BioGen 10 Fichier - Moodle

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La génétique Mendélienne
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Parents de lignée pure :
VV
vv
deux allèles
identiques
deux allèles
identiques
Formation des gamètes :
100% de gamètes V
et
100% de gamètes v
et
Hybrides de génération F1 :
100% de fleurs Vv
Fleurs violettes car
l allèle V est dominant
Vv
Séparation des allèles lors de la formation des gamètes :
50% de gamètes V
50% de gamètes v
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50% de gamètes V
50% de gamètes v
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Génération F2 obtenue par autofécondation :
gamètes
V
gamètes
de F1
v
V
VV
Vv
vV
vv
de F1
25% VV
50% Vv
25% vv
v
Explication de la proportion 3:1
Si les gamètes
s unissent au
hasard!
Les caractères sont appelés actuellement les gènes
Les gènes correspondent à des séquences d ADN qui
occupent un locus précis d un chromosome (chromosomes
et ADN inconnu du temps de Mendel).
Dans l expérience de Mendel les gènes étudiés
avaient deux allèles.
Les plantes ayant deux allèles identiques sont dites :
Homozygotes
Homozygotes dominants (lignée pure) : génotype : VV
phénotype : violet
Homozygotes récessifs : génotype : vv
phénotype : blanc
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Les plantes ayant deux allèles différents sont dites :
Hétérozygotes : génotype : Vv
phénotype violet
La ségrégation des caractères (gènes) se fait à la méiose
dans les gonades, au cours de l’anaphase de la division
réductionnelle (phénomène inconnu de Mendel).
En résumé :
- Les caractères (visibles – phénotype) sont portés par des gènes
(génotype), transmissibles à la génération suivante.
- Les gènes, localisés à un locus, possèdent deux états (allèles) qui
peuvent être séparés lors de la formation des gamètes (chaque
gamète possède un seul des allèles). La séparation des allèles a lieu
lorsque la F1 forme la F2 (= anaphase I de méiose).
- Il y a rencontre aléatoire entre les gamètes (allèles) produits en
F1 pour former des zygotes de la F2 : explication rapports 3:1. Les
zygotes sont diploïdes, comme les parents.
- Certains allèles sont dominants et d autres récessifs (« cachés »
en F1).
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1ère Loi de Mendel :
Chaque caractère possède deux états (allèles) et, pour chaque
caractère, il y a séparation des allèles lors de la formation des
gamètes.
Cela correspond à la séparation des chromosomes homologues
lors de l'anaphase I de méiose :
Vv
allèle « fleurs violettes »
paire de
chromosomes
homologues
(tétrades)
plaque
métaphasique
allèle « fleurs blanches »
Séparation des chromosomes homologues :
Loi mendélienne de la ségrégation (1ère Loi)
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Rem : le croisement de contrôle (« testcross »)
Ce pois est-il VV ou Vv?
Pour le savoir, faire un croisement avec
l homozygote récessif (vv)
Si le pois est Vv :
V
v
v
vV
vV
v
vV
vV
100% de phénotype dominant en F1
homozygote-récessif
homozygote-récessif
Si le pois est VV :
V
V
v
vV
vv
vV
vv
v
50% de phénotype dominant en F1
2ème Loi de Mendel : l assortiment indépendant des caractères
Quand un seul caractère (gène) est étudié lors des croisements
on parle de croisement monohybride.
Exemple : fleurs violettes X fleurs blanches
Si on observe deux caractères à la fois on parle de croisements
dihybrides. Dihybridisme. Exemple : couleur et forme.
Exemple : plante à graines X plante à graines
jaunes
vertes
rondes
ridées
Mendel sait que jaune est dominant par rapport à vert
rond est dominant par rapport à ridé
(grâce aux croisements monohybrides)
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Que$se$passe$t'il$si$l'on$étudie$ 2$caractères$à$la$fois?$Hérédité?
Plante à graines
jaunes
rondes
allèle 1
Génotype :
X
Plante à graines
vertes
ridées
allèle 2
jj rr
JJ RR
(lignées pures)
caractère 1 caractère 2
100%
Résultat croisement :
Jj Rr
en F1
Les deux caractères (couleur et forme) sont-ils liés ou indépendants?
Sont-ils transmis ensemble à la descendance?
