La diversification des génomes

Résumé en cinq points

Notions et mécanismes

L'origine des mutations

Une mutation est une modification de la séquence nucléotidique de l'ADN transmissible aux cellules filles. Le programme retient deux origines.

La première est une erreur de réplication non réparée. L'ADN polymérase incorpore parfois un nucléotide non complémentaire. Son activité de relecture corrige la grande majorité de ces erreurs, mais pas toutes. Les erreurs résiduelles deviennent définitives au cycle de réplication suivant, puisque le mésappariement est alors lu comme une séquence normale. Les taux de mutation spontanée sont très faibles, de l'ordre de une erreur pour cent millions à un milliard de paires de bases répliquées, mais la taille des génomes et le nombre de divisions rendent l'événement inévitable à l'échelle d'une population.

La seconde est une lésion de l'ADN non réparée. L'ADN subit en permanence des altérations chimiques. Le programme demande un seul exemple. On peut retenir la formation de dimères de thymine, deux bases pyrimidiques voisines du même brin qui s'unissent par une liaison covalente sous l'effet du rayonnement ultraviolet. Cette soudure déforme la double hélice et bloque la progression des polymérases. Si la lésion n'est pas réparée, le passage de la machinerie de réplication laisse une séquence modifiée. Les mécanismes de réparation sont hors programme.

Un agent mutagène est un facteur qui augmente la fréquence des lésions, donc des mutations. Les rayonnements ultraviolets et ionisants ainsi que de nombreuses molécules chimiques en font partie. Un agent mutagène augmente une probabilité, il ne dicte pas quelle mutation apparaîtra ni où.

Une distinction est essentielle pour la suite. Une mutation survenue dans une cellule somatique n'affecte que le clone issu de cette cellule et disparaît avec l'individu. Une mutation survenue dans la lignée germinale peut être transmise à la descendance et alimenter la diversité de l'espèce.

Les mutations géniques et leurs conséquences phénotypiques

Les mutations géniques touchent une portion courte de la séquence. Une substitution remplace un nucléotide par un autre. Une insertion ajoute un ou plusieurs nucléotides. Une délétion en retire.

Leurs conséquences se raisonnent en remontant la chaîne de l'expression génétique. Dans une séquence codante, une substitution peut être silencieuse si le nouveau codon code le même acide aminé, en raison de la redondance du code génétique. Elle est faux-sens si elle change l'acide aminé, avec un effet variable selon la position et la nature du changement. Elle est non-sens si elle crée un codon stop prématuré, ce qui produit une protéine tronquée et le plus souvent non fonctionnelle. Une insertion ou une délétion d'un nombre de nucléotides non multiple de trois décale le cadre de lecture à partir du point de mutation, ce qui modifie toute la suite de la séquence d'acides aminés.

Une mutation peut aussi toucher une séquence non codante et régulatrice, promoteur ou séquence de fixation d'un facteur de transcription. Le produit du gène est alors inchangé, mais sa quantité, son moment ou son lieu de synthèse sont modifiés. Ce type de mutation a des effets considérables sur le développement.

Le raisonnement attendu va toujours du nucléotide au phénotype en passant par l'ARN messager, la séquence de la protéine, sa conformation, son activité, puis le caractère observé.

Les mutations chromosomiques

D'autres mutations modifient la structure des chromosomes. Une délétion supprime un segment chromosomique. Une duplication le répète. Une inversion retourne un segment après double cassure. Une translocation déplace un segment sur un chromosome non homologue.

D'autres encore affectent le nombre de chromosomes. La polyploïdie est la présence de plus de deux lots complets de chromosomes, par exemple triploïdie ou tétraploïdie. Elle résulte le plus souvent d'un défaut de séparation de l'ensemble des chromosomes lors d'une division. L'aneuploïdie est la présence d'un ou de quelques chromosomes en excès ou en défaut par rapport au lot normal, comme une trisomie ou une monosomie. Elle résulte d'une non-disjonction, c'est-à-dire de l'absence de séparation d'une paire d'homologues en anaphase de première division de méiose, ou de deux chromatides soeurs en anaphase de seconde division. Les gamètes produits sont alors déséquilibrés, et la fécondation par un gamète normal donne un zygote aneuploïde.

