Stabilité et variabilité de l’information génétique

Stabilité variabilité

• Stabilité : conservation des propriétés des êtres vivants, élimination des mutations, éviter cancer

• Variabilité : permettre l’évolution

Stabilité variabilité

• Au niveau de l’individu : mutations/réparations

• Au niveau d’une population : recombinaison génétique

• Au niveau de l’espèce : variation des fréquence alléliques, sélection naturelle, dérive génétique

AU NIVEAU DE L’INDIVIDU

Mutations

• Définition génétique : modification de l’information génétique décelable par une changement brusque et héréditaire intervenant au niveau d’un ou plus. caract.

• Définition moléculaire : Tout changement affectant la séquence des nucléotides. 2nd catégorie de mutation : agencement ou quantité des gènes (remaniement chromosomique ou changement du nombre de chromosome)

Recherche au niveau moléculaire : utilisation d’anagène

Différents types de mutation• Mutation génique ou allèlique

– Ponctuelle– Insertion– Délétion

• les remaniements chromosomiques– les duplications– les inversions– les délétions– les translocations

• les changements du nombre de chromosomes– l'aneuploïdie : perte ou ajout d'un ou plusieurs chromosomes (par exemple la

trisomie = 2N+1)– la polyploïdie : changement du nombre d'exemplaire du lot haploïde (passage

diploïde = 2N à tétraploïde= 4N)

Mutations et conséquences phénotypiques

Origine des mutations

• Mutations spontanées– Dépurination– Désamination– Tautomérisation– alkylation– Erreur de réplication

• Mutations induites– Agents mutagènes (ex UV)

2 types de substitution

Dépurination de l’ADN• Rupture du lien entre désoxyribose et la base• Dépurination fréquente (10000/génération)• Dépyrimidation lente (20/génération)• Formation site AP (Apurinic/apyrimidinic site)

Conséquence dépurination

• Provoque une délétion d’une paire de base dans la séquence

Désamination de l’ADN• désamination

spontanée de la cytosine en uracile => mésappariement

• Transition G-C en T-A

Désamination de l’ADN• Désamination d’une

cytosine méthylée (5’CpG3 ) provoque formation d’une thymine qui est une base normale => réplication qui suit peut transmettre la mutation

• Les lieux de méthylation sont des hot spot en terme de mutation

Tautomérisation• Tautomère énol et céto des

bases azotés• Forme céto est

prédominante a pH 7• Idem pour tautomère amino

et imino• Tautomère ont des

appariements différents de ceux habituels => provoque des mésappariement durant la réplication

Transition G-C en A-T

Alkylation (méthylation)• Ajout d’un groupe alkyle à un nucléotide• 6-O-methyl Guanine s’apparie avec Thymine et pas avec cytidine• Transition G-C-> A-T

Mutations induites : UV

• Formation de dimère de thymine par action des UV• Distorsion de la double hélice et prob transcription

Mutations induites : cancérigène

Formation d’un adduitDistorsion de la molécule d’ADN

Réparation de l’ADN

• 6 systèmes de réparation de l’ADN– Réparation directe de la liaison (par réversion)– Réparation par excision de base– Réparation par excision de nucléotide– Réparation des mésappariements (MMR)– Non homologue end joining– Réparation par recombinaison homologue

Réparation directe

• Photoréactivation des dimères de thymine

• Enzyme : photolyase

Réparation directe

• Réparation directe par une enzyme

Réparation par excision de base (BER)

• Intervention d’une succession d’enzyme qui remplace la base posant problème

Réparation par excision de nucléotide (NER)

• Ex : Réparation des dimères de thymine par le mécanisme d’oligonucléotide-excision.

• Le dommage à l’ADN est repéré (doit provoquer une déformation ADN). L’ADN est ensuite clivé de par et d’autre du dommage.

• Une hélicase permet ensuite de désapparier e fragment d’ADN clivé. Une polymérase intervient ensuite pour resynthétiser un brin complémentaire.