Pour le savoir : réaliser l autofécondation
des doubles hétérozygotes (obtenir F2) :
• Si les caractères sont liés on aura 2 types de gamètes :
Gamètes JR (50%) et jr (50%)
JR
jr
JR JJ RR jJrR
jr
JjRr
=
=
jj rr
3
1
F2
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• Si les caractères ne sont pas liés on aura 4 types de gamètes :
Gamètes JR (25%), Jr (25%), jR (25%), et jr (25%)
! 42 = 16 génotypes possibles si autofécondation.
F2
JR
Jr
jR
jr
JR JJ RR JJrR JjRR JjRr
Jr
JJRr JJ rr
JjRr
Jjrr
jR JjRR JjRr
jjRR jjRr
jr JjRr
jjRr
Jjrr
jjrr
9:3: 3:1
Résultats du croisement :
315
108
≈9:3:3: 1
101
32
Conclusion : il y a assortiment indépendant des caractères
lors de la formation des gamètes (2ème Loi de Mendel).
Les allèles de la couleur et de la forme des graines se répartissent
dans les gamètes indépendamment l un de l autre. Il ne sont pas liés.
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Autres croisements dihibrides testés par Mendel :
Résultats similaires : obtention de proportions
phénotypiques 9 : 3 : 3 : 1 en F2. ! 2ème loi confirmée.
Explication avec méiose : les caractères couleur et forme
sont portés par des tétrades différentes. Indépendance de
positionnement en métaphase I.
forme
couleur
Assortiment indépendant des
caractères lors de la
formation des gamètes.
= 2ème Loi de Mendel
Remarques
(1) : la 2ème loi de Mendel ne s'applique parfaitement bien que
si les caractères (gènes) sont situés sur des chromosomes
différents (non homologues). Les gènes sités l un près de
l'autre sur le même chromosome sont habituellement transmis
ensemble (liés).
(2) : le pois ne possède que 7 paires de chromosomes
(2n = 14), et les 7 caractères étudiés par Mendel sont régis
par des gènes situés chacun sur un chromosome différent, ou
suffisamment éloignés l un de l autre sur le même
chromosome.
« Chance » ou génie de Mendel !
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Règle de la multiplication et de l addition
Croisements monohybrides
Hétérozygote Rr
50% gamètes R, 50% gamètes r
Descendance, si autofécondation :
Génotypes-:
proportions
¼--½--¼--
R
r
R
RR
rR
r
Rr
rr
=
Phénotypes- :-2
Quelle est la probabilité d avoir un homozygote
RR dans la descendance?
Quelle est la probabilité d avoir un homozygote RR :
règle de la multiplication :
P(RR) = P(gamète
R) * P(gamète
R)
= 1/2 * 1/2
= 1/4
Quelle est a probabilité d avoir un hétérozygote?
règle de l addition :
P(Rr ou rR) = P(Rr) + P(rR)
= (1/2 * 1/2) + (1/2 * 1/2) = 1/2
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Règle de la multiplication et croisements dihybrides :
Exemple :
Double hétérozygote Jj Rr
Si autofécondation, probabilité P(JJ RR) dans la descendance?
Réponse : utiliser les croisements monohybrides correspondants.
- Couleur : Pour un croisement monohybride Jj, les probabilités
d apparition des génotypes à la génération suivante sont :
1/4 (JJ), 1/2 (Jj), 1/4 (jj)
- Forme : Pour un croisement monohybride Rr, les probabilités
d apparition des génotypes à la génération suivante sont :
1/4 (RR), 1/2 (Rr), 1/4 (rr)
- P(JJ RR) = 1/4 * 1/4 = 1/16
Réponse avec grille de Punnett :
JR
Jr
jR
jr
F2
JR JJ RR JJrR JjRR JjRr
Jr
JJRr JJ rr
JjRr
Jjrr
jR JjRR JjRr
jjRR jjRr
jr JjRr
jjRr
Jjrr
jjrr
9:3: 3:1
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Règles de la multiplication/addition et croisements trihybrides
Exemple :
parents Vv Jj Rr
x
Vv jj rr
Probabilité d avoir dans la descendance un phénotype récessif
pour au moins deux caractères sur trois?
