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Cours de Génétique

 

cours rédigé par M. Silar

 

Chapitre1: rappels

Chapitre2 : un peu d'histoire

Chapitre3 : la variation

Chapitre4 : quelques notions de Génomique

Chapitre5 : la mutagenèse

Chapitre6 : la complémentation

Chapitre7 : la recombinaison et l'établissement de cartes génétiques

Annexes : la ségrégation des gènes au cours des générations dans les différents organismes

Cours rédigé par Mme Gonzy

Chapitre 8 :les mécanismes de recombinaison

 

Chapitre9 : la réparation des dommages à l'ADN

 

Chapitre10 : les éléments mobiles

 

Chapitre 11: la réalisation du phénotype

 

Chapitre 12 : Les interactions géniques

 

 

Les Caractères, les Gènes et les génomes
Une présentation historique

 

Initialement, la génétique formelle traitait quantitativement de la manière dont les caractères sont transmis d'une génération à l'autre. Elle a été initiée par Gregor Mendel vers 1860 avec des études sur les pois. Elle a été redécouverte au début du siècle par Hugo de Vries, Carl Correns et Erich Tschermark. Elle a été ensuite étendue aux animaux par Lucien Cuénot et William Bateson. Voyons comment elle a débuté avec Mendel.

Pour ses expériences, Mendel a choisi des plantes possédant des propriétés particulières qui lui ont facilité l'analyse.

- Il fallait qu'elles arborent des caractères constants et facilement différentiables.

- Il fallait qu'il puisse contrôler les croisements et en particulier qu'il puisse éviter les contaminations de pollen venant de l'extérieur.

- Les hybrides fabriqués devaient être aussi fertiles que les parents.

 

Ceci a conduit aux définitions suivantes (en bleu) que nous utilisons encore actuellement :

Définition d'un caractère : C'est une caractéristique morphologique ou biologique pour laquelle on dispose de spécimens qui montrent une différence plus ou moins héritable, c'est à dire se transmettant d'une génération à une autre

Exemples :

- le système des groupes sanguins ABO ou rh+/rh-

- la couleur de la peau

pour ces deux caractères l'hérédité est stricte

- la taille

- le poids

- la couleur des yeux et des cheveux

- les nuances de la peau (peau blanche ou mat)

pour ces caractères l'hérédité est moins stricte ou plus complexe

Contre exemples :

- le bronzage !

- la langue parlée. Dans ce dernier cas, chaque être humain a la possibilité d'apprendre toutes les langues mais son environnement culturel influence grandement la langue qu'il parle voire celle qu'il peut apprendre.

Certains caractères montrent des variations discontinues alors que d'autres montrent des variations continues. Ces derniers sont plus difficiles à étudier et nécessitent une analyse statistique poussée. Nous n'en parlerons pas cette année à moins que nous puissions définir des classes bien différenciées et les considérer comme des caractères discontinus.

Certains caractères se transmettent à l'identique au cours des générations. On parle de caractères simples (groupes sanguins par exemple). D'autres ne se conservent pas aussi simplement: il s'agit des caractères complexes (la forme ou la couleur des yeux). En général, ceux-ci peuvent se décomposer en caractères simples. Pratiquement, on étudie d'abord les caractères simples et on complexifie par la suite: la génétique est donc une science réductrice.

Définition du phénotype : c'est l'ensemble des caractères d'un individu. Le plus souvent on ne décrit que les phénotypes intéressants pour l'étude que l'on veut mener !

Définition d'une lignée pure : une lignée pure est une lignée pour laquelle les caractères se retrouvent inchangés d'une génération à l'autre. Pratiquement, cela n'est souvent réalisable que sur des organismes modèles et souvent uniquement sur certains caractères

Exemples:

On dispose de lignée de Drosophile avec des yeux de différentes couleurs. Le type le plus répandu dans la nature a des yeux rouge brique, Dans les laboratoires des lignées pures de mouches ayant des phénotypes différents, avec des yeux blancs, oranges, marrons ou rouge vif sont fréquemment utilisées.

