Génétique et évolution

Légende alternative :

la fréquence des mutations somatiques est de l'ordre de 1 pour 1 milliard de nucléotides. Sachant que le génome humain en possède 3,2 milliards, il y a environ 3 mutations à chaque division, soit 30 millions de mutations présentes dans un organisme humain « normal » composé de 1,0.10¹4 cellules. La fécondation, en réunissant deux gamètes haploïdes, aboutit à la formation d'une cellule-œuf diploïde au sein de laquelle chaque gène est représenté par deux allèles identiques (homozygotie) ou différents (hétérozygotie), dominants ou récessifs (l'exemple ci-contre concerne les pois et leur caractère lisse (L) ou rugueux (r)). clone de cellules filles identiques aux mutations près II- Brassages génétiques au cours de la fécondation et de la méiose : L'étude des résultats de croisements permet de comprendre la façon dont les caractères héréditaires se transmettent. Gamêtes Gamêtes F₁ /L /L (L//L) (L//r) [L] /r (L//r) (r//r) [L] [r] Les études portant sur des croisements d'individus de lignées pures² et des croisements tests3 (test- cross) ont permis de mettre en évidence l'existence de plusieurs brassages génétiques au cours de la méiose. [L] La répartition au hasard chromosomes homologues chaque paire lors de l'anaphase I donne lieu à un brassage interchromosomique4. ¹ Ensemble de cellules issues des mitoses successives d'une cellule initiale. 2 Ensemble d'individus homozygotes et de même génotype pour le ou les gène(s) étudié(s). 3 Croisement d'un individu hybride avec un individu double homozygote récessif. 4 Formation de nouvelles combinaisons alléliques du fait de la répartition aléatoire des chromosomes homologues au cours de l'anaphase I de la méiose. Pour deux paires d'allèles, celui-ci se traduit par la formation de quatre combinaisons alléliques équiprobables dans le cas de gènes non liés5. Le brassage intrachromosomique est dû à l'existence d'un phénomène appelé « crossing-over ». Au cours de la prophase I, les chromosomes homologues sont étroitement appariés, et leurs chromatides s'entremêlent. Ces zones de contact sont appelées chiasmas. Des portions de chromatides et les allèles qu'elles portent peuvent alors s'échanger d'un chromosome à l'autre et donner naissance à des recombinaisons alléliques pour des gènes liész. Brassage intra- chromosomique Gamètes Majoritaires bb+B+B Personnes touchées par une maladie génétique + A Crossing-over Méiose gamète haploide gamète haploide Minoritaires Fécondation Brassage Brassage inter- chromosomique 25 % Foetus à naitre 25% C+ C++C+C Méiose 4d 25% zygote diploide 4d Les combinaisons alléliques nouvelles se retrouvent en proportions minoritaires par rapport aux combinaisons alléliques dites « parentales ». Ces brassages aboutissent à la formation de gamètes aux combinaisons alléliques d'autant plus variées que le nombre de gènes à l'état hétérozygote est élevé chez les parents. La reproduction sexuée permet ainsi la diversification des génomes. 25% III- Analyses génétiques dans l'espèce humaine : Dans le cas de l'espèce humaine, l'identification des allèles portés par un individu se fonde d'abord sur l'étude d'arbres généalogiques. En s'appuyant sur les règles de transmission des caractères héréditaires, on peut ainsi déterminer si un caractère est à transmission autosomiques ou gonosomique⁹, récessive ou dominante. Estimation du risque (échiquier de croisement) . Éventuelle recherche de mutation chez les parents Les avancées en matière de séquençage de l'ADN permettent d'accéder directement au génotype de chaque individu. La constitution de bases de données informatisées a rendu possible l'identification d'associations entre certains gènes mutés et certains phénotypes. NB : on notera la dimension éthique de ce genre de « pratiques sélectives », qui parfois servent au- delà de la dimension relative à la santé du futur enfant. 5 (ou indépendants): se dit de deux gènes présents sur deux paires de chromosomes différentes. 