Génétique formelle

Université de Provence – CTES – Génétique UE3-4/4TV3BI34

Génétique formelle ou Mendélienne et Génétique des Populations  Introduction 1) Définition et objet de la génétique

Il ne faut pas confondre génétique et hérédité. Le premier est l'étude du second. En effet, la génétique (dont le terme date de 1906, Bateson) est la branche de la biologie qui étudie l'hérédité des caractères, c’est-à-dire la transmission des caractères biologiques de génération en génération. Il faut exclure les caractères culturels et comportementaux qui sont d’un abord très complexe et qui donnent lieu à de violentes polémiques comme par exemple le débat sur l’hérédité de l’intelligence. l’intelligence. Chaque descendant porte des caractères biologiques qui lui font ressembler à ses deux parents. Ces caractères sont extrêmement variés. Ils peuvent être : visibles et qualitatifs : - couleur des yeux - couleur de la peau visibles et quantitatifs : - taille - poids invisibles : - groupes sanguins Les caractères sont des traits d'un individu ou d'un espèce qu'on peut décrire selon certaines caractéristiques. Il faut distinguer les caractères héréditaires d'un individu et ceux d'une espèce. Les caractères qui se retrouvent chez tous les individus d'une espèce sont les caractères de l'espèce. exemple : la fleur du pois possède une gousse qui renferme les graines. Les caractères qui ne se retrouvent que chez certains individus sont des caractères individuels. exemple : les graines de pois peuvent être jaunes ou vertes, ridées ou lisses. Ce qui va compliquer l’analyse, c’est que l’expression de ces caractères peut dépendre des conditions du milieu qu’elles soient externes : environnement de l’individu ou internes : environnement génétique au sein de l’individu. La génétique s’efforce donc d’élucider les mécanismes qui assurent la transmission de ces caractères d’une génération à l’autre. Ces mécanismes doivent posséder 2 caractéristiques fondamentales : - ils doivent assurer la permanence de l’espèce d’une génération à l’autre. La reproduction se fait à l’intérieur de l’espèce et l’espèce constitue en principe un « espace génétiquement fermé ». - ils doivent autoriser une certaine variation à l’intérieur de l’espèce, car tous les individus sont différents. La variation entre 2 générations correspond à l’adaptation, ce qui conduit à la notion d’évolution.

Cours de Génétique Formelle Formelle - Auteur Josiane Aubert et Emese Emese Meglécz (emese.meglecz (emese.meglecz@univ-provenc @univ-provence.fr) e.fr)

1

Université de Provence – CTES – Génétique UE3-4/4TV3BI34

 2) Historique

Avant 1900 1860 MENDEL Lois de transmission des caractères

1900-1929

1930-1949

1900 Redécouverte des lois de Mendel

WEISMANN MORGAN Théorie chromosomique de l’hérédité

Biologie Moléculaire DOBZHANSKI MAYR SIMPSON HUXLEY

Théorie synthétique de l’évolution 1920 Découverte des chromosomes

1950-…

1953 WATSON CRICK Découverte de la conformation de la molécule d’ADN

Génétique Moléculaire

1918 FISCHER Mathématicien Fondateur de la Génétique des Populations

Biométrie

Néodarwinisme

1809-1882 DARWIN Théorie de l’évolution

Cours de Génétique Formelle Formelle - Auteur Josiane Aubert et Emese Emese Meglécz (emese.meglecz (emese.meglecz@univ-provenc @univ-provence.fr) e.fr)