 

Mendel pour ses expériences a choisi des pois du genre Pisum dont nous savons maintenant qu'ils ont un cycle diplobiontique. Les autofécondations sont possibles et très facilement réalisées, les fécondations "parasites" sont très rares. Mendel disposait pour ces pois de lignées pures ayant différents caractères qui se conservaient à l'identique au cours des générations. Les caractères qu'il a choisis d'analyser étaient:

- pois rond / pois ridé
- pois jaune / pois vert
- couleur blanche de la paroi du pois / couleur grise
- gousse enflée / gousse flétrie
- gousse verte / gousse jaune
- fleurs axiales / fleurs terminales sur la branche
- plante basse / plante haute

 

Attachons-nous avec Mendel à un de ces caractères, la couleur du pois. Il a en effet observé les mêmes résultats pour les 6 caractères. Il a effectué 3 générations de croisements impliquant ce caractère.

- Lorsqu'il croise des plantes donnant des pois verts avec d'autres donnant des pois jaunes, 100% de la descendance (qu'il appelle génération F1) donne des pois jaunes. Il ne constate pas de forme intermédiaire. Il définit alors le terme de caractère dominant (celui qui domine dans la génération F1: ici pois jaune) et de caractère récessif (celui qui disparaît dans la F1: ici pois vert). D'un point de vue des notations, les caractères dominants sont écrits le plus souvent en majuscules romaines et les caractères récessifs en minuscules romaines.

 

Nous savons depuis que dans certains croisements:

* le phénotype de la F1 peut être intermédiaire entre celui des deux parents. Par exemple chez certains pétunias: pétunia blanc x pétunia rouge à F1 de pétunias roses. On dit que le caractère est semi-dominant.

* le phénotype de la F1 peut être l'expression simultanée de celui des deux parents. Par exemple chez l'homme, un homme de groupe sanguin AA x femme de sanguin groupe BB à enfants de groupe sanguin AB. On dit que le caractère est co-dominant.

 

- Lorsqu'il croise les descendant F1 par autofécondation: F1x F1 (pour obtenir la génération qu'il appelle F2), il obtient 75% de pois jaunes et 25 % de pois verts.

- Lorsqu'il croise cette F2 par autofécondation: F2 x F2 (pour obtenir la génération qu'il appelle F3), il constate que les individus "pois verts" donnent naissance uniquement à des individus "pois verts". Par contre 1/3 des individus pois jaunes donnent naissance uniquement à des individus pois jaunes alors que 2/3 des individus se comportent comme ceux de la génération F1 (c.a.d., donnant 25% d'individus "pois verts" et 75% d'individus "pois jaunes").

L'interprétation qu'il donne est la suivante: le pois possède 2 copies de l'information (diploïde!!) et reçoit une copie de chacun de ses parents. Ceci peut se formaliser de la manière suivante :

Image10

 

Il semble donc exister une information spécifique pour la couleur du pois qui diffère entre les souches. Cette information est présente en deux copies dans les pois et pour obtenir les proportions ci-dessus, il faut que chacune des copies soit transmise avec la même probabilité: c'est la première loi de Mendel.

 

Mendel a ensuite regardé les caractères deux à deux et noté qu'ils sont transmis indépendamment. C'est la deuxième loi de Mendel. Cette loi n'est vraie que dans certains cas. Nous reviendrons ultérieurement plus en détail sur les ségrégations lorsque plusieurs caractères sont en jeu.

Cette unité d'information qui diffère entre les deux souches, c'est ce que l'on appelle maintenant un gène (terme inventé par Johanssen). Le gène se trouve sous plusieurs formes: ce que l'on appelle les allèles ou formes alléliques. Dans notre exemple, le gène contrôle la couleur du pois et il a deux formes alléliques : "pois verts" ou "pois jaune". Notez que dans de nombreux cas, le gène possède plus de 2 allèles, comme par exemple le système ABO avec 3 allèles.

- On étend naturellement aux allèles les notions de dominance et récessivité. Ceux-ci sont écrits en général en italique (majuscule pour les allèles dominants et minuscules pour les allèles récessifs).

Pour chaque souche il est possible de donner son contenu en formes alléliques, c'est ce que l'on appelle le génotype. Ici le génotype des parents est soit v/v soit J/J, celui de la F1 est v/J etc.

Comme pour le phénotype, on ne donne en général qu'un génotype partiel correspondant à ce que l'on veut étudier. On étend aux allèles les notions de dominance et récessivité.

L'ensemble de tous les gènes d'un organisme est ce que l'on appelle son génome.

Maintenant que nous disposons d'un vocabulaire, nous allons répondre à quelques questions.

