Première S - Cours 1

Première S - Cours 1 suite
EXPRESSION, STABILITÉ ET VARIATION
DU PATRIMOINE GÉNÉTIQUE
III. Relations complexes entre génotype et phénotype :
1°) Les différentes échelles d’un phénotype :
Rappel : Le génotype (donc l’ADN) est responsable de la production de protéines résultant de la
polymérisation d’acides aminés en une ou plusieurs chaînes polypeptidiques.
a- Relation entre la séquence du polypeptide, la forme et la fonction de la protéine
L’étude de nombreuses maladies révèle que les phénotypes pathologiques sont généralement associés
à des protéines anormales (exemple de la drépanocytose)
L’ordre d’enchaînement de ces acides aminés définit la séquence de la protéine (=structure
primaire) Le repliement dans l’espace des chaînes polypeptidiques définit la structure spatiale de la
protéine (=structures secondaire et tertiaire) Plusieurs protéines peuvent s’associer pour former
un complexe protéique (=structure quaternaire)
Les protéines sont soit directement responsable du phénotype (ex de la drépanocytose) soit
indirectement en permettant la fabrication, la dégradation ou le transport d’une autre molécule (ex
des enzymes dans le cas des groupes sanguins)
Structure primaire.
Séquence d’acides
aminés (= chaîne)
Structure secondaire.
Séquence d’acides
aminés prenant la forme
d’hélices et/ou de
feuillets
Structure tertiaire.
Repliement de la séquence
d’acides aminés dans
l’espace (liaisons fortes).
Acquisition de la
configuration spatiale
Structure quaternaire.
Association de plusieurs
séquences d’acides
aminés par des liaisons
faibles (liaisons
hydrogène)
LA STRUCTURE DES PROTEINES.
b- Le phénotype peut être défini aux différentes échelles d’organisation du vivant.
 Phénotype macroscopique décrit par observation morphologique, anatomique, physiologique ou
comportementale d’un individu ;
 Phénotype cellulaire basé sur les techniques de microscopie ;
 Phénotype moléculaire basé sur les techniques biochimiques ;
Ces différents niveaux d’expression du phénotype sont liés entre eux.
- Les molécules interviennent dans les structures et les activités cellulaires = le phénotype
moléculaire conditionne le phénotype cellulaire.
- L’organisme est constitué de cellules fonctionnant de manière intégrée = le phénotype
cellulaire à des répercutions sur le phénotype macroscopique.
Voir tableau fait en classe sur le cas de la drépanocytose
2°) Le polymorphisme des gènes à l’origine de phénotypes différents :
a- Les allèles :
Pour un gène donné (portion d’une molécule d’ADN codant pour une protéine donnée), il peut exister
différentes versions appelées allèles (voir le cours de seconde)
La différence entre deux allèles d’un même gène réside dans de légères différences dans la
séquence des nucléotides.
Deux allèles d’un même gène peuvent donc coder pour des protéines ayant des séquences d’acides
aminés différentes et donc qui peuvent avoir des propriétés différentes.
Ces protéines donneront donc des phénotypes différents appelés phénotypes alternatifs
b- Les phénotypes alternatifs :
Pour un caractère donné, il existe plusieurs phénotypes, qualifiés d’alternatifs.
Le phénotype le plus répandu dans la population est qualifié de « sauvage », ses variantes sont dites
« mutants ».
Puisque les protéines sont le support moléculaire du phénotype, les phénotypes alternatifs sont dus à
des différences dans les protéines concernées.
 Différences moléculaires qualitative : différences sur la longueur, sur la séquence des acides
aminés, sur la structure spatiale de la protéine. (drépanocytose)
 Différences moléculaires quantitatives : la protéine est fabriquée en plus ou moins grande
quantité ou n’est pas fabriquée. (phénylcétonurie)
 Différences fonctionnelles : la protéine n’a pas la même activité biologique. (enzymes)
c- Expression des allèles dans un organisme :
La plupart des organismes possèdent dans leurs cellules 2n chromosomes. On dit qu’elles sont diploïdes.
