Embed Size (px)
Citation preview
CHAPITRE 1 : LE BRASSAGE GÉNÉTIQUE ET LA DIVERSITÉ DES GÉNOMES
RAPPELS : STRUCTURE DE L'INFORMATION GÉNÉTIQUE
RAPPELS : STRUCTURE DE L'ADN Il existe différentes représentations possibles pour l'ADN.
Sucre : Désoxyribose
Acide phosphorique
Base Nucléique ou base azotée
Les constituants sont :
Il existe 4 bases azotées différentes : • A pour Adénine • G pour Guanine • T pour Thymine • C pour Cytosine
L'ensemble d'un acide phosphorique associé à un désoxyribose et à une base azotée forme un nucléotide Les nucléotides sont
complémentaires deux à deux entre les deux brins de l'ADN. Ainsi A est toujours lié à T et G toujours lié à C.
Structure en double hélice
Au début de la mitose chaque chromosome est constitué de deux chromatides réunies par le centromère. Chaque chromatide correspond à une molécule d’ADN condensée. L’état condensé assure une répartition correcte des molécules d’ADN dans chaque cellule. En fin de mitose, on obtient un chromosome à une chromatide, une molécule d’ADN qui commence à se décondenser, les cellules retournent en interphase
RAPPEL : LES CHROMOSOMES AU COURS D'UN CYCLE CELLULAIRE
G1 S G2 M
Interphase
Une molécule décondensée : chromatine
Duplication, fabrication d’une nouvelle molécule d’ADN identique. Les deux molécules sont reliées par le centromère
Condensation des 2 molécules d'ADN dupliquées sous la forme d'un chromosome à deux chromatides
Chromosome à une chromatide en cours de décondensation
RAPPEL : LA MITOSE
Prophase : Condensation des molécules d’ADN sous forme de chromosomes à 2 chromatides
Métaphase : alignement des chromosomes à 2 chromatides sur le plan équatorial de la cellule
Anaphase : Cassure du centromère et migration des chromatides de chaque chromosome à un pôle opposé de la cellule
Télophase : Séparation de la cellule mère en 2 cellules filles au même programme génétique (2n=4). Décondensation du programme génétique
Avec ce mécanisme, l'information génétique est conservée, il n'y a donc pas de diversité génétique possible.
Il faut donc d'autres mécanismes qui permettent de maintenir le bagage chromosomique d'une espèce tout en assurant une certaine diversité.
Il s'agit de la méiose et de la fécondation
CYCLE BIOLOGIQUE D'UNE ESPÈCE DIPLOÏDE ET STABILITÉ DE L'ESPÈCE
Adulte
Cellule œuf
Gamètes haploïdes (ex.
ovule et spermatozoïdes)
Adulte Phase
diploïde
Phase haploïde
La reproduction sexuée est donc marquée par deux évènements compensateurs : la méiose et la fécondation. La méiose assurant le passage de la phase diploïde (2n) à la phase haploïde (n). La fécondation rétablit la diploïdie en réunissant les lots haploïdes des gamètes d’une même espèce, elle assure donc le passage de la phase haploïde à la phase diploïde.
La méiose : le passage de la phase diploïde à la phase haploïde
Variation de la quantité d'ADN au cours de la méiose
Une molécule décondensée : chromatine
Duplication, fabrication d’une nouvelle molécule d’ADN identique. Les deux molécules sont reliées par le centromère Méiose
Chromosome à deux chromatides
Chromosome à une chromatide
La 1ère diminution de la quantité d'ADN correspond à la séparation des chromosomes homologues. La 2ème diminution correspond à la séparation des chromatides
Q
Compléter le schéma suivant en prenant pour exemple une espèce ayant pour caryotype 2n=4. Vous différencierez les paires de chromosomes par des tailles différentes et les chromosomes homologues par des couleurs différentes.
