Génétique des populations

Génétique des populations
Génétique évolutive
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Introduction
1 - Qu’est ce que la génétique des populations ? A quoi sert-elle ?
Gène : unité d’information biologique, transmise au cours des générations (codant pour une fonction)
Séquence d’une macromolécule (ADN ou ARN) transmise telle quelle (à des rares modifications prés), transcrite et
généralement traduite ce qui permet l’expression d’une activité biologique.
Locus : historiquement, position d’un gène sur un chromosome.
Allèle : Les copies homologues d’un gène sont dites allèles quand elles ont des formes de différents, distinguables à un
niveau d’observation donné. Un allèle peut donc correspondre à une seule séquence, ou à un ensemble de séquences différentes mais
non distinguables au niveau du phénotype. (ex : couleur des yeux bleu/marron/vert mais au niveau du nucléotide on a beaucoup plus
d’allèles différents, plusieurs par couleur).
Homozygote : individu portant deux allèles identiques au même locus.
Hétérozygote : individu portant deux allèles différents au même locus.
Le phénotype de l’hétérozygote (état observable du caractère) définit la dominance/récessivité des allèles. (Est dominant
l’allèle qui impose son phénotype à l’hétérozygote).
 Génétique « classique »
On connait ou on cherche à connaître le génotype des individus et de leur descendance
« Vous portez l’allèle muté, vous avez une probabilité de ½ de transmettre cet allèle à votre enfant »
 Génétique des populations
On ne peut avoir accès au génotype de tous les individus. On va donc utiliser une approche statistique.
« Dans la population française, la fréquence de la maladie est de 1/250 000 »
Concept de fréquence
La génétique des populations est basée sur l’existence d’une variabilité génétique elle concerne de nombreux gènes avec plusieurs
allèles (Ex. couleur des yeux, isoenzymes, mutations ponctuelles…), ou des changements de fréquences alléliques (évolution des
populations, des espèces)
 Mesure de la variabilité génétique dans et entre les populations – Retrace l’histoire évolutive des espèces
Quantification – description
 Explique les modifications observées dans le temps et l’espace : forces évolutives
Explication
Prédiction
« Rien en biologie n’a de sens, … si ce n’est à la lumière de l’évolution »
Th. Dobzhanski
En Systématique (classification des êtres vivants)
En physiologique (fonctionnement des êtres vivants) - Explique la mise en place des fonctions (hasard et nécessité)
En biologie moléculaire (évolution moléculaire) etc…
La génétique évolutive recherche la cause ultime d’un phénomène (par opposition aux causes proximales), elle répond aux
questions : Pourquoi cet allèle et quel est son devenir.

Domaine d’application de la génétique des populations :
 Médecine – génétique humaine : Epidémiologie des maladies génétiques (mutation – sélection) (6000 connues chez
l’homme). Effets de la consanguinité
 Amélioration génétique animale et végétale. Sélection artificielle
 OGM (dissémination, impact sur l’environnement)
 Espèces « invasives » (ex. mimosa, figuier d’Espagne …) (espèce ayant été introduite sans ses parasites, donc fort
développement)
 Réintroduction des espèces
 Conservation génétique, biodiversité
Mais qu’est ce qu’une population ?
 L’ensemble des individus de la même espèce qui ont la possibilité d’interagir entre eux au moment de la reproduction.
 Correspond à un pool génétique : ensemble des génotypes pour chacun des gènes.
Pourquoi s’intéresser au niveau « population » ?
 Une unité écologique
 Une unité évolutive
 Individus en interaction avec l’environnement
La génétique des populations est probabiliste :
 Grand nombre d’individus
 Grand nombre de générations
 Grand nombre de populations
 Facteurs évolutifs multiples
Difficile d’expérimenter !
Elle nécessite donc souvent l’utilisation de simulations et modélisations (et de quelques calculs de probabilités)
 La théorie de l’échantillonnage :
 Echantillon – estimation de la fréquence des allèles
 Extrapolation à la population globale
2 – La variabilité génétique
 Pas deux individus semblables
 Variabilité morphologique
Chromosomique
Comportementale
Physiologique
Biochimique (protéines)
Moléculaires (protéines, ADN)
 Individuelle ou géographique (races ou variétés)
Chromosomes polyténiques : correspondent à un certain nombre de copies des chromatides (jusqu'à 1000) qui sont restées
soudées entre elles (dans les glandes salivaires des drosophiles par exemple).
Les caractères étudiés doivent être génétiquement déterminés.
Prouver le déterminisme génétique : caractère héritable, ségrégation mendélienne
(Sauf étude de gènes « cytoplasmiques » tels que gènes mitochondriaux, chloroplastiques…)