2

Université de Provence – CTES – Génétique UE3-4/4TV3BI34

 2) Historique

Avant 1900 1860 MENDEL Lois de transmission des caractères

1900-1929

1930-1949

1900 Redécouverte des lois de Mendel

WEISMANN MORGAN Théorie chromosomique de l’hérédité

Biologie Moléculaire DOBZHANSKI MAYR SIMPSON HUXLEY

Théorie synthétique de l’évolution 1920 Découverte des chromosomes

1950-…

1953 WATSON CRICK Découverte de la conformation de la molécule d’ADN

Génétique Moléculaire

1918 FISCHER Mathématicien Fondateur de la Génétique des Populations

Biométrie

Néodarwinisme

1809-1882 DARWIN Théorie de l’évolution

Cours de Génétique Formelle Formelle - Auteur Josiane Aubert et Emese Emese Meglécz (emese.meglecz (emese.meglecz@univ-provenc @univ-provence.fr) e.fr)

2

Université de Provence – CTES – Génétique UE3-4/4TV3BI34

La démarche de la génétique formelle est particulière. Elle analyse la transmission des variations pour comprendre les mécanismes qui assurent la permanence et la multiplication des êtres vivants. Par exemple, dans les expériences de Mendel, on se sert d’individus anormaux (couleur jaune, aspect ridé), pour comprendre les mécanismes de transmission de la couleur et de la forme. La génétique des populations suit la circulation du matériel génétique dans les populations. Ses méthodes reposent essentiellement sur les mathématiques et les statistiques. Elle permet de comprendre la structure génétique des populations et surtout les mécanismes de l’évolution. La génétique moléculaire s’efforce de suivre, au niveau biochimique, la séquence des événements et des réactions qui se produisent entre le gène et la manifestation du caractère. A la limite, c’est plutôt une branche de la biologie cellulaire.  3) La reproduction

La circulation du matériel génétique d’une génération à l’autre, donc la transmission des caractères héréditaires, héréditaires, se fait par le processus de reproduction reproduction qui existe sous 2 formes : - la reproduction asexuée : C’est le mode le plus simple et le plus rapide. Ce mode est répandu chez certaines plantes. Son inconvénient est qu’il ne permet pas de variation mis à part les mutations, puisqu’il n’y a pas de recombinaison au niveau méiotique, et pas non plus de brassage entre les génomes parentaux. Ce mode de reproduction est très commode pour coloniser rapidement un milieu. Toutefois, on trouve rarement des espèces qui utilisent uniquement ce mode de reproduction, ce qui montre bien l’importance de la variation. - la reproduction sexuée : Elle existe dans la quasi-totalité quasi-totalité du monde vivant vivant et elle est de loin loin le mode le plus courant courant de reproduction chez les vertébrés. Le schéma général est le suivant :

Il y a alternance d’une diplophase, où le matériel génétique se trouve en 2 exemplaires dans MEIOSE Réduction chromatique Mélange du matériel génétique

Individu 2n

Individu 2n

DIPLOPHASE

Gamètes n

Gamètes n

HAPLOPHASE

FECONDATION Individu 2n

chaque cellule, et d’une haplophase où il est en un seul exemplaire. Suivant les cas, l’une ou l’autre phase est plus développée, mais on remarque que la diplophase prend de l’importance au détriment de l’haplophase chez les organismes les plus complexes. Chez les mammifères, l’haplophase est limitée aux seuls gamètes mâles et femelles, qui ne se divisent pas. Il n’y a donc pas de mitose haploïde, le cycle est dit dans ce cas, diplobiontique.

Le brassage du matériel génétique se fait à deux niveaux : meïose et fécondation.

Cours de Génétique Formelle Formelle - Auteur Josiane Aubert et Emese Emese Meglécz (emese.meglecz (emese.meglecz@univ-provenc @univ-provence.fr) e.fr)