Le cycle chromosomique de la reproduction sexuée
Les brassages chromosomiques
P1 : Drosophile de souche sauvage [Ailes longues – corps gris-jaune]
P2 : Drosophile mutante [Ailes vestigiales – corps sombre]
F1 : Drosophiles : [Ailes longues – corps gris-jaune]
Le phénotype des F1 montre que les allèles : Ailes longues et corps gris-jaune dominent les allèles Ailes vestigiales et corps sombre
P2 : Drosophile mutante [Ailes vestigiales – corps sombre]
F1 : Drosophiles : [Ailes longues – corps gris-jaune]
Les brassages chromosomiques
Drosophiles : [Ailes longues – corps gris-
jaune]
Drosophiles : [Ailes vestigiales – corps
sombre]
Drosophiles : [Ailes vestigiales – corps
gris-jaune]
Drosophiles : [Ailes longues– corps
sombre]
Les brassages chromosomiques
Phénotypes [Ailes longues – corps gris/jaune]
[Ailes vestigiales – corps sombre]
[Ailes vestigiales – corps gris/jaune]
[Ailes longues – corps sombre]
Quantités dénombrées
Pourcentages ~ 25% ~ 25% ~ 25% ~ 25%
Croisement 1
Croisement 2
Phénotypes [Ailes longues – corps gris/jaune]
[Ailes vestigiales – corps sombre]
[Ailes vestigiales – corps gris/jaune]
[Ailes longues – corps sombre]
Quantités dénombrées
Pourcentages ~ 40% ~ 40% ~ 10% ~ 10%
Quelle est l'origine de cette différence de pourcentage entre le résultat des deux croisements ?
Les brassages chromosomiques
Pour le croisement 1
L'obtention d'une F1 homogène indique que les parents à l'origine de cette génération sont forcément homozygotes, ils ne produisent qu'un seul type de gamètes.
Génotype de P1 : ( 𝑉𝑉𝑉𝑉+𝑉𝑉𝑉𝑉+
;𝑒𝑒𝑒𝑒+𝑒𝑒𝑒𝑒+
) Génotype de P2 : ( 𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉
;𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒
)
Le gène longueur des ailes est sur le chromosome 2. Le gène couleur du corps (ebony) est sur le chromosome 3. Les gènes étudiés ne sont pas donc sur les mêmes chromosomes.
Remarque concernant l'écriture des génotypes : les gènes étudiés étant sur deux chromosomes différents, on sépare les couples d'allèles lors de l'écriture du génotype comme écrit précédemment. Si les gènes avaient été sur le même chromosome, on aurait écrit de la manière suivante :
( 𝑉𝑉𝑉𝑉+;𝑒𝑒𝑒𝑒+𝑉𝑉𝑉𝑉+;𝑒𝑒𝑒𝑒+
) En effet, chaque barre de la fraction correspond symboliquement à un chromosome.
Pour le croisement 1
eb+ eb+ Vg+ Vg+
P1
Méiose simplifiée
eb+ Vg+
eb eb Vg Vg
P2
Méiose simplifiée
eb Vg
Gamètes de P1 Gamètes de P2
eb+ eb Vg+ Vg
On obtient F1 hétérozygotes pour les gènes étudiés.
Génotype : ( 𝑉𝑉𝑉𝑉+𝑉𝑉𝑉𝑉
;𝑒𝑒𝑒𝑒+𝑒𝑒𝑒𝑒
) Phénotype : [Vg+; eb+]
Pour le croisement test n°1
eb+ eb Vg+ Vg
eb eb Vg Vg
P2 F1
Méiose simplifiée
On obtient 4 types de gamètes en quantité équiprobable
eb+ Vg+
eb Vg eb+
Vg
eb Vg+
Méiose simplifiée
eb Vg
Gamètes Vg+ , eb+ Vg , eb Vg , eb+ Vg+ , eb
Vg , eb ( 𝑉𝑉𝑉𝑉+𝑉𝑉𝑉𝑉
;𝑒𝑒𝑒𝑒+𝑒𝑒𝑒𝑒
) ( 𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉
;𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒
) ( 𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉
;𝑒𝑒𝑒𝑒+𝑒𝑒𝑒𝑒
) ( 𝑉𝑉𝑉𝑉+𝑉𝑉𝑉𝑉
;𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒
)
Phénotype [Vg+ ; eb+] 25 %
[Vg ; eb ] 25 %
[Vg ; eb+ ] 25 %
[Vg+ ; eb ] 25%
Echiquier de croisement ou tableau de croisement
A quelle étape de la méiose se forme ces différentes associations ???
eb+ eb Vg+ Vg
Vg+ Vg+ Vg Vg
eb eb eb+ eb+
Vg+ Vg+
eb+ eb+
Vg Vg
eb eb
On obtiendra en fin de méiose les gamètes (Vg+; eb+) et (Vg ; eb)
Métaphase 1
ou
eb+ eb Vg+ Vg
Vg+ Vg+ Vg Vg
eb eb eb+ eb+
Vg+ Vg+
eb+ eb+
Vg Vg
eb eb
On obtiendra en fin de méiose les gamètes (Vg+; eb) et (Vg ; eb+)
Pour le croisement 2
P1
Méiose simplifiée
P2
Méiose simplifiée
Gamètes de P1
Gamètes de P2
On obtient F1 hétérozygotes pour les gènes étudiés.
