Génétique formelle

Universit de Provence CTES Gntique UE3-4/4TV3BI34

Gntique formelle ou Mendlienne et Gntique des Populations Introduction 1) Dfinition et objet de la gntique Il ne faut pas confondre gntique et hrdit. Le premier est l'tude du second. En effet, la gntique (dont le terme date de 1906, Bateson) est la branche de la biologie qui tudie l'hrdit des caractres, cest--dire la transmission des caractres biologiques de gnration en gnration. Il faut exclure les caractres culturels et comportementaux qui sont dun abord trs complexe et qui donnent lieu de violentes polmiques comme par exemple le dbat sur lhrdit de lintelligence. Chaque descendant porte des caractres biologiques qui lui font ressembler ses deux parents. Ces caractres sont extrmement varis. Ils peuvent tre : visibles et qualitatifs : - couleur des yeux - couleur de la peau visibles et quantitatifs : - taille - poids invisibles : - groupes sanguins Les caractres sont des traits d'un individu ou d'un espce qu'on peut dcrire selon certaines caractristiques. Il faut distinguer les caractres hrditaires d'un individu et ceux d'une espce. Les caractres qui se retrouvent chez tous les individus d'une espce sont les caractres de l'espce. exemple : la fleur du pois possde une gousse qui renferme les graines. Les caractres qui ne se retrouvent que chez certains individus sont des caractres individuels. exemple : les graines de pois peuvent tre jaunes ou vertes, rides ou lisses. Ce qui va compliquer lanalyse, cest que lexpression de ces caractres peut dpendre des conditions du milieu quelles soient externes : environnement de lindividu ou internes : environnement gntique au sein de lindividu. La gntique sefforce donc dlucider les mcanismes qui assurent la transmission de ces caractres dune gnration lautre. Ces mcanismes doivent possder 2 caractristiques fondamentales : - ils doivent assurer la permanence de lespce dune gnration lautre. La reproduction se fait lintrieur de lespce et lespce constitue en principe un espace gntiquement ferm . - ils doivent autoriser une certaine variation lintrieur de lespce, car tous les individus sont diffrents. La variation entre 2 gnrations correspond ladaptation, ce qui conduit la notion dvolution.

Cours de Gntique Formelle - Auteur Josiane Aubert et Emese Meglcz ([email protected])

1


2) Historique

Avant 19001860 MENDEL Lois de transmission des caractres

1900-19291900 Redcouverte des lois de Mendel

1930-1949

1950-Biologie Molculaire

WEISMANN MORGAN Thorie chromosomique de lhrdit

DOBZHANSKI MAYR SIMPSON HUXLEY 1953 WATSON CRICK Dcouverte de la conformation de la molcule dADN

Thorie synthtique de lvolution 1920 Dcouverte des chromosomes

Gntique Molculaire

1918 FISCHER Mathmaticien Fondateur de la Gntique des Populations

Biomtrie

Nodarwinisme

1809-1882 DARWIN Thorie de lvolution


2


La dmarche de la gntique formelle est particulire. Elle analyse la transmission des variations pour comprendre les mcanismes qui assurent la permanence et la multiplication des tres vivants. Par exemple, dans les expriences de Mendel, on se sert dindividus anormaux (couleur jaune, aspect rid), pour comprendre les mcanismes de transmission de la couleur et de la forme. La gntique des populations suit la circulation du matriel gntique dans les populations. Ses mthodes reposent essentiellement sur les mathmatiques et les statistiques. Elle permet de comprendre la structure gntique des populations et surtout les mcanismes de lvolution. La gntique molculaire sefforce de suivre, au niveau biochimique, la squence des vnements et des ractions qui se produisent entre le gne et la manifestation du caractre. A la limite, cest plutt une branche de la biologie cellulaire. 3) La reproduction La circulation du matriel gntique dune gnration lautre, donc la transmission des caractres hrditaires, se fait par le processus de reproduction qui existe sous 2 formes : - la reproduction asexue : Cest le mode le plus simple et le plus rapide. Ce mode est rpandu chez certaines plantes. Son inconvnient est quil ne permet pas de variation mis part les mutations, puisquil ny a pas de recombinaison au niveau miotique, et pas non plus de brassage entre les gnomes parentaux. Ce mode de reproduction est trs commode pour coloniser rapidement un milieu. Toutefois, on trouve rarement des espces qui utilisent uniquement ce mode de reproduction, ce qui montre bien limportance de la variation. - la reproduction sexue : Elle existe dans la quasi-totalit du monde vivant et elle est de loin le mode le plus courant de reproduction chez les vertbrs. Le schma gnral est le suivant :

Il y a alternance dune diplophase, o le matriel gntique se trouve en 2 exemplaires dansMEIOSE Rduction chromatique Mlange du matriel gntique FECONDATION Individu 2n Individu 2n Individu 2n DIPLOPHASE

Gamtes n

Gamtes n

HAPLOPHASE

chaque cellule, et dune haplophase o il est en un seul exemplaire. Suivant les cas, lune ou lautre phase est plus dveloppe, mais on remarque que la diplophase prend de limportance au dtriment de lhaplophase chez les organismes les plus complexes. Chez les mammifres, lhaplophase est limite aux seuls gamtes mles et femelles, qui ne se divisent pas. Il ny a donc pas de mitose haplode, le cycle est dit dans ce cas, diplobiontique. Le brassage du matriel gntique se fait deux niveaux : meose et fcondation.


3


- au niveau de la meose, le matriel gntique est entirement rorganis. Chaque gamte contient une combinaison gntique nayant jamais exist et qui nexistera plus. Cette rorganisation au niveau de la meose se fait selon deux processus : - le brassage interchromosomique qui est d la disposition alatoire des chromosomes qui proviennent de chacun des deux parents sur la plaque mtaphasique. Chez lhomme, du fait que lon a 23 paires de chromosomes, il existe 23 2 possibilits, soit 8 388 608. - Le brassage intrachromosomique qui est d au phnomne de crossing-over, qui se fait au niveau gnique cette fois. Il y a environ 50 000 gnes dans chaque cellule de lespce humaine, 5 000 chez la drosophile. - au niveau de la fcondation : Sauf dans le cas dautofcondation, les gamtes proviennent dindividus diffrents. Si lon considre uniquement le brassage interchromosomique, la rencontre de deux individus 13 diffrents peut gnrer (8.388.608) enfants diffrents dans lespce humaine soit 7. 10 . 4) Rappel des dfinitions fondamentales Vous avez vu en gntique molculaire ce quest un gne. Vous avez tudi le fonctionnement normal du gne et les diffrentes fonctions quil peut avoir, synthse dARNm, dARNt, dARNr, intron ou squence non codante. Rappelons quen gntique formelle, nous utilisons la variation du gne pour comprendre les mcanismes de sa transmission la descendance. En effet, au sein dune espce, la plupart des gnes existent sous de nombreuses formes que lon appelle des allles. Prenons comme exemple le systme sanguin ABO chez lhomme : On observe 4 groupes sanguins principaux chez lhomme, A, B, O et AB. Il est possible de dterminer le groupe dun individu partir dune analyse de sang. Ce qui est observable constitue le phnotype dun individu. Par convention, on note le phnotype entre crochets. Lanalyse molculaire a montr quil existe 3 formes du gne, donc 3 allles, qui sont nomms IA, IB, IO. Ces 3 allles constituent une srie alllique. Les individus sont diplodes (chromosomes par paires), ils possdent donc 2 exemplaires de chaque gne. Avec 3 allles pour un gne, il existe donc 6 possibilits de combinaisons.

Allles identiques IA IA IB IB Homozygotes IO IO

Allles diffrents IA IB IA IO Htrozygotes IB IO


4


Lnonc des allles situs sur les 2 chromosomes de lindividu constitue le gnotype. Si lon examine les correspondances entre phnotypes et gnotypes :

Gnotypes IA IA, IA IO IB IB, IB IO IO IO IA IB

Phnotypes [A] [B] [O] [AB]

[A] Tout se passe comme si IO ne sexprimait pas. On dit que IA est dominant par rapport IO qui est rcessif. Par consquent, des individus de mme phnotype peuvent avoir des gnotypes diffrents. [B] idem De ce fait, les individus de phnotype [O] sont forcment de gnotype IO IO. [AB] Quand les allles IA et IB sont prsents ensemble, ils sexpriment tous les deux, on dit quils sont codominants. Gntique formelle 1) Les expriences et les lois de Mendel a) Les expriences de Mendel Dans les annes 1860, Gregor Mendel qui tait moine eut lide dtudier la transmission d'un seul caractre la fois grce la reproduction des pois (Pisum sativum). En contrlant minutieusement les variables chaque fois qu'il rptait une exprience, il recueillit ainsi un grand nombre de renseignements statistiques grce auxquels il parvint laborer ses premires lois de l'hrdit en 1866. Ces lois sont toujours utilises de nos jours. On peut dire que les travaux de Mendel sont la base de la science quest la Gntique. Le pois est une espce vgtale qui est capable la fois dautofcondation et de fcondation croise. Le travail a t ralis en deux temps : - Obtention de souches pures par autofcondation : ce sont des souches homozygotes pour le caractre considr. En fait, on dmontre facilement que lautofcondation conduit en quelques gnrations lobtention de races pures. (Voir en TD) - Choix et croisement par fcondation croise de souches qui diffrent par des caractres simples. Les plus connus de ces caractres chez le pois sont la couleur des graines (jaune ou verte), et la forme des graines (lisse ou ride). Heureusement pour Mendel, ces diffrences ne sont des qu un seul gne avec 2 allles chaque fois, ce qui constitue le cas le plus favorable pour ltude de la transmission des caractres simples. b) Expriences de monohybridisme et 1re loi de Mendel Souches pures ne diffrant que par un seul caractre : Parents pois lisses x pois rids


