7.1. Matériel génétique et hérédité

7.1.1. De l'ADN aux chromosomes7.1.2. Cycle cellulaire et divisions7.1.3. Eléments de génétique

Cours L. Roy

� Nous sommes tous différents : - 2 individus (même frères ou sœurs)

sont toujours différents (sauf jumeaux vrais)

- Nombre de combinaisons possibles de chromosomes, de gènes sur les chromosomes immense

Rappel

Brassage intrachromosomique : prophase I

Brassage interchromosomique : métaphase I + anaphase I

� Implication du hasard dans la formation de la diversité, aux différents niveaux d’organisation :

� Mutations (substitutions, insertions/délétions) lors de la réplication de l’ADN (erreurs contribuant à former la diversité …)

� brassages intra- et interchromosomiques aléatoires au cours de la formation des gamètes (méiose)

� sélection aléatoire du spermatozoïde et de l’ovocyte lors de la fécondation

Molé-cules

cellules

organes

organismes

populations

écosystèmes

4. D'une génération à l'autre

Génétique : science étudiant la façon dont se transmettent les gènesGène : unité de base de l'hérédité (sous la forme d’un segment d’ADN localisé sur un chromosome)Terme proposé en 1909 par Wilhelm Johannsen, avant la découverte des propriétés de l’ADN

Gamètes : cellules sexuelles, spermatozoïdes et ovules

Un peu d’étymologie …

Génétique, gène : radical indo-européen gen-/gon- comme dans « géniteur », « gonades », « engendrer », …Gamètes : du grec gametê = « épouse »Hérédité : du latin hereditas = « héritage », de heres, heredis = « héritier, légataire »

Notion de ‘facteur’ = gèneLargement ignoré jusque

vers 1900

Chromosomes homologues : portent les mêmes gènes, agencés de la même façon

Mais chaque gène n’est pas forcément représenté par le même allèle

4.2 - L'hérédité

Gène « O »

Paire de chromosomes homologues

Un peu d’étymologie …

Allèle : du grec allêlôn, « l’un l’autre » → l’une des formes alternatives d’un même gène

Pour un gène donné, un individu peut posséder un seul allèle (le même sur les 2 chromosomes de la paire) ou deux allèles (une forme différente sur chaque chromosome).

Allèle O’Allèle O’’

� Un locus = une sorte d’”adresse” sur un chromosome, oùun gène est localisé chez l’ensemble des membres d’uneespèce donnée� Rq: on parle aussi de locus pour designer la localisation d’une

mutation ou d’un autre type de marqueur génétique

Locus = mot latin signifiant lieuPluriel : loci

Pluriel : lociLocus = mot latin signifiant lieuPluriel : loci

� Thomas Hunt Morgan in his Drosophila cross

Twaanders17

Aperçu de la cartographie des gènes de drosophiles réalisée par Thomas H. Morgan à partir de ses résultats de croisement contrôlé

• Version d'un gène• Les allèles d’un gène

diffèrent entre eux par leur séquence d’ADN

Allèle

• Unité fonctionnelle (portion d'ADN)Gène

• Localisation d'un gène sur un chromosome

Locus

Les caractères portés par les gènes d’un

individu ne « paraissent » pas

nécessairement

� Phénotype � Caractéristique ou ensemble de

caractéristiques physiques observables d’un organisme � peut concerner sa morphologie,

sa physiologie, certains traits de son comportement

� Génotype� Constitution génétique d’un

organisme� considérant un locus ou un petit

nombre de loci, en relation avec le phénotype correspondant

Un peu d’étymologie …

Phénotype : du grec phainein = « paraître »

Génotype : de « gène »

• Un individu peut avoir 2 allèles identiques ou non (au sein de la paire de chromosomes homologues)

• Souvent, un allèle est "dominant" sur l'autre• La présence de l’un peut masquer la présence de l’autre

• Ex. allèle ‘yeux marron’ dominant sur l’allèle ‘yeux bleus’

• Allèle ‘yeux bleus’ = allèle récessif

• Individu porteur de 2 allèles identiques : = individu homozygotepour le locus considéré

• Individu porteur de 2 allèles différents = individu hétérozygotepour le locus considéré

Autre exemple : allèle Rh+ dominant sur Rh-sur chr. 1 (système rhésus du groupe sanguin) :

Génotypes Rh+//Rh+ ou Rh+//Rh- � Phénotype Rhésus + Génotypes Rh-//Rh- � Phénotype Rhésus -