Génotype : ( 𝑉𝑉𝑉𝑉+;𝑒𝑒+𝑉𝑉𝑉𝑉 ; 𝑒𝑒
) Phénotype : [Vg+; b+]
On remarque que les gènes sont, cette fois, sur le même chromosome (n°2). On a donc les cellules suivantes :
Vg+
b+
Vg+
b+
Vg+
b+
Vg
b
Vg
b
Vg
b
Vg+
b+
Vg
b
Méiose simplifiée
Vg
b
Vg
b
Vg
b
Vg+
b+
Vg
b
Pour le croisement test n° 2
F1 P2
Méiose simplifiée
On s'attend à obtenir deux types de gamètes… mais ce n'est pas le cas.
Vg+
b+
On obtient deux types de gamètes en fortes proportions
Vg
b
On obtient deux types gamètes en faibles proportions
Vg
b+
Vg+
b
Gamètes Vg+ , b+ Vg , b Vg , b+ Vg+ , b
Vg , b ( 𝑉𝑉𝑉𝑉+;𝑒𝑒+𝑉𝑉𝑉𝑉 ; 𝑒𝑒
) ( 𝑉𝑉𝑉𝑉;𝑒𝑒𝑉𝑉𝑉𝑉 ; 𝑒𝑒
) ( 𝑉𝑉𝑉𝑉 ; 𝑒𝑒+𝑉𝑉𝑉𝑉 ; 𝑒𝑒
) ( 𝑉𝑉𝑉𝑉+;𝑒𝑒𝑉𝑉𝑉𝑉 ; 𝑒𝑒
)
Phénotype [Vg+ ; b+] 40 %
[Vg ; b ] 40 %
[Vg ; b+ ] 10 %
[Vg+ ; b ] 10%
Echiquier de croisement ou tableau de croisement
???
Paire de chromosomes homologues en prophase 1
Schéma d’interprétation
Pour expliquer la formation de ces deux types de gamètes, on observe le phénomène suivant :
Il semble y avoir des liaisons entre les deux chromosomes d'une même paire lors de la prophase 1
Pour expliquer l'apparition des combinaisons génétiques précédentes en faible proportion, on peut supposer que lors de la prophase 1, il y a des échanges de portions de chromatides et donc d'allèles.
Vg+
b+
Vg+
b
Vg
b+
Vg
b
Appliquons ce mécanisme au cas du croisement 2 Chez F1, en prophase 1 on a :
Crossing-over
Echange réciproque de portions de chromatide entre deux chromatides appartenant à deux chromosomes homologues
Fin de prophase 1
Fin de méiose 1
Fin de méiose 2
Pourquoi l'obtention de pourcentage si différents ?
La méiose sans les crossing over forme, pour les gènes étudiés, seulement deux types de gamètes :
Vg+
b+
Vg
b
Or celle-ci est bien plus fréquente que la méiose avec crossing over entre les deux gènes étudiés et qui forme 4 types de gamètes :
Vg+
b+
Vg
b
Vg
b+
Vg+
b
Ainsi la formation des gamètes (Vg ; b+) et (Vg+ ; b) est rare, ce qui explique la faible proportion d'individus obtenus lors du test-cross avec ces gamètes.
On parle de gamètes de types parentales : Vg+
b+
Vg
b
Et de gamètes de types recombinés : Vg
b+
Vg+
b
Bilan : Le croisement 1 illustre le brassage interchromosomique Les résultats du croisement test montrent que les individus F1 sont hétérozygotes alors que les P2 sont homozygotes. Le pourcentage de phénotypes parentaux par rapport aux phénotypes recombinés montre que les gènes étudiés sont non liés . La variabilité génétique obtenue dans les gamètes de F1 s’effectue lors de la métaphase 1 de la méiose. Le croisement 2 illustre le brassage intrachromosomique. Les résultats du croisement test montrent que les individus F1 sont hétérozygotes alors que les P2 sont homozygotes. Le pourcentage de phénotypes parentaux par rapport aux phénotypes recombinés montre que les gènes étudiés sont liés. La variabilité génétique obtenue dans les gamètes de F1 s’effectue lors de prophase 1 de la méiose.