5


F1 = 100% pois lisses F1 x F1 pois lisses x pois lisses F2 = 5474 lisses et 1850 rids Constatations - Le caractre rid est prsent chez les parents et la deuxime gnration, mais absent en F1. La F1 indique que le caractre lisse est dominant sur le caractre rid. - La proportion de lisses en F2 est de 2,96/4, soit peu prs . - Le fait que le caractre rid, non visible en F1, rapparaisse en F2 indique quil est contenu, ltat latent, chez les individus de F1. Interprtation gntique Les caractres lisses et rids sont dtermins par 2 allles dun mme gne, quon nommera L pour lisse et l pour rid. Par convention, on notera toujours les allles dominants par une lettre majuscule et les allles rcessifs par la mme minuscule. Dans la notation des gnotypes, on place toujours le dominant avant le rcessif. Les parents sont diplodes, de souche pure donc homozygotes. LL x ll Production respective de Gamtes L et de Gamtes l La fcondation produit des individus de gnotype Ll

Meose et production des gamtes avec disjonction des caractres

gamtes L gamtes l

Fcondations possibles 1/2L x 1/2L LL 1/2l x 1/2l ll 1/2L x 1/2l Ll 1/2l x 1/2L LlSoit LL, Ll et ll On peut facilement retrouver ces rsultats grce un chiquier de gamtes, mais il ne faut pas oublier que ce raisonnement nest valable que parce que les croisements se font au hasard.


6


L L l LL Ll

l Ll ll

1re loi de Mendel : principe de sgrgation des caractres Les deux allles dun mme gne ports par une paire de chromosomes homologues se disjoignent lors de la formation des gamtes, de telle manire quune moiti des gamtes porte un des chromosomes donc un des allles, et la moiti restante lautre. Les individus descendants sont forms par combinaison au hasard des gamtes provenant de chacun des parents. Cette dcouverte de Mendel est extrmement importante car elle permet de prdire le phnotype des descendants. Si deux individus htrozygotes se rencontrent, on peut prdire quil y aura 75% de leurs descendants qui auront le caractre dominant et 25% le rcessif, condition bien sr quil y ait suffisamment de descendants pour pouvoir faire des statistiques. c) Expriences de dihybridisme et 2me loi de Mendel Mendel fit une seconde srie d'expriences partir de plants de souche pure. Cette fois-ci il observa la transmission de 2 caractres simultanment, la forme de la graine et la couleur de la graine. Les plants possdaient les caractristiques suivantes : - Graine ride ou lisse. - Graines jaunes ou vertes. Parents pois lisses verts x pois rids jaunes F1 = 100% pois lisses jaunes autopollinisation F2 = 315 lisses jaunes 108 lisses verts 101 rids jaunes 32 rids verts Constatations - Le caractre rid et le caractre vert sont prsents chez les parents et la deuxime gnration, mais absents en F1. La F1 indique que le caractre lisse est dominant sur le caractre rid, et que le caractre jaune est dominant sur le caractre vert. - Le fait que les caractres rid et vert, non visibles en F1, rapparaissent en F2 indique quils sont contenus , ltat latent, chez les individus de F1. - Les proportions des phnotypes en F2 sont voisines de 9/16, 3/16, 3/16 et 1/16. Pour les caractres de forme et de couleur pris individuellement, on retrouve les proportions de de lisses et de rids, et de de jaunes pour de verts. Le dihybridisme apparat donc comme laction simultane de deux monohybridismes. Pour retrouver les proportions de 9/16, 3/16, 3/16 et 1/16, il suffit de multiplier entre elles les proportions du monohybridisme : x = 9/16 x = 3/16 x = 3/16 x = 1/16


7


Interprtation gntique Les caractres lisses et rids sont dtermins par 2 allles dun mme gne, quon nommera L pour lisse et l pour rid. Les parents sont diplodes, de souche pure donc homozygotes. LLJJ x lljj Productions respectives de Gamtes LJ et de Gamtes lj La fcondation produit des individus de gnotype LlJj Ces individus de F1 sont double htrozygotes, ils vont donner 4 types de gamtes diffrents.

L l 50 %

JPlaque quatoriale mtaphasique ou

L l

jPlaque quatoriale mtaphasique

j

J 50 %

gamtes LJ gamtes Lj gamtes lJ gamtes lj qui vont sunir au hasard au cours du processus de fcondation.

LJ Lv rJ Rv

LJ LLJJ LLJv LrJJ LrJv

Lv LLJv LLvv LrJv Lrvv

rJ LrJJ LrJv rrJJ rrJv

rv LrJv Lrvv rrJv rrvv

Soit 9/16 [LJ], 3/16 [Lv], 3/16 [rJ] et 1/16 [rv]Il ne faut pas oublier que ce raisonnement nest valable que parce que les croisements se font au hasard. Important : - ces proportions ne se retrouveront que si les deux gnes considrs sont ports par des chromosomes diffrents. On dit que ces gnes sont indpendants. - un double htrozygote donne toujours 4 types de gamtes. - si on prend les caractres indpendamment lun de lautre, les proportions et de la premire loi de Mendel sont respectes. 2me loi de Mendel : principe de disjonction indpendante des caractres Pendant la formation des gamtes, la sgrgation des membres dune paire de gnes sopre indpendamment de celle des membres dautres paires de gnes. Ceci signifie que le fait que les pois soient verts ou jaunes n'a aucune incidence sur la forme lisse ou ride de la graine. Ainsi, toutes les combinaisons possibles d'allles situs sur des


8


chromosomes diffrents se trouvent chez les gamtes, car durant la miose, les paires de chromosomes homologues se sparent d'une faon indpendante. Il faut se souvenir toutefois que Mendel ne connaissait pas la prsence des allles. Il avait tout de mme eu le pressentiment de leur prsence en expliquant l'hrdit par la prsence de deux facteurs hrditaires pour chacun des caractres. Il ne savait simplement pas que ces facteurs hrditaires se trouvaient sur les chromosomes. Cette notion allait l'encontre de l'ide gnrale qu'on se faisait de l'hrdit cette poque, savoir que les caractres seraient passs de gnration en gnration par un fluide qui se trouverait sans doute dans le sang. 2) Gnralisation ( polyhybridisme) Le principe expos pour deux diffrences gntiques peut galement sappliquer lorsque les croisements font intervenir 3, 4 ou n gnes, condition que tous les gnes soient situs sur des chromosomes diffrents. En monohybridisme Nous avons vu que pour un croisement de souches pures faisant intervenir un seul couple dallles (un gne avec 2 allles), il y a production 3 gnotypes et de 2 phnotypes en F2. AA x aa Aa AA, Aa et aa, ou [A] et [a] Ceci nest valable que si A est dominant sur a. En cas de codominance, nous aurons toujours 3 gnotypes, mais il y aura autant de phnotypes que de gnotypes. En dihybridisme Nous avons 2 couples dallles (2 gnes chaque avec 2 allles), n=2 (n est le nombre des gnes). AABB x aabb AaBb 9/16 [AB], 3/16 [Ab], 3/16 [aB] et 1/16 [ab] n Nous avons 2 , soit 4 phnotypes. n Nous avons 3 , soit 9 gnotypes (reprendre lchiquier pour les trouver). n Mais de mme, en cas de codominance, nous aurons toujours 3 gnotypes, et il y aura autant de phnotypes que de gnotypes. En polyhybridisme Nous avons n couples dallles (voir TD)