Variabilité épigénétique, plasticité phénotypique et norme de réaction = caractère conditionné par le milieu.
Des individus à génotype identique peuvent avoir des phénotypes différents selon le milieu (température…). Différents
phénotypes sont possibles selon la « norme de réaction » (ex : larve – adulte, castes, variation saisonnière, homochromie…). Il existe
une variation épigénétique due aux milieux instables : on peut citer par exemple le mourron rouge ou bleu selon la nature du sol.
La source de la variabilité génétique
 Ségrégation méiotique et recombinaison
 Mutations (ponctuelles, remaniements chromosomiques, …)
 La mutation est un phénomène « aléatoire »
 Effet variable sur les individus (favorable, neutre, délétère, létale)
Une même mutation peut avoir des effets phénotypiques différents suivant l’environnement. Exemple de la
phénylcétonurie chez l’homme (mutation phénylalanine hydroxylase (PHA))
Quantification du niveau de variabilité d’une population
Populations de drosophiles
 Gènes « morphologiques », 3-5 mutations par individu, à l’état hétérozygote.
 Tout individu est porteur d’un allèle létal (hétérozygote) pour deux gènes en moyenne.
 Taux de polymorphisme P
Proportion de gènes polymorphes parmi l’ensemble des gènes étudiés.
Polymorphisme : gène pour lequel il existe au moins deux allèles et dont l’allèle le plus fréquent a une fréquence inférieure ou
égale à 95% (ou 99%)
Sinon, cryptopolymorphisme (fréquence inférieur a 1 % ; les maladies génétiques humaines sont en général dans ce cas).
 Taux d’hétérozygotie Ho : moyenne des fréquences des hétérozygotes observés à chacun des loci.
Ho = 1/N*
N nombre de loci ; Hi, hétérozygote au locus i
Chez l’homme P=0,3 pour loci enzymatique : Ho = 0,067
Invertébrés > plantes > vertébrés
Diversité génique :
Probabilité d’avoir deux allèles différents à un même locus en prenant deux allèles au hasard dans la population.
On l’estime par He = 2n(1-Σpi²)/(2n-1)
Avec n nombre d’individus étudiés ; Pi la fréquence de l’allèle i dans la population.
 Valable quel que soit le degré de ploïdie et le mode de reproduction
Variabilité au niveau nucléotidique
Indice de diversité nucléotidique :
Nombre moyen de nucléotides différents entre deux séquences prises au hasard au même locus. Valeur voisine de 1% = π
Ex : ADH chez D. melanogaster Diversité 6,25 nucléotides sur 765 soit 0,0082
Ex : Locus microsatellite chez l’homme 80% d’hétérozygotie
Le modèle de HARDY-WEINBERG (1908)
G. Hardy (mathématicien anglais)
W. Weinberg (médecin allemand)
Codécouverte indépendante
A. Le modèle
 Considérons un gène à deux allèles A et B, de fréquence p et q (individus diploïdes).
 Regardons la constitution génétique à la génération n puis n+1, en considérant des
générations non chevauchantes.
Gamètes Gn  zygotes Gn+1  Reproducteurs Gn+1  gamètes Gn+1
Les hypothèses et la loi Hardy-Weinberg
Définition d’une population théorique idéale,
Organismes diploïdes à reproduction sexuée, et générations non chevauchantes.
Pas de mutation. Population d’effectif infini = pas de dérive, pas de sélection. Croisement entièrement aléatoires = panmixie
Population génétiquement close = pas de migration pas de distorsion de ségrégation méiotique.
 Absence de sélection naturelle
Go AA G1 f(AA) = p² G2 f(AA)= p²
Aa f (aa) = q² f(aa) = q²
aa f(Aa) = 2pq f(Aa) = 2pq