 

deux questions sur les relations entre le génotype et le phénotype:

 

1°) est-ce qu'un même phénotype observé pour deux individus indépendants est forcément causé par un même génotype ?

La réponse est NON !

exemple: au phénotype "pois jaune" correspondent deux génotypes v/J et J/J . Nous verrons par la suite que des allèles de gènes différents peuvent aussi être responsables de phénotypes identiques.

 

2°) est-ce qu'un même génotype assure toujours un même phénotype ?

La réponse est NON !

Le phénotype résulte de l'interaction entre le génotype et l'environnement. Pour certains caractères, la part prise par l'environnement est négligeable alors que pour d'autre elle peut être prépondérante:

exemple:

- dans le système des groupes sanguins ABO ou rh+/rh-, la part de l'environnement est inexistante.

- le nombre des facettes des yeux de la drosophile fluctue en fonction de la température.

Image11

 

Dans cet exemple, on constate un effet non négligeable de l'environnement (la température de croissance). Il est alors possible de définir la norme de réaction qui est l'ensemble des valeurs que peut prendre le phénotype en fonction des conditions de milieu. Ici de 800 à 1000 facettes pour la souche A et de 200 à 300 pour la souche B. On voit ici que quel que soit l'environnement, les deux souches sont clairement différentes. Pour de nombreux caractères ce n'est pas le cas et il faut des conditions spéciales pour faire la différence. En particulier, il existe des allèles qui ne s'expriment que dans certaines conditions. On parle alors d'allèles conditionnels.

exemple: certains allèles entraînent une létalité dans certaines conditions alors qu'ils n'ont pas d'effet dans d'autres conditions. Ce genre d'allèles est très important car il permet d'étudier des processus vitaux pour la cellule ou l'organisme. La température est la condition qui a souvent le plus d'importance. On définit classiquement 2 types d'allèles :

- Si les allèles sont létaux à haute température on dit qu'ils sont thermosensibles.
-
Si les allèles sont létaux à basse température on dit qu'ils sont cryosensibles.

 

Pour certains allèles, on constate que différents individus ayant les mêmes allèles peuvent exprimer une gamme de phénotype. Cela peut être dû par exemple à des facteurs environnementaux qui étaient présents pendant le développement de l'organisme ou à la présence d'autres allèles dans le génome et qui interfèrent avec l'allèle étudié pour en varier les effets. On définit alors l'expressivité d'un génotype pour chaque individu qui est le degré d'expression de son génotype. Si l'expressivité est forte cela veut dire que le phénotype est bien exprimé. Cette définition n'a d'intérêt que si l'expressivité est variable !

exemple:

- on connaît chez l'homme des allèles qui entraîne une prédisposition à certains cancers. Certains individus porteurs de ces allèles développeront rapidement plusieurs cancers (expressivité forte) alors que d'autres individus ne développeront un cancer que tardivement (expressivité faible).

- la couleur du pelage chez le beagle :

Image13

 

Il est aussi possible de définir la pénétrance qui est le % d'individus présentant le phénotype pour un génotype donné dans des conditions données.

exemple: il existe un allèle dominant provoquant la déformation de la main qui ressemble alors à une pince (ectrodactylie) qui a une pénétrance de 70%. Ceci veut dire que certaines générations ne présentent pas le défaut mais possède l'allèle, ce qui complique le conseil génétique.

Pour conclure, il faut impérativement comprendre que l'expression des gènes est soumise à de nombreuses fluctuations aboutissant à des caractères plus ou moins variables. Voici un schéma qui résume les différences entre expressivité et pénétrance :

Image14

 

Nous avons parlé génotype (gène) et phénotype (caractère). Quelle est la relation entre les deux ?

 

Nous avons vu que Weismann a proposé la première théorie chromosomique de l'hérédité. Celle-ci a été énoncée plus précisément par Th. Boveri et W. Sutton en 1903. Ils ont en effet remarqué la très forte ressemblance entre la transmission des chromosomes et celle des gènes. Thomas Morgan et son école (Muller, Sturtevant, Bridges) ainsi que Creighton et Barbara Mc Clintock ont définitivement établi cette théorie par une série d'études sur la drosophile et le maïs.

 

L'étape suivante a été la démonstration qu'un gène code pour un enzyme par G. W. Beadle et E. L. Tatum en 1941. Voici comment ils ont procédé.

