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Les bases moléculaires de la variation génétique
MUTATIONS
Il existe deux grandes catégories de mutations
(ayant des conséquences sur le phénotype des individus!!!)
1- les mutations des gènes (ou mutations ponctuelles)
-Substitution de base(s)
-Insertion de base(s)
-Délétion de base(s)
2- les mutations chromosomiques
-Modification du nombre de chromosome (trisomies, polyploïdie)
-Modification de la structure des chromosomes
Mutations germinales vs Mutations somatiques
Quel est l’intérêt d’obtenir des mutants?
Intérêt agronomique
Intérêt scientifique
Sélection de mutants
Décomposer des processus complexes en modules simples
Module simple = une étape de synthèse
1 gène
1 protéine (enzyme)
Mise en place de
cribles génétiques
Principe du crible génétique
Sélection de mutants => crible phénotypique
Identification des gènes affectés
pour chacun des mutants
Modèles théoriques
Hypothèses de travail
Exemple: identification des gènes
impliqués dans la voie de
biosynthèse des pigments produits
dans l’oeil de la drosophile
Comment procéder?
Il faut définir un crible adapté!!!!
Mutation de la mouche sauvage
Identification de mutants
Mutants homozygotes (purs!)
Tous les mutants purs sont croisés
entre eux (complémentation)
Seuls les mutants qui se
complémentent sont conservés
1 mutant = 1 gène particulier de la
voie de biosynthèse des pigments
de l’oeil de la drosophile
Double mutant
st bw
Comment les mutations apparaissent-elles ?
Hypothèse 1 : les mutations vont apparaître SPONTANEMENT avec
une probabilité fixe AVANT leur sélection
Hypothèse 2 : les mutations sont INDUITES avec une certaine
probabilité en réponse à leur sélection. En d'autre terme, il existe une
probabilité faible qu'un individu «résiste» à la sélection et si il résiste,
lui et ses descendants acquièrent alors les caractères liés à la sélection.
HYPOTHESE 1
HYPOTHESE 2
Démonstration sur des bactéries résistantes à des bactériophages
1
E. coli
[λS]
[λR]
2
3
4
5
λ
λ
λ
λ
λ
n=2
n=0
n=3
n=1
n = 15
Pourquoi des cultures indépendantes ?
Pour sélectionner des mutants indépendants !
Résultat
[λS]
λ
λ
λ
λ
λ
Fluctuations
[λR]
n = 2
n = 0
n = 3
n = 1
n = 15
Hypothèse 1 vérifiée
donc
l’apparition d’une mutation se fait AU HASARD
et PRECEDE son éventuelle sélection
Corollaire : pas de mutation « adaptative »
Quelle est la nature moléculaire d’une mutation?
Les mutations ponctuelles
Séquence ADN
originale
Mutation
1
Substitution
d’une base
Changement sur
un codon
Conséquences d’une substitution de base sont diverses
Conséquences d’une substitution de base sont diverses
Mutation
Faux sens
(Non synonyme)
Mutation
Non sens
Mutation
Silencieuse
(ou Synonyme)
Autre exemple non représenté ici……Mutation « Readthrough »
Codon stop remplacé par un codon « acide aminé »
Les mutations ponctuelles
Séquence ADN
originale
Mutation
1
Substitution
d’une base
Changement sur
un codon
2
Insertion
3
Délétion
Conséquence des insertions/délétions
Modification du cadre
de lecture
Quels sont les différents types de mutants obtenus?
1/ les mutants morphologiques
2/ les mutants létaux
3/ les mutants conditionnels
- conditions restrictives (phénotype visible)
- conditions permissives (phénotype sauvage)
4/ les mutants biochimiques
- prototrophie
- auxotrophie
5/ les mutants « perte de fonction » (ou mutants null « loss of function »
Récessifs
6/ les mutants « gain de fonction »
Dominants
Exemple : la mucovisidose
Accumulation de mucus perturbant le
fonctionnement de certains canaux.
Voies aériennes
Atteintes hépatiques 5%
Pancréas 85%
Intestin grêle 10%
Peau : glandes sudoripares sueur salée
Appareil reproducteur 95% des hommes stériles
La mucoviscidose: épidémiologie
C’est la plus fréquente des maladies autosomiques récessives graves dans les
populations d’origine européenne.
Soit q, la fréquence de l’allèle cftr - dans la population.
Soit p, la fréquence de l’allèle cftr + dans la population.