p = f(A)= 
 = 
=
 =   +  =f(AA)+ ½ f(Aa)
q= f(a) = 
=f(aa)+ ½ f(Aa)
p+q= 1
= f(AA)+ ½ f(Aa) + f(aa)+ ½ f(Aa)
Si la population est à effectif fini on aura G0  A≠p et B≠q car gamètes tirées au sort et G1 AA≠p² AB≠2pq BB≠q²
Changement des fréquences si absence de pangamie (rencontre au hasard des gamètes) ou panmixie (rencontre au hasard des
individus).
Survie différentielle des génotypes. Sélection naturelle
Fécondité différentielle des génotypes.
Survie + fertilité = valeur sélective. Changement des fréquences si les valeurs sélectives des génotypes dont différentes.
Apport de nouveaux individus : migration (d’adultes reproducteurs ou de gamètes (chez individus à fécondation externe))
Changement des fréquences si les fréquences génotypiques dans la population d’immigrants sont différentes de celles de la
population étudiée.
Mutation dans les cellules de la lignée germinale : changement des fréquences du à des mutations.
Distorsion de ségrégation méiotique : A > ½ ; B < ½ ex : haplotype t chez la souris, gène égoïste.
Si les conditions sont respectées, on atteindra un équilibre (dit équilibre de HW) en une génération.
Sous HW, on peut décrire les fréquences génotypiques à partir des fréquences alléliques et réciproquement.
B. Constitution génétique des populations
Phénotype : états possibles du caractère. Probabilités de rencontre de ces états.
Constitution phénotypique.
Génotype : génotypes possibles pour ce locus. Probabilités de rencontre de ces génotypes.
Constitution génotypique.
Allèle : allèles possibles à ce locus. Probabilités de rencontre de ces allèles.
Constitution allélique.
Phénotype
[1]
[2]
[3]
Nombre
n1
n2
n3
Σ=N
1 gène à 2 allèles codominants
Génotypes
AA
AB
BB
Fréquence
n1/N
n2/ N
n3/ N
Σ= 1
Fréquence de A= (2n1+n2)/2N
Fréquence de B = (2n3+n2)/2N
Σ(fréquence de A + fréquence de B) = 1
Exemple du groupe sanguin MN chez l’homme.
L’examen de 730 aborigènes australiens a donné les résultats suivants :
Groupe sanguin
Génotype
Nombre
[M]
MM
22
[MN]
MN
216
[N]
NN
492
Phénotype
[1]
[2]
Nombre
n1
n2
Σ=N
1 gène à 2 allèles, A>a
Génotypes AA Aa aa
Fréquence ? ? n2/N
Question subsidiaire :
Que devient le modèle de HW si les fréquences alléliques pour un gène autosomal sont différentes chez les mâles et les femelles
à la génération n ?
Il faudra :
 Une génération pour égaliser ces fréquences (la fréquence obtenue est la moyenne des fréquences chez les males
et femelles)
 Une génération pour atteindre l’équilibre de HW

C. Applications
Application 1 : Comment savoir si une population est à l’équilibre de HW pour un gène ?
Si A p alors AA AB BB
B q p² 2pq q²
Groupe sanguin
Génotype
Nombre
[M]
MM
22
[MN]
MN
216
[N]
NN
492
 =0,178
 =0,82
p = 0,18
q = 0,82
Test de conformité d’une loi expérimentale à une loi théorique
H0 : population en équilibre de HW pour ce gène
H1 : population pas en équilibre de HW
AA AB BB
Sous H0, on a des fréquences attendues
p² 2pq q²
0,18² 2*0,18*0,82 0,82²
Effectifs attendus : on multiplie les fréquences part N (730)
23,65 215,5 490,85 730
On compare aux effectifs observés
22 216 492 730
Mesure de l’écart entre les effectifs théoriques et effectifs observés :
X²=Σ
 =0,118
Suit une loi de Khi-2. Deux paramètres :
ddl= nombre de degrés de liberté et
α= risque d’erreur de première espèces (0,05)
Test de conformité d’une loi expérimentale à une loi théorique (est-ce que la population est à l’équilibre de HW pour ce
gène ?)
Dans ce cas le nombre de ddl est le nombre de comparaison effectuées – 1 – (nombre de paramètres indépendants estimés pour
calculer les valeurs théoriques).
Ici ddl = 3- 1 – 1 (estimation de p) = 1
Cas d’un locus diallélique, quand A>a
Population à l’équilibre d’HW ? On ne peut pas tester.
Soit p la fréquence de A ; p = f(AA) + ½ f(Aa) f([A])= 
 = f(AA)+ f(Aa)
f(a) = 
 = f(aa)
Ssi la population est à l’équilibre d’HW
Alors f ([a]) = q² = f(aa)  q=
p = 1-q
Pour un gène lié au sexe :
Sexe homogamétique : XX ou ZZ
Hétérogamétique : XY ou ZW
1 locus diallélique : XA Xa
Soit p=f(XA) et q=f(Xa)
Si la population est à l’équilibre d’HW :
Pf=pm
Génotypes
AA
Aa
aa
Phénotypes
[A]
[A]
[a]
n1
n2