TS DS2 : les conséquences d’anomalies de méiose et les gènes de développement. CORRECTION Exercice 1. (2.1) : 10 minutes A partir de l'étude du document, identifiez les anomalies de méiose qui permettent d’expliquer l'origine des gamètes anormaux dans les méioses B et C. (vous pouvez annoter le schéma et/ou réaliser des schémas sur votre copie.)

Document : schéma de la garniture chromosomique des cellules (3 méioses possibles d’une cellule à 2n = 4)

- lors de la méiose normale d’une cellule à 2n = 4, on obtient 4 cellules haploïdes à n=2

chromosomes, 1 de chaque paire. (Après fécondation on obtiendra 4 cellules œufs normales à 2n = 4)

Nondisjonctiondeschromosomeshomologuesenanaphase1

Nondisjonctiondeschromatidesenanaphase2

- Lors de la méiose B, on obtient 4 cellules anormales : B1, B2 : 3 chromosomes, dont 2 d’une même paire B3, B4 : 1 chromosome Ces gamètes anormaux proviennent d’une non disjonction des chromosomes homologues d’une paire en anaphase 1 Les 2 chromosomes d’une paire sont transmis ensemble dans la cellule qui va subir la méiose 2 (Lors d’une fécondation avec un gamète normal on obtiendra 4 cellules œuf anormales : 2 cellules trisomiques = présence de 3 chromosomes dans l’une des « paires », et 2 cellules monosomiques = un seul chromosome pour l’une des paires)

- Lors de la méiose C, on obtient 2 cellules anormales et 2 cellules normales C1 : 3 chromosomes, dont 2 d’une même paire B2 : 1 chromosome Ces gamètes anormaux proviennent d’une non disjonction des chromatides d’un chromosome double en anaphase 2 Les 2 chromatides d’un chromosome sont transmises ensembles dans la cellule issue de la méiose 2. C3, C4 : 2n = 2, gamètes normaux (Lors d’une fécondation avec un gamète normal on obtiendra 2 cellules œuf anormales : 1 cellule trisomique = présence de 3 chromosomes dans l’une des « paires », et 1 cellule monosomique = un seul chromosome pour l’une des paires Et 2 cellules normales à 2n = 4) Exercice 2 (2.1) les gènes du complexe HOX (10 minutes) Chez de nombreux êtres vivants, le développement est contrôlé par des gènes comme les gènes Hox par exemple. Plusieurs gènes Hox sont réunis sur un chromosome et forment un ensemble appelé « Complexe Hox ». A partir de l'étude du document, montrez que les gènes Hox a-4, Hox b-4, Hox c-4 et Hox d-4 de la Souris appartiennent à une même famille multigénique. Document : gènes des complexes Hox chez la Souris et séquences partielles Chaque complexe Hox est nommé par une lettre (HoxA, HoxB, HoxC et HoxD) et comprend plusieurs gènes. Par exemple, le gène Hox a-4 est le quatrième gène du complexe HoxA

Tableau de comparaison des séquences partielles des gènes 4 du complexe HOX en % de similitudes.

a4 b4 c4 d4 a4 100 80 77 80 b4 100 85 82 c4 100 80 d4 100

1. Justifiez que ces 4 gènes constituent une famille multigénique 2. Expliquez les mécanismes ayant permis la formation de cette famille de gènes et justifiez grâce aux informations du document. Aucun schéma n’est exigé

1. L’analyse du tableau de comparaison des gènes HOX 4 montre que le % de similitudes est toujours supérieur à 40%, or je sais que si le % de similitude est supérieur à 40 % cela signifie que cela ne peut être dû au hasard mais le résultat d’un lien de parenté : ces gènes proviennent d’un gène ancestral commun par duplications transpositions et mutations indépendantes : ils constituent une famille multigénique : ensembles de gènes provenant d’un gène ancestral commun.

2. Ces gènes proviennent d’un gènes ancestral commun par

- Duplications : un gène peut être dupliqué, recopié à l’identique suite à un crossing over

anormal et le duplicata transposé à un autre locus (la similitude élevée entre ces gènes témoigne de ces duplications)

- Transposition sur un autre chromosome : les duplicatas peuvent être transposés sur un chromosome différent. La présence de ces gènes sur 4 chromosomes différents (2, 6, 11, 15) témoigne de ces transpositions.

- Mutations indépendantes : chaque duplicata évolue ensuite de façon indépendante, des mutations aléatoires apparaissent, de façon d’autant plus abondante que la duplication est ancienne. Les différences dans la séquence de nucléotides de ces gènes témoignent de ces mutations ?