1) Enumérer tous les phénotypes possibles : il y en a 7
Vv jj rr
VV jj rr
vv jj RR
vv jj Rr
vv JJ rr
vv Jj rr
vv jj rr
Récessifs pour
au moins deux
caractères
2) Calculer les proportions pour chaque caractère individuel en
employant le génotype des parents :
parents :
Vv Jj Rr
x
Vv jj rr
Vv x Vv : 1/4 VV, 1/2 (vV et Vv), 1/4 vv
Jj x jj :
1/2 Jj, 1/2 jj
Rr x rr : 1/2 Rr, 1/2 rr
Rem : P(RR) = 0 P(JJ) = 0
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3) Utiliser la règle de multiplication pour calculer la
probabilité de chacun des 7 phénotypes :
Vv jj rr
VV jj rr
vv jj RR
vv jj Rr
vv JJ rr
vv Jj rr
vv jj rr
= 1/2 * 1/2 * 1/2
= 1/4 * 1/2 * 1/2
= 1/4 * 1/2 * 0
= 1/4 * 1/2 * 1/2
= 1/4 * 0 * 1/2
= 1/4 * 1/2 * 1/2
= 1/4 * 1/2 * 1/2
= 1/8 = 2/16
= 1/16
=0
= 1/16
=0
= 1/16
= 1/16
4) Faire la somme (règle de l addition avec 7 termes) :
2/16 + 1/16 + 0 + 1/16 + 0 + 1/16 + 1/16 = 6/16 = 3/8
Rem : Il s agit de chances (probabilités) et non de nombres exacts
Au plus la population est grande au plus on s en rapproche.
Rem : Calcul direct des fréquences relatives des phénotypes
en fonction du nombre de locus considérés :
(3+1)n
n = nombre de locus (à deux allèles)
Croisement dihybride : (3+1)2
(a+b)2 = a2 + 2ab + b2
(3+1)2 = 9 + 3 + 3 + 1
Nombre de termes =
Nombre de phénotypes = 2n
Croisement trihybride : (3+1)3
(a+b)3 = a3 + 3a2b + 3ab2 + b3
(3+1)3 = 27 + 9 + 9 + 9 + 3 + 3 + 3 + 1
Croisement tétrahybride : (3+1)4
(a+b)4 = a4 + 4a3b + 6a2b2 + 4ab3 + b4
(3+1)4 = 81 + 27 + 27 + 27 + 27 + 9 + 9 + 9 + 9 + 9 + 9 + 3
+ 3 + 3 +3 + 1
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« Chance » (ou génie... ou fraude...) de Mendel :
- Les caractères étudiés étaient déterminés par un seul gène;
- Pour chacun de ces gènes il n y avait que deux allèles;
- Les caractères sont discontinus (fleurs blanches ou violettes)
- Les gènes sont localisés sur des chromosomes différents
- Un des allèles est complètement dominant p/r à l autre
Dans la réalité les choses sont plus complexes!
Il est rare que la relation entre le génotype et le phénotype
soit aussi simple :
• Gamme de relations de dominance-récessivité
• Les allèles multiples
• Les gènes pléiotropes
• La gamme des relations de dominance et de récessivité
Il n’y a pas toujours « dominance complète ».
Dominance complète : les individus de la F1 ressemblent à
l’un des deux parents (les hétérozygotes ressemblent aux
homozygotes dominants). Croisements mendéliens classiques.
Mécanisme : en réalité, les deux allèles (ADN) sont toujours
exprimés et aucun des deux ne domine l’autre. Mais les
protéines produites n’ont pas le même effet ou la même activité
enzymatique.
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Dominance complète
mRNA
protéine P normale
activité : 100%
allèle 1
paire de
chromosomes
homologues
locus d un gène
moyenne
50%
allèle 2
mRNA
protéine p inactive
(mutation) activité : 0%
Et-la-moitié-(50%)-de-l activité-enzymatique-normale-suffit
Dominance complète :
Allèle 1
protéine active Allèle 2 protéine inactive
Et la moitié (50%) de l activité enzymatique normale suffit
Conséquence : Les homozygotes dominants (AA) et les
hétérozygotes (Aa) auront le même phénotype (cas mendélien).