3

Université de Provence – CTES – Génétique UE3-4/4TV3BI34

- au niveau de la meïose, le matériel génétique est entièrement réorganisé. Chaque gamète contient une combinaison génétique n’ayant jamais existé et qui n’existera plus. Cette réorganisation au niveau de la meïose se fait selon deux processus : - le brassage interchromosomique qui est dû à la disposition aléatoire des chromosomes qui proviennent de chacun des deux parents sur la plaque métaphasique. Chez l’homme, du fait que l’on a 23 paires de chromosomes, il existe 23 2 possibilités, soit 8 388 608. - Le brassage intrachromosomique qui est dû au phénomène de crossing-over, qui se fait au niveau génique cette fois. Il y a environ 50 000 gènes dans chaque cellule de l’espèce humaine, 5 000 chez la drosophile. - au niveau de la fécondation : Sauf dans le cas d’autofécondation, les gamètes proviennent d’individus différents. Si l’on considère uniquement le brassage interchromosomique, la rencontre de deux individus 13 différents peut générer (8.388.608)² enfants différents dans l’espèce humaine soit 7. 10 .  4) Rappel des définitions fondamentales

Vous avez vu en génétique moléculaire ce qu’est un gène. Vous avez étudié le fonctionnement normal du gène et les différentes fonctions qu’il peut avoir, synthèse d’ARNm, d’ARNt, d’ARNr, intron ou séquence non codante. Rappelons qu’en génétique formelle, nous utilisons la variation du gène pour comprendre les mécanismes de sa transmission à la descendance. En effet, au sein d’une espèce, la plupart des gènes existent sous de nombreuses formes que l’on appelle des allèles. Prenons comme exemple le système sanguin ABO chez l’homme : On observe 4 groupes sanguins principaux chez l’homme, A, B, O et AB. Il est possible de déterminer le groupe d’un individu à partir d’une analyse de sang. Ce qui est observable constitue le phénotype d’un individu. Par convention, on note le phénotype entre crochets. L’analyse moléculaire a montré qu’il existe 3 formes du gène, donc 3 allèles, qui sont nommés IA, IB, IO. Ces 3 allèles constituent une série allélique. Les individus sont diploïdes (chromosomes par paires), ils possèdent donc 2 exemplaires de chaque gène. Avec 3 allèles pour un gène, il existe donc 6 possibilités de combinaisons.

Allèles identiques IA IA IB IB Homozygotes IO IO

Allèles différents IA IB IA IO Hétérozygotes IB IO

Cours de Génétique Formelle - Auteur Josiane Aubert et Emese Meglécz ([email protected])

4

Université de Provence – CTES – Génétique UE3-4/4TV3BI34

L’énoncé des allèles situés sur les 2 chromosomes de l’individu constitue le génotype. Si l’on examine les correspondances entre phénotypes et génotypes :

Génotypes IA IA, IA IO IB IB, IB IO IO IO IA IB

Phénotypes [A] [B] [O] [AB]

[A] Tout se passe comme si I O ne s’exprimait pas. On dit que I A est dominant par rapport à I O qui est récessif. Par conséquent, des individus de même phénotype peuvent avoir des génotypes différents. [B] idem De ce fait, les individus de phénotype [O] sont forcément de génotype I O IO. [AB] Quand les allèles I A et IB sont présents ensemble, ils s’expriment tous les deux, on dit qu’ils sont codominants. Génétique formelle 1)  Les expériences et les lois de Mendel 

a) Les expériences de Mendel Dans les années 1860, Gregor Mendel qui était moine eut l’idée d’étudier la transmission d'un seul caractère à la fois grâce à la reproduction des pois ( Pisum sativum ). En contrôlant minutieusement les variables à chaque fois qu'il répétait une expérience, il recueillit ainsi un grand nombre de renseignements statistiques grâce auxquels il parvint à élaborer ses premières lois de l'hérédité en 1866. Ces lois sont toujours utilisées de nos jours. On peut dire que les travaux de Mendel sont à la base de la science qu’est la Génétique. Le pois est une espèce végétale qui est capable à la fois d’autofécondation et de fécondation croisée. Le travail a été réalisé en deux temps : - Obtention de « souches pures » par autofécondation : ce sont des souches homozygotes pour le caractère considéré. En fait, on démontre facilement que l’autofécondation conduit en quelques générations à l’obtention de races pures. (Voir en TD) - Choix et croisement par fécondation croisée de souches qui diffèrent par des caractères simples. Les plus connus de ces caractères chez le pois sont la couleur des graines (jaune ou verte), et la forme des graines (lisse ou ridée). Heureusement pour Mendel, ces différences ne sont dûes qu’à un seul gène avec 2 allèles à chaque fois, ce qui constitue le cas le plus favorable pour l’étude de la transmission des caractères simples. b) Expériences de monohybridisme et 1ère loi de Mendel Souches pures ne différant que par un seul caractère : Parents pois lisses x pois ridés