Ces anomalies se lisent sur un caryotype, classement ordonné des chromosomes d'une cellule par taille et par position du centromère. On y repère le nombre total de chromosomes, la présence de trois exemplaires d'une paire, l'absence d'un exemplaire, ou une modification de la longueur d'un bras.

Une source de nouveaux gènes et de nouveaux allèles

Les mutations géniques créent de nouveaux allèles, c'est-à-dire de nouvelles versions d'un même gène occupant le même locus. C'est la seule origine possible des allèles.

Les mutations chromosomiques créent quant à elles de nouveaux gènes. Une duplication fournit deux copies d'un gène au lieu d'une. L'une des copies continue d'assurer la fonction initiale, l'autre peut accumuler des mutations sans que l'organisme en souffre. Elle peut alors acquérir une fonction nouvelle, ou être inactivée et devenir non fonctionnelle. Les répétitions de ce processus expliquent l'existence de familles multigéniques, ensembles de gènes de séquences voisines issus d'un gène ancestral commun et assurant des fonctions apparentées.

La polyploïdie duplique le génome entier. Elle est fréquente chez les végétaux et y joue un rôle majeur dans la formation d'espèces nouvelles, car un individu polyploïde est souvent immédiatement isolé de ses parents sur le plan reproductif.

Le brassage génétique par la méiose

Chez les Eucaryotes, la méiose brasse les allèles au cours de la formation des cellules haploïdes. Le programme demande de relier les événements cytogénétiques à leurs conséquences alléliques, sans exiger la nomenclature des étapes de la prophase de première division ni les mécanismes moléculaires de la recombinaison.

Le brassage intrachromosomique a lieu lors de l'appariement des chromosomes homologues en première division. Des échanges réciproques de segments, les crossing-over, se produisent entre chromatides de chromosomes homologues. Une chromatide issue de l'échange porte alors une combinaison d'allèles qui ne se trouvait sur aucun des deux chromosomes parentaux. Ce brassage concerne les gènes portés par un même chromosome.

Le brassage interchromosomique a lieu à l'anaphase de première division. Chaque paire d'homologues se sépare indépendamment des autres paires, et l'orientation de chaque paire sur le fuseau est aléatoire. Pour n paires de chromosomes, cela donne 2 puissance n combinaisons chromosomiques possibles dans les cellules filles. Chez l'espèce humaine, avec 23 paires, cela représente plus de huit millions de combinaisons, sans compter les crossing-over.

La seconde division sépare les chromatides soeurs. Comme les crossing-over les ont rendues différentes, cette division distribue des combinaisons alléliques distinctes. Au total, une méiose produit quatre cellules haploïdes qui diffèrent presque toujours entre elles.

Le brassage par la fécondation

La fécondation unit deux génomes haploïdes et restaure la diploïdie. Comme la rencontre entre un gamète mâle et un gamète femelle est aléatoire, et comme chaque gamète porte une combinaison unique, le nombre de zygotes génétiquement différents possibles est le produit des nombres de gamètes différents de chaque parent. Chez l'espèce humaine, cela dépasse largement le millier de milliards de combinaisons, avant même de compter le brassage intrachromosomique.

La fécondation ne crée aucun allèle nouveau. Elle crée des associations nouvelles, notamment des combinaisons d'allèles issues des deux parents sur la même paire de chromosomes.

Autogamie et allogamie

L'autogamie est l'union de deux gamètes produits par le même individu. L'allogamie est l'union de gamètes issus de deux individus différents.

Les conséquences génétiques diffèrent nettement. En autogamie stricte, la proportion d'individus hétérozygotes pour un gène donné est divisée par deux à chaque génération, puisque les hétérozygotes donnent un quart d'homozygotes d'un type, un quart de l'autre type et une moitié d'hétérozygotes. La population se scinde rapidement en lignées homozygotes appelées lignées pures. La diversité des combinaisons alléliques à l'intérieur d'une descendance diminue donc fortement, tandis que des différences peuvent se maintenir entre lignées séparées. L'allogamie, au contraire, associe des génomes d'origines différentes, maintient une proportion élevée d'hétérozygotes et produit beaucoup plus de combinaisons alléliques nouvelles.