Des études précédentes avaient suggéré que "les gènes et la spécificité enzymatique étaient du même ordre". Pour établir qu'un gène code pour une enzyme comme nous le formulons maintenant, ils ont étudié le champignon Neurospora. Leur hypothèse de travail était que si les gènes codent pour des enzymes alors il devrait être possible d'obtenir des souches déficientes dans des gènes qui contrôlent des réactions enzymatiques spécifiques. Ils ont obtenu de telles souches. Celles-ci poussent sur du milieu qu'ils ont appelé complet (c.a.d. qui contient les métabolites finaux qui sont nécessaires pour que le champignon croisse, comme les acides aminés, vitamines, bases etc.) mais ne poussent pas sur du milieu dit minimum (qui ne contient pas les métabolites). La supplémentation du milieu minimum par une substance précise qui restaure la croissance permet de savoir quel enzyme est déficient. Maintenant de telles souches sont dites auxotrophes (versus prototrophe pour la souche qui pousse sur milieu minimum).

Au cours de leurs études, ils ont par exemple obtenu trois souches qui ne pouvaient pas pousser sur du milieu dépourvu d'arginine.:

 

souches

phénotype

gène muté

A

pousse sur milieu minimum +arginine

1

B

pousse sur milieu minimum +arginine ou +citruline

2

C

pousse sur milieu minimum+ arginine ou + citruline ou + ornithine

3

 

Or dans la cellule, des analyses biochimiques ont permis d'élucider la chaîne de biosynthèse de l'arginine qui est:

Image16

Ici pour expliquer les résultats, il suffit de supposer que :

le gène 1 contrôle l'étape 3
le gène 2 contrôle l'étape 2
le gène 3 contrôle l'étape 1

Maintenant nous savons que ce principe un gène/ un enzyme est très général.

Mais attention, la situation est souvent plus complexe. Un gène peut coder pour une protéine possédant plusieurs activités enzymatiques ou à l'inverse coder pour une seule sous-unité d'un enzyme en comprenant plusieurs. Il peut coder pour une protéine de structure, de régulation ou pour un ARN (tRNA, rRNA, snRNA etc.). D'autres gènes sont des éléments nécessaires au fonctionnement des réplicons : origines de réplication ou centromères par exemple. Enfin, des données récentes, sur lesquels nous reviendrons dans la section sur l'épigénétisme

, indiquent que certains "gènes" n'ont pas les caractéristiques usuelles.

Notez que les biologistes moléculaires ont réduit la définition du gène à un segment d'ADN codant pour un produit (pour un biologiste moléculaire, une origine de réplication n'est pas un gène). Cette définition est beaucoup trop restrictive pour les généticiens car il est possible de détecter des caractères qui ne sont pas directement reliés à un segment d'ADN (en fait, on en découvre actuellement de plus en plus !!)

Quelles est la nature chimique de l'information génétique ?

Après la jonction effectuée entre phénotype et génotype se pose la question de la nature chimique de l'information génétique. Deux étapes essentielles ont mené à la découverte de l'ADN en tant que support principal de l'information génétique. Néanmoins, d'autres arguments ont été apportés par différents chercheurs afin de convaincre la communauté scientifique.

1°) Frederick Griffith en 1928

Il possède deux types de souches de Streptococcus pneumoniae:

* des souches virulentes létales pour les souris qu'il appelle "S" car elle ont un aspect lisse lorsqu'elles forment des colonies sur boite de Pétri (s = smooth).

* des souches non virulentes "R" donnant des colonies rugueuses sur boite de Pétri (r = rough).

La différence de morphologie est due à la présence de polysaccharides protecteurs autour de la cellule chez les souches S. Ces polysaccharides ont différentes compositions qui spécifient le type des pneumocoques (I, II, III etc.). Ils sont facilement visualisables par l'utilisation d'anticorps spécifiques.

Lorsqu Griffith chauffe les cellules S de type III et qu'il les injecte à des souris, celles ci ne meurent pas, le chauffage ayant tué les pneumocoques (on peut le vérifier après étalement sur milieu gélosé). De même, l'injection de cellules R de type II vivantes ne provoque pas la mort des souris. Par contre s'il injecte des cellules S III chauffées avec des cellules R II, il constate la mort rapide des souris. Il extrait les bactéries des cadavres et les étales sur boîte de Pétri: les bactéries qui poussent ont un aspect lisse, elles sont S III :

bb

Quelque chose qui porte l'information "S III" dans les cellules S tuées se transmet aux cellules R vivantes et les transforme en S ! Il a donc découvert le principe de la transformation. Celle-ci consiste en l'introduction à l'intérieur de la cellule d'une information exogène provenant d'une autre cellule. On exclut évidemment dans cette définition, l'introduction d'information virale (pour laquelle on utilise plutôt le terme de transfection). Quelques années plus tard un système de transformation in vitro et bien contrôlé a été mis au point, ce qui a grandement simplifié les procédures de transformation.