Certains allèles sont codominants : les 2 s'expriment simultanément

7.6.2 - Génotype et phénotype

Ex. Groupe sanguin du système "ABO"

� Pour le gène déterminant le groupe sanguin du système "ABO", 3 allèles possibles

� allèle A� allèle B� allèle o

codominants

récessif

Conventions standard de notation des allèles :2 mêmes lettres pour 2 allèles (sauf exceptions)- majuscule pour les allèles dominants et codominants- minuscule pour les allèles récessifs- allèles portés par un individu séparés par // : ex. Rh+//Rh+

Ex. Groupe sanguin du système "ABO"� Chacun d’entre nous porte 2 allèles, identiques

ou différents, un sur chaque chromosome de la paire 9

� Le gène déterminant le groupe sanguin du système "ABO" dirige la synthèse d’une protéine présente sur les globules rouges

• allèle A → protéine A

• allèle B → protéine B

• allèle O → ni protéine A ni protéine B

Cas du groupe sanguin du système "ABO"

7.6.2 - Génotype et phénotype

ni A ni B.protéine A protéine B protéines A et B

→ 4 groupes sanguins (PHENOTYPES)

6 combinaisons possibles, les GÉNOTYPES :

A//A et A //o B//B et B //o A//B o//o

groupe [A] groupe [B] groupe [AB] groupe [O ]

Cas du groupe sanguin du système "ABO"7.6.2 - Génotype et phénotype

� Gregor Mendel (1822-1884)

� Moine catholique au monastère Saint-Thomas (actuelle Rép. Tchèque)

� Botaniste

1er à analyser de manière systématique la transmission héréditaire de caractères

(morphologiques)

� a déduit de ses résultats d’expérimentation les règles fondamentales de la génétique

⇒ lois de l’hérédité

– aisémentmanipulables

– autofécondables

Etamines

Carpelle

Petit pois

‘Facteur’ dominant ‘Fact.’ récessif

Blanche

Forme de la gousse Gonflée Ajustée

Position de la fleur

Couleur de la gousse

Couleur de la fleur Violette

Axiale Terminale

Verte Jaune

Haute Naine

Aspect de la graine Lisse Ridée

Couleur de la graine Jaune Verte Longueur

de la tige

‘Facteur’ dominant ‘Fact.’ récessif

Croisements contrôlés → observation des phénotypes des parents et des descendants

Génération P(parents de lignées “pures”)

Tous les hybrides F1 ont des fleursviolettes

Croisementsentre plants F 1 (F1 × F1)

Génération F 2

3/4 des plantsà fleursviolettes

1/4 des plants à fleursblanches

Fleursviolettes

Fleursblanches

Génération F 1

Croisements monohybrides:

Si l'on croise 2 individus de lignées « pures » (= homozygotes pour un caractère observé), tous les descendants de la première génération (= « hybrides F1 ») sont identiques.

Ratio fleurs violettes/fleurs blanches en génération F2 = 3:1

� Echiquier de Punnett : explication des résultats de croisements monohybridesà la F2

� Lorsqu’on croise des individus de F1, on trouve à nouveau dans la F2 les deux versions de la couleur des fleurs dans des proportions bien définies

Plants parents Parent P//P

p

Plants F 1:(hybrides) All Pp

1/2

Parent p//p

All P All

P 1/2

P

p

PP

Pp Pp

Plants F 2:Gam. ♀ Gam. ♂

p

P

Ratio phénotypique3 violettes : 1 blancheRation génotypique1 PP : 2 Pp : 1 pp

p

pp

Gamètes

Gamètes

� Que se passe-t-il lorsque l’on s’intéresse à la transmission de plus d’un caractère à la fois ?

� Comment 2 caractères différents se transmettent-ils à la descendance ?

Croisements dihybrides

RRYY rryy

Gamètes RY ry

RrYy

ry

Ry

rY

RY RY

rY

Ry

ry

RRYY

RrYY RrYY

RRYy rrYY RRYy

RrYy RrYy RrYy RrYy

rrYy RRyy rrYy

Rryy Rryy

rryy

9/16JAUNE ROND

3/16vert ROND

3/16JAUNE ridé

1/16 vert ridé

Croisementsdihybrides

RrYy RrYy

Ratio 9:3:3:1

Gam. ♀ Gam. ♂

Rr: ROND ou ridéYy: JAUNE ou vert

Ou loi de l’assortiment indépendant

� Les alleles de chaque paire ségrègentindépendamment des autres pairesdurant la formation des gametes

� Cette règle ne s'applique que

� si les gènes responsables des caractéristiques se situent sur différents chromosomes

� ou s'ils sont éloignés sur le même chromosome

Explication a posteriori= méiose (div. I)

Répartition aléatoire des 2 membres de chaque paire de chr.