Exemple : Avec 3 gènes : A, B et D. Les gènes A et B sont liés, l’autre gène D est situé sur une autre paire de chromosome. Pour chaque gène, il existe deux allèles : A et a, B et b et D et d. Complétez le schéma ci-dessous illustrant le brassage interchromosomique.
d d D D
A A
B B
a a
b b
d d D D
A A
B B
a a
b b
d d D D
A A
B B
a a
b b
ou Métaphase 1
La disposition aléatoire des chromosomes de part et d'autre du plan équatorial de la cellule lors de la métaphase 1 est à l'origine d'une première diversité génétique
Exemple : Avec 3 gènes : A, B et D. Les gènes A et B sont liés, l’autre gène D est situé sur une autre paire de chromosome. Pour chaque gène, il existe deux allèles : A et a, B et b et D et d. Complétez le schéma ci-dessous sans effectuer de crossing over, puis compléter le schéma suivant en effectuant et en représentant un crossing-over. Qu’en concluez-vous ?
d d D D
A A
B B
a a
b b
d d D D
A A
B B
a a
b b
d d D D
A A
B B
a a
b b
ou Métaphase 1
Sans Crossing Over D
A B
d a b
d A B
D a b
d d D D
A A
B B
a a
b b
d d D D
A A
B b
a a
B b
Prophase 1
Avec Crossing Over D
A B
D A b
d a B
d a b Et si on ajoute à ce brassage intrachromosomique
les effets du brassage interchromosomique.
d d D D
A A
B B
a a
b b
d d D D
A A
B b
a a
B b
Métaphase 1
Avec Crossing Over et brassage interchromosomique
d A B
d A b
D a B
D a b
Au final, on obtient 8 types de gamètes différents : (AB,D) ; (ab, d) ; (Ab,D) ; (aB,d) ; (AB, d) ; (Ab,d) ; (aB,D) et (ab, D)
Les brassages interchromosomique et intrachromosomique sont bien une source de diversité génétique.
Dans le cas du brassage interchromosomique, la création de nouvelles combinaisons alléliques équiprobables est d’autant plus importante que le nombre de chromosomes de l’espèce est élevé. Ainsi, avec 2 paires de chromosomes, on obtient 4 combinaisons alléliques équiprobables (cf. Brassage interchromosomique), soit 22. Avec 23 paires de chromosomes, on obtient 223 = 8 388 608 combinaisons alléliques possibles.
On observe une nouvelle diversification au moment de la fécondation. Elle est liée au hasard de la rencontre des gamètes : l'association aléatoire des gamètes, tous différents génétiquement, participe à la création de nouveaux génotypes. Dans l’espèce humaine, en ne considérant par exemple uniquement les combinaisons alléliques issues d’un brassage interchromosomique, le nombre de cellules-œufs potentiellement différentes après fécondation est : 223 x 223 = 70 000 milliards de combinaisons possibles !!!