9


3) Modifications des proportions classiques a) en monohybridisme Codominance Il peut arriver quun htrozygote prsente un phnotype intermdiaire entre ceux des deux homozygotes. On parle alors de codominance. Par exemple, chez lhomme, on connat le systme sanguin MN. Trois phnotypes coexistent, [M], [N] et [MN]. Les proportions de la descendance de couples htrozygotes ne seront pas , , mais , , . Ltalit. Certains allles ne se manifestent que par la mort de lindividu avant la maturit, lors de la priode prnatale ou post-natale. De tels allles sont dits ltaux. Un allle ltal dominant, cest--dire qui tue aussi bien un homozygote quun htrozygote, peut survenir par mutation, mais il sera limin de la population ds quil survient puisque son porteur ne donnera pas de descendants. Un allle ltal rcessif ne tue que les individus homozygotes pour cet allle, mais suivant les cas, lhtrozygote sera apparemment normal ou manifestera quelques dficiences. Cest CUENOT qui a mis en vidence le premier, un allle ltal, en 1905. Il travaillait sur des souris agouti (grises) dont il produisait des souches pures et sur des souris jaunes. Par contre, il narrivait pas produire de ligne pure de souris jaunes. Quand il croisait 2 souris jaunes, il obtenait toujours 2/3 de jaunes et 1/3 de grises et quand il croisait 1 souris jaune et une souris grise, il obtenait 50% de grises et 50% de jaunes. Il a donc suppos que ses souris jaunes taient htrozygotes et que lallle tant responsable de la couleur jaune du pelage tait ltal ltat homozygote. AAy x AAy AA AAy AyAy avec mort des AyAy donc 1/3 AA et 2/3 AAy AA x AAy AA AAy La confirmation de cette hypothse a t apporte par Kirkham en 1917. Ce chercheur a mis en vidence par dissection les embryons morts ns in utero. Pntrance et expressivit Des diffrences dans lenvironnement ou dans le contexte gntique peuvent conduire la situation o deux individus portant des allles identiques un locus donn ne prsentent pas le mme phnotype. La capacit qua un gne, ou un groupe de gnes, dtre exprim dans le phnotype est appele pntrance. Exemple : Chez lhomme, lapparition de doigts ou dorteils supplmentaires (polydactylie) est lie la prsence dun allle dominant P. Les individus pp ont un phnotype normal. Nanmoins, certains individus htrozygotes ne prsentent pas de polydactylie. La pntrance de P est incomplte (infrieure 100%).


10


Dun autre point de vue, un caractre, mme trs pntrant, peut sexprimer de faon variable. Ce phnomne est appel expressivit. Par exemple, la polydactylie peut sexprimer sur la main gauche ou la main droite, ou sur les pieds et non sur les mains suivant les individus. Gntique et sexualit Nous avons parl dans lintroduction de limportance de la fcondation et donc de la sexualit. La plupart des mcanismes assurant la dtermination du sexe sont sous contrle gntique et peuvent tre classs dans lune des catgories suivantes : Mcanismes de dtermination du sexe Mcanismes impliquant des chromosomes sexuels - Mles htrogamtiques Chez lhomme et chez tous les mammifres, la prsence du chromosome Y dtermine la condition mle. Les mles normaux ont une constitution chromosomique XY et les femelles XX. A chaque gnration le sex-ratio est de 1 : 1. Le mle est dit htrogamtique et la femelle homogamtique. Ce systme sexuel est appel systme XY. XX x XY

X X

X XX XX

Y XY XY

Il y a autant de XX que de XY. Les chromosomes X et Y sont souvent de taille et de forme ingales. Ils ne sapparient pas compltement la mose, ce qui indique quils comportent des fragments analogues et des parties propres chacun.Portion non homologue de lX portant les gnes lis au sexe. (hmophilie, daltonisme)

X

Portion autosomale commune. Portion non homologue de lY portant les gnes holandriques. (hypertrichose des oreilles)

Y

Chez certains insectes de lordre des Hmiptres (punaises) et des lordre des Orthoptres (sauterelles et blattes) les mles sont galement htrogamtiques, mais il nexiste pas de


11


chromosome Y. cest la prsence dun X ou de 2 X qui dtermine les conditions mles et femelles. Ce systme est appel XO. XX x XO

X XIl y a autant de XX que de XO.

X XX XX

O XO XO

- Femelles htrogamtiques On trouve ce mcanisme chez les papillons, les mites, les phryganes, les vers soie et chez certains oiseaux (le poulet domestique par exemple) et certains poissons. Cest la prsence de 2X ou dun seul X qui dtermine les conditions mles ou femelles. Dans ce cas, on appelle les chromosomes sexuels, Z et W, pour signifier quon volue dans un systme diffrent. Comme pour le cas prcdent, on trouve aussi des espces o les mles sont ZZ et les femelles ZO. ZZ x ZW

Z ZIl y a autant de ZZ que de ZW. ZZ x ZO

Z ZZ ZZ

W ZW ZW

Z ZIl y a autant de ZZ que de ZO.

Z ZZ ZZ

O ZO ZO

Balance gnique Chez la drosophile, le chromosome Y est ncessaire la fertilit, mais nintervient pas dans la dtermination du sexe. Les autosomes ont un poids de 1 unit par lot haplode en faveur de la condition mle et le chromosome X a un poids de 1,5 units en faveur de la condition femelle. Chez une femelle AAXX, le rapport dterminants mles / dterminants femelles est de 2/3 et penche en faveur de la condition femelle. Chez un mle AAXY, le rapport est de 2/1,5 et penche donc en faveur de la condition mle. Des combinaisons chromosomiques anormales ont confirm cette hypothse. Par exemple, un individu AAAXX dont le rapport est gal 3/3 est strile et intersexu. Chez les oiseaux, on trouve le mme systme. Haplodiplodie


12


Aucun chromosome sexuel nest impliqu dans le mcanisme de dtermination sexuelle chez les hymnoptres (fourmis, abeilles, gupes). Chez les abeilles, la reine est fconde une fois et choisit de fconder ou non les ufs quelle pond. Les ufs fconds se dveloppent en donnant naissance des femelles et les ufs non fconds des mles. Effets dun seul gne - Facteurs sexuels complmentaires Chez 2 espces dhymnoptres, labeille et Bracon hebetor, on connat un locus comportant a b c d au moins 9 allles qui dterminent la condition mle. On les nomme s , s , s , s Les mles, qui sont haplodes, possdent un seul allle ce locus. Les individus diplodes qui sont htrozygotes ce locus sont femelles, et ceux qui sont homozygotes sont mles mais striles. - Gne transformant chez la drosophile Chez la drosophile, un gne situ sur le chromosome 3 comporte un allle rcessif nomm tra, qui transforme, ltat homozygote, une femelle en mle strile. Ce gne est important et mrite dtre signal puisquil annule lui seul les effets des nombreux gnes autosomaux impliqus dans la dtermination du sexe. Caractres influencs par le sexe Les gnes impliqus sont situs sur des autosomes. Les allles de ces gnes sexpriment diffremment chez les mles et chez les femelles. Par exemple, un allle pourra tre dominant chez les mles et rcessif chez les femelles. Ceci est d, en grande partie lenvironnement interne qui est contrl par des hormones sexuelles. On trouve donc ces systmes chez les animaux suprieurs qui possdent des systmes endocriniens bien dvelopps. Par exemple : le gne responsable de la calvitie est dominant chez les hommes et rcessif chez les femmes.

Gnotype bb bb bb

Phnotype homme Phnotype femme Chauve Chauve Chauve Non chauve Non chauve Non chauve

Caractres limits un sexe Certains gnes autosomiques ne peuvent sexprimer que dans un sexe, cause de diffrences hormonales ou anatomiques. Par exemple, le gne de la production existe chez la vache et le taureau, mais seules les femelles lexpriment. les mles se contentent de transmettre leurs allles leur descendance et donc leurs filles. Changement de sexe Il arrive que des poules (ZW), aprs avoir pondu, acquirent des caractres sexuels secondaires mles, comme le plumage, les ergots, le chant du coq, et mme des caractres sexuels primaires comme le dveloppement des testicules et la production de spermatozodes.


13


Cela peut se produire quand le tissu ovarien est dtruit. Ce mle, mme sil est fonctionnel, est toujours gntiquement femelle (ZW). On observe frquemment le mme phnomne chez les poissons. b) en dihybridisme Relations entre allles Les proportions classiques du dihybridisme sont 9/3/3/1, mais quand on a au sein des 2 couples dallles, une relation de dominance et de rcessivit. A partir du moment o ces relations changent, les proportions seront diffrentes. Exemple : Dominant / Rcessif et Codominants Aa BC x Aa BC

AB AC aB aC

AB AB ABC AB ABC

AC ABC AC ABC AC

aB AB ABC aB aBC

aC ABC AC aBC aC

Proportions trouves : 3/6/3/1/2/1 Liaison gntique Des proportions significativement trs diffrentes des rsultats attendus peuvent indiquer que nous avons affaire une liaison gntique, cest--dire que les gnes sont ports par le mme chromosome. Intrt du test-cross en gntique Quand on a une relation entre allles de dominance / rcessivit, on ne peut distinguer phnotypiquement un homozygote dominant dun htrozygote. [A] = AA ou Aa Pour connatre le gnotype dun individu phnotypiquement dominant, on pratique donc un croisement appel test-cross ou test de transparence. On croise lindividu avec un autre individu rcessif homozygote pour le caractre considr. AA x aa 100% A Aa x aa 50% A 50% a Ce test permet de visualiser directement la production des gamtes de lindividu test, lindividu rcessif homozygote tant transparent au point de vue gamtique. Il ne faut pas confondre test-cross et back-cross. Le back-cross tant le croisement dun individu avec un de ses anctres. Avec 2 couples dallles, un test-cross peut donner plusieurs rsultats : AABB x aabb 100%AB AaBB x aabb 50% AB 50% aB