Recombinaisons

� Aujourd’hui, on sait que :� certains caractères sont co-

dominants (ou à dominance incomplète)

� la 3ème loi ne s’applique pas aux loci situés à proximité l’un de l’autre sur le même chromosome (gènes « liés »)

� Dans ces cas, la combinatoire mendélienne ne s’applique pas

RougeRR

Gamètes R r

RoseRr

Gamètes 1/2 R 1/2 r

1/2 R 1/2 R

1/2r1/2 rRouge

RRRose

rRRose

Rr

Blancrr

Gam. ♀ Gam. ♂

Blancrr

� Si Mendel avait travaillé sur des gènes à dominance incomplète et/ou sur des gènes liés, il n’aurait pas pu déduire ses lois de l’hérédité

RougeRR

Gamètes R r

RoseRr

Gamètes 1/2 R 1/2 r

1/2 R 1/2 R

1/2r1/2 rRouge

RRRose

rRRose

Rr

Blancrr

Gam. ♀ Gam. ♂

Blancrr

1re loi de Mendel (loi d’uniformité des hybrides de première génération)

Parents Génotype Rh -//Rh- Rh+//Rh+

Gamètes Rh- Rh+

% (100%) (100%)

Enfants Génotype Rh -//Rh+

Phénotype [Rh +] 100%

Phénotype [Rh -] [Rh +]

4.2 - L'hérédité

1re loi de Mendel

L'union de 2 homozygotes différents donne 100% de descendants hétérozygotesdont le phénotype est celui de l'un des deux parents (pour le caractère considéré)

4.2.3 - Notions de génétique formelle

Parents Rh -//Rh- Rh+//Rh+

Rh- Rh+

Enfants Rh-//Rh+

[Rh+] 100%

[Rh -] [Rh +]

A la méiose, les homologues se séparent :

Ex : Parents hétérozygotes (Rh+//Rh-)

50 % des gamètes paternels portent Rh +, 50% Rh-

50 % " maternels " Rh +, 50% Rh-

2ème loi de Mendel (loi de disjonction des allèles)(ou loi de pureté des gamètes)

4.2.3 - Notions de génétique formelle

P Génotype Rh+//Rh- Rh+//Rh-

Gamètes Rh+ et Rh- Rh+ et Rh-

Fréquences 0,5 et 0,5 0,5 et 0,5

L'union de 2 hétérozygotes donne :50% de descendants hétérozygotes25% de chacun des homozygotes

F1

Rh+//Rh+(0,25)

Rh+//Rh-(0,50)

Rh-//Rh-(0,25)

[Rh+] 0,75

[Rh -] 0,25

Rh-

0,5

Rh+

0,5

Rh- 0,5Rh+ 0,5

Rh-//Rh-

0,25

Rh+//Rh+

0,25

Rh+//Rh-

0,25

Rh+//Rh-

0,25

2ème loi de Mendel

4.2.3 - Notions de génétique formelle

Quel spermatozoïde (Rh+ ou Rh-) fécondera quel gamète femelle (Rh+

ou Rh-) ?

Rh+//Rh+ Rh+//Rh-Rh+//Rh- Rh-//Rh-

0,25 0,25 0,25 0,25

4 possibilités équiprobables

4.2.3 - Notions de génétique formelle

2ème loi de Mendel (loi de disjonction des allèles)

Représenta-tion de toutes ces possibilités sur un échiquier

� 1 chance sur 4 : enfant Rh +//Rh+

1 chance sur 4 : enfant Rh -//Rh-

2 chances sur 4 : enfant Rh +//Rh-

0,50,5

Gamètes mâles

0,5

0,5

} 0,75 Rh positif

} 0,25 Rh négatif

4 possibilités équiprobables

4.2.3 - Notions de génétique formelle

3ème loi de Mendel (ségrégation indépendante des caractères héréditaires multiples)

En considérant 2 gènes portés par des chromosomes différents, tout hétérozygote produit 4 types de gamètes.