Des mécanismes favorisent l'allogamie. Le programme demande deux exemples. Premier exemple, la séparation des sexes dans l'espace, avec des individus qui ne portent que des fleurs mâles ou que des fleurs femelles, ce qui rend l'autofécondation impossible. Second exemple, l'auto-incompatibilité gamétophytique. Un locus d'incompatibilité existe en de nombreux allèles dans la population. Le comportement du grain de pollen dépend de l'unique allèle que porte son génome haploïde. Si cet allèle est identique à l'un des deux allèles portés par le pistil, la croissance du tube pollinique est bloquée et la fécondation n'a pas lieu. Un grain de pollen issu du même individu porte forcément un allèle présent chez lui, donc l'autofécondation est systématiquement empêchée. Les mécanismes moléculaires ne sont pas au programme.

Hybridations interspécifiques et transferts horizontaux

Les hybridations interspécifiques constituent une autre source de diversification. Elles réunissent dans un même noyau des génomes issus de deux espèces. L'hybride est souvent stérile, car ses chromosomes ne trouvent pas d'homologue lors de l'appariement de la méiose. Un doublement ultérieur du stock chromosomique restaure des paires d'homologues et rend l'hybride fertile. Cette combinaison d'hybridation et de polyploïdisation a produit plusieurs espèces cultivées.

Chez les Bactéries, et dans une moindre mesure chez les Eucaryotes, des gènes passent d'un organisme à un autre sans descendance, par transfert horizontal. Le programme demande une seule modalité, sans aucun mécanisme moléculaire. On peut retenir la transformation, au cours de laquelle une bactérie capte de l'ADN libre présent dans le milieu, issu de la lyse d'une autre bactérie, et l'intègre à son génome. D'autres modalités existent, notamment le transfert d'un plasmide d'une bactérie à une autre lors d'un contact direct.

Les conséquences sont majeures. Un caractère peut se répandre dans une population bactérienne beaucoup plus vite que par simple hérédité verticale, ce qui explique la diffusion rapide des résistances aux antibiotiques. Sur le plan méthodologique, un transfert horizontal se détecte en comparant deux arbres phylogénétiques, celui construit sur le gène étudié et celui construit sur l'ensemble des espèces. Un désaccord entre les deux, un gène apparaissant chez une espèce éloignée de celles qui le possèdent, signale un transfert.

Le génie génétique exploite ces mécanismes. Introduire un gène dans une bactérie à l'aide d'un plasmide vecteur, ou dans une cellule végétale à l'aide d'une bactérie du sol capable de transférer naturellement de l'ADN, sont des applications directes de ces propriétés.

Exemples et organismes de référence

Les familles multigéniques sont l'illustration classique du rôle des duplications, avec des gènes de séquences voisines assurant des fonctions apparentées à des stades ou dans des tissus différents.

Chez les plantes cultivées, plusieurs espèces sont polyploïdes, avec des nombres chromosomiques multiples de celui d'espèces sauvages apparentées. Le blé cultivé en est l'exemple le plus cité, avec trois lots de chromosomes d'origines différentes issus d'hybridations successives.

Dans l'espèce humaine, les 23 paires de chromosomes donnent 2 puissance 23, soit environ 8,4 millions de combinaisons par brassage interchromosomique dans un gamète. L'analyse d'un caryotype de trisomie montre 47 chromosomes au lieu de 46, avec trois exemplaires d'une même paire.

Les croisements de génétique formelle utilisent des organismes à cycle court et à caractères contrastés, comme des Insectes de laboratoire ou des plantes annuelles. Un exemple typique porte sur deux couples d'allèles, par exemple une couleur du corps et une forme d'aile, ou une couleur de la graine et son aspect.

Méthodes et savoir-faire

Relier une mutation à son phénotype. Écrire la séquence, appliquer le code génétique, identifier le type de mutation, en déduire la protéine puis le caractère. Toujours vérifier si la mutation est dans une séquence codante ou régulatrice.