Cela veut dire que dans chaque cellule, un chromosome est présent en deux exemplaires appelés
chromosomes homologues.
Ces chromosomes homologues possèdent les mêmes gènes mais ces gènes
peuvent être représentés par des allèles différents.
- Si les deux allèles sont identiques, on dit que l’individu est homozygote
pour ce gène.
- Si les deux allèles sont différents, on dit que l’individu est hétérozygote
pour ce gène.
D’autre part, lorsque les deux allèles sont différents, ils peuvent tous les deux
s’exprimer en même temps (deux protéines sont formées) On parle alors de
codominance des allèles (c’est le cas pour les groupes sanguins)
Si un seul des deux allèles s’exprime (une seule protéine est formée), on parle
d’allèle dominant pour celui qui s’exprime et d’allèle récessif pour celui qui ne
s’exprime pas.
Remarque : si l’individu est homozygote pour deux allèles récessifs, ceux-ci pourront s’exprimer.
3°) Un phénotype peut être gouverné par plusieurs gènes.
Il est en fait très rare que la réalisation d’un phénotype ne nécessite qu’un seul gène (on parle alors de
phénotype monogénique) La phénylcétonurie en est un exemple. (Voir exercice)
La plupart des phénotypes nécessite presque toujours l’intervention de plusieurs gènes (phénotype
multigénique) exemple les groupes sanguins, la couleur de la peau …
Ainsi, un même phénotype peut
correspondre à plusieurs génotypes.
Exemple : un individu de phénotype
« groupe A » peut posséder les allèles
A et 0 ou seulement l’allèle A.
Autre exemple : l’albinisme.
Voir exercice 7 p.83
4°) L’expression du génotype peut être modifié par l’environnement :
L’intervention d’une protéine dans la réalisation du phénotype peut dépendre des conditions de
l’environnement : les effets des gènes sont alors modulés.
 Exemple 1 = la polymérisation de l’hémoglobine S (drépanocytaire) dépend de la température
ou du taux d’oxygène dans le sang (voir livre page 79)
 Exemple 2 = la quantité de mélanine produite par la peau humaine dépend de la quantité de
lumière reçue (bronzage)
 Exemple 3 = la couleur des poils de certains animaux (chats, lapins …) dépend de la température
du corps (leur tyrosinase est sensible à la t°)
Certaines molécules exercent une action inhibitrice ou activatrice sur l’expression de certains gènes.
Les produits de l’expression peuvent aussi être activés par des molécules dont l’action elle-même
dépend de l’environnement (ce sont souvent des enzymes …)
BILAN :
Comment les allèles se forment-t-ils ?
IV. Les mutations à l’origine du polymorphisme des gènes :
1°) Définition d’une mutation :
Une mutation est un processus biologique par lequel un allèle nouveau apparaît par modification d'un
allèle préexistant. C'est un phénomène :
- aléatoire (lié au hasard) ;
- rare (fréquence très faible)
2°) Localisation et nature des mutations :
Elles se font au niveau du nucléotide de l’ADN lors de la copie de la molécule (réplication).
Les mutations peuvent être de plusieurs types :
- substitution = remplacement d'un ou plusieurs nucléotides ;
- addition = insertion d'un ou plusieurs nucléotides ;
- délétion = suppression d'un ou plusieurs nucléotides.
3°) Conséquences des mutations :
- Mutation silencieuse = la traduction donne un acide aminé identique (aucun changement dans le
polypeptide)
- Mutation neutre = la traduction change l'acide aminé sans changer la fonction de la protéine
- Mutation faux sens = la traduction change l'acide aminé et provoque un changement de propriété
de la protéine.
- Mutation non-sens = la mutation donne un codon non-sens (codon stop), le polypeptide est écourté et
donc non fonctionnel.
Les mutations sont dites conservatrices dans la mesure où elles ne modifient pas les propriétés du
polypeptide.
Les mutations sont dites non conservatrices si elles entraînent un changement plus ou moins
important de la structure et donc de la fonction et des propriétés de la protéine (pouvant aller
jusqu’à la perte totale d’activité).