14


AABb x aabb 50% AB 50% Ab AaBb x aabb 25% AB 25% aB 25% Ab 25% ab Mise en vidence de la liaison gntique Deux gnes situs sur 2 chromosomes sgrgent indpendamment lun de lautre. Par contre, deux gnes lis sur un mme chromosome, ne se dissocient pas au moment de la mose. Les rsultats dun test-cross sur un htrozygote seront donc diffrents. Gnes non lis : AaBb x aabb 25% AB 25% aB 25% Ab 25% ab Gnes lis : AB/ab x ab/ab (position cis et trans / conventions) Suprieur 25% AB Infrieur 25% aB Infrieur 25% Ab Suprieur 25% ab On se serait attendu ne trouver que 2 phnotypes AB et ab, dans les proportions de 50% chacun. Ces 2 phnotypes sont les plus reprsentes et proviennent des gamtes parentaux AB et ab. Les 2 classes phnotypiques les moins reprsentes proviennent de gamtes dits recombins par brassage intrachromosomique au moment de la mose. Un crossing-over sest en effet produit entre les gnes A et B. (Fig. 1. ) Fig. 1. (Hartl et Jones, 2003)


15


Plus la distance entre A et B est grande, plus la probabilit de crossing-over entre eux sera grande. Le pourcentage de gamtes recombins est donc le reflet de la distance entre les deux gnes. Cette distance est exprime en CentiMorgans (car cest Morgan qui a mis en vidence la liaison gntique) ou en Units gntiques. Si les gnes sont suffisamment loigns pour quun crossing-over se produise coup sr, alors on aura 50% de parentaux et 50% de recombins ce qui revient aux proportions de 25% obtenus quand les gnes ne sont pas lis. Crossing-over multiples Plus les gnes sont loigns, plus il peut se produire de crossing-over entre eux. Quand il se produit 2 crossing-over entre 2 gnes, ils passent inaperus et il ny a en apparence que des gamtes parentaux qui sont produits, et ainsi pour tous les crossing-over en nombre pair. Sil se produit 3 crossing-over, mme rsultat quavec un seul, et ainsi pour tous les crossingover en nombre impair. Cartes factorielles Les rgles que lon vient de dcrire ont t utilises pour tablir des cartes du gnome. Quand on a la possibilit de calculer la distance entre des gnes, on peut par raisonnement logique les placer les uns par rapport aux autres. AC/ac x ac/ac 37% AC 37% ac 13% aC 13% Ac Distance AC = 26% = 26 cM ou UG Quand une distance est suprieure 5 cM , il est judicieux de prendre un gne intermdiaire pour dceler les double crossing-over. ABC/abc x abc/abc 36% ABC Parentaux (le +) 36% abc 10% Abc Crossing-over entre A et B 10% aBC 3,95% ABc Crossing-over entre B et C 3,95% abC 0,05% AbC Double crossing-over (le -) 0,05% aBc Distance AB = 20 + 0.1 = 20.1 CM ou UG Distance BC = 7.9 + 0.1 = 8 CM ou UG Distance AC = 20 + 7.9 + 0.1 + 0.1 = 28.1 CM ou UG Analyse des ttrades Les asques non ordonns Chez certaines espces de champignons, les 4 gamtes produits par une miose restent ensemble dans une structure appele asque. Ces gamtes sont appels les ascospores. Lensemble de 4 ascospores venant du mme asque est une ttrade. Si on analyse les ttrades produites par un individu htrozygote Aa, on observe 2 allle A et 2 allles a. Cette sgrgation 1:1 est une preuve directe de la premire loi de Mendel. La sgrgation 1:1 nest pas simplement un effet de moyenne ralis sur un nombre trs important de miose, mais les


16


deux allles dun mme gne ports par une paire de chromosomes homologues se disjoignent pour chaque division de miose. Fig. 2. . (Hartl et Jones, 2003)

Examinons maintenant deux gnes ports par deux chromosomes diffrents. Les ttrades produites par un individu double htrozygote (AaBb) peuvent tre classes en trois types (Fig 2.). Sil ny a pas de crossing-over entre les gnes et le centromre de leurs chromosomes respectifs, on obtient soit une ttrade avec 2 AB et 2 ab, soit une ttrade de 2 Ab et 2 aB. La premire ttrade sappelle ttrade ditypique parentale (DP ; si les gnotypes des parents taient AB et ab), la deuxime ttrade ditypique non-parentale (DNP). La moiti des ttrades sont DP, et la moiti sont DNP, car ce sont des rsultats de position alatoire des chromosomes en mtaphase I. (Le chromosome portant les allles A peut se retrouver en moyenne une fois sur deux du mme ct de la cellule que le chromosome portant lallle B et une fois sur deux du mme ct que le chromosome avec lallle b). Sil y a un crossing-over entre un des deux gnes et le centromre de son chromosome, on obtient une ttrade ttratypique (TT) contenant les ascospores AB, ab, Ab, aB. Cela dmontre que lchange de segments entre deux chromatides parentales a lieu aprs que les chromosomes se soient dupliqus puisque seuls deux des quatre produits de la miose sont


17


recombinants. Ceci ne serait pas possible si les crossing-over se produisaient avant le stade quatre chromatides. La prsence des gamtes recombinants rciproques Ab et aB (si les parents taient AB et ab) dmontre que la recombinaison est un processus rciproque qui consiste de lchange entre deux chromatides. Fig 3. . (Hartl et Jones, 2003)


18


Considrons maintenant des ttrades produites par un double htrozygote o les deux gnes se trouvent sur le mme chromosome. La fig 3 illustre les diffrentes possibilits. Sans crossing-over on obtient des ttrades DP, le simple crossing-over ou les double crossing-over deux ou trois bras donnent soit DP soit TT. Seul le double crossing-over 4 bras donne des ttrades DNP. Comme la frquence de double crossing-over est largement infrieure la frquence de miose sans crossing-over, les ttrades NDP sont plus rares que les ttrades DP. En cas dindpendance des deux gnes DP = DNP, alors quen cas de liaison DP >> DNP. En comparant la frquence des ttrades DP et DNP, on peut rapidement dtecter la liaison gntique. La proportion des diffrents types des ttrades peut tre utilise pour calculer la distance cartographique entre deux gnes lis. Si les deux gnes sont suffisamment proches pour que la probabilit de double crossing-over soit ngligeable (donc DNP = 0), alors le nombre de ttrades TT est le nombre de mioses avec un simple crossing-over. Dans chaque TT il y a 2 gamtes recombinant, et deux parentaux. La distance gntique est dfinie comme le nombre de gamtes recombinants sur tous les gamtes examins. Cela donne : Distance cartographique = ( (Nombre des ttrades TT)/(Nombre total des ttrades))x100 Prenons un exemple. On a 100 ttrades issues dun croisement AB x ab. DP = 88, TT=12, DNP=0. Comme DP>>DNP on peut en dduire que les gnes sont lis. Comme DNP=0, on peut dduire que la frquence de double crossing-over est basse, donc on peut utiliser la formule cidessus pour calculer la distance cartographique : Distance cartographique = ( x12/100)x100 = 6 cM Les asques ordonns Chez certains champignons comme la levure Neurospora crassa, les produits de la miose sont disposs en rang ordonn dans lascospore. Les quatre produits de la miose forment une squence linaire et ordonne dans lasque. Chacun dentre eux entre alors dans une mitose produisant deux ascospores gntiquement identiques et adjacentes. Lasque contient alors 4 paires donc 8 ascospores. Les asques ordonns peuvent tre classs en DP, DNP et TT comme les ttrades non ordonnes, ce qui permet de dterminer la liaison et la distance cartographique comme prcdemment. Le fait que les asques ordonns refltent la gographie de la miose permet aussi de dterminer la distance cartographique entre un gne et son centromre (Fig 4). Sil ny a pas de crossing-over entre le gne et son centromre (Fig. 4A), les allles A et a sgrgent (se sparent) pendant la premire division de miose. On obtient alors des demi asques homognes, car tous les allles A se regroupent dans une moiti de lasque tandis que les allles a sont dans lautre moiti. Sil y a crossing-over entre le gne et son centromre, les allles A et a sgrgent seulement pendant la deuxime division de la miose. Selon la position relative alatoire des chromosomes frres pendant la premire division de la miose et lorientation des chromatides pendant la deuxime division de la miose, 4 arrangements (dits pattern ou profil ) sont possibles (Fig. 4.27 B). En cas de sgrgation lors de la seconde division, tous les demi asques sont htrognes, et chaque demi asque contient 2 allles A et deux a. Les proportions des asques avec un profil de sgrgation de la premire et de la seconde division peuvent tre utilises pour calculer la distance gographique entre un gne et le