6 Formation de nouvelles combinaisons alléliques du fait d'échanges de portions de chromatides entre chromosomes homologues (crossing-over) au cours de la prophase I de méiose. 7 Se dit de deux gènes présents sur la même paire de chromosomes. 8 Relatif aux chromosomes ne déterminant pas le sexe. 9 Relatif aux chromosomes déterminant le sexe (X et Y). IV-Les accidents génétiques de la méiose : Des anomalies peuvent survenir au cours de la méiose : crossing-over inégaux à l'origine de familles multigéniques, anomalies de la répartition des chromosomes ou des chromatides. Certaines d'entre elles sont sources d'une diversification importante des génomes durant l'évolution biologique. Lors d'un crossing-over inégal, les chromosomes s'apparient incorrectement, impliquant qu'une des chromatides possède une partie de matériel génétique supplémentaire (en double), alors que l'autre chromatide en perd une partie. Prophase I baba b- Séquences répétées b Non disjonction des chromosomes homologues en anaphase 1 -Séparation normale des chromosomes Meiose Métaphase I Lors de l'anaphase 1 ou de l'anaphase 2 de certaines méioses, il arrive que la séparation (disjonction) des chromosomes homologues ou des chromatides d'un chromosome ne se fasse pas. Ces anomalies entraînent l'apparition de gamètes présentant des chromosomes surnuméraires (cellule œuf trisomique) ou sous-numéraires (cellule œuf monosomique). 1º division a] Fragment 2º division b Disjonction normale des chromosomes homologues b a Les chromatides du chromosome se séparent en anaphase 2 mais migrent vers le même pôle cellulaire b PARTIE 1 : Génétique et évolution : Chapitre n°2 : La complexification des génomes ; transferts horizontaux et endosymbioses : I- Les transferts horizontaux d'ADN entre bactéries : Les bactéries ont la capacité d'intégrer de l'ADN de leur environnement et de l'exprimer. Cette capacité est notamment permise par l'universalité de la molécule d'ADN. Les échanges génétiques en l'absence de toute reproduction sont nommés transferts génétiques horizontaux¹0, par contraste avec les transferts génétiques verticaux", liés à la reproduction. Ces transferts peuvent se faire selon trois modalités : - la transformation : intégration d'ADN libéré dans l'environnement; - la transduction ou transfert viral: transfert d'ADN par l'intermédiaire d'un virus (bactériophage) emportant des fragments du génome d'une bactérie donneuse vers une bactérie receveuse ; - la conjugaison : transfert d'ADN entre deux bactéries par l'intermédiaire d'un pont de conjugaison. gène X Liposomes Bactérie morte XX thérapeutique поста ADN gène X Libération d'ADN Bactérie receveuse ADN (chromosome) Transformation adrosol Vecteur Modification des cellules IN VIVO injection intraveneuse intramusculaire, intraperitondale, Bactérie infectée tuée phage (=virus) Solution d'ADN nu Injection ADN du phage Libération du phage et infection Bactérie infectée Transfert viral L'ADN échangé par conjugaison peut être un plasmide, petite molécule circulaire indépendante du chromosome bactérien. On parle d'hérédité cytoplasmique pour qualifier la transmission de caractères par l'intermédiaire de plasmides. Ces échanges génétiques ont d'importantes conséquences sur l'évolution rapide des bactéries, notamment leur résistance aux antibiotiques. Les transferts de gènes horizontaux peuvent aussi être contrôlés par les humains au travers d'applications biotechnologiques pour réaliser des organismes génétiquement modifiés par transgénèse¹2, produire des molécules d'intérêt/pharmaceutique (comme les hormones) ou encore réaliser des thérapies géniques (ci-dessous). Bactérie donneuse ADN (chromosome) plasmide- -pont cytoplasmique Transfert de plasmide Bactérie receveuse Conjugaison Reintroduction des cellules modifiées chez Modification des cellules EX VIVO Prélèvement de cellules malades Culture ex vivo Rétrovirus contenant le gène à transférer 10 Transferts génétiques réalisés entre organismes contemporains en l'absence de toute reproduction. 