 Les substitutions sont souvent à l’origine de mutations silencieuses ou neutres, plus rarement elles peuvent
donner des mutations faux sens ou non sens
 Les délétions ou et les insertions d’un nucléotide ou d'un nombre de nucléotides non multiples de trois
aboutissent à un changement complet de la chaîne polypeptidique par modification du cadre de lecture. Elles
sont très souvent responsables de mutations non sens.
4°) L’origine des mutations
a- Mutations et réplication de l’ADN
À chaque réplication de l’ADN en phase S, les ADN polymérases ajoutent 6 milliards de nucléotides
en respectant la complémentarité des bases azotées.
Ce mécanisme n’est pas infaillible et des erreurs peuvent apparaitre (voir les différents cas au 2°)
L’ADN polymérase se trompe peu, on estime qu’elle se trompe une fois pour 100 000 nucléotides insérés.
b- Les agents mutagènes
Ce sont des facteurs de l’environnement qui augmentent la fréquence des mutations. On distingue :
 Les substances chimiques comme le benzène et certains colorants qui sont des molécules capables
de s’intercaler entre les nucléotides
 Les radiations électromagnétiques comme les rayons X et les UV. Les UV modifie la structure de
l’ADN en formant des dimères de thymine ce qui perturbe le fonctionnement de l’ADN
polymérase. Ils sont à l’origine des cancers de la peau.
La cellule possède des systèmes de réparation de l’ADN
5°) Les mécanismes de réparation de l’ADN :
Une mutation est rarement réversible après la mitose mais, le plus
souvent, l'erreur est réparée avant.
Les cellules possèdent des systèmes enzymatiques capables de vérifier
l’ADN et de réparer les erreurs d’appariement. Ils interviennent
pendant et après la phase de réplication de l’ADN.
Plusieurs mécanismes peuvent intervenir pour réparer l’erreur :
Généralement, l’erreur est d’abord repérée et signalée par une enzyme
qui parcourt l’ADN puis une autre enzyme coupe le segment avec
l’erreur et une ADN polymérase remplace les nucléotides manquants.
D’autres mécanismes font intervenir une copie du brin correct pour
remplacer la partie erronée (voir doc ci-contre)
Dans une cellule plusieurs douzaines d’enzymes de réparation
interviennent et corrigent 99.9% des erreurs.
Les erreurs qui persistent correspondent aux mutations.
Même si au départ la mutation porte sur un brin de l’ADN, lors de la
réplication suivante c’est une paire de nucléotides qui sera modifiée et
qui pourra se transmettre au cours des cycles cellulaires suivants.
6°) Le devenir des mutations
Une cellule qui subit une mutation et qui ne meurt pas va transmettre par mitose cette mutation à toute
une population de cellules (= clone cellulaire) porteuse de cette mutation. On obtient alors une zone
mutante dans l’organisme.
Deux cas sont possibles :
 La mutation somatique qui touche les cellules du corps autres que les cellules sexuelles. Dans ce
cas la mutation disparaitra au plus tard avec la mort de l’organisme, elle ne sera pas transmise à sa
descendance.
Mais cette mutation peut être à l’origine d’un disfonctionnement localisé entraînant
parfois un cancer.
 La mutation germinale qui touche les cellules à l’origine des gamètes (spermatozoïdes et ovules).
Il se forme alors un allèle nouveau pour le gène touché par la mutation. Ce nouvel allèle pourra
ensuite se répandre dans les générations suivantes.
Avec la formation de nouveaux allèles il y a un enrichissement du génome de l’espèce (= polyallélisme
des gènes).
Les mutations sont donc à l’origine de la biodiversité intraspécifique.
Beaucoup de mutations sont à l’origine d’allèles provoquant des maladies ou des dysfonctionnements.
Mais certaines mutations peuvent apporter une caractéristique favorable à l’individu qui la porte (on
parle d’avantage sélectif) Elles sont également à l’origine de la formation de nouvelles espèces et
contribuent donc à l’évolution.
Exemple de biodiversité intraspécifique la coccinelle asiatique (Harminia axyridis)