L’analyse plus fine de la comparaison des gènes nous permettrait de reconstituer l’histoire de cette famille multigénique. (Attention ici, séquence PARTIELLE des gènes, le problème ne vous est pas posé !!!) Exercice 3 : 2.2, le rôle des gènes de développement dans la diversification des formes de vie. (40 minutes) Les gènes Hox sont des gènes de développement. La combinaison des gènes HOX s’exprimant dans une région donnée de l’embryon est un élément clé qui détermine l’organe qu’elle va former. Présents chez tous les animaux, ils déterminent donc la mise en place du plan d’organisation et notamment les gènes du complexe HOXD qui participent dans celle des membres On s’intéresse à la mise en place des membres chez le poisson zèbre (nageoires) et chez les mammifères (membres articulés) voir ci-dessous. Poissonzèbre

Lanageoiredupoissonneprésentequ’unensembledepiècesbasales,nonarticulées,rattachéàuneceintureetunemultitudederayonsosseuxàsonextrémité.

Mammifère(homme)

lemembredestétrapodes,etdoncdesmammifères,estorganiséen3segmentsarticuléscomposésrespectivement:

- Bras,1os:(humérus)

- Avantbras2os:(radiuscubitus)

- Main,5rayonsosseux

Ilestrattachéautroncparuneceinture(«épaule») le membre postérieur présente la même architecture

Documentsderéférence(nepasanalysermaisàéventuellementutiliser)A partir de l’étude des documents, précisez le rôle et le mode d’action de certains gènes HOXD et plus particulièrement du gène HOXD 13 sur la mise en place du membre des mammifères et proposez une hypothèse pour expliquer l’apparition de cette structure anatomique dans l’histoire de la vie PB : au cours de cet exercice on cherche à préciser le rôle de certains gènes HOXD sur la mise en place du membre des vertébrés et à proposer une hypothèse pour expliquer l’apparition de cette structure anatomique dans l’histoire de la vie.

(Omoplate + clavicule)

Document 1 : conséquence de mutations des gènes HOXD 13 (homme) et HOXD 11 et HOXA 11(souris)

Informations (connaissances), déductions Le document 1 représente les conséquences de mutations de gènes HOX sur la mise en place du membre chez 2 vertébrés. Je vois qu’une mutation des gènes HOXA11 et HOXD11, les rendant non fonctionnels, se traduit par la perte de l’avant bras tandis qu’une mutation du gène HOXD13 se traduit par une anomalie au niveau de la main, nombre et fusion des doigts (rayons osseux)

Je sais que les gènes de développement interviennent dans la mise en place du plan d’organisation, ils peuvent agir en synergie (« ensemble ») pour assurer la réalisation d’une structure anatomique J’en déduis que les gènes HOXA11 et HOXD11 semblent collaborer pour permettre la mise en place du 2ième segment du membre articulé des vertébrés (avant bras) et le gène HOXD13 semble contrôler la mise en place du 3ième segment (main) et plus précisément des doigts

Plusieurs gènes HOX : D et A semblent effectivement participer à la mise en place du membre des vertébrés ; HOXD13 interviendrait plus précisément sur la main. Document 2 : domaine d’expression du gène HOXD 13

MutationdeHOXD13àSympolydactylie

MutationgènesHOXA11,HOXD11(pertedefonction)àPerteduradiusetcubitus

Muté

Informations (connaissances), déductions Le document 2 représente la comparaison de l’expression du gène HOXD13 sur la mise en place du membre chez 2 vertébrés : poisson zèbre et souris. Je vois que le domaine d’expression du gène HOXD13 est différent chez les 2 vertébrés

- dans la partie basse chez le poisson - dans la partie basse PUIS avant chez la

souris et que la chronologie d’expression diffère aussi

- le bourgeon évolue en 4 heures chez le poisson

- en 2 jours chez la souris cela se traduit par

- une multitude de rayons dans la partie terminale du membre chez le poisson

- la mise en place d’une main à 5 rayons osseux chez la souris

Je sais que les gènes de développement s’expriment différemment dans l’espace (domaine d’expression) et le temps (chronologie) J’en déduis que le gène HOXD13 semble bien contrôler la mise en place du 3ième segment (main) La différence du domaine et de la chronologie de son expression chez le poisson est la souris entraîne une différence d’organisation : Une nageoire à multiples rayons chez le poisson et une main à 5 rayons osseux individualisés (doigts) chez la souris

Le gène HOXD13 participe plus particulièrement à la mise en place du 3ième segment Document 3 : Comparaison des protéines codées par HOXD13 du poisson et de l’Homme

Informations (connaissances), déductions Le document 3 représente la comparaison de la protéine codée par le gène HOXD13 chez 2 vertébrés : poisson zèbre et souris. Je vois que la protéine codée présente une séquence d’acides aminés différente chez les 2 vertébrés Je vois que ces 2 protéines présentent une forte identité de séquence >20%