Exemples :
- Pois : VV et Vv; JJ RR et Jj Rr
- Homme :
Maladie de Tay-Sachs
TT : sains
Tt : sains
tt : malades
Polydactylie
PP et Pp : doigts surnuméraires
pp normaux
Rem : l allèle dominant n est pas toujours le plus répandu!
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TSD = Tay-Sachs Disease
gène HEXA
chromosome n 15
rétine avec
point rouge
Accumulation de ganglioside GM2 dans les neurones
- Autosomal récessif
- Mortel : mort avent 4 ans.
Polydactylie
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Nombres de phénotypes et génotypes quand dominance complète :
Avec 2 allèles différents (A et a), en considérant que le génotype Aa
est équivalent au génotype aA, qu'il y a dominance complète de A
sur a, que les locus sont indépendants (sur des chromosomes
différents), et qu'il n'y a pas épistasie (voir plus loin), nous
obtenons le tableau suivant :
Nb de locus
Nb de phénotypes ≠
1
2
3
4
10
n
2
22 = 4
23 = 8
24 = 16
210 = 1024
2n
Nb de génotypes ≠
3
32 = 9
33 =27
34 = 81
35 = 59 049
3n
• Dominance imcomplète
La moitié de l activité enzymatique normale ne suffit pas,
les homozygotes dominants (AA) et les hétérozygotes
(Aa) ont des phénotypes différents.
Exemple : - Gueules-de-loup (Antirrhinum majus)
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Gueules-de-loup rouges
Gueules-de-loup blanches
RR
rr
F1
Rr
Gueules-de-loup roses
Les hétérozygotes Rr produisent moins de pigments que les
homozygotes dominants RR.
Dominance incomplète
mRNA
protéine P normale
activité : 100%
allèle 1
paire de
chromosomes
homologues
locus d un gène
moyenne
50%
allèle 2
mRNA
protéine p inactive
(mutation) activité : 0%
Et-la-moitié-(50%)-de-l activité-enzymatique-normale-ne$suffit$pas...
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Gueules-de-loup = preuve de la théorie du mélange?
(le phénotype rose est un intermédiaire)
Non. Car on peut retrouver les caractères rouge et blanc en F2,
en faisant une autofécondation :
R
F2
r
R
RR
Rr
Proportion
1:2: 1
Trois
phénotypes ≠
r
Rr
rr
L identité des gènes est conservée chez les hybrides,
l hérédité est bien de nature particulaire.
Nombres de phénotypes et génotypes quand dominance
incomplète :
Avec 2 allèles différents (A et a), en considérant que le génotype
Aa est équivalent au génotype aA, qu'il y a dominance
incomplète de A sur a, et que les locus sont indépendants, nous
obtenons le tableau suivant :
Nb de locus
Nb de phénotypes ≠
1
2
3
4
10
n
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3
32 = 9
33 = 27
34 = 81
310 = 59 049
3n
Nb de génotypes ≠
3
32 = 9
33 =27
34 = 81
35 = 59 049
3n
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Cas ou les deux allèles ont une activité normale
• Codominance. Les deux allèles sont fonctionnels et
donnent des protéines différentes. Ils s’expriment
entièrement et de manière indépendante dans le phénotype.
Existence de trois phénotypes différents.
Ex : les groupes sanguins du système MN
M
N
MN
Système MN
Homozygotes MM : protéines M à la surface des erythrocytes
Homozygotes NN : protéines N à la surface des erythrocytes
Hétérozygotes MN : protéines M et N à la surface des erythrocytes
Exemple : hétérozygote MN :
allèle M : protéine M normale
locus du gène « système MN»
paire de
chromosomes
homologues
allèle N : protéine N normale
Attention : le phénotype MN n est pas un intermédiaire. Les deux
allèles sont exprimés.
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Les allèles multiples
La plupart des gènes présentent plus de deux formes alléliques.
Exemple : les groupes sanguins du système ABO.
Un locus (un gène) avec 3 allèles possibles : IA, IB et i.