19


centromre de son chromosome. Dans chaque asque de sgrgation de seconde division, la moiti des ascospores contient un chromosome qui a subi un crossing-over. Donc la distance cartographique = ( (le nombre dasques reprsentatif de la sgrgation de seconde division)/ nombre total des asques) x 100 Cette quation est vraie si le gne est suffisamment prs du centromre pour que la frquence des double crossing-over soit ngligeable. Si le gne est loign de son centromre les crossing-over vont tre si frquents que les allles A et a seront repartis alatoirement sur les quatre chromatides et au final les six profils des asques seront quifrquents. La frquence maximale de sgrgation de second division est donc de 2/3 et la distance cartographique maximale quon peut estimer est de x 2/3 x 100 = 33. 3 Fig. 4. . (Hartl et Jones, 2003)


20


Interactions pistasiques entre gnes Interactions deux facteurs Le phnotype est l'expression d'un gnotype plac dans un environnement donn. Le mot environnement inclut non seulement : - des facteurs externes comme par exemple la temprature, la quantit ou la qualit de la lumire, - mais aussi des facteurs internes comme les hormones et les enzymes. Ce sont les gnes qui sont responsables de la structure des protines et toutes les enzymes connues sont des protines. Les enzymes ont un rle catalytique dans les ractions qui ont lieu au sein de la cellule, et qui constituent le mtabolisme intermdiaire. Ces ractions ralisent, tape par tape, la transformation d'une substance en une autre et chaque tape est catalyse par une enzyme spcifique. L'ensemble de ces ractions transformant un prcurseur en un produit terminal constitue une voie de biosynthse. Toutes les voies de biosynthse mme les plus simples impliquent plusieurs enzymes codes par plusieurs gnes. Pour obtenir chaque mtabolite (A, B, C), l'action catalytique de diffrentes enzymes (e) est

G1

G2

G3

e1

e2

e3

P (prcurseur)

A

B

C (produit)

ncessaire, chacune tant code par un gne diffrent sous une forme alllique dominante (G). Il y a interaction gntique chaque fois que deux gnes ou plus dterminent des enzymes qui catalysent diffrentes tapes d'une mme voie de biosynthse. Si la substance C est indispensable pour avoir un phnotype normal et si les allles rcessifs g1, g2, et g3 produisent des enzymes dfectueuses, un gnotype homozygote rcessif n'importe lequel de ces trois loci sera responsable d'un phnotype mutant. Si la mutation touche g3, la conversion de B en C ne se fera pas et la substance B aura tendance s'accumuler en quantit excessive. On dit que ces mutations provoquent des blocages mtaboliques. Si par contre la mutation touche g2, ce sera la substance A qui s'accumulera. Un organisme ne possdant qu'une mutation en g2 pourra avoir un phnotype normal condition qu'on lui fournisse soit la substance B, soit la substance C. Ainsi l'expression phnotypique du gne G3 dpend du gne G2. Si le gnotype est homozygote pour l'allle rcessif g2, la voie de biosynthse se termine avec la substance A. Ni le gne G3 ni son allle rcessif g3 ne s'exprimeront phnotypiquement. Le gnotype g2g2 peut donc cacher ou masquer l'expression phnotypique d'allles prsents au locus G3. Par contre un organisme mut en g3 aura un besoin spcifique en substance C.


21


A l'origine, les gnes ou loci qui suppriment ou masquent l'action de gnes situs d'autres loci ont t appels pistasiques. Le gne ou le locus dont l'expression est supprime tait dit hypostatique. On a ensuite trouv que deux loci pouvaient tre mutuellement pistasiques l'un pour l'autre. Actuellement on parle d'pistasie pour toutes sortes d'interactions intergniques. La dominance par exemple nest pas une pistasie, car elle implique une suppression intragnique, c'est--dire le masquage par un allle de l'expression d'un autre allle du mme locus. L'pistasie, elle, implique une suppression intergnique, c'est--dire le masquage par un gne de l'expression d'un gne diffrent situ un autre locus. Dans les cas d'pistasie, les proportions phnotypiques classiques 9 : 3 : 3 : 1 observes en F2, sont modifies en proportions qui sont des groupements varis des diffrentes classes 9 : 3 : 3 : 1. Exemple : Un exemple particulirement dmonstratif d'interaction entre deux gnes est celui du trfle blanc. Alors que certaines souches sont riches en cyanure, d'autres en possdent trs peu. souche pauvre en cyanure X souche pauvre en cyanure F1, plantes dont les feuilles ont une concentration trs leve en cyanure. F2, 9/16 plantes riches en cyanure 7/16 plantes pauvres en cyanure On sait que le cyanure est form par catalyse enzymatique partir d'un glucoside cyanogne comme substrat. La chane de synthse peut tre reprsente de la faon suivante :

G1

G2

e1 P (prcurseur) A (glucoside cyanogne)

e2 B (cyanure)

L'une des deux souches de trfle possde l'enzyme mais non le substrat, l'autre souche fabrique le substrat mais ne peut le convertir en cyanure. g1g1G2G2 X G1G1g2g2 F1 G1g1G2g2 La prsence de cyanure a t teste sur des extraits de feuilles, seules, et avant et aprs laddition de glucoside ou de lenzyme E2.


22


Proportions F2 9 3 3 1

Gnotypes G1- G2G1- g2g2 g1g1 G2g1g1 g2g2

Extrait seul + 9 0 7 0 0

+ glucoside + 12 0 4 + 0

+ E2 + 12 + 0 4 0

Si l'on classe phnotypiquement les feuilles sur la base de la prsence ou de l'absence de cyanure dans l'extrait seul, on obtient une proportion 9/7. Si on les classe suivant ce mme critre mais cette fois-ci en dosant l'extrait + glucoside ou l'extrait + E2, on obtient une proportion 12/4. Si par contre on tient compte de ces trois tests pour faire une classification phnotypique, on revient la proportion classique 9 : 3 : 3 : 1. Les diffrents cas dpistasie Quand il y a des phnomnes d'pistasie entre deux loci, on obtient toujours moins de quatre phnotypes en F2. L'pistasie est habituellement responsable de six types de proportions ; pour trois d'entre elles, on a trois phnotypes; pour les trois autres, on en a seulement deux. - Epistasie dominante (12 : 3 : 1) Quand l'allle dominant d'un locus, par exemple l'allle A, est responsable d'un certain phnotype quel que soit l'allle prsent l'autre locus, on dit que le locus A est pistasique sur le locus B. 9 AB 9 3 Ab 3 3 aB 3 1 Ab 1 Cette pistasie est dominante puisque l'allle dominant A peut aussi bien s'exprimer en prsence de B que de b. Les allles du locus hypostatique B ne pourront s'exprimer que chez des individus homozygotes et rcessifs pour le locus pistatique A. - Epistasie rcessive (9 : 3 : 4) Si le gnotype rcessif d'un locus A empche l'expression des allles du locus B, on dit que le locus A exerce une pistasie rcessive sur le locus B. 9 AB 9 3 Ab 3 3 aB 3 1 ab 1 Les allles du locus hypostatique B ne pourront s'exprimer qu'en prsence de l'allle dominant du locus A. - Effet cumulatif de deux gnes (9 : 6 : 1) Si la prsence d'un allle dominant ( l'tat homozygote ou htrozygote) l'un ou l'autre de deux loci (mais non aux deux en mme temps) se traduit par un mme phnotype, on obtient en F2 une proportion 9 : 6 : 1. 9 AB 9 3 Ab 3 3 aB 3 1 ab 1 Par exemple, si des gnes pistasiques sont impliqus dans la production d'une substance telle qu'un pigment, et si les gnotypes dominants l'un ou l'autre locus produisent