Les 1/2500 nouveau-nés touchés par la maladie correspondent à q2 :
probabilité de rencontre de deux allèles cftr-, soit q= 1/50.
cftr+ ; P = (1-q)
cftr+ ; p = (1-q)
Sain = (1-q)2
= 0,9604
cftr- ; q = 1/50
Porteur = pq
= 0,0196
cftr- ; q = 1/50
Porteur = pq
= 0,0196
malade = q2
= 0,0004
On peut évaluer à 2pq la fréquence de porteurs hétérozygotes à
environ 1/25 (ou 4%) de la population.
La mucoviscidose: le gène cftr
Biologistes Moléculaires et biochimistes ont collaboré pour
isoler le gène cftr et étudier la protéine CFTR.
Le gène de 230 Kilobases, transcrit en un ARN messager
de 6,5Kb, contient 27 exons. Il est sur le chromosome 7.
La protéine CFTR est composée de 1480 acides aminés et
de 5 domaines. Elle constitue un canal chlore.
fonction de cftr
N
Cl-
CLASSE 1A : mutation non sens
Membrane
Plasmique
(MP)
CLASSE 1B : Insertion/délétion
Décalage de phase
CLASSE 2 : délétion d’un codon
Protéine pas localisée dans MP
ATP
ATP
CLASSE 3 : Mutation d’un codon (faux sens)
Site de fixation de l’ATP non fonctionnel
C
CLASSE 4 : mutation d’un codon (faux sens)
Modification de la sélectivité du canal
Cl-
CLASSE 5 : mutation d’une base dans un intron
Défaut d’épissage / ARNm instable
CLASSE 6 : délétion de la partie C-terminale
Protéine instable
STOP STOP GLY
ΔF508
PHE
deletée
ASP
3’
5’
TM1
NBF
R117H
R
TM2 NBF
R334W
Le gène cftr : 230 Kb; ARNm 6,5 Kb; 27 exons.
Répartition des mutations de cftr dans la population, 1
900 mutations différentes ont été décrites. La mucoviscidose est une maladie
multiallélique.
- 67% des mutations sont la délétion ΔF508
- 45% faux sens
- 18% non sens
- 23% insertions et délétions
- 14% sont des mutations d’épissage
La maladie est récessive : le phénotype de la mucoviscidose s’exprime quand les
deux allèles cftr portent des mutations qui entraînent une perte de fonction de la
protéine CFTR.
Tous les malades de mucoviscidose sont donc homozygotes.
La perte de fonction de la protéine CFTR sera plus ou moins grave, selon la
mutation, allant de l’absence complète des canaux, à une moindre sélectivité
ionique ou à une diminution du nombre de canaux.
Autre type de mutations : les réversions
Réversion exacte
AAA (Lys)
Sauvage
GAA (Glu)
Mutant
AAA (Lys)
Sauvage
Réversion équivalente
UCC (Ser)
Sauvage
UGC (Cys)
Mutant
AGC (Ser)
Sauvage
CGC (Arg, basic)
Sauvage
CCC (Pro, not basic)
Mutant
CAC (His, basic)
Pseudo-Sauvage
Autre type de mutations : les suppresseurs
Intragéniques
2 catégories de suppresseurs
Extragéniques
Les suppresseurs intragéniques
a/ deux modifications du cadre
de lecture de signe opposé
s’annulent
CAT CAT CAT CAT CAT CAT
(-)
(+)
CAT XCA TAT CAT CAT CAT
X
X
b/ une 2d mutation faux sens annule l’effet d’une première mutation
en rétablissant la structure de la protéine sauvage
Autre type de mutations : les suppresseurs
Les suppresseurs extragéniques
a/ les suppresseurs non sens
b/ les suppresseurs faux sens
Modification de l’anticodon d’un ARNt va
permettre de remplacer soit le codon stop
d’une mutation « non sens » par un acide
aminé; soit une mutation « faux sens » par
un acide aminé « sauvage »!
c/ les suppresseurs d’ In/Del
d/ les suppresseurs physiologiques
Première mutation
Mutation non sens
dans Gène 1
TTG
Leu
TAG
STOP
Protéine
tronquée
Seconde mutation
Mutation dans gène
2 codant un ARNt Tyr
mais dont l’anticodon
correspond au codon
STOP issu de la
première mutation
STOP
Tyr
Protéine
Leu
Tyr
Autre exemple de suppresseur extragénique :
Les mutations chromosomiques
2 types
- Modification de leur structure
- Modification de leur nombre
Modification de la structure des chromosomes dans un génome.
Essentiellement à travers des
recombinaisons qui sont des
crossing-over inégaux ou nonhomologues!!
Moteur important de l’évolution!