Analyser un caryotype. Compter le nombre total de chromosomes, vérifier que chaque paire comporte deux éléments, comparer les tailles et les positions des centromères, puis nommer l'anomalie observée.

Interpréter un croisement à deux couples d'allèles. La démarche est fixe. Repérer les phénotypes parentaux, examiner la première génération pour déterminer la dominance, une seule forme exprimée indiquant un allèle dominant et une forme intermédiaire ou mixte indiquant une codominance. Réaliser ensuite un croisement test entre l'hybride et un individu homozygote récessif, dont les gamètes n'apportent que des allèles récessifs, de sorte que les proportions phénotypiques de la descendance reflètent directement les proportions des gamètes de l'hybride. Si les quatre types sont obtenus en proportions égales, les gènes sont indépendants, portés par des paires de chromosomes différentes. Si deux types sont majoritaires et deux minoritaires, les gènes sont liés, portés par la même paire, les types minoritaires étant issus d'un crossing-over. Les calculs de distance génétique sont hors programme.

Représenter les chromosomes et les allèles par un schéma pour chaque étape, gamètes parentaux, hybride, gamètes de l'hybride, descendance. C'est le meilleur moyen d'éviter les erreurs.

Comparer quantitativement les conséquences de l'autogamie et de l'allogamie en suivant la proportion d'hétérozygotes sur plusieurs générations.

Relier une modalité de transfert horizontal à une application biotechnologique, et savoir identifier un transfert horizontal par comparaison d'arbres phylogénétiques.

Illustrer une pratique de sélection agronomique sur un exemple, en montrant comment le croisement dirigé puis le choix des descendants exploitent la diversité produite par la reproduction sexuée.

Ce qu'il faut savoir mobiliser en colle et à l'écrit

1. Le schéma des deux brassages de la méiose, avec deux paires de chromosomes de couleurs différentes et deux gènes suivis, et la liste des gamètes obtenus dans chaque cas.
2. Le calcul du nombre de combinaisons chromosomiques, 2 puissance n pour les gamètes, son carré pour les zygotes, et la justification de chaque étape.
3. Le tableau des conséquences des mutations géniques, silencieuse, faux-sens, non-sens, décalage du cadre de lecture, avec un exemple de séquence pour chacune.
4. Le schéma d'une non-disjonction en première et en seconde division de méiose, et la composition des gamètes obtenus.
5. Le raisonnement complet d'un croisement test à deux couples d'allèles, avec la conclusion sur l'indépendance ou la liaison des gènes.
6. L'explication de l'auto-incompatibilité gamétophytique, en insistant sur le fait que c'est le génotype haploïde du pollen qui s'exprime.
7. Piège fréquent, dire que le milieu ou un besoin provoque une mutation utile. Les mutations sont aléatoires, le milieu ne fait que trier.
8. Piège fréquent, attribuer au brassage la création d'allèles nouveaux. Le brassage recombine, seules les mutations créent.

