Christophe D`Hulst (format )

Quelques définitions et notions
génétiques pour commencer
• Le GÈNE, unité de fonction du matériel héréditaire, est l'information qui code pour un
caractère, en général une protéine. La notion de gène existait longtemps avant la découverte
de l'ADN, c'est à dire longtemps avant qu'on en connaisse le support moléculaire et physique
(Mendel, 1865 / Watson et Crick, 1953)
• Le LOCUS est l’emplacement du gène sur le chromosome
• Les ALLÈLES sont les différentes séquences du même gène que l'on peut trouver à cet
endroit, qui correspondent à différentes protéines déterminant un même caractère. Ils sont
souvent créés par mutation ou ils correspondent à des formes différentes du même gène
(notion de série pluriallélique)
• Le GÉNOTYPE d’un individu à 1 locus donné est l'ensemble des allèles que possède cet
individu à ce locus, soit 2 allèles pour les individus diploïdes, et 1 allèle pour les haploïdes
–
–
un génotype homozygote possède des allèles semblables au locus considéré
un génotype hétérozygote possède des allèles différents au locus considéré
• Le PHÉNOTYPE d’un individu est l’expression de son génotype dans un environnement
donné ce qui produit le caractère observable chez cet individu
• La DOMINANCE l’effet phénotypique d’un allèle (récessif) est masqué par un autre allèle
(dominant), et le phénotype de l’hétérozygote est alors celui de l’homozygote dominant
• La CODOMINANCE le phénotype de l’hétérozygote est intermédiaire entre les
phénotypes des deux homozygotes, et on a 1 génotype = 1 phénotype
Le support de l’hérédité
Support de l’information génétique = ADN = Acide DésoxyriboNucléique
• L’ADN est contenu dans les chromosomes sous la forme
de long filaments très fins et très compactés
• Les chromosomes sont situés dans le noyau des cellules
vivantes
• ADN humain = 3 x 109 nucléotides (A, T, C ou G)
• ADN des virus = qq milliers de nucléotides
• ADN du blé = 16 x 109 nucléotides
• ADN de la Pomme de Terre = 840 x 106 nucléotides
• ADN du riz = 450 x 106 nucléotides
• ADN d’Arabidopsis thaliana = 125 x 106 nucléotides
• ADN de la levure de boulangerie (Saccharomyces
cerevisiae) = 12 x 106 nucléotides
• ADN de l’agent de la malaria (Plasmodium falciparum) =
12 x 106 nucléotides
• ADN d’une entérobactérie (E. coli) = 4 x 106 nucléotides
Le support de l’hérédité
• Le fonctionnement des gènes
Transcription
Traduction
Son activité est
particulièrement
responsable du
phénotype
observé
Le support de l’hérédité
• Le code génétique est UNIVERSEL
Les mutations: moteurs de
l’évolution
• Exemples de mutations: les mutations géniques
Les mutations: moteurs
de l’évolution
• Exemples de mutations: les mutations chromosomiques
Comment sont transmis les
gènes à la descendance ?
• Diploïde = 2n : 1 n du père et 1 n de la mère
Voir la présentation de Herman Höfte pour le détail
Schéma du réseau d’interactions
responsable du phénotype observé
D’autres notions génétiques…
• Létalité : notion qui est rattachée à l’existence d’un type particulier
d’allèles qualifiés de « létaux » qui se manifestent par la mort de
l’individu porteur avant sa maturité (en période pré- ou post-natale)
– Si allèle dominant : mort rapide de l’individu hétérozygote et disparition de
l’allèle létal de la population (pas d’individus porteurs)
– Si allèle récessif : mort rapide des individus homozygotes mais maintien des
individus hétérozygotes « porteurs » (peuvent présenter des altérations par
rapport au « sauvage »)
• Redondance : c’est la capacité pour un gène ou le produit d’un gène
de compenser au moins partiellement la perte de l’activité d’un autre
gène non allélique (voir exemple de jeudi matin à propos du
métabolisme de l’amidon)
• Pléiotropie : résultat de la mutation d’un gène chez un individu qui
conduit à l’apparition de plusieurs modifications phénotypiques
apparemment non liées entre elles.
– exemple de la biosynthèse de l’amidon: pois lisses et ridés de Mendel!
D’autres notions génétiques…
•
Epistasie dominante
Epistasie : c’est un phénomène
d’interaction génique qui s’établit
gX+
chaque fois que 2 gènes ou plus
codent des enzymes qui catalysent
P
eX
différentes étapes de la même
(précurseur)
voie de biosynthèse
gA+
eA
P1
eB
gA+ domine sur gA- et gB+ domine sur gBEpistasie récessive
P3
gB+
gA+
gX+
P2
gB+
gène
enzyme (en) produit des
gènes correspondants
P (précurseur)
eX
Génotypes
Proportions classiques
gA+
gA-
+
-
/gB gB x
gA+
gA-/gB+
-
P1
P3 (produit final)
eB
gA+ - /gB+ -
gA+- /gB- gB-
gA-gA- / gB+ -
gA-gA- /gB- gB-
9
3
3
1
3 (P3)
1 (P1)
gB
Epistasie dominante
Epistasie récessive
P2
eA
12 (P2)
9 (P3)
3 (P2)
4 (P1)
) Exemple d’épistasie récessive du métabolisme de l’amidon: mutation au niveau de l’ADPGlucose
pyrophosphorylase qui synthétise le nucléotide sucre précurseur de la synthèse du polymère de réserve.