• Bactérie : uvrABC• Eucaryotes : protéines XP

Enfant de la lune

• Xeroderma pigmentosum• extrême sensibilité aux

UV solaires. Sans protection, les sujets subissent de sérieux dommages à la peau et aux yeux

• Mutation gène impliqué dans excision des nucléotides (syst NER)

Correction des mésappariementMMR (mismatch repair)

• Système Mut HLS bactérien

• Intervention de différentes enzymes pour supprimer mésappariement

• Nécessite reconnaissance brin néo synthétisé : méthylation de l’ADN => à lieu juste après la réplication ADN

MMR eucaryotesGlobal genome-NER Transcription coupled-NER

Activité ADN pol

• Lors de la réplication de l’ADN

• Correction en directe par activité exonucléase en cas de mésappariement

• C’est la position de la base mal apparié qui la place dans la zone d’activité exonucléasique

NHEJ (non homologue end joining)• Restaure uniquement la

continuité de l’ADN• Ku70 possède plusieurs

activités :– activité terminale

transférase : permet l'ajout de nucléotides à l'extrémité 3' sans matrice

– activité nucléase : détruit ce qui vient d'être synthétisé si l'hybridation n'est pas possible

Anomalies durant la mitose

• Non disjonction mitotique

• Recombinaison mitotique

Non disjonction mitotique

• Non disjonction entraine un phénotype différent dans les cellules filles

Recombinaison mitotique• Recombinaison

homologue durant la mitose

• Beaucoup plus rare que recombinaison méiotique car chromosomes homologues ne s’apparient pas

• Obtention d’une population cellulaire mosaïque

AU NIVEAU DES POPULATIONS

• Mutation transmise lors de la fécondation mais qui se produisent lors de la méiose

• Recombinaison génétique ayant lieu lors de la méiose

Mutation chromosomique

• Erreur durant la méiose entraine des gamètes ne possédant pas le bon nbre de chro

• Trisomie 21• Trisomie 13• Trisomie 18• XXY (Klinefelter)• Turner (XO)

Modification chromosomique

Modification chromosomique

• Syndrome de DiGeorge (microdélétion 22q11)– Malformations– Trouble apprentissage

• Syndrome de cri du chat (délétion 5p)– Malformation tete et

larynx– Retard mental (QI < 50)

Recombinaison génétique• La recombinaison génétique

est « le phénomène conduisant à l’apparition, dans une cellule ou dans un individu, de gènes ou de caractères héréditaires dans une association différente de celle observée chez les cellules ou individus parentaux

=> définition génétique

• Possible par mécanisme aléatoire de : – Brassage

intrachromosomique– Brassage

interchromosomique– Fécondation

Ex de recombinaison génétique

Brassage intrachromosomique

Brassage interchromosomique

Recombinaison génétique

• Recombinaison génétique en biologie moléculaire

=> recombinaison de l’ADN• Facteur de diversité génétique • Nécessaire à évolution

Recombinaison homologue (ADN)

• 2 molécules d’ADN de séquences homologues subissent un échange réciproque

• Implique des coupures/ligatures de l’ADN

Modèle de Holliday (1964)• recombinaison initiée par deux

coupures monobrin identiques (au niveau de chaque molécule d'ADN)

• désappariement, croisement et réappariement hétéroduplexe des fibres monocaténaires (extr. 3' libres)

• ligation > "jonction de Holliday" • migration de la jonction (>

allongement de la zone hétéroduplexe)

Mutation germinale ou somatique

Mutations et pathologie• Maladie monogénique: • Due à une mutation dans

un seul gène• Généralement maladie

héréditaire, maladie rare «téléthon »

• Dystrophie musculaire de Duchenne:

• Syndrome de Werner (vieillissement prématuré)

• Maladie multigénique:• Due à des mutations

dans plusieurs gènes• Généralement maladie

acquise• cancer

STABILITÉ ET VARIABILITÉ DE L’IG AU SEIN DES POPULATIONS

Population

définition écologique classique :

• Ensemble d’individus de la même espèce qui occupent un même biotope.

définition de la génétique des populations

• Ensemble d’individus qui montrent une unité de reproduction :

• tous les individus d’une population ont la même probabilité de se croiser entre eux, et se reproduisent moins avec les populations voisines.

polymorphisme

Décrire la variation :• Quantitative /

qualitative.• Continue / discontinue.• Héréditaire / non

héréditaire.• Individuelle /

géographique.

• Exemple : groupes sanguins dans une population humaine.

Variation qualitative, discontinue, héréditaire, individuelle.