11 Transferts génétiques d'une génération à l'autre par reproduction (sexuée ou asexuée). 12 Technique de biotechnologie permettant d'intégrer dans le génome d'un organisme un gène d'une autre espèce. II- L'importance des transferts génétiques horizontaux dans l'histoire de la vie : Il existe de nombreux indices montrant des transferts génétiques horizontaux dans d'autres groupes d'êtres vivants que les bactéries, notamment les animaux (on estime que le génome humain contient entre 5 et 8% de gènes d'origine virale). Les principaux arguments utilisés consistent à comparer les séquences de protéines et à rechercher les séquences apparentées (c'est-à-dire les plus semblables). On peut représenter cet apparentement sous forme d'arbres phylogénétiques et ainsi construire des phylogénies ¹3. 0,5 Ga 1,5 G On a montré ainsi que certains caractères (couleur des pucerons ou présence d'un placenta par exemple) sont dus à des gènes hérités d'organismes pouvant être très éloignés phylogénétiquement. Ces nouveaux caractères doivent apporter un avantage sélectif pour être conservés au fil des générations chez les organismes receveurs. Autrement dit, les caractères acquis doivent permettre à leurs porteurs une meilleure survie ou une meilleure reproduction que leurs contemporains et contribuer à augmenter la fréquence des séquences génétiques intégrées dans les populations des générations suivantes. Bactéries HUULL 2,5 Ga. 3,5 Ga III- Les endosymbioses chez les eucaryotes Les organites énergétiques tels que les mitochondries¹4 (chez tous mitochondrie les eucaryotes) et les chloroplastes (chez les eucaryotes photosynthétiques) sont transmis d'une génération à l'autre et présentent des caractéristiques rappelant celles d'une bactérie. La comparaison des génomes mitochondrial et chloroplastique permet de constater que leurs plus proches parents sont respectivement des a-protéobactéries et des cyanobactéries. Mitochondries et chloroplastes sont issus d'endosymbioses ¹5. Archées Eucaryotes 4,5 Ga Temps (milliards d'années) Virus moisissures (champignons) Transfert de gènes de pigments. Puceron (insecte) Endosymbiose à l'origine des chloroplastes Endosymbiose à l'origine des mitochondries Défense anti-prédateurs Humains Chat Transfert d'un gène nécessaire à la mise en place du placenta Mabuya (lézard) Noyau Cla Membrane Membrane Ribosomes ADN externe. interne de type circulaire bactérien chloroplaste Noyau Vacuole L'endosymbiose est fréquente dans l'histoire des eucaryotes où elle joue un rôle important dans leur évolution (voir ci-contre). La cellule hôte intègre une part importante du génome de l'endosymbiote. Ce génome a tendance à régresser au cours des générations, de sorte que la cellule intégrée devienne un organite de la cellule hôte. 13 Étude des liens d'apparentement. On peut établir des phylogénies entre des êtres vivants aussi bien qu'entre des séquences génétiques. 14 Compartiment cytoplasmique limité par une ou plusieurs membranes et assurant une fonction précise. 15 Interaction à bénéfices mutuels entre deux cellules, l'une des cellules étant située à l'intérieur de l'autre. PARTIE 1 : Génétique et évolution : Chapitre n°3 : L'inéluctable évolution des génomes au sein des populations : I- L'équilibre de Hardy-Weinberg: Au début du 20e siècle, Godfrey Hardy et Wilhelm Weinberg ont proposé un modèle théorique probabiliste afin d'étudier l'évolution de la fréquence relative de certains allèles au sein d'une population eucaryote à reproduction sexuée. Connu sous le nom de modèle de Hardy-Weinberg, il s'applique uniquement si cinq conditions préalables sont vérifiées : - absence de sélection naturelle (pas de disparition d'allèle); - pas de mutation (aucun nouvel allèle) ; - pas de migration (pas d'arrivée de nouvel allèle depuis une autre population); - population de grande