Exemple :gamètes d'un double hétérozygoteA / o et Rh+ / Rh- (phénotype [A+])

A Rh+

0,25

A Rh-

0,25o Rh-

0,25

o Rh+

0,25

7.6.3 - Notions de génétique formelle

A Rh+0,25

A Rh -0,25

o Rh+0,25

o Rh -0,25

A Rh+0,25

[A +] [A +] [A +] [A +]

A Rh -0,25

[A +] [A -] [A +] [A -]

o Rh+0,25

[A +] [A +] [O +] [O +]

o Rh -0,25

[A +] [A -] [O +] [O -]

L'union de 2 hétérozygotesA/o et Rh+/Rh-

produira 4 (phéno)types de descendants :[A+],[A-],[O+],[O-]en proportions9/16, 3/16, 3/16, 1/16

Père MèreA/o et Rh +/Rh- x A/o et Rh +/Rh-

7.6.3 - Notions de génétique formelle

ENVIRONNEMENTGÉNOTYPE

PHÉNOTYPE

Caractéristiquesphysiques et physiologiques (hormones …), comportement, …

Maladies(Infections,

parasites)

autres gènes(environnement

génétique)

Climat(T°, humidité …)

Alimentation …

Société, famille

…

4.2.2 - Génotype et phénotype

Pour la plupart des traits, l’ENVIRONMENT affecte aussila correspondence entre phénotype et génotype

3 phénotypes 3 environnements1 génotype

CCNutrition moyenne

Ici, la variation dans le phénotype est la conséquence d’une variation dans l’environnement et non dans le génotype

Dans les expérimentations de Mendel, pas d’effet de l’environnement→ la variation phénotypique était bien

causée par la variation génotypique

Phe

noty

pe:

coul

eur

de g

rain

e

Froid Tempéré Chaud

Environnement

YYYy

yy

Chaque ligne = “norme de réaction” de chaque génotypeNorme de réaction d'un génotype = gamme des phénotypes associés selon les conditions environnementales

Nombreux traits affectés par l’environnement→ changement des correspondances génotype-phénotype

Phé

noty

pe: t

aille

Pauvre Moyen Riche

Environnement

CC

Ligne = “norme de réaction”Pour le génotype CC: UN génotype-TROIS phénotypes

3 Phenotypes 3 Environnements3 Genotypes

CCmoyen

Cc

cc

Les interactions entre génotype et environment complexifient les correspondancesgénotype-phénotype

Allèle

Gène

Locus

� Mutations géniques : substitutions, insertions, délétions → diversité des allèles

� Recombinaisons durant prophase I (méiose) → diversité des chromosomes

� Ségrégation indépendante des chromosomes de chaque paire durant métaphase I puis anaphase I (méiose) → diversité des jeux de chromosomes

� Recrutement des gamètes mâle et femelle au moment de la fécondation � mise en contact d'un jeu de 23 chromosomes donné

avec un autre jeu de 23 chromosomes

→ diversité paires de chromosomes, donc des génomes, des individus

� Au cours de la réplication de l’ADN (interphase, S), erreurs non corrigées → mutations

� Si cellule germinale avant méiose et si mutation viable, transmissible héréditairement

� Si sur gène codant une protéine, modification possible de la protéine

Rappel

� Maladies autosomales & maladies gonosomales

Caryotype humain : 2n = 46 chromosomes

Soit 22 paires d'autosomeset 1 paire de chromosomes sexuels, les gonosomes

XX � femmeXY � homme

Autosome→ grec autos, « soi-même »Gonosome→ grec gonê, « semence » (comme dans gonade)

� Certaines mutations sont viables mais associées à des pathologies

� Exemples� Drépanocytose : substitution non silencieuse A→T dans gène

codant une protéine du sang sur le chromosome 11� Mucoviscidose : le plus souvent, ∆F508 : délétion de 3 paires

de bases sur le chromosome 7 responsable de la perte de phénylalanine (F) en position 508 de la protéine CFTR (cysticfibrosis transmembrane conductance regulator)

� Certaines mutations sont viables mais associées à des pathologies

� Exemples� Chorée de Huntington : insertion d’un à plusieurs codons

(répétitions de CAG)� protéine huntingtine « normale » contient jusqu’à 26 répétitions de

glutamine (codon CAG)� Des dizaines d’allèles

� la mutation consiste en une expansion anormale d’une répétition de triplets CAG � <26 CAG répétés = allèles normaux� >40 CAG répétés = allèles pathologiques (27-39 répét. :

expression de la maladie variable)

Gènes portés par X

en un seul exemplaire chez l'homme (XY)

en double chez la femme (XX)

7.6.4 – Transmission de caractères génétiques

� CAS DES GÈNES LIÉS AU SEXE ou hérédité liée au sexe

� De nombreux gènes du chromosome X sans homologue sur le Y = gènes liés au sexe

Exemple du daltonisme

dû à un allèle récessif d

Locus situé sur le chromosome X

Génotypes possibles

Homme daltonien [d] : XdY

Homme non daltonien [D] : XDY

Femme daltonienne [d] : XdXd

Femme non daltonienne [D] : XDXD ou XdXD

7.6.4 – Transmission de caractères génétiques

� Chez un garçon, tout gène lié au sexe s'exprime (gène en un seul exemplaire)

� Chez une fille, l'allèle récessif porté par le chromosome X ne s'exprime que si elle est homozygote pour cet allèle

Raison principale : les filles peuvent être hétérozygotes, pas les garçons (les filles peuvent posséder un allèle récessif masqué par un allèle dominant)

Autre raison, pour certaines maladies invalidantes, les hommes atteints meurent jeunes et ont (avaient) rarement des enfants

→ pour qu'une fille soit homozygote (donc malade), il faut qu'elle ait reçu cet allèle de sa mère ET de son père (qui est malade !)

Pourquoi plus d'hommes sont-ils atteints de maladies dues à un gène porté par l'X (hémophilie, myopathie de Duchenne, daltonisme …) que de femmes ?

Ex. : en France, 8% d’hommes daltoniens XdY0,45% de femmes daltoniennes XdXd

Reste de la population : XDXd ou XDXD ou XDY

� Eléments de réflexion sur la transmissions des maladies gonosomales, avec l’exemple du daltonisme :

� Les fils d'un homme daltonien ne seront le plus souvent pas affectés (pas plus souvent que les hommes de la population générale), étant donné qu'ils reçoivent son chromosome Y et pas son chromosome X déficient

� Les fils d'une femme porteuse saine (hétérozygote pour le locus du daltonisme) ne seront daltoniens que dans un cas sur deux (indépendamment de génotype du père)

� Dans un couple daltonien, les fils et filles seront tous daltoniens étant donné que les chromosomes X transmis sont tous porteurs du gène récessif

Ex. drépanocytose

• Hématies fragiles détruites en excès: anémie hémolytique chronique� Fatigabilité

� Ictère conjonctival

� Splénomégalie

• Hématies rigides : obstructions des vaisseaux: crises vaso-occlusives.� Facteurs déclenchants:

� le froid

� la déshydratation

� le stress

� l’infection

Ex. drépanocytose

� Maladie génétique autosomalerécessive:� hémoglobine A � S (de l’anglais Sickle:

faucille).

� Anomalie de l’hémoglobine : � Quand la concentration en oxygène du

sang diminue, déformation des globules rouges (ou hématie) qui prennent alors la forme de faucilles, au lieu d'être biconcaves.

� Devenue problème de santé publique en France (plus de 10 000 patients suivis)

Un couple sain peut avoir un enfant

malade :

Si les 2 parents hétérozygotes, 3

enfants sur 4 peuvent être sains, 1 sur 4

peut être atteint

Ex. 1: Chorée de Huntington� Maladie héréditaire incurable dont les symptômes se

développent vers 30-45 ans→ dégénérescence neuronale

� affecte les fonctions motrices et cognitives� → démence + manifestations neurologiques� gestes incohérents, troubles de l'équilibre, léthargie

� Gène codant la protéine : plusieurs dizaines d’allèles possibles (nombre de répétitions de CAG > chez malade)

= une maladie héréditaire dominante

Chorée de Huntington = maladie autosomale dominanteH : allèle dominant déterminant la maladie *h : allèle « sain », récessif

� si un membre du couple hétérozygote, 1 enfant sur 2 pourra être atteint de chorée

H h

h H//h h//h

↓ Homme atteint H//hFemme →

non atteinte

h//h

Un homme de groupe sanguin [A] et une femme de groupe [B] ont 4

enfants dont les phénotypes sont [A], [B], [AB], et [O].

Indiquez le génotype de chacun de ces individus (en ce qui concerne

ce groupe sanguin), ainsi que les proportions théoriques des

enfants. Justifiez.

Individus Père Mère Enfant [A] Enfant [B] Enfant [AB] Enfant [O]

Génotype

Proportions

Dans notre espèce, les lobes d'oreilles ont une forme

déterminée par un gène.

L'allèle L (responsable de lobes libres*) est dominant sur l'allèle l

(responsable de lobes adhérents**).

* **

Pour un couple où l'un est L//l

et l’autre a les lobes

adhérents, la probabilité

d'avoir un enfant aux lobes

adhérents est de...

A) 0,75

B) 0,5.

C) 0,25

D) 0

Justifiez