Polymorphisme génique• ll y a polymorphisme si dans

une même population une portion codante ou non codante d'ADN présente une variation de séquence correspondant à plusieurs formes alléliques dont la plus fréquente ne représente pas plus d'une certaine fraction de la population totale, fixée à 95 ou 99%.

• Par opposition, on appelle monomorphes les gènes qui ne présentent pas de variabilité (un seul allèle présent dans la population).

Etude du polymorphisme – variants phénotypiques

Dubini (Moscou, vers 1935). • 120 000 drosophiles inspectées

une par une pour 5 caractères :-couleur des yeux,-forme des yeux,-soies,-ailes,-corps.

• 2 700 individus (2,08 %) avaient au moins un caractère différant de la majorité.

• Une partie de la variabilité génétique est masquée par la dominance.

Etude du polymorphisme – polymorphisme enzymatique

• Méthodologie : électrophorèse + révélation enzymatique par activité catalytique.

• Formes d’une même protéine correspondant à des allèles différents du gène correspondant.

• allozymes

Des variations indétectables au niveau phénotypique peuvent êtrerévélées. Les individus homozygotes ou hétérozygotes peuvent être distingués.

Etude du polymorphisme – polymorphisme immunologique

• La variabilité de certaines protéines peut être étudiée par immunologie

• mesure de la spécificité et de l’affinité des réactions antigènes-anticorps lors de la réaction entre un anticorps, produit contre un antigène défini, avec des antigènes d’origines variées, hétérologues.

Quelques chiffres

Mesure de la diversité génétique

Sources du polymorphismeFacteurs à l’origine de variation des populations.

• Mutations– Processus créant de nouveaux

allèles à la base de toute variation génétique (source ultime).

• Dérive– Effet du hasard sur

l’échantillonnage des gamètes, de sorte que l’échantillon participant à la génération n+1 ne représente pas nécessairement la fréquence des allèles à la génération n.

• Sélection– Conséquence des effets

des allèles sur les chances de reproduction des organismes qui les possèdent.

• Migration– Occasion d’une

transmission d’allèles d’une population à une autre.

En pratique…

• La prévision de la variabilité génétique d’une population est extrêmement difficile à réaliser, du fait de la multiplicité des facteurs de variation (sources du polymorphisme, interactions liées à la transmission simultanée de plusieurs gènes, etc.)

• Il est donc nécessaire de définir un modèle simple basé sur une série d’hypothèses.

Loi de Hardy-Weinberg

• Panmixie (les gamètes s’associent au hasard vis-à-vis du ou des locus considérés).

• Pas de mutation.• Pas de migration.• Pas de sélection.• Population de taille

infinie (dérive nulle).

• Dans les conditions ainsi définies (population théorique idéale), les fréquences des allèles (et donc les fréquences des génotypes) sont constantes de génération en génération.

Fréquences alléliques et fréquences génotypiques

• Dans le cas d'un gène autosomal à deux allèles A et a, la fréquence de l'allèle A est le rapport du nombre d'allèles A au nombre total d'allèles à ce locus, soit 2N pour une population de N individus diploïdes:

• - les NAA individus AA sont porteurs de deux allèles A- les NAa individus Aa d'un allèle A et d'un allèle a- les Naa individus aa de deux allèles a.

• Le nombre d'allèles A dans la population est donc 2NAA + NAa .

• Les fréquences p et q des allèles A et a sont alors les suivantes:

• f(A) = p = (2 NAA+ NAa)/2Nf(a )= q = (2Naa+ NAa)/2N

• avec p + q = 1

• si D et R sont les fréquences des homozygotes AA et aa, H la fréquence des hétérozygotes Aa,

• f(A) = p = D + H/2f(a) = q = R + H/2

• Ces fréquences p et q représentent également une estimation de la probabilité qu'un gamète mâle ou femelle porte l'allèle A ou l'allèle a.

loi de Hardy-Weinberg

• Génération 0– pour l'allèle A po = Do+Ho/2– pour l'allèle a qo = Ro+Ho/2 avec po+qo=1

• Génration 1– AA = p0

2 Aa = 2 poqo aa = q02

– pour A p1 = p02 + poqo = po(po+qo) = po = po

– pour a q1 = q02 + poqo = qo(po+qo) = qo = q

Fréquences des groupes sanguins MN dans diverses populations humaines.