Notion de gènes
orthologues et paralogues
Divergence au cours de l’évolution
pour donner des gènes orthologues
• Séquences homologues:
Orthologues et Paralogues sont
2 types de séquences
homologues
• L’ Orthologie définit des gènes
dans différentes espèces qui
drivent d’un ancêtre commun.
• Des gènes orthologues peuvent
ou non avoir la même fonction
• La Paralogie définit des gènes
homologues à l’intérieur d’une
même espèce. Ces gènes ont
divergés suite à un phénomène
de duplication.
2 gènes paralogues « initiaux » issus d’un
événement de duplication ancestral
Génétique classique et
Génétique inverse : quelle
différence?
• Génétique classique : c’est l’observation et la description
d’un phénotype particulier engendré par une mutation qui
va servir de base à l’identification fonctionnelle d’un gène
et de son produit (le plus souvent une protéine)
= Démarche à l’aveugle mais ouverte
• Génétique inverse : c’est l’analyse de l’impact sur le
phénotype consécutive à la modification dirigée d’un gène
sélectionné (génotype)
= Démarche sélective et prédéfinie
Génétique classique ou inverse ?
analyse comparative
• Génétique « classique »
• Génétique « inverse »
Le « plus » :
Le « plus » :
1. Facile à mettre en œuvre (faire de la
mutagenèse)
1. Limite les problèmes de détection
phénotypique liés particulièrement aux
redondances fonctionnelles
2. Permet de découvrir des fonctions
inconnues (approche « a priori »)
2. On s’intéresse tout de suite à la fonction
souhaitée
Le « moins » :
Le « moins » :
1. Requiert le criblage de milliers de clones
mutants (pas toujours facile selon
l’organisme étudié)
1. Requiert l’existence de collections de
mutants
2. Nécessite l’existence d’un crible
phénotypique simple, rapide et efficace
3. Limitée par la redondance fonctionnelle
ou l’absence de phénotype facilement
observable
2. Le génome de l’organisme étudié doit être
décodé
3. Ne permet pas de découvrir des fonctions
inconnues dans le métabolisme étudié
(approche « a posteriori »)
4. Nécessite une connaissance préalable du
métabolisme étudié
Comment mettre en œuvre la génétique
inverse à grande échelle chez les plantes?
• L’exemple d’Arabidopsis thaliana
– On a détourné la fonction normale d’une séquence
particulière, l’ADN-T, provenant de la bactérie
phytopathogène Agrobacterium tumefaciens
Un exemple: la collection de mutants
d’insertion de l’INRA de Versailles
* Insertion aléatoire de l’ADN-T modifié d’A. tumefaciens
* Séquençage des extrémités flanquant le site d’insertion de l’ADN-T (FST)
* Mise à disposition des FSTs sur Internet
Permet la recherche de mutants d’intérêt in silico
• Environ 40.000 FST disponibles dans la collection de Versailles
• A travers toutes les collections de mutants du Monde: 350 000 mutants étiquetés
dispo avec les FST correspondantes (environ 26 000 gènes chez A. thaliana)
Transformation d’A.thaliana par
l’ADN-T modifié d’A. tumefaciens
Plante T0 (WS)
Transformation
(suspension Agrobacterium +
Silwet)
Graines T1
Certaines graines possèdent
une copie de l’ADN-T
intégrée dans leur génome
nucléaire
Sélection sur terreau + BASTA
Seules les graines bastaR sont en
capacité de croître sur un tel milieu
Auto-pollinisation
Plantes T1
Hémizygotes pour l’ADN-T
Graines T2
¼ WT
½ Hétérozygotes
Ce sont ces graines qui sont
maintenues dans les collections
et dont certaines sont
transmises aux chercheurs qui
en font la demande
¼ Mutants
Sélection des lignées mutantes par une
stratégie de double PCR
Homozygote WT
+/+
Hétérozygote
+/-
Homozygote mutant
-/ADN-T
ADN-T
ADN-T
Pas de bande
Couple
« rouge »
Couple
« bleu »
Copie « WT »
Pas de bande
Couple
« rouge »
Couple
« bleu »
Couple
« rouge »
Couple
« bleu »
Copie « ADN-T »
Pour résumer sur
Arabidopsis thaliana
•
Génome nucléaire totalement décodé et
annoté (125 Mb organisés en 5 chromosomes;
environ 26 000 gènes)
•
Vastes collections de mutants étiquetés par
insertion d’un dérivé de l’ADN-T
•
Large collection d’ESTs (418 202 au 01/03/2005)
•
Croissance rapide, croisements facilement
réalisables, infrastructures légères (pièces de
culture confinées et/ou serres)
•
Modèle végétal particulièrement adapté à l’approche
de génétique inverse
D’autres modèles végétaux ?
• Le riz : même type d’approche que pour Arabidopsis
thaliana. Génome totalement décodé, vastes collections
de mutants d’insertion engendrées par l’utilisation d’une
forme modifiée de l’ADN-T
• Le maïs : mutagenèse insertionnelle par le transposon
« mu » modifié (RescueMu). Génome non séquencé.
Production d’une Gene-Machine (machine à gènes) pour
permettre la sélection d’individus mutants à partir d’un
gène d’intérêt (existence de collections de graines
mutantes
• La pomme de terre : stratégie des ARN antisens…
Intéressante mais a ses limites (problème lié à
l’extinction incomplète de l’activité des gènes)