Cours de Génétique Formelle - Auteur Josiane Aubert et Emese Meglécz ([email protected])

5

Université de Provence – CTES – Génétique UE3-4/4TV3BI34

F1 = 100% pois lisses F1 x F1 pois lisses x pois lisses F2 = 5474 lisses et 1850 ridés

Constatations - Le caractère ridé est présent chez les parents et à la deuxième génération, mais absent en F1. La F1 indique que le caractère lisse est dominant sur le caractère ridé. - La proportion de lisses en F2 est de 2,96/4, soit à peu près ¾. - Le fait que le caractère ridé, non visible en F1, réapparaisse en F2 indique qu’il est contenu, à l’état latent, chez les individus de F1. Interprétation génétique Les caractères lisses et ridés sont déterminés par 2 allèles d’un même gène, qu’on nommera L pour lisse et l pour ridé. Par convention, on notera toujours les allèles dominants par une lettre majuscule et les allèles récessifs par la même minuscule. Dans la notation des génotypes, on place toujours le dominant avant le récessif. Les parents sont diploïdes, de souche pure donc homozygotes. LL x ll Production respective de Gamètes L et de Gamètes l La fécondation produit des individus de génotype Ll

Meïose et production des gamètes avec disjonction des caractères

½ gamètes L ½ gamètes l

Fécondations possibles 1/2L x 1/2L ¼ LL 1/2l x 1/2l ¼ ll 1/2L x 1/2l ¼ Ll 1/2l x 1/2L ¼ Ll Soit ¼ LL, ½ Ll et ¼ ll On peut facilement retrouver ces résultats grâce à un échiquier de gamètes, mais il ne faut pas oublier que ce raisonnement n’est valable que parce que les croisements se font au hasard.

Cours de Génétique Formelle - Auteur Josiane Aubert et Emese Meglécz ([email protected])

6

Université de Provence – CTES – Génétique UE3-4/4TV3BI34

½L

½l

½L

¼ LL

¼ Ll

½l

¼ Ll

¼ ll

ère

1 loi de Mendel : principe de ségrégation des caractères Les deux allèles d’un même gène portés par une paire de chromosomes homologues se disjoignent lors de la formation des gamètes, de telle manière qu’une moitié des gamètes porte un des chromosomes donc un des allèles, et la moitié restante l’autre. Les individus descendants sont formés par combinaison au hasard des gamètes provenant de chacun des parents. Cette découverte de Mendel est extrêmement importante car elle permet de prédire le phénotype des descendants. Si deux individus hétérozygotes se rencontrent, on peut prédire qu’il y aura 75% de leurs descendants qui auront le caractère dominant et 25% le récessif, à condition bien sûr qu’il y ait suffisamment de descendants pour pouvoir faire des statistiques. c) Expériences de dihybridisme et 2ème loi de Mendel Mendel fit une seconde série d'expériences à partir de plants de souche pure. Cette fois-ci il observa la transmission de 2 caractères simultanément, la forme de la graine et la couleur de la graine. Les plants possédaient les caractéristiques suivantes : - Graine ridée ou lisse. - Graines jaunes ou vertes. Parents pois lisses verts x pois ridés jaunes F1 = 100% pois lisses jaunes – autopollinisation F2 = 315 lisses jaunes 108 lisses verts 101 ridés jaunes 32 ridés verts