23


indpendamment une unit de pigment, les individus de gnotypes A-bb et aaB- produiront chacun une unit de pigment et auront donc le mme phnotype. Par contre, chez un individu aabb, aucun pigment ne sera synthtis, alors que chez un individu A-B-, l'effet cumulatif des deux gnes se traduira par la synthse de deux units de pigment. - Action de deux gnes dominants sans effet cumulatif (15 : 1) La proportion 9 : 3 : 3 : 1 devient une proportion 15 : 1 si les allles dominants chacun des deux loci s'expriment par le mme phnotype sans effet cumulatif. 9 AB 9 3 Ab 3 3 aB 3 1 ab 1 - Action de deux gnes rcessifs se traduisant par le mme phnotype (9 : 7) Les rapports F2 deviennent 9 : 7 dans le cas o les gnotypes homozygotes rcessifs chacun des deux loci s'expriment par le mme phnotype. 9 AB 9 3 Ab 3 3 aB 3 1 ab 1 Quand les allles dominants sont prsents ensemble aux deux loci, il y a complmentation et apparition d'un phnotype diffrent. - Interaction entre gnes dominant et rcessif s'exprimant par le mme phnotype (13 : 3). Quand le mme phnotype est obtenu soit par la prsence d'un allle dominant un locus (A-), soit par la prsence du gnotype rcessif l'autre locus (bb), on observe seulement deux phnotypes en F2. 9 9 AB 3 Ab 3 3 aB 3 1 ab 1 Les proportions sont alors 13 : 3. Interactions non pistasiques Il peut galement exister entre plusieurs gnes des interactions non pistasiques ; c'est le cas en particulier quand plusieurs produits finaux issus de voies biosynthtiques diffrentes contribuent ensemble un caractre commun. Exemple : La coloration caractristique rouge mat des yeux des drosophiles sauvages rsulte du mlange de deux sortes de pigments (B et D), forms tous deux partir de composs non pigments (A et C) grce l'action de deux enzymes diffrentes (e1 et e2) codes par deux gnes sauvages diffrents (G1 et G2). Les deux gnotypes rcessifs codent pour des enzymes inactives, il ny aura pas synthse de pigments et les yeux seront blancs. Dans cet exemple, les gnes codant pour les couleurs B et D sont tous deux dominants sur l'absence de coloration, cest dire que lon peut avoir la couleur B sans la couleur D et viceversa, mais, ensemble, ces deux gnes interagissent et donnent un nouveau phnotype (sauvage). Si les deux gnes sgrgent indpendamment, la proportion classique de 9 : 3 : 3 : 1 n'est pas modifie.


24


A

G1 e1 B G2 e2 D mlange de B et D il sauvage

C

Interactions trois facteurs ou plus Les proportions phnotypiques attendues dans la descendance de croisements trifactoriels sont 27 : 9 : 9 : 9 : 3 : 3 : 3 : 1. Cette proportion classique peut tre modifie chaque fois qu'il y a interaction entre deux ou trois loci. Des interactions entre quatre loci ou plus sont galement possibles. Le plus souvent, en fait, l'expression d'un gne dpend de l'action de beaucoup d'autres, et le phnotype est lexpression ultime des interactions entre le gnotype et lenvironnement. Pliotropie Dans tout organisme vivant, la plupart des chanes de biosynthse sont interconnectes et interdpendantes. Les produits d'une chane sont utiliss dans d'autres chanes mtaboliques. Un gne va donc s'exprimer par plus d'un caractre phnotypique. Quelquefois un caractre sera clairement vident (leffet majeur), alors que dautres paratront moins vident ou sembleront sans rapport (les effets secondaires). Dans certains cas, des modifications apparentes pourront tre considres comme un syndrome. Toutes les expressions phnotypiques multiples d'un seul gne sont appeles effets pliotropiques. Exemple : Chez l'homme, la drpanocytose est cause par une hmoglobine anormale. Ceci est l'effet primaire de la mutation. La forme en faucille des hmaties et la tendance qu'elles ont se grouper et obstruer les vaisseaux sanguins dans diffrents organes sont des effets secondaires de cette hmoglobine anormale. Il en rsulte des lsions du cur, du foie, de la moelle et du cerveau : toutes ces lsions sont les caractristiques du syndrome. L'anmie rsulte de la destruction rapide des globules dfectueux.


25


Caractres qualitatifs et quantitatifs Les caractres mendliens dont il a t question au cours des chapitres prcdents sont des caractres qualitatifs, descriptibles, identifiables, qui peuvent aisment se distribuer en catgories phnotypiques bien spares (variabilit discrte). Ces phnotypes distincts sont dtermins par un nombre trs rduit de gnes dont les effets sont pratiquement indpendants des conditions environnantes. A l'oppos, de nombreux caractres, importants en agriculture prsentent une variabilit telle, qu'il est impossible de dfinir des phnotypes bien spars. En fait, il existe une gamme continue de phnotypes avec tous les intermdiaires possibles (variabilit continue). Par exemple, le taux de croissance des animaux, la taille des plantes, la production journalire dufs ou de lait, le rendement en grains par unit de surface sont des caractres quantitatifs, sujets une variation continue. Les caractres qualitatifs et quantitatifs s'opposent par le nombre de gnes qui les dterminent et par le rle de l'environnement dans la ralisation du phnotype. Les caractres quantitatifs dpendent habituellement d'un grand nombre de gnes (10, 100 ou plus), qui jouent chacun un rle minime dans le dterminisme du phnotype. On parle alors de polygnes ou de systmes polygniques. Trs souvent, la variation gntique d'un caractre quantitatif provient : - en majorit de la sgrgation de quelques loci relativement peu nombreux mais d'effet notable, - en minorit deffets pliotropiques mineurs d'un grand nombre d'autres gnes (ces derniers ont probablement des effets majeurs en tant que tels, mais pas sur le caractre quantitatif considr). Pour la plupart des caractres quantitatifs, la composante proprement gntique ne joue qu'un rle relativement faible, alors que l'environnement joue un rle majeur dans la variabilit phnotypique. Le rle du gnticien est d'apprcier la part des composantes gntiques et environnementales dans la variabilit phnotypique totale d'un caractre quantitatif. Pour cela, il utilise des mthodes mathmatiques et statistiques. La gntique quantitative est une discipline part entire, avec dimportantes applications en agronomie. Caractres variation presque continue (quasi quantitatifs) Dans les premiers temps de la gntique mendlienne, on pensait qu'il y avait une diffrence fondamentale entre les caractres qualitatifs et quantitatifs. Un exemple devenu classique a permis de faire la liaison entre ces deux types de caractres. Cest le modle gne multiples que le gnticien sudois Nilsson-Ehle a propos vers 1910 pour rendre compte de la coloration des grains de bl. Souche grains rouges X Souche grains blancs F1 homogne grains rouge clair F2 1/16 d'individus grains blancs 4/16 rouge trs clair 6/16 rouge clair 4/16 rouge moyen 1/16 d'individus grains rouges Pour un caractre variation presque continue, il existe une mthode grossire pour estimer le nombre de gnes qui interviennent. Elle consiste dterminer quelle est, dans la F2, la proportion d'individus ayant un phnotype aussi extrme que celui d'une des deux souches pures parentales (la F2 rsulte de26



l'autofcondation de la F1, elle-mme hybride de deux varits pures). Nombre de loci Fraction de la F2 aussi extrme que lun des 2 parents 1 1/4 2 1/16 3 1/64 n (1/4)n

Nilsson-Ehle interprta donc ses rsultats par la prsence de deux gnes, chacun avec une paire d'allles effets individuels cumulatifs. Souche grains rouges X Souche grains blancs R1R1R2R2 rouge X r1r1r2r2 blanc F1 homogne grains rouge clair R1r1R2r2 rouge clair F2 R1R1R2R2 1/16 d'individus grains rouges R1R1R2r2 R1r1R2R2 R1R1r2r2 R1r1R2r2 r1r1R2R2 R1r1r2r2 r1r1R2r2 r1r1r2r2 4/16 rouge moyen

6/16 rouge clair 4/16 rouge trs clair 1/16 d'individus grains blancs

Chacun des allles R contribue pour une part dans le dterminisme du phnotype rouge. (1R, 2R, 3R ou 4R amnent des phnotypes diffrents). On peut schmatiser ces rsultats dans un histogramme. On note que la F1 a un phnotype intermdiaire celui des deux types parentaux ; le phnotype moyen de la F2 est identique celui de la F1. La F2 comprend un plus grand nombre de phnotypes que la F1. Les frquences observes en F2 sont gales aux diffrents termes du dveloppement de 4 (a + b) , avec a=b=1/2, o 4 et le nombre des allles qui entre en jeu 4 ((a+b) = a4 + 4a3b + 6a2b2 + 4ab3 + b4= 1/16 +4/16 +6/16 + 4/16 +1/16) Il existe d'autres souches de bl grains rouge sombre, qui, quand elles sont croises avec des souches grains blancs, donnent aussi une F1 au phnotype intermdiaire mais qui donnent seulement 1/64 dindividus grains blancs en F2. Dans ce cas, il est probable que trois couples d'allles soient en jeu. Evidemment, la F2 prsente un plus grand nombre de nuances de rouge, et mme si l'environnement ne modifie pas ces couleurs (ce qu'il fait probablement dans une certaine mesure), il doit tre difficile de faire une distinction nette entre les diffrents phnotypes ds aux diffrents gnotypes. Cela devient impossible si 4 ou 5 couples d'allles sont en jeu.