Notions et mécanismes clés

• Mutation : modification de la séquence de l'ADN transmissible aux cellules filles, aléatoire, non orientée par le besoin.
• Deux origines : erreur de réplication non corrigée par la relecture de l'ADN polymérase, ou lésion de l'ADN non réparée. Un seul exemple de lésion exigible, dimère de thymine sous ultraviolets par exemple. Mécanismes de réparation hors programme.
• Agent mutagène : augmente la fréquence des lésions, donc des mutations, sans en choisir la nature.
• Mutation somatique : limitée au clone cellulaire. Mutation germinale : transmissible à la descendance.
• Mutations géniques : substitution, insertion, délétion. Conséquences, silencieuse, faux-sens, non-sens, décalage du cadre de lecture, ou modification d'une séquence régulatrice.
• Mutations chromosomiques de structure : délétion, duplication, inversion, translocation. De nombre : polyploïdie, aneuploïdie par non-disjonction.
• Caryotype : chromosomes classés par taille et position du centromère, lecture du nombre et des anomalies.
• Allèle nouveau : uniquement par mutation génique. Gène nouveau : par duplication puis divergence, d'où les familles multigéniques.
• Brassage intrachromosomique : crossing-over entre chromatides de chromosomes homologues en première division, nouvelles combinaisons d'allèles sur un même chromosome.
• Brassage interchromosomique : orientation aléatoire de chaque paire en anaphase de première division, 2ⁿ combinaisons pour n paires.
• Fécondation : union aléatoire de deux gamètes, produit des nombres de gamètes possibles, aucun allèle nouveau.
• Autogamie : gamètes du même individu, hétérozygotie divisée par deux à chaque génération, lignées pures. Allogamie : gamètes de deux individus, hétérozygotie maintenue.
• Deux mécanismes favorisant l'allogamie exigibles : séparation des sexes dans l'espace, auto-incompatibilité gamétophytique où le génotype haploïde du pollen est confronté aux allèles du pistil.
• Hybridation interspécifique : réunion de deux génomes, hybride souvent stérile, fertilité restaurée par doublement chromosomique.
• Transfert horizontal : passage de gènes sans descendance, une seule modalité exigible chez les Bactéries, sans mécanisme. Détection par désaccord entre arbre du gène et arbre des espèces. Base du génie génétique.
• Vocabulaire des croisements : dominant, récessif, codominant, homozygote, hétérozygote, gènes indépendants ou liés, phénotypes parentaux ou recombinés, croisement test avec un homozygote récessif.
• Hors programme à signaler : nomenclature des étapes de la prophase de première division, mécanisme moléculaire de la recombinaison, calculs de distance génétique.

Chaînes de raisonnement

Du nucléotide au phénotype. On écrit la séquence mutée, on la transcrit, on lit les codons, on écrit la protéine, on raisonne sur sa conformation et son activité, puis sur le caractère. Une substitution dans un codon peut ne rien changer, changer un acide aminé, ou créer un stop. Une insertion d'un nucléotide change tout ce qui suit. Une mutation dans un promoteur ne change pas la protéine mais sa quantité ou son lieu d'expression.

Pourquoi les mutations sont aléatoires. Une erreur de réplication ou une lésion se produit sans rapport avec l'utilité du résultat. Le milieu modifie la fréquence, par les mutagènes, et trie ensuite les phénotypes, par la sélection. Il ne dicte jamais la mutation.

De la duplication au gène nouveau. Une copie surnuméraire libère la seconde copie de la contrainte sélective. Elle accumule des mutations, et peut acquérir une fonction voisine ou nouvelle, ou devenir un pseudogène. Répété, ce processus engendre des familles de gènes apparentés. La polyploïdie applique le même raisonnement au génome entier.

Pourquoi la méiose diversifie. Le crossing-over redistribue les allèles le long d'un chromosome. La ségrégation indépendante redistribue les chromosomes entre gamètes. La seconde division sépare des chromatides devenues différentes. Quatre cellules issues d'une méiose sont donc presque toujours quatre génotypes distincts, et le nombre de gamètes possibles par individu dépasse de loin le nombre de gamètes qu'il produira jamais.

Pourquoi l'autogamie appauvrit les combinaisons. Un hétérozygote autofécondé donne un quart, une moitié, un quart. La moitié seulement de la descendance reste hétérozygote. Les fréquences alléliques ne changent pas, mais les allèles se retrouvent enfermés dans des lignées homozygotes, et les combinaisons nouvelles cessent d'apparaître.

Comment l'auto-incompatibilité empêche l'autofécondation. Le pollen est haploïde et porte un seul allèle du locus d'incompatibilité, le pistil en porte deux. Si l'allèle du pollen figure parmi ceux du pistil, le tube pollinique s'arrête. Un pollen du même individu porte forcément un allèle présent dans le pistil, donc l'autofécondation échoue toujours.

Lire un transfert horizontal sur des arbres. Si l'histoire d'un gène suit l'histoire des espèces, les deux arbres coïncident. Si un gène d'une espèce se retrouve plus proche de celui d'une espèce éloignée que de celui de ses parentes, il n'a pas été hérité verticalement. Le désaccord entre les arbres est la signature du transfert.