Egalement source de maladies!!
Exemple de perturbations dans la
perception des couleurs chez les
primates
DALTONISME
Les cellules
de la rétine
Les bâtonnets
expriment la
rhodopsine
La rhodopsine est une protéine membranaire s’accumulant dans
le segment externe des bâtonnets
La rhodopsine contient du rétinal, une molécule dont la structure
change en réponse à la lumière blanche
Le changement de conformation du rétinal à la lumière modifie
la structure de la protéine, induisant une dépolarisation
membranaire traduite en un signal nerveux
chromosome 7
Les cellules
de la rétine
Les cônes
expriment des
opsines
chromosome X
Structure très
semblable à
la rhodopsine
3 gènes codant des opsines
Chaque opsine perçoit une partie spécifique
du spectre lumineux
Les cônes expriment un seul des trois gènes codant des opsines
La plupart des primates sont trichromates (3 gènes d’opsines)
Les autres mammifères sont dichromates (2 gènes d’opsines)
mammifères
primates
Daltonisme causé par des recombinaisons inégales sur le chromosome X
Chromosome X
Gene L
Gene M
Il existe plusieurs formes de recombinants inégaux chez les
gènes d’opsines présents sur le chromosome X
Modification du nombre de chromosomes dans un génome.
Un organisme disposant d’un set complet de chromosomes est dit « euploïde »
(cela est vrai pour les organismes diploïdes ou haploïdes)
Un organisme est dit « aneuploïde » lorsqu’il y a variation du nombre de
chromosome(s) particulier(s) (mais pas de tout le set de chromosome!!!)
Non disjonction au cours de la meïose
polyploïdie
Exemples d’aneuploïdies
Les trisomies sont les plus répandues chez l’homme
1/700
Trisomie 21 ou syndrome de Down
Trisomie 13
Syndrome de Patau
1/15.000
Trisomie 18
Syndrome d’Edwards
1/5.000
Pourquoi pas sur d’autres chromosomes?????
Létal!
Les aneuploïdies sur les chromosomes sexuels ont moins de conséquences!
Pourquoi?
Inactivation du chromosome X!!!!
Modification du nombre de chromosomes dans un génome.
Augmentation du nombre de sets complets de chromosomes
La monoploïdie
Les individus mâles sont monoploïdes chez les abeilles, les guèpes et les fourmis
Ils sont dû au développement parthogénique des œufs non-fertilisés.
Les gamètes sont produits par mitose chez ces mâles!
Par contre, dans d’autres systèmes animaux, la monoploïdie est généralement
létale car elle conduit à l’expression de tous les allèles létaux récessifs!!!
Si des individus monoploïdes survivent, ils seront stériles!!!!
Mais cette situation est très commune chez les végétaux
Utilisation biotechnologique!!!!!
Sélection des caractères
agronomiques
Les polyploides
Sont très communs chez les végétaux
autopolyploïdes
allopolyploïdes
Multiples sets de chromosomes
de la même espèce
Multiples sets de chromosomes
d’espèces différentes
Les chromosomes
sont homologues
Les chromosomes
sont homéologues
Autopolyploïdes
Généralement dûs à des erreurs de disjonction au cours de la meïose
Les triploïdes (ou tout autre organisme avec un nombre impair de sets
chromosomiques)
Soit apparaissent spontanément; soit sont issus du croisement entre
un diploïde (2n) et un tétraploïde (4n)
Les triploïdes sont stériles!!!!
Exemples :
- Les huitres triploïdes
- Les fruits « seedless »
- d’autres plantes telles que le gazon, certains arbres et plantes
ornementales.
Autres types d’autopolyploïdes
Nombre pair de sets de chromosomes
4n tétraploïdes
6n hexaploïdes
8n octoploïdes
Pas de stérilité mais une taille augmentée.
Létal chez l’homme
Possible chez certains animaux : platelmintes, sangsues, certains
amphibiens (salamandre),
certains poissons (saumon
tétraploïde).
Très courant chez les végétaux
Allopolyploïdes
En général issus d’hybrides entre deux espèces proches!!!
Exemple : hybride entre un choux et un radis
Monoploide (x) = 9
Chromosome sets impairs
1
2
chromosomes
dédoublés
1
2
1
2
Amphidiploïdes sets de chromosomes nonidentiques doublés chez un alloploïde
Autre exemple : l’évolution du blé tendre cultivé
(doublement des Chromosomes)
(amphidiploïde)
(doublement des Chromosomes)
hexaploïde
Les amphidiploïdes chez les Brassicacées