TP4 ... Exemple des gènes du développement

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 antéro-
postérieur 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
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.
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
Document 2 : Les membres des vertébrés sont
des nageoires (poisson) ou des pattes
(tétrapode).

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.
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.