Exemples et références à connaître

1. Taux de mutation spontanée : de l'ordre de 10⁻⁸ à 10⁻⁹ par paire de bases et par réplication après relecture.
2. Salvador Luria et Max Delbrück, 1943, test de fluctuation montrant que les mutations de résistance à un virus chez Escherichia coli précèdent l'exposition. Référence pour le caractère aléatoire des mutations.
3. Drépanocytose : substitution d'un nucléotide dans le gène de la bêta-globine, glutamate remplacé par valine en position six, faux-sens qui change la solubilité de l'hémoglobine. Mucoviscidose : délétion de trois nucléotides la plus fréquente, perte d'une phénylalanine sans décalage du cadre.
4. Familles multigéniques : globines alpha et bêta, gènes homéotiques, opsines. Blé tendre hexaploïde à 42 chromosomes, issu de deux hybridations successives suivies de doublements, illustration de l'hybridation interspécifique et de la polyploïdie.
5. Trisomie 21 : 47 chromosomes, non-disjonction le plus souvent en première division de méiose maternelle. Monosomie X : 45 chromosomes. Lecture de caryotype exigible.
6. Gregor Mendel, 1866, croisements de pois, ségrégation et assortiment indépendant. Thomas Morgan, années 1910, drosophile, liaison génétique et crossing-over.
7. Séparation des sexes dans l'espace : houx, kiwi, palmier dattier, espèces dioïques. Auto-incompatibilité gamétophytique : Rosacées comme le pommier et le cerisier, Solanacées comme le pétunia, qui exigent des variétés pollinisatrices compatibles dans les vergers.
8. Agrobacterium tumefaciens, bactérie du sol qui transfère naturellement un fragment d'ADN aux cellules végétales, outil de la transgenèse végétale.
9. Sélection agronomique : lignées pures obtenues par autofécondations répétées, puis croisement de deux lignées pour produire des hybrides F1 homogènes et vigoureux, pratique du maïs hybride depuis les années 1930.

Techniques

Analyse d'un croisement à deux couples d'allèles

Réflexe en cinq temps. Écrire les phénotypes des parents et de la première génération, en déduire la dominance. Choisir le croisement test, hybride contre double homozygote récessif, dont les gamètes ne portent que des allèles récessifs. Écrire les gamètes de l'hybride en tenant compte de l'hypothèse testée. Comparer les proportions de la descendance aux proportions attendues. Conclure, quatre classes égales pour des gènes indépendants, deux classes majoritaires et deux minoritaires pour des gènes liés.

Mini-exemple. Un hybride à deux couples d'allèles est croisé avec un double récessif. La descendance montre 25 % de chaque classe. Les gamètes de l'hybride sont donc équiprobables, ce qui exige que les deux paires de chromosomes se répartissent indépendamment. Les gènes sont indépendants.

Le schéma bilan des brassages

Deux paires de chromosomes de longueurs différentes, un gène sur chacune, allèles notés en majuscule et minuscule. Première rangée, la cellule en début de méiose avec chromosomes dupliqués. Deuxième rangée, deux orientations possibles des paires en métaphase de première division. Troisième rangée, les gamètes obtenus, quatre types pour le brassage interchromosomique. Un second schéma avec deux gènes sur la même paire et un crossing-over entre eux, montrant deux gamètes parentaux et deux recombinés. Toujours écrire la liste des gamètes sous chaque schéma.

Le plan de synthèse sur ce chapitre

Les sujets opposent souvent conservation et diversification, ou sources de diversité. Gabarit : distinguer ce qui crée des allèles de ce qui les recombine, puis ce qui s'ajoute hors de la reproduction ordinaire. Le plan chronologique de la méiose est à éviter, le plan par mécanisme est attendu.

Mini-exemple. « La reproduction sexuée, source de diversité génétique. » Première partie, la méiose recombine, deux brassages. Deuxième partie, la fécondation associe, avec le rôle amplificateur de l'allogamie. Troisième partie, des limites et des compléments, elle ne crée pas d'allèles, l'autogamie la neutralise en partie, l'hybridation la dépasse.

Sujets classiques traités

Choisis ton niveau. Difficulté indicative ; les exercices qui se suivent restent dans l'ordre.

Erreurs fréquentes