Constatations - Le caractère ridé et le caractère vert sont présents chez les parents et à la deuxième génération, mais absents en F1. La F1 indique que le caractère lisse est dominant sur le caractère ridé, et que le caractère jaune est dominant sur le caractère vert. - Le fait que les caractères ridé et vert, non visibles en F1, réapparaissent en F2 indique qu’ils sont contenus , à l’état latent, chez les individus de F1. - Les proportions des phénotypes en F2 sont voisines de 9/16, 3/16, 3/16 et 1/16. Pour les caractères de forme et de couleur pris individuellement, on retrouve les proportions de ¾ de lisses et ¼ de ridés, et de ¾ de jaunes pour ¼ de verts. Le dihybridisme apparaît donc comme l’action simultanée 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 : ¾ x ¾ = 9/16 ¾ x ¼ = 3/16 ¼ x ¾ = 3/16 ¼ x ¼ = 1/16

Cours de Génétique Formelle - Auteur Josiane Aubert et Emese Meglécz ([email protected])

7

Université de Provence – CTES – Génétique UE3-4/4TV3BI34

Interprétation génétique Les caractères lisses et ridés sont déterminés par 2 allèles d’un même gène, qu’on nommera L pour lisse et l pour ridé. Les parents sont diploïdes, de souche pure donc homozygotes. LLJJ x lljj Productions respectives de Gamètes LJ et de Gamètes lj La fécondation produit des individus de génotype LlJj Ces individus de F1 sont double hétérozygotes, ils vont donner 4 types de gamètes différents.

L

J

L ou

Plaque équatoriale métaphasique

l

j

j Plaque équatoriale métaphasique

l

50 %

J 50 %

¼ gamètes LJ ¼ gamètes Lj ¼ gamètes lJ ¼ gamètes lj qui vont s’unir au hasard au cours du processus de fécondation.

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 n’est valable que parce que les croisements se font au hasard.

Important : - ces proportions ne se retrouveront que si les deux gènes considérés sont portés par des chromosomes différents. On dit que ces gènes sont indépendants. - un double hétérozygote donne toujours 4 types de gamètes. - si on prend les caractères indépendamment l’un de l’autre, les proportions ¾ et ¼ de la première loi de Mendel sont respectées. 2ème loi de Mendel : principe de disjonction indépendante des caractères Pendant la formation des gamètes, la ségrégation des membres d’une paire de gènes s’opère indépendamment de celle des membres d’autres paires de gènes. Ceci signifie que le fait que les pois soient verts ou jaunes n'a aucune incidence sur la forme lisse ou ridée de la graine. Ainsi, toutes les combinaisons possibles d'allèles situés sur des

Cours de Génétique Formelle - Auteur Josiane Aubert et Emese Meglécz ([email protected])

8

Université de Provence – CTES – Génétique UE3-4/4TV3BI34

chromosomes différents se trouvent chez les gamètes, car durant la méiose, les paires de chromosomes homologues se séparent d'une façon indépendante. Il faut se souvenir toutefois que Mendel ne connaissait pas la présence des allèles. Il avait tout de même eu le pressentiment de leur présence en expliquant l'hérédité par la présence de deux facteurs héréditaires pour chacun des caractères. Il ne savait simplement pas que ces facteurs héréditaires se trouvaient sur les chromosomes. Cette notion allait à l'encontre de l'idée générale qu'on se faisait de l'hérédité à cette époque, à savoir que les caractères seraient passés de génération en génération par un fluide qui se trouverait sans doute dans le sang.  2) Généralisation ( polyhybridisme)

Le principe exposé pour deux différences génétiques peut également s’appliquer lorsque les croisements font intervenir 3, 4 ou n gènes, à condition que tous les gènes soient situés sur des chromosomes différents.

En monohybridisme Nous avons vu que pour un croisement de souches pures faisant intervenir un seul couple d’allèles (un gène avec 2 allèles), il y a production 3 génotypes et de 2 phénotypes en F2. AA x aa Aa ¼ AA, ½ Aa et ¼ aa, ou ¾ [A] et ¼ [a] Ceci n’est valable que si A est dominant sur a. En cas de codominance, nous aurons toujours 3 génotypes, mais il y aura autant de phénotypes que de génotypes.