Application : conseil génétique (TS spé)

• La probabilité pour que le couple II2 x II3 donne naissance à un enfant atteint de l'anomalie est la suivante:

• 2pq/(p2 +2pq) x 2/3 x 1/4

• soit p(père Aa) x p(mère Aa) x p(enfant aa sachant les parents Aa)

• Freq phenylcétonurie : 1/10 000

• Diagnostic IV.2 et IV.3

Facteurs influençant la structure génétique des populations

• mutations• dérive• sélection• migration• régimes de reproduction(autogamie,

consaguinité, homogamie,hétérogamie)

Mutations

• Peuvent modifier les fréquences allèliques.• Des mutations réverses peuvent en théorie

conduire à un équilibre des fréquences alléliques.• Mais processus très lents : il est très improbable

qu’aucun autre facteur n’agisse entre temps.

=> Les mutations n’ont pas d’effet majeur sur la structure génétique des populations.

dérive

• Exemples de simulation d’évolution par dérive génétique (TS et maintenant 2nde)

• Dérive lié au hasard de l’échantillonnage dans une population limitée en taille …

• Effet + ou – important en fonction de la taille de la population

• Les fréquences allèliques atteignent, tôt ou tard,

• 1 (fixation de l’allèle) ou

• 0 (élimination).

Conclusion dérive génétique

• Modifie les fréquences alléliques.• Conduit à terme à l’élimination ou à la fixation

d’allèles:– d’autant plus vite que la population est de taille

limitée,– d’autant plus vite que la distribution des

fréquences alléliques est déséquilibrée.• Explique la variabilité allélique pour des

mutations neutres

Sélection naturelle

• Valeur sélective d’un génotype « fitness » ( ω ) mesurée par :– Nombre de descendants laissés à la génération

suivante par les individus porteurs de ce génotype.– Nombre de gamètes produits par les individus

porteurs de ce génotype et qui ont participé à la formation des individus de la génération suivante.

Elimination d’un allèle récessif génétiquement létal

L’influence dépend (évidemment !) des valeurs sélectives des génotypes.

• La sélection peut opérer dans des directions différents selon les conditions environnementales (qui déterminent ω1, ω2, ω3, etc.)

Exemple TS : HbS

Exemple TS : phalène bouleau

Migration

• Echange de gènes d’une population à une autre, par le passage d’individus ou de gamètes (cf pollen).

• Modifie les fréquences alléliques.• Tend à homogénéiser les

fréquences alléliques entre populations qui échanges des gènes.

• S’oppose ainsi à la différentiation des populations isolées, par dérive, par mutation et, éventuellement, par sélection.

• S’oppose, en réintroduisant des allèles, à la perte de variabilité que provoque la dérive dans de petites populations.

Influence du régime de reproduction

• Allogamie : régime de reproduction dans lequel les individus se croisent les uns avec les autres.

• Autogamie : régime de reproduction dans lequel les individus se reproduisent par autofécondation (fécondation entre deux gamètes provenant du même individu).

autogamie

• Ne modifie pas les fréquences alléliques.• Conduit rapidement à l’homozygotieavec f(AA)

= f(A) = p et f(aa) = f(a) = q• La disparition des hétérozygotes se produit

pour tous les locus, on tend vers des individus homozygotes pour l’ensemble de leur génome (lignées pures).

Consanguinité

• Régime de reproduction où les appariements se font entre individus apparentés, c’est-à-dire ayant un ou des ancêtres communs.

• Comme l’autogamie, qui est la forme extrême de la consanguinité :

• Ne modifie pas les fréquences alléliques.

• Conduit à un déficit en hétérozygotes.

• Concerne l’ensemble du génome.

Homogamie

• Régime de reproduction dans lequel les unions se font entre individus phénotypiquement semblables.

• Ne modifie pas les fréquences alléliques.

• Crée un déficit en hétérozygotes, qui conduit à l’homozygotie.

• Concerne seulement le ou les locus qui déterminent le phénotype (et non l’ensemble du génome).

Hétérogamie

• Régime de reproduction dans lequel les unions se font entre individus phénotypiquement dissemblables.

• Ne modifie pas les fréquences alléliques.

• Crée un excès en hétérozygotes.

• Concerne seulement le ou les locus qui déterminent le phénotype (et non l’ensemble du génome).