IA
substance A (N-acétylglucosamine)
IB
substance B (galactose)
i
protéine inactive (rien)
A
B
erythrocytes
- Dominance complète de IA et IB p/r à i
- Codominance de IA p/r à IB
2 positions possibles et 3 allèles dans la population = 9 possibilités
de génotypes
Génotype Phénotype
(3x3=9)
IA IA
A
IA IB
AB
A
I i
A
4 phénotypes :
A, B, AB, O
IBIA
AB
IBIB
B
6 génotypes car :
IB i
B
IAIB = IBIA
IAi = iIA
i IA
A
IBi = iIB
B
iI
B
ii
O
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Nombres de phénotypes et génotypes avec système d allèles
multiples de type ABO :
Si nous imaginons un système de type ABO pour différents
locus (avec dominance complète des deux premiers allèles sur
le troisième et codominance entre les deux premiers), on
obtient le tableau suivant :
Nb de locus
Nb de phénotypes ≠
1
2
3
4
n
4
42 = 16
43 = 64
44 = 256
4n
Nb de génotypes ≠
6
62 = 36
63 = 216
64 = 1296
6n
La pléiotropie (grec « pleion », plus, multiple)
- Un gène ! effets phénotypiques multiples
- Très fréquent
Exemple : gène codant pour une hormone.
Conséquence : si mutation : effets multiples
Ex : la phénylcétonurie (PKU : phenylketonuria)
Gène de la phenylalanine hydroxylase muté (chromosome 12)
Phe non convertie en Tyr
Accumulation Phe dans les cellules et sang et peu de Tyr
Effets multiples :
- pigmentation réduite peau (Tyr)
- pigmentation réduite poils-cheveux (Tyr)
- retard mental (Phe)
Selon l endroit de la mutation l enzyme peut être
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active
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Phenylalanine
hydroxylase
PAH
Phe (F)
Tyr (Y)
- PKU : maladie autosomale récessive
- 1 nouveau-né / 16 000
- Phénylcétones dans les urines (odeur caract.)
- Systématiquement dépisté à la naissance
- Si non traité : retard mental
- Traitement : régime pauvre en Phe
L épistasie (grec « epi », au-dessus de)
L expression d un gène est modifiée par un ou plusieurs autres
gènes. Très fréquent.
Exemple : la couleur du pelage chez la souris : 2 locus
• Locus 1 : Deux allèles pour la couleur du pelage : N et n
Souris NN ou Nn : noires (dominance de N sur n)
Souris nn : brunes
• Locus 2 : Deux allèles pour le dépôt du pigment : C et c
Souris CC ou Cc : le pigment (noir ou brun) se dépose
Souris cc : le pigment ne se dépose pas
souris blanche
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Trois phénotypes possibles
NN CC
NN Cc
Nn CC
Nn Cc
un pigment noir
se dépose
nn CC
nn Cc
un pigment brun
se dépose
NN cc
Nn cc
nn cc
le pigment
ne se dépose pas
Les deux gènes suivent la loi de l assortiment indépendant
(car les locus sont situés sur deux chromosomes différents)
une souris CcNn produira
4 types de gamètes : CN, Cn, cN, cn
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Caractères polygéniques
Plusieurs gènes ! 1 phénotype particulier.
Ce phénotype présente généralement une variation continue. Ce
sont des caractères quantitatifs.
Exemple : couleur des yeux ou de la peau : distribution normale
(courbe en cloche) dans la population.
Couleur de peau : au moins 3 gènes.
Couleur des yeux : aun moins 15 gènes.
Distribution normale
ou Gaussienne
Nb d'individus
moyenne
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caractère
donné
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Exemple imaginaire pour la peau :
• 3 locus indépendants : A, B, C
• 2 allèles chacun (A et a; B et b; C et c)
• 3 génotypes possibles par locus : AA, Aa, aa
27 génotypes possibles : 33 (3 locus et 3 états/locus)
AA
Aa
BB Bb bb
BB Bb bb
aa
BB Bb bb
CC Cc cc
Si chaque allèle apporte une « unité » de couleur et qu il y a
dominance incomplète, on aura 7 phénotypes ≠, de plus
en plus sombres :
aabbcc
Aabbcc
AAbbcc
AABbcc
AABBcc
AABBCc
AABBCC
Peau blanche
couleurs intermédiaires
Peau noire
Ce système peut produire une courbe en cloche en considérant
par exemple des accouplements entre individus hétérozygotes
pour les 3 gènes.