27


Autre exemple : la couleur de la peau. Il sagit dun exemple simplifi, valable dans certains cas. Les personnes noires auraient 4 doses de facteur de coloration AABB et les personnes blanches 0 dose aabb. Les mtis de premire gnration sont htrozygotes AaBb et ont une coloration intermdiaire entre celles de leurs parents. Les mtis de deuxime gnration peuvent avoir nimporte quelle couleur du plus noir au plus blanc. Caractres variation continue (quantitatifs) De tels modles gnes multiples fournissent une explication satisfaisante dans les cas o le caractre discontinu de la variation reste apparent. En effet, ils permettent de comprendre l'origine de la variation continue caractristique des caractres purement quantitatifs. Il est facile dimaginer que plus le nombre de gnes intervenant est grand, plus il y aura de classes diffrentes. A tel point quil deviendra impossible de distinguer les classes et quon aura donc une variation continue dans la population. L'tude d'un caractre quantitatif dans une grande population montre qu'il y a un maximum dindividus de phnotype moyen et un minimum dindividus de phnotypes extrmes. Ce type de distribution symtrique en forme de cloche est appel distribution normale.


28


Diffrents modes daction des allles Les diffrents allles peuvent interagir les uns avec les autres de plusieurs faons. - Absence de dominance, c'est--dire effet additif : Chaque allle A1 est inactif (allle nul) alors que chaque allle A2 contribue pour une part dans le phnotype (allle actif). Echelle des valeurs des phnotypes : Gnotype : A1A1 A1A2 A2A2

- Dominance partielle : L'htrozygote a une valeur presque identique celle de l'homozygote. Echelle des valeurs des phnotypes : Gnotype : A1A1 A1A2 A2A2

- Dominance complte : L'htrozygote est indistinguable de lhomozygote. Echelle des valeurs des phnotypes : Gnotype : A1A1 A1A2 A2A2

- Superdominance : L'htrozygote a une valeur suprieure celle de l'homozygote. Echelle des valeurs des phnotypes : Gnotype : A1A1 A2A2 A1A2

Diffrents modes daction des gnes On peut avoir des interactions pistasiques, mais trs souvent, elles sont non pistasiques. Dans ce cas leffet des gnes peut tre additif ou multiplicatif. - Gnes effets additifs : Chaque gne contribue augmenter la valeur du paramtre. Dans lexemple du bl rouge, chaque gne R augmente la pigmentation. Les gnes agissent indpendamment. - Gnes effets multiplicatifs : Un gne peut augmenter leffet dun autre gne et ceci peut avoir lieu plusieurs fois. Par exemple le gne R1 donne une valeur x au paramtre considr. 2 Les gnes R1+R2 donnent une valeur x . 3 Les gnes R1+R2+R3 donnent une valeur x .


29


Hritabilit Jusquici on a discut uniquement la composante gntique de la variance phnotypique des caractres quantitatifs. Or, pour la plupart des caractres quantitatifs, part la composante proprement gntique, l'environnement joue un rle important dans la variance phnotypique. Cela veut dire que mme si on obtient une population o tous les individus ont le mme gnotype, le phnotype peut varier quand mme et cette variation est due lenvironnement. La proportion relative de variance gntique et environnementale est dcrite par lhritabilit au sens large :

H2 =

2 2 g g = 2 2 p g + e2

2 O g , e2 , 2 sont les variances gntique, environnementale et phnotypique. p

Les caractres continus dpendent de nombreux gnes et il est impossible de faire une analyse de descendances par croisements individuels. En plus de cela lestimation directe des diffrents types des variances est difficile. Pour contourner ce problme, on estime lhritabilit au sens strict (h2) par la mthode suivante : On va raisonner sur un effectif important, et tudier le passage des caractres quantitatifs dune gnration la suivante Exemple : Le poids des veaux la naissance.

n

poids P = 40 kg P = 50 kg

La moyenne P est de 40 kg. On prend les veaux les plus gros qui font en moyenne 50 kg (P) et on les croise entre eux. En F1, on obtient de nouveau une distribution normale, mais le poids moyen de ces veaux est entre les moyennes de la population originalle (40 kg) est la moyenne des individus slectionns (50 kg), car les veaux slectionns de la gnration originale taient plus grand que les autres partiellement grce leur composition gntiques et partiellement grce leur environnement favorable.


30


n

poids F1 = 45 kg

Lhritabilit h est gale : h = Gain gntique / Diffrence parentale h2 = G / P h2 = Diffrence entre la moyenne des parents et la moyenne de la F1 / Diffrence entre la moyenne parentale et les parents utiliss pour le croisement. h2 = P - F1 / P - P Dans notre cas : h2 = 40 45 / 40 50 = - 5 / - 10 = 0,5 On a donc 50% dhritabilit. On peut dire que le poids des veaux dpend pour moiti du gnotype et moit du lenvironnement. Plus lhritabilit dun caractre sera grande, plus le caractre sera facile slectionner. Mais, en cas de slection, il faut faire attention, car on ne slectionne jamais un seul caractre, on slectionne aussi ceux qui sont lis aux gnes qui agissent sur le caractre choisi. Les individus rsultants ne seront pas forcment les meilleurs pour tous les caractres slectionns. Par exemple, pour les poules pondeuses, il faut tenir compte de la taille des ufs pondus, mais aussi du nombre dufs pondus par priode de ponte. c) Les facteurs cytoplasmiques Effets maternels L'expression de certains caractres ne dpend pas du gnotype de la descendance, mais du gnotype maternel. De tels effets peuvent tre transitoires ou bien durer toute la vie de l'individu. Les substances responsables des effets maternels ne s'autoreproduisent pas, elles doivent tre synthtises nouveau chaque gnration sous l'influence du gnotype maternel. Exemples : Chez le papillon de la farine Ephestia (pyrale des moulins ou teigne de la farine), la pigmentation est de une substance de type hormonal appele cynurnine dont la synthse312

2



est contrle par un gne K. Les souches de gnotype kk ne possdent pas de cynurnine et ne peuvent pas synthtiser de pigment. Les ovules issus de femelles possdant lallle K contiennent un peu de cynurnine. Pendant une courte priode, au dbut du dveloppement, toutes les larves, mme celles de gnotype kk, peut utiliser cette cynurnine pour former du pigment. Au cours du dveloppement, la larve perd sa pigmentation car la cynurnine d'origine maternelle est de plus en plus dilue. Chez un mollusque, la limne, le sens de lenroulement de la coquille peul tre dextre, c'est-dire tourner dans le sens des aiguilles d'une montre ou senestre, c'est--dire tourner en sens inverse. Le gnotype maternel, en dterminant l'organisation du cytoplasme de luf, contrle la manire selon laquelle la premire division zygotique va seffectuer, ce qui va dfinir le sens de l'enroulement, indpendamment du gnotype du zygote. Si la mre possde lallle dominant S, toute la descendance sera enroulement dextre. Si le gnotype de la mre est ss, toute la descendance sera enroulement senestre. Le sens de l'enroulement dure toute la vie de l'individu. Plasmagnes Le comportement de certains lments gntiques indique qu'ils ne sont pas localiss sur les chromosomes. Le cytoplasme contient plusieurs organites dous de continuit physique d'une gnration l'autre. Ces organites ne se forment pas de novo, (autrement dit ne sont pas synthtiss par la cellule en partant de constituants lmentaires), mais dcoulent de la rplication d'un organite prexistant. Les mitochondries et les chloroplastes contiennent un ADN et jouent un rle gntique. Si les rsultats de croisements rciproques prsentent des diffrences qu'on ne peut attribuer ni une liaison au sexe, ni une autre sgrgation chromosomique, cela suggre l'existence de facteurs extranuclaires. On dit quil y a hrdit maternelle quand toute la descendance prsente uniquement les caractres du parent maternel. Si on peut rendre compte de ce mode de transmission par une contribution ingale des cytoplasmes des deux parents, il faut envisager la prsence de particules doues de continuit gntique. Le cas de la mitochondrie : Dans la grande majorit des cas, au moment de la fcondation, lovule contient une grande quantit de mitochondries et seule la tte du spermatozode pntre. La queue compose du flagelle et de la pice intermdiaire reste lextrieur. Cette pice contient les mitochondries mles. Toute la descendance dune femelle porte ses mitochondries. Lhrdit est maternelle. Si on croise une femelle et un mle de souches pures mais de phnotypes diffrents RR et rr, qui nont pas le mme type dADN mitochondrial, et quon ralise des back-cross successifs sur les femelles au cours des gnrations : femelle mt1 RR X mle mt2 rr F1 femelles mt1 Rr X mle mt2 rr BC1 50% femelles mt1 Rr X mle mt2 rr 50% femelles mt1 rr X mle mt2 rr BC2 25% femelles mt1 Rr X mle mt2 rr 75% femelles mt1 rr X mle mt2 rr BC3 12,5% femelles mt1 Rr X mle mt2 rr


32


87,5% femelles mt1 rr X mle mt2 rr BC4 6,25% femelles mt1 Rr X mle mt2 rr 93,75% femelles mt1 rr X mle mt2 rr BC5 3,125% femelles mt1 Rr X mle mt2 rr 96,875% femelles mt1 rr X mle mt2 rr La descendance de la premire femelle a toujours gard son ADNmt, mais lADN nuclaire a chang.