taille (pas de dérive génétique); - panmixie (pas de sélection sexuelle et reproduction aléatoire). En considérant une population ¹6 comprenant des individus homozygotes dominants (A//A), hétérozygotes (A//a) et homozygotes récessifs (a//a) et en attribuant une fréquence p à l'allèle A et une fréquence q à l'allèle a, on peut établir les relations suivantes : Fréquence des allèles p+q=1 Fréquence des génotypes p² + 2pq+q² = 1 NB: pour un exemple de calcul, se référer ici : exemple Si les conditions sont réunies, le modèle prédit que la fréquence des allèles reste stable d'une génération à l'autre : la population est dite à l'équilibre de Hardy-Weinberg. En outre, la structure génotypique¹7 de la population peut être déterminée directement des fréquences alléliques. Si la population respecte la structure génétique théorique, on dit qu'elle suit la loi de Hardy-Weinberg. II- Les écarts à l'équilibre ou à la structure de Hardy-Weinberg Dans les conditions réelles, l'équilibre de Hardy-Weinberg n'est jamais atteint du fait des forces évolutives et de la complexité des écosystèmes et de leur modifications (catastrophes naturelles, tectonique des plaques...etc.). Ce sont des systèmes présentant des équilibres dynamiques. Un allèle par exemple, apparu par mutation d'un allèle existant, peut conférer un avantage aux individus le possédant. La sélection naturelle¹8 agit alors, ce qui entraîne des modifications des fréquences alléliques. De plus, la taille de la population n'est jamais infinie et dans les populations de petites tailles, les fréquences alléliques varient par le simple effet du hasard : c'est la dérive génétique. 16 Ensemble d'individus appartenant à la même espèce et se trouvant dans un même espace géographique. 17 Ensemble de toutes les fréquences génotypiques. 18 Variation non aléatoire de la fréquence des allèles dans une population. Dans un milieu donné, certains allèles confèrent un avantage à ceux qui les portent, qui ont donc plus de chances de vivre et de se reproduire. La fréquence de ces allèles augmente ainsi dans la population. A fortiori, celle des allèles défavorables diminue. L'existence de préférences sexuelles ¹9 ou de migrations sont aussi des sources de variation des fréquences alléliques. Enfin la structure génétique de la population peut aussi différer de la structure théorique si le régime de reproduction n'est pas aléatoire. Par exemple, l'autofécondation chez les plantes à fleurs 20 produit un excès d'individus homozygotes au détriment des individus hétérozygotes. III- La formation de nouvelles espèces Une espèce²¹ apparait quand une nouvelle population s'individualise et devient génétiquement différente du reste de la population : c'est la spéciation. Elle nécessite l'arrêt des échanges de matériel génétique entre un groupe isolé et le reste de l'espèce pendant un temps variable: on parle d'isolement reproducteur. Celui-ci peut se faire de deux façons : par isolement géographique (on parle de << spéciation allopatrique »>): les individus sont séparés (migration, séparation des niches écologiques...etc.); ▪ sans isolement géographique (on parle de << spéciation sympatrique >>) : les individus sont dans le même écosystème mais ils se séparent à la faveur de phénomènes biologiques (décalage des cycles de reproduction, décalage dans la nutrition, différence de communication...etc.) ou de phénomènes génétiques (modification du caryotype, mutations...etc.). ▪ Les espèces apparaissent donc comme un ensemble hétérogène de populations qui évoluent continuellement dans le temps et où chaque population est génétiquement isolée des autres. IV-Apport du séquençage de l'ADN à l'étude des espèces À l'heure actuelle, les techniques de séquençage des génomes ont progressé de façon importante et permettent de séquencer de très nombreux génomes rapidement. On peut alors : - comparer différentes populations d'une même espèce; - comparer différentes espèces proches