Je sais qu’une protéine est caractérisée par sa séquence qui détermine sa forme et sa fonction ; les différences de séquence peuvent être dues à des mutations ; J’en déduis que le gène HOXD13 a dû subir des mutations qui ont changé la séquence de la protéine codée, modifiant son domaine et sa chronologie d’expression ce qui s’est traduit par la mise en place d’une organisation différente : diminution du nombre de rayons osseux au niveau de la main Je sais qu’au delà de 20% d’identité on considère qu’il existe un lien de parenté entre ces molécules, J’en déduis qu’elles proviennent d’un gène ancestral commun, ce qui confirme ce que nous savons sur les gènes homéotiques qui sont des gènes communs à tous les animaux et très conservés par l’évolution

Mise en relation : Certains gènes HOX, qui constituent une famille multigénique très conservés par l’évolution, (doc3) participent bien à la mise en place du membre chez les vertébrés Ils peuvent agir pour assurer la mise en place des différents segments du membre : - en synergie (Doc 1) : HOXA11 et HOXD11 semblent coopérer pour la mise en place de l’avant bras - sur des territoires différents (Doc 1) : HOXA11 et HOXD11, sur l‘avant bras ; et avec une chronologie différente (doc1,2) HOXD13 sur la main Au cours de l’histoire de la vie, de nouveaux gènes de développement sont apparus par duplication constituant des familles multigéniques (doc3) puis des mutations indépendantes sont apparues de façon aléatoire sur les différents gènes issus de gènes ancestraux communs, (Doc 3) ce qui a modifié les proteines codées, leur forme, leur fonction : leur territoire, l’intensité et la chronologie de leur expression (doc2), modifiant l’organisation du membre. C’est une mutation de HOXD13 (doc 3) qui aurait permis l’organisation de la main des tétrapodes. On peut imaginer que chez les poissons, des gènes HOX dont HOXA11 et HOXD11 (avant bras) et HoxD13 présentent des séquences qui ne permettent pas la mise en place des 3 segments articulés, des mutations ont permis la mise en place des 3 segments caractéristiques des tétrapodes. Des mutations touchant HOXD13 ont permis la mise en place de la main à 5 doigts bien individualisés. On peut imaginer que ces nouveaux caractères ont été sélectionnés par l’environnement dans le cadre de la conquête du milieu continental. Allons plus loin : Depuis la seconde, vous savez que les vertébrés et notamment les tétrapodes, ont tous le même plan d’organisation, hérité d’un ancêtre commun et modifié au cours du temps en fonction de l’apparition d’innovation génétiques, sélectionnées par l’évolution.

Les premiers tétrapodes apparaissent au dévonien (368 MA), des innovations successives vont faire apparaître une nouvelle organisation : d’une nageoire à plusieurs rayons reliée au tronc par un ensemble de pièces basales on passe au membre articulé des tétrapodes modernes.

5doigts

métatarse

Piècesbasales Multiplesrayons

TETRAPODES

Les membres de tous les tétrapodes, qu’il s’agisse de la souris, du poulet, de la grenouille..., sont gouvernés par un groupe de gènes, HOXD (entre autres), qui contrôlent le nombre et la forme des os qui les composent. Ces gènes s’expriment en deux vagues:

- la première, qui met en place les os des avant-bras et bras, ainsi que ceux des cuisses et jambes ;

- la seconde, qui fait s’exprimer ceux des poignets et mains, ainsi que ceux des chevilles et

pieds. Le passage d'une nageoire à insertion pluribasale (= les nageoires paires sont soutenues par plusieurs pièces osseuses, caractère primitif) au membre chiridien monobasal (= un seul os s’articule sur la ceinture osseuse, caractère dérivé)́ des Tétrapodes s'est effectué suite à des mutations sur des gènes homéotiques. La transformation des nageoires en pattes des Tétrapodes pourrait être une simple mutation concernant notamment un gène homéotique HOX D13 : une mutation aurait modifié le territoire et la chronologie de l’expression du gène HOX D13.

Cette évolution va se faire parallèlement à la conquête du milieu terrestre.

-Mutations

Les conséquences de cette mutation ont contribué à la conquête de nouvelles niches écologiques terrestres par les individus qui en étaient porteurs. L’architecture de la patte articulée, plus résistante, mobile, munie de muscles plus puissants a permis de résister à la gravité, hors de l’eau, de maintenir le corps et une locomotion adaptée au milieu terrestre. Des formes vivantes différentes peuvent donc résulter d’une modification du développement.

385MA 375MA 363MA

TETRAPODES

Fossiles

Milieuaquatique Milieusaumâtre Milieuterrestre