2°) Avery, Mc Leod et Mc Carthy en 1943

Partant des expériences de Griffith et en utilisant le système in vitro, ces chercheurs purifient par des techniques de biochimie le principe transformant. Leurs résultats montrent clairement et de manière surprenante pour l'époque que l'ADN est le principe transformant. Les gènes sont donc faits d'ADN. Il faut en particulier noter que le polysaccharide constituant la capside protectrice des cellules S n'est pas capable de transformer les cellules R en S.

Maintenant, nous savons transformer pratiquement tous les types de cellules, des procaryotes ou eucaryotes. Pour les organismes bien étudiés, il existe même plusieurs méthodes. Par exemple, pour transformer Escherichia coli, il existe au moins une dizaine de protocoles efficaces ! Pour en savoir plus voyez le chapitre 3.

Les études qui suivent ensuite sont plus axées sur de la biochimie et je vous renvoie aux cours de Philippe Régnier et de Genviève Gonzy-Tréboul pour parfaire vos connaissances sur la structure, la réplication et la réparation de l'ADN. D'un point de vue génétique, il faut mentionner que la découverte de la structure de l'ADN par Watson et Crick en 1953 a permis de proposer des mécanismes pour expliquer comment l'information génétique est codée dans l'ADN et comment elle est transmise au cours des générations.

Quelles sont les quantités d'information nécessaires pour fabriquer les différents organismes ?

Récemment, une grande publicité a été donnée à l'ADN en tant que seul support de l'information génétique. En effet, on parle du gène de l'alcoolisme, de l'homosexualité, de la schizophrénie etc. Nous avons déjà vu plus haut que la relation gène/phénotype n'est pas absolue et que le milieu (soit au cours du développement, soit plus tard) peut influer fortement sur l'expression des différents allèles. De même, nous savons que certaines structures cellulaires ne peuvent se former qu'à partir de structures preéxistantes (c'est le cas par exemple des mitochondries) et nous verrons avec l'épigénétisme d'autres exemples où l'information génétique n'est pas directement codée par les acides nucléiques. Pour l'instant, la proportion réciproque de l'information contenue dans l'ADN et celle qui doit se transmettre par continuité cellulaire n'est pas connue. Les deux informations sont essentielles: une cellule ne peut survivre très longtemps sans son ADN, mais la présence de l'ADN et des constituants cellulaires sous une forme désorganisée ne produit pas spontanément une cellule !

 Il est donc pour l'instant très difficile de répondre à la question de la quantité d'information nécessaire à l'élaboration d'une cellule (nous devrions d'ailleurs plutôt parler de la quantité d'information nécessaire à son intégrité).

Cependant, la connaissance du génome complet d'un organisme peut permettre d'évaluer le nombre de gène (et donc grosso modo de protéines) nécessaire à sa propagation. Pour l'instant, le génome contenant le plus petit nombre de gène est celui de Mycosplasma genitalium, une bactérie parasite intracellulaire appartenant au groupe des Mollicutes. Il contient environ 520 gènes dont 480 codent pour des protéines. En comparant ce génome avec ceux d'autres bactéries, il est possible de définir le lot minimum de gènes présent dans toutes ces bactéries (l'analyse a été faite initialement avec le génome de Haemophilus influenza). Ce lot de gènes doit en théorie être le lot de gène minimum qui permet d'assurer la vie d'une cellule procaryote (il va manquer les gènes responsables des fonctions assurées par des protéines différentes entre organismes, on connaît de tels exemple pour la charge des tRNA par exemple). Cette comparaison aboutit pour l'instant à environ 250 gènes.

Des analyses fonctionnelles du génome de Bacillus subtilis aboutissent au même ordre de grandeur (un peu moins de 300 gènes).

                    Nous reviendrons au chapitre4 sur quelques notions de génomique qui est la partie de la génétique qui traite de l'organisation des génomes et du fonctionnement cellulaire global.

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