En dihybridisme Nous avons 2 couples d’allèles (2 gènes chaque avec 2 allèles), n=2 (n est le nombre des gènes). AABB x aabb AaBb 9/16 [AB], 3/16 [Ab], 3/16 [aB] et 1/16 [ab] n Nous avons 2 , soit 4 phénotypes. n Nous avons 3 , soit 9 génotypes (reprendre l’échiquier pour les trouver). n Mais de même, en cas de codominance, nous aurons toujours 3 génotypes, et il y aura autant de phénotypes que de génotypes. En polyhybridisme Nous avons n couples d’allèles (voir TD)

Cours de Génétique Formelle - Auteur Josiane Aubert et Emese Meglécz ([email protected])

9

Université de Provence – CTES – Génétique UE3-4/4TV3BI34

 3) Modifications des proportions classiques

a) en monohybridisme

Codominance Il peut arriver qu’un hétérozygote présente un phénotype intermédiaire entre ceux des deux homozygotes. On parle alors de codominance. Par exemple, chez l’homme, on connaît le système sanguin MN. Trois phénotypes coexistent, [M], [N] et [MN]. Les proportions de la descendance de couples hétérozygotes ne seront pas ¾, ¼, mais ¼, ½, ¼. Létalité. Certains allèles ne se manifestent que par la mort de l’individu avant la maturité, lors de la période prénatale ou post-natale. De tels allèles sont dits létaux. Un allèle létal dominant, c’est-à-dire qui tue aussi bien un homozygote qu’un hétérozygote, peut survenir par mutation, mais il sera éliminé de la population dès qu’il survient puisque son porteur ne donnera pas de descendants. Un allèle létal récessif ne tue que les individus homozygotes pour cet allèle, mais suivant les cas, l’hétérozygote sera apparemment normal ou manifestera quelques déficiences. C’est CUENOT qui a mis en évidence le premier, un allèle létal, en 1905. Il travaillait sur des souris agouti (grises) dont il produisait des souches pures et sur des souris jaunes. Par contre, il n’arrivait pas à produire de lignée 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 supposé que ses souris jaunes étaient hétérozygotes et que l’allèle étant responsable de la couleur jaune du pelage était létal à l’état homozygote. AAy x AAy ¼ AA ½ AAy ¼ AyAy avec mort des AyAy donc 1/3 AA et 2/3 AAy AA x AAy ½ AA ½ AAy La confirmation de cette hypothèse a été apportée par Kirkham en 1917. Ce chercheur a mis en évidence par dissection les embryons morts nés in utero.

Pénétrance et expressivité Des différences dans l’environnement ou dans le contexte génétique peuvent conduire à la situation où deux individus portant des allèles identiques à un locus donné ne présentent pas le même phénotype. La capacité qu’a un gène, ou un groupe de gènes, d’être exprimé dans le phénotype est appelée pénétrance. Exemple : Chez l’homme, l’apparition de doigts ou d’orteils supplémentaires (polydactylie) est liée à la présence d’un allèle dominant P. Les individus pp ont un phénotype normal. Néanmoins, certains individus hétérozygotes ne présentent pas de polydactylie. La pénétrance de P est incomplète (inférieure à 100%).

Cours de Génétique Formelle - Auteur Josiane Aubert et Emese Meglécz ([email protected])

10

Université de Provence – CTES – Génétique UE3-4/4TV3BI34

D’un autre point de vue, un caractère, même très pénétrant, peut s’exprimer de façon variable. Ce phénomène est appelé expressivité. Par exemple, la polydactylie peut s’exprimer sur la main gauche ou la main droite, ou sur les pieds et non sur les mains suivant les individus.