afin de reconstituer les migrations, séparations (ex : souris de Madère, Homo Sapiens...etc.); - étudier l'ADN mitochondrial pour retracer la lignée maternelle et envisager les origines des individus ; - réaliser les arbres phylogénétiques afin d'évaluer la proximité de différentes populations au sein d'une espèce mais aussi de différentes espèces les unes par rapport aux autres. Collecte de spécimens Traitement l'ADN et séquençage Amplification par PCR Séquençage du gène haut-débit indicateur Prélèvement Extraction de tissus de l'ADN Analyse des données Croisement avec la base de données Analyse de référence phylogénétique -> Publication et stockage des données Chercheurs 19 On parle de « sélection sexuelle » : l'avantage reproductif prime sur l'avantage de la survie. 20 On parle d'«< autogamie » : les fleurs sont hermaphrodites. 21 Ensemble d'individus qui se reproduisent entre eux (interfécondité) et engendrent une descendance viable et fertile. PARTIE 1 : Génétique et évolution : Chapitre n°4 : La diversification non génétique du vivant : I- Diversification par associations d'individus : Le phénotype d'un être vivant ne résulte pas uniquement de l'expression du génome. Il peut être étendu 22 par le recrutement d'êtres vivants dans le cadre d'associations, qu'elles soient symbiotiques ou pathogènes (parasitisme). Les organismes symbiotiques apportent leurs gènes et leurs capacités à l'hôte. Cela peut protéger ce dernier de pathogènes (microbiote humain), lui apporter une nouvelle fonction métabolique (bactérie Rhizobium des fabacées), favoriser son installation durable dans un milieu ou encore lui conférer une plasticité qui facilite les adaptations (zooxanthelles des coraux). Certaines interactions modifient de façon délétère (nuisible) le phénotype étendu d'êtres vivants. C'est le cas par exemple des parasites des fourmis, qui modifient leur aspect et leur comportement, ou encore du microbiote humain : lorsqu'il est déséquilibré, ce dernier peut en effet contribuer à la survenue de maladies infectieuses chroniques ou l'obésité. Fabacée et bactérie Rhizobium La diversification phénotypique23 des êtres vivants n'est donc pas uniquement due à la diversification génétique. Corail et algues Ces comportements peuvent s'expliquer par la sélection naturelle, dont la sélection sexuelle: ils peuvent apporter un meilleur camouflage contre les prédateurs ou une meilleure attractivité sexuelle. II- Diversification par recrutement de composants de l'environnement Le recrutement d'éléments inertes de l'environnement contribue aussi au phénotype étendu et à la diversification des êtres vivants: constructions (berceaux de l'oiseau jardinier, fourreaux des trichoptères), parures...etc. Berceau- Composants naturels ou artificiels du milieu Nodosités III- Transmission culturelle et évolution biologique Chez certains animaux, les pratiques culturelles sont aussi une source de diversité : chant des oiseaux, utilisation d'outils différents selon les populations, langues dans les sociétés humaines, etc. Ces traits sont transmis par apprentissage de génération en génération, ou entre contemporains. Ils subissent une évolution : l'innovation d'une pratique peut être sélectionnée ou non, ou être perdue par hasard, même si elle confère un avantage à la survie et la reproduction. Certains traits culturels comme la langue chez les humains limitent les échanges entre populations, ce qui maintient voire accentue leurs différences génétiques. Certains traits culturels contribuent donc à diversifier les populations : l'évolution culturelle influence l'évolution biologique. 22 Phénotype étendu : concept selon lequel le phénotype ne doit pas être limité au seul résultat de l'expression des gènes mais étendu à toutes les manifestations qui en découlent, comme le comportement de l'individu dans son environnement. 23 Augmentation du nombre de caractères présents dans une population ou une espèce considérée.