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Aa Bb Cc x Aa Bb Cc
8 gamètes possibles pour
et
:
ABC, AbC, Abc, abc, abC, aBC, aBc, AbC
grille de Punnett à 64 cases, 7 phénotypes ≠
Chaque génotype
est en plus
influencé par
l environnement
(ex: soleil)
lissage de la
courbe!
20/64
15/64
6/64
1/64
aabbcc
AaBbCc
aa Bb CC ...
AABBCC
Hérédité et environnement
Pour un génotype donné, le milieu influence le phénotype
autre exception à la génétique mendélienne simple!
Exemples :
Hortensias (Hydrangea macrophylla)
La couleur des fleurs, pour une même variété, dépend de
l’acidité du sol : rose ou bleu-violet
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Influence du milieu sur le phénotype de l homme :
- Différences entre jumeaux monozygotes
- Soleil influence la couleur de la peau
- Alimentation influence la taille
- Exercice physique modifie la masse musculaire
- Le milieu de vie influence la longévité
- L expérience améliore les résultats des tests du QI
- Etc ...
1 génotype
gamme de phénotypes possibles en fct du milieu
C est la norme de réaction du génotype.
La norme de réaction est en général plus étendue pour les caractères
polygéniques. Les caractères polygéniques sont multifactoriels :
influencés simultanéménts par de nombreux facteurs, génétiques
et environnementaux.
Application des lois de Mendel aux populations humaines
Chez l homme l approche expérimentale n est pas
applicable (impossible d obtenir énormément de générations
en peu de temps...).
étude des lignages (analyse
généalogique)
Le premier membre d une famille sur lequel l attention est
attirée = le propositus (ex : un nain).
Conventions utilisées dans les arbres :
Homme
Femme
Individus affectés :
Propositus :
Union
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Unions consanguines
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Exemple : les individus eprésentés en noir
sont affectés (homozygotes récessifs) pour le caractère étudié (p)
I
pp
pp
II
pp
pp
pp
III
pp
Quel est le génotype possible des autres individus?
Réponse
Pp
Pp
pp
pp
pp
Pp
PP ou Pp
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pp
Pp
Pp
pp
pp
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Autosomes et hétérochromosomes
(ou gonosomes/chromosomes sexuels)
Maladies
autosomales
- Récessives
- Dominantes
Maladies
sexuelles
- Récessives
- Dominantes
Maladie héréditaires récessives autosomiques
Exemples :
• Albinisme (absence de pigmentation
cutanée, susceptibilié aux cancers de la peau, problèmes de vision).
Non mortel.
• Fibrose kystique = Mucoviscidose. Mort avant 5 ans (pfs 20)
Un des allèles code pour une protéine défectueuse
homozygotes aa : phénotype anormal (défectueux)
homozygoyes AA et hétérozygotes Aa : phénotype normal
(car au moins un allèle code une protéine fonctionnelle)
Les Aa = transmetteurs sains
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France : 4000-6000 cas. Essentiellement chez les personnes
d ascendance européenne (1/2600). 1/25 = transmetteur sain (Aa)!
Locus fibrose kystique : chromosome n 7 (autosome). Gène CFTR.
Atteinte des épiteliums glandulaires de divers organes.
Allèle normal : code pour une protéine membranaire qui assure
l export des ions Cl–.
Allèle anormal : pas d export de Cl– ou export déficient
[Cl–] intracellulaire
[Na+ ] intracellulaire
Absorption d eau (osmose)
mucus extracellulaire plus
visqueux et fluidité réduite accumulation dans pancréas, poumons,
tube digestif, etc... Apparition d effets multiples (pléiotropiques) :
mauvaise absorption des aliments, bronchite chronique, infections
bactériennes.
• Maladie de Tay-Sachs
TT : sains; Tt : sains; tt : malades
(1 mutation dans gène HEXA, chromosome 15)
Accumulation progressive d’un ganglioside dans les cellules
nerveuses du cerveau. Développement normal pendant 6 mois
puis dégénérescence et mort avant 4 ans.
Beaucoup plus de cas chez les Juifs ashkénazes (d Europe centrale).
Fréquence maladie : 1/3600
100 x plus élevé que chez les non-Juifs et les Juifs séfarades
(de méditerrannée)
Explication : isolement au cours de l histoire génétique
Pas de répartition uniforme des maladies génétiques
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Isolement à partir d une grande population
Fréquences
de maladies ≠
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