification de la séquence peptidique d'une
protéine peut avoir des conséquences importantes au niveau du phénotype. Diversité
protéique et variabilité des phénotypes sont liées.
3. Gène et allèles
Chaque gène existe sous différentes versions : les allèles. Au sein d'une population, le nombre
d'allèles par gènes est très variable.
Les modifications de la séquence de nucléotides du gène ou mutations sont à l'origine des
allèles. Ils ne diffèrent les uns des autres que par des détails de leur séquence en nucléotides.
Les différents allèles d'un gène sont à l'origine de séquences peptidiques différentes, qui
peuvent affecter la fonction de la protéine.
Cas de l'albinisme Cette affection héréditaire se caractérise par une absence de
pigmentation (de la peau, des poils, des yeux) due à l'absence de synthèse de
mélanine.
La synthèse de ce pigment se fait à partir d'un précurseur : la tyrosine. Cet acide aminé
est normalement présent chez les sujets albinos, mais l'enzyme nécessaire à la
transformation de ce précurseur est absente ou non fonctionnelle.
C'est donc une protéine, plus particulièrement une enzyme, qui contrôle un aspect du
phénotype, la pigmentation.
Cas de la mucoviscidose C'est une maladie génétique grave qui se traduit par des
troubles digestifs et respiratoires, dus à une protéine membranaire qui ne remplit pas
correctement son rôle (problèmes d'échanges avec le milieu extérieur). Le gène

responsable de cette maladie a été identifié : il a subi une mutation qui provoque
l'absence d'un acide aminé au niveau de la protéine. Il existe deux allèles d'un même
gène, l'un normal, l'autre anormal, à l'origine de la maladie.
L'essentiel
L'information nécessaire à la synthèse des protéines est conservée par les gènes localisés
dans les chromosomes des cellules. Elle est codée et toute modification pourra affecter la
séquence polypeptidique ainsi que la fonction des protéines.
Il existe donc une véritable relation entre protéines et phénotype.
Exemple : la drépanocytose
Objectif
La drépanocytose est une maladie de l'hémoglobine. Elle touche des millions de personnes
dans le monde, notamment en Afrique équatoriale, ainsi que dans les populations noires aux
Etats-Unis et quelques milliers de personnes en France.
1. L'hémoglobine (Hb)
C'est une protéine formée de quatre chaînes polypeptidiques identiques deux à deux : deux
chaînes alpha et deux chaînes bêta. Cette protéine est chargée du transport du dioxygène dans
le sang. Elle se combine de façon réversible au dioxygène selon l'équation suivante :
Hb + O2 ⇔ HbO2
HbO2 est nommée oxyhémoglobine.
2. Gènes codant pour l'hémoglobine
Ces deux paires de chaînes polypeptidiques ont pour origine deux gènes : un gène codant pour
la chaîne alpha et un gène codant pour la chaîne béta.
Plusieurs centaines d'allèles du gène codant pour la chaîne ß sont actuellement connus,
certains très répandus et d'autres très rares. L'allèle considéré comme normal est le plus
répandu dans la population.
L'allèle à l'origine de la drépanocytose est actuellement connu et identifié. Sa séquence de
nucléotides ne diffère de celle de l'allèle normal que par un nucléotide : le gène codant pour la
chaîne ß a donc subi une mutation ponctuelle par substitution. La chaîne ß anormale
possède simplement un acide aminé différent de celui de la chaîne normale, qui affecte la
fonction de l'hémoglobine : l'acide glutamique est remplacé par de la valine chez les
personnes atteintes.
L'hémoglobine normale est appelée HbA, la forme anormale est appelée HbS. Quelles sont
alors les conséquences ?
3. Phénotype à l'échelle de l'organisme et de la cellule

• Phénotype à l'échelle de l'organisme : les signes morphologiques.
Un individu atteint de drépanocytose est, sur le plan morphologique, identique à un individu
sain. Les seules manifestations sont une grave anémie due à un taux d'hémoglobine trop bas et
des crises douloureuses au niveau ddes articulations.
C'est une maladie mortelle qui touche aussi bien les enfants que les adultes.
• Aspect des globules rouges : les signes cellulaires.
Les hématies d'un sujet atteint de drépanocytose ont une forme de faucille (hématies
falciformes).
Ces globules rouges sont beaucoup plus raides et plus fragiles que les globules rouges
normaux : ils se cassent facilement dans les vaisseaux sanguins, l'hémoglobine est alors
libérée et éliminée, créant ainsi l'anémie.
De plus, ces hématies circulent difficilement dans les capillaires sanguins, car elles sont moins
souples et moins déformables. Les capillaires sont des vaisseaux d'un diamètre minuscule, par
conséquent les hématies falciformes se bloquent dans les capillaires et entravent la circulation,
provoquant les crises douloureuses au niveau des articulations.
La déformation des hématies est liée à la présence de HbS : les molécules de HbS tendent à
s'unir entre elles (elles se polymérisent) pour donner de longues fibres qui déforment les
globules rouges.
L'essentiel
La drépanocytose illustre parfaitement la relation protéine-phénotype. Cette maladie
provoque en effet des signes cliniques tant au niveau de l'organisme, que de la cellule et
de la molécule.
À l'origine, un gène muté provoque la transformation de la protéine responsable du
transport du sang, l'hémoglobine. Celle-ci, en se déformant, fait perdre ses qualités aux
hématies, les cellules du sang. Moins mobiles, elles n'assurent plus normalement le
transport du dioxygène dans l'organisme, ou se cassent. Anémie et douleurs articulaires
sont les signes visibles de la maladie.
La transgénèse
Objectifs
La molécule d'ADN est une molécule universelle tant du point de vue de sa structure que de
sa fonction. Le code génétique qui permet de décoder l'information portée par la molécule
d'ADN est lui aussi universel. Aussi, un organisme qui a reçu un gène provenant d'une autre
espèce est capable de produire une protéine qui lui est totalement étrangère.
Quelles sont les applications biotechnologiques possibles de l'universalité de la molécule
d'ADN et du code génétique ?
1. La modification du génotype par transgénèse
La transgénèse consiste en l'introduction d'un gène étranger provenant d'une espèce donneuse
dans le matériel génétique d'une autre espèce dite receveuse.
L'organisme obtenu est un organisme transgénique.
Le gène transféré est appelé transgène ou encore gène d'intérêt.

Doc. 1. Principe de la transgénèse.
Une fois introduit dans le génome de l'espèce receveuse, le transgène s'exprime, ce qui
conduit à la production d'une nouvelle protéine par l'organisme transgénique.
Il permet l'acquisition par l'espèce receveuse d'un nouveau caractère.
2. Exemples de transgénèse
a. Dans une bactérie
Ici, une protéine humaine, l'interleukine, va être sécrétée par des bactéries :
Doc. 2. Transgénèse bactérienne.
b. Dans une cellule végétale
Dans notre exemple, il s'agit de plants de maïs génétiquement modifiés, qui vont produire une
substance d'origine bactérienne. Cette substance est toxique pour la pyrale, un insecte
ravageur des cultures de maïs.