Génétique et sexualité Nous avons parlé dans l’introduction de l’importance de la fécondation et donc de la sexualité. La plupart des mécanismes assurant la détermination du sexe sont sous contrôle génétique et peuvent être classés dans l’une des catégories suivantes : Mécanismes de détermination du sexe

Mécanismes impliquant des chromosomes sexuels - Mâles hétérogamétiques Chez l’homme et chez tous les mammifères, la présence du chromosome Y détermine la condition mâle. Les mâles normaux ont une constitution chromosomique XY et les femelles XX. A chaque génération le sex-ratio est de 1 : 1. Le mâle est dit hétérogamétique et la femelle homogamétique. Ce système sexuel est appelé système 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 inégales. Ils ne s’apparient pas complètement à la méïose, ce qui indique qu’ils comportent des fragments analogues et des parties propres à chacun. Portion non homologue de l’X portant les gènes liés au sexe. (hémophilie, daltonisme)

X

Portion autosomale commune.

Y

Portion non homologue de l’Y portant les gènes holandriques. (hypertrichose des oreilles)

Chez certains insectes de l’ordre des Hémiptères (punaises) et des l’ordre des Orthoptères (sauterelles et blattes) les mâles sont également hétérogamétiques, mais il n’existe pas de

Cours de Génétique Formelle - Auteur Josiane Aubert et Emese Meglécz ([email protected])

11

Université de Provence – CTES – Génétique UE3-4/4TV3BI34

chromosome Y. c’est la présence d’un X ou de 2 X qui détermine les conditions mâles et femelles. Ce système est appelé XO. XX x XO

X X

X XX XX

O XO XO

Il y a autant de XX que de XO. - Femelles hétérogamétiques On trouve ce mécanisme chez les papillons, les mites, les phryganes, les vers à soie et chez certains oiseaux (le poulet domestique par exemple) et certains poissons. C’est la présence de 2X ou d’un seul X qui détermine les conditions mâles ou femelles. Dans ce cas, on appelle les chromosomes sexuels, Z et W, pour signifier qu’on évolue dans un système différent. Comme pour le cas précédent, on trouve aussi des espèces où les mâles sont ZZ et les femelles ZO. ZZ x ZW

Z Z

Z ZZ ZZ

W ZW ZW

Z ZZ ZZ

O ZO ZO

Il y a autant de ZZ que de ZW. ZZ x ZO

Z Z Il y a autant de ZZ que de ZO.

Balance génique Chez la drosophile, le chromosome Y est nécessaire à la fertilité, mais n’intervient pas dans la détermination du sexe. Les autosomes ont un poids de 1 unité par lot haploïde en faveur de la condition mâle et le chromosome X a un poids de 1,5 unités en faveur de la condition femelle. Chez une femelle AAXX, le rapport déterminants mâles / déterminants femelles est de 2/3 et penche en faveur de la condition femelle. Chez un mâle AAXY, le rapport est de 2/1,5 et penche donc en faveur de la condition mâle. Des combinaisons chromosomiques anormales ont confirmé cette hypothèse. Par exemple, un individu AAAXX dont le rapport est égal à 3/3 est stérile et intersexué. Chez les oiseaux, on trouve le même système. Haplodiploïdie

Cours de Génétique Formelle - Auteur Josiane Aubert et Emese Meglécz ([email protected])

12

Université de Provence – CTES – Génétique UE3-4/4TV3BI34

Aucun chromosome sexuel n’est impliqué dans le mécanisme de détermination sexuelle chez les hyménoptères (fourmis, abeilles, guêpes). Chez les abeilles, la reine est fécondée une fois et choisit de féconder ou non les œufs qu’elle pond. Les œufs fécondés se développent en donnant naissance à des femelles et les œufs non fécondés à des mâles.

Effets d’un seul gène - Facteurs sexuels complémentaires Chez 2 espèces d’hyménoptères, l’abeille et Bracon hebetor , on connaît un locus comportant a b c d au moins 9 allèles qui déterminent la condition mâle. On les