Conséquences du brassage génétique
Echiquier de croisement en en prenant en compte que deux couples d'allèles
Gamètes mâles
Gamètes femelles
(A,B) (a,b) (A,b) (a,B)
(A,B) ( 𝐴𝐴�̅�𝐴;𝐵𝐵𝐵𝐵� )
[A,B]
( 𝐴𝐴𝑎𝑎�;𝐵𝐵𝑒𝑒 )
[A,B]
( 𝐴𝐴�̅�𝐴;𝐵𝐵𝑒𝑒� )
[A,B]
( 𝐴𝐴𝑎𝑎�;𝐵𝐵𝐵𝐵� )
[A,B]
(a,b) ( 𝐴𝐴𝑎𝑎�;𝐵𝐵𝑒𝑒 )
[A,B]
( 𝑎𝑎𝑎𝑎�;𝑒𝑒𝑒𝑒� )
[a,b]
( 𝐴𝐴𝑎𝑎�;𝑒𝑒𝑒𝑒� )
[A,b]
( 𝑎𝑎𝑎𝑎�;𝐵𝐵𝑒𝑒� )
[a,B]
(A,b) ( 𝐴𝐴�̅�𝐴;𝐵𝐵𝑒𝑒� )
[AB]
( 𝑎𝑎�̅�𝐴;𝑒𝑒𝑒𝑒� )
[A,b]
( 𝐴𝐴�̅�𝐴;𝑒𝑒𝑒𝑒� )
[A,b]
( 𝑎𝑎�̅�𝐴;𝐵𝐵𝑒𝑒� )
[A,B]
(a,B) ( 𝐴𝐴𝑎𝑎�;𝐵𝐵𝐵𝐵� )
[AB]
( 𝑎𝑎𝑎𝑎�;𝑒𝑒𝐵𝐵� )
[a,B]
( 𝐴𝐴𝑎𝑎�;𝑒𝑒𝐵𝐵� )
[A,B]
( 𝑎𝑎𝑎𝑎�;𝐵𝐵𝐵𝐵� )
[a,B] Soit 9/16 de [A,B]
Soit 3/16 de [A,b] Soit 3/16 de [a,B] Soit 1/16 de [a,b]
Les anomalies de la méiose : constitution d'une famille multigénique Comparaison des différentes chaines de globine avec la chaine Epsilon (référence)
Globines Epsilon Gamma A
Gamma G Delta Beta Alpha 1 Alpha 2 Zeta Theta
Epsilon 80.3 % 79.6 % 72.8 % 75.5 % 38.7 % 38.7 % 40.1 % 37.3 %
La comparaison indique qu'il existe deux groupes dont les séquences sont assez proches (Epsilon, Gamma A et G, Delta et Beta) et un autre groupe (Alpha 1 et 2, Zeta et Théta).
Le document 3 montre que les deux groupes mis en évidence sont actuellement sur deux chromosomes distincts le 11 et le 16.
Le document 2 nous rappelle la constitution d'une famille multigénique. A partir d'un gène ancestral unique qui ce serait dupliqué et dont l'une des copies aurait migré sur un autre chromosome (transposition). Ce mécanisme de duplication – transposition peut se répéter au fil du temps. La copie peut ensuite diverger de l'original en accumulant des mutations. Plus la divergence entre les deux gènes est ancienne, plus les différences de séquences sont importantes.
On peut donc supposer qu'un gène ancestral unique a été dupliqué, l'original est resté sur le chromosome 11 (par exemple, l'autre s'est transposé sur le 16). Ces deux gènes sont à l'origine des deux groupes mis en évidence précédemment. Ainsi, le gène ancestral sur le chromosome 11 a subi plusieurs duplications (la transposition restant sur le même chromosome) et chaque copies ainsi formées a subie plusieurs mutations. De même pour la copie située sur le chromosome 16.
Les anomalies de la méiose : constitution d'une famille multigénique
Duplication et translocation
Duplication et transposition
Duplication et transposition Duplication et transposition
Duplication et transposition
Les anomalies de la méiose : constitution d'une famille multigénique Le mécanisme de duplication de gène s'explique lors d'une anomalie de la méiose. Lors de la prophase 1, on observe des crossing over, c'est-à-dire des échanges de chromatides entre deux chromosomes homologues. Cet échange est normalement totalement égal. Mais dans ce cas, le crossing over est inégal . Ainsi au lieu d'échanger un allèle contre un autre pour le même gène, une chromatide va récupérer l'allèle de l'autre chromosome homologue. On obtient un chromosome avec une chromatide contenant deux allèles du même gène et l'autre chromosome de la paire se retrouve sans allèle du gène.
(21,21,X) Caryotype des
gamètes
Caryotype de la cellule œuf
Trisomie 21
Non disjonction de la paire 21 lors de la 1ère division de méiose
(21,21,X) (ø,X) (ø,X)
(21,21,21,X,X) (21,21,21,X,X) (ø,21,X,X) (ø,21,X,X)
(21,21,X) Caryotype des
gamètes
Caryotype de la cellule œuf
Trisomie 21
Non disjonction des 2 chromatides du chromosome 21 lors de la 2ème division de méiose
(ø,X) (21,X) (21,X)
(21,21,21,X,X) (ø,21,X,X) (21,21,X,X) (21,21,X,X)
(21, ø) Caryotype des
gamètes
Caryotype de la cellule œuf
Syndrome de Turner
Non disjonction des 2 chromatides du chromosome X lors de la 2ème division de méiose
(21,X,X) (21,X) (21,X)
(21,21,ø,X) (21,21, X,X,X) (21,21,X,X) (21,21,X,X)