33


Gntique bactrienne Conjugaison, transduction, transformation La gntique mendlienne est base sur les croisements entre diplodes conus par lexprimentateur et ltude des produits de la miose chez ces diplodes. Nanmoins, il ne faut pas oublier lexistence des bactries o la phase diplode nexiste pas. Ce chapitre rsume la gntique des eubactries o la cellule contient un chromosome constitu dune molcule dADN double brin circulaire, attach la membrane plasmique. Chez les bactries il existe trois mcanismes diffrents dentre dADN exogne, pour complter linformation gntique existante (endogne) dans la cellule : la conjugaison, la transduction et la transformation. La conjugaison La conjugaison bactrienne a t dcouverte par Josuah Lederberg et Edouard Tatum en 1946. Ils dmontrrent quen mettant deux souches de bactries en contact (co-culture) portant des mutations diffrentes, des bactries recombinantes mergent. Ils visualisrent au microscope des ponts cytoplasmiques travers lesquels on pouvait supposer un change dADN. Haynes tablira en 1953 que le passage dADN est unidirectionnel : une cellule rceptrice reoit lADN dune cellule donatrice. Cet ADN peut recombiner avec lADN (endogne) de la cellule rceptrice et le remplacer. On utilise le terme de parasexualit pour dsigner la conjugaison bactrienne, parce quelle permet le brassage des gnes, comme la sexualit chez les eucaryotes. Haynes a aussi dmontr lexistence dun facteur de fertilit F, qui existe chez les cellules donatrices (F+) et qui est absent chez les cellules rceptrices (F-). Cependant, en mettant en contact une souche F- mutante auxotrophe (bactrie qui ncessite un apport extrieur dacide(s) amin(s), car elle ne peut pas le(s) synthtiser), avec une souche sauvage F+, la plupart des bactries de la souche rceptrice deviennent F+ et restent auxotrophe, tandis que les rares recombinants, qui deviennent sauvages restent F-. Ce paradoxe a t rsolu par la dcouverte de la nature du facteur de fertilit. Les bactries dune souche F+ possdent un pisome en plus de leur chromosome. Lpisome est une molcule dADN double brin circulaire denviron 100 Kb et libre contrairement au chromosome qui est attach la membrane plasmique. Il se rplique de faon autonome. Pendant la conjugaison entre une souche F+ et F-, une copie dpisome est transfre dans la cellule rceptrice, qui devient ainsi une cellule F+. Aucun ADN chromosomique nest transfr pendant ce processus. Lpisome est aussi capable de sintgrer dans le chromosome bactrien. Dans ce cas on dit que la cellule devient Hfr (High Frequency of Recombination). La cellule garde sa capacit dtre donneur, mais pendant la conjugaison qui est pilote par son pisome intgr dans le chromosome, lpisome entrane lADN chromosomique. Si la conjugaison dure suffisamment longtemps (90-100 minutes), une copie entire du chromosome bactrien peut tre transfre dans la cellule rceptrice. LADN transfr est linaire, et ne peut pas tre maintenu dans la cellule rceptrice. Nanmoins, les squences homologues des cellules donatrices et rceptrices peuvent saligner, et la squence exogne peut remplacer la squence endogne par recombinaison. Revenons lexprience de la conjugaison entre une cellule F+ sauvage et une cellule Fauxotrophe. La plupart du temps seulement lpisome est transfr dans la cellule mutante, donc celle-ci reste mutante, mais devient F+. Une petite minorit de cellules F+ devient spontanment Hfr, ce qui veut dire que leurs pisomes sont intgrs dans leurs chromosomes. Ces cellules transfrent une partie ou la totalit de lADN du chromosome dans les cellules rceptrices, attach lpisome. LADN exogne soit remplace lADN endogne par


34


recombinaison, soit se dgrade dans la cellule. Comme la squence dpisome na pas dhomologue dans la squence endogne il est dgrad, donc la cellule rceptrice reste F-. Les souches Hfr peuvent tre utilises pour la cartographie des chromosomes bactriens. Croisons une souche de Echerichia coli Hfr, prototrophe pour larginine et la proline (arginine et proline ne sont alors pas ncessaires dans le milieu de culture) mais sensible la streptomycine (antibiotique) avec une souche F-, auxotrophe pour larginine et la proline (ncessit de la prsence de ces acides amins dans la culture) et rsistante la streptomycine. Si on tale la co-culture sur un milieu contenant la streptomycine mais qui na ni arginine ni proline (milieu minimal), toutes les cellules de souche Hfr meurent car elles sont sensibles la streptomycine. Les cellules non recombines de la souche rceptrice meurent aussi, car elles ncessitent larginine et la proline dans le milieu. Seules les cellules recombinantes de la souche rceptrice peuvent pousser sur le milieu minimal. On rpte le croisement prcdent, mais on fait un prlvement de la co-culture toutes les minutes et on secoue fortement les prlvements, pour rompre les ponts de la conjugaison donc le transfert de lADN. Les gnes situs proximit en aval de lorigine de transfert de lpisome ont plus de chance dtre transfrs que les gnes plus loigns. On tale la moiti de chaque prlvement sur un milieu contenant de la streptomycine et de la proline et lautre moiti sur un milieu contenant de la streptomycine et de larginine. Sur le premier milieu on observe les colonies recombinantes partir du quatrime prlvement, tandis que sur le deuxime milieu seulement partir de dixime prlvement. Cela veut dire que le gne responsable de la synthse darginine est plus prs de lorigine de transfert de lpisome que le gne de la proline. On observe 6 minutes de dcalage entre les premires colonies recombinantes arginine et les premires recombinantes proline . Il faut environ 100 minutes de transfert pour faire passer le gnome entier dE. coli, compos de 4,2 millions de bases, ce qui fait environ 40 000 bases par minute. Donc les gnes arginine et proline sont distants denviron 240 000 bases. La transduction Certains bactriophages (virus de bactries) induisent la fragmentation du gnome bactrien. Bien que ce soit un phnomne rare il arrive qu la formation de nouveaux virus, ce ne soit pas le gnome viral qui soit envelopp par la capside mais un fragment du gnome bactrien. Ces phages appels transducteurs peuvent contenir jusqu 100 000 pb dADN bactrien. (Cest la taille de gnome viral.) Les transducteurs en infectant les bactries, peuvent transfrer le fragment dADN bactrien exogne dans la bactrie rceptrice. Cet ADN peut remplacer par recombinaison la totalit ou une partie de la squence homologue endogne. Les transducteurs ne sont pas isols des vrais phages. Le nombre moyen de phages par bactrie pendant la transduction est bien infrieur 1, ainsi chaque bactrie est infecte par un phage au maximum. Si ce phage contient le gnome viral la bactrie meurt. Si le phage est un transducteur, lADN bactrien est transfr dans la bactrie et peut recombiner avec les squences endognes. La transduction est aussi utilise pour la cartographie du gnome. Comme le fragment transfr est infrieur 100 000 pb, si une souche de bactries porteuses de plusieurs mutations peut tre recombine par transduction pour toutes les mutations la fois, cela prouve que ces gnes mutants se trouvent sur un fragment dADN plus court que 100 000 pb. La transformation Sous certaines conditions physiologiques les bactries sont capables de laisser pntrer de lADN exogne nu (sans pont de conjugaison, sans transducteur). On dit que ces cellules rceptrices sont comptentes . La taille dADN exogne peut rarement dpasser 10 000 pb.


35


Les dcouvertes de la conjugaison et la transduction ont fortement limit lintrt de la transformation pour les tudes gntiques, car la transformation est un processus bien moins efficace que la conjugaison ou la transduction. Mais par contre, la transformation est devenue un outil indispensable en biologie molculaire et permet de manipuler facilement un fragment dADN. Les cellules bactriennes sont couramment transformes par les plasmides. Les plasmides sont des molcules dADN gnralement circulaires, libres, qui sont capables de se rpliquer de faon autonome indpendamment du chromosome bactrien. Leur taille est comprise entre quelques kilobases et quelques centaines de kilobases. En insrant un fragment dADN exogne que lon souhaite tudier dans un plasmide, cet ADN exogne peut entrer dans une bactrie comptente par transformation. Pendant la reproduction de la bactrie transforme, chaque cellule contient le plasmide avec le fragment dADN, donc le fragment dADN qui intresse le chercheur est ainsi amplifi.

Littrature Hartl, D.L. & Jones, E.W., 2003. Gntique : les grands principes. Dunod, Paris, 609 pp. (Trs bonne introduction, mais n'est pas assez dtaill) Hartl, D.L., 1994. Gntique des populations. Flammarion Mdecine-Sciences, Paris, 305 pp. (Plus dtaill que le cours) Gouyon, P.-H. & Henry, J.-P., 1998. Prcis de gntique des populations. Avec 42 exercices et problmes corrigs. Masson, Enseignement des Sciences de la Vie, Paris, 175 pp. Stansfield, W.D., 1999 2 Srie Schaum. 399 pp.me

dition. Gntique, Cours et Problmes. 600 exercices rsolus.


36

Génétique formelle

Documents

Transcript of Génétique formelle