TP4 ... Exemple des gènes du développement
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TP4 Diversification par modification de l’expression des génomes Exemple des gènes du développement La construction d’un organisme entier à partir d’une cellule œuf, aussi bien chez les animaux que chez les végétaux se fait sous le contrôle des gènes du développement. Parmi eux, les gènes homéotiques sont ceux impliqués dans la mise en place du plan d’organisation de l’individu, c'est-à-dire du positionnement des organes selon un axe antéropostérieur lors du développement embryonnaire ; ce sont des gènes « architectes ». Ils permettent la synthèse de protéines qui contrôlent l’expression d’autres gènes et donc le devenir des cellules dans un organisme pluricellulaire. Les gènes homéotiques s’expriment graduellement selon l’axe antéropostérieur (voir doc 1), chacun avec sa propre zone d’expression. L’expression d’une combinaison spécifique de gènes à chaque endroit du corps donne aux cellules de l’embryon une information de position qui leur permet de se différencier. De façon surprenante, un même ensemble de gènes architectes présent chez de très nombreux animaux à symétrie bilatérale est à l’origine de plans d’organisation très différents. Problème : Comment des gènes architectes sont-ils responsables de plan d’organisation si différents ? Document 1 : Les gènes homéotiques et les plans d’organisation Matériel : - Logiciel anagène et sa fiche technique - Séquence des gènes et des protéines HoxD13 chez différents Vertébrés dans le fichier HoxD13.edi dans « Mes Documents, Devoirs, vieillard » Danio = Poisson Zèbre et Mus = Souris Activités et déroulement des activités Le gène Hox D13, appartenant au groupe des gènes Hox, code une protéine Hox D13 impliquée dans la mise en place et le développement du membre locomoteur chez les Vertébrés. Ce gène est présent chez de nombreuses espèces et la protéine codée a toujours la même fonction. Dans cette partie nous chercherons à comprendre l’origine de la différence de forme des membres locomoteurs chez l’embryon du poisson-zèbre et de la souris (passage de la nageoire à la patte (groupe des Tétrapodes) au cours du temps). 1- A partir des documents (1 et 2) et du matériel fourni, proposer une démarche d’investigation permettant de déterminer l’origine des différences observées entre les membres locomoteurs des Vertébrés. (Ce que je fais ? Comment je fais? Ce que j'attends?) 2- A partir de la comparaison des séquences intéressantes du gène Hox D13 avec le logiciel Anagène, montrer que les différences morphologiques entre les membres locomoteurs du poisson et de la souris ne viennent pas directement de différences entre les génes Hox D13 des 2 animaux. Proposer une hypothèse sur l'origine possible de ces différences. A l’aide des documents 3 à 5, montrer que la modification de l'expression des gènes de développement peut entraîner des modifications importantes du plan d'organisation. Votre réponse sera rédigée et scientifiquement argumentée dans votre cahier. Appeler le professeur pour vérification. 3- A partir de l’étude des documents 5 et 6 p 41 de votre livre, expliquer l’origine de la différence de forme du bec chez les deux espèces de pinsons des Galapagos. 4- En bilan, répondre au problème initial. Document 2 : Les membres des vertébrés sont des nageoires (poisson) ou des pattes (tétrapode). Document 3: Rôle du gène HoxD13 : Chez la souris, l'inactivation du gène Hox D13 déclenche un retard dans le développement des membres : de nombreux os des doigts sont raccourcis et les deuxièmes phalanges n'ont pas le temps d'apparaître. Document 4 : Développement de la patte et de la nageoire Le développement des membres locomoteurs de tétrapodes commence par la formation d'un bourgeon recouvert d'une couche cellulaire appelée couche ectodermique. A l'intérieur du bourgeon les cellules prolifèrent, elles constitueront le bras et l'avant-bras. Ensuite des cellules colonisent la partie avant du bourgeon et génèrent les doigts. Ceci grâce à l'expression du gène HoxD13 dans cette région. Le développement de la nageoire d'un poisson débute également par un bourgeonnement. L'homologue des bras et avant-bras se met en place par prolifération cellulaire. Mais très rapidement la couche ectodermique se replie à l'extrémité du bourgeon car l'expression du gène Hox D13 dans la partie avant du bourgeon ne se fait pas. Les cellules situées à l'extrémité du bourgeon se développeront pour former les rayons des nageoires. Document 5 : Arbre phylogénétique simplifié montrant la séparation entre Poissons et Tétrapodes. L'état "absence de doigts" constitue l'état ancestral, l'état "avec doigts" est l'état dérivé. Panderichtys et Ichthyostega vivaient il y a environ 360-400 millions d'années. Le poisson (Panderichtys) et le tétrapode (Ichthyostega) possédaient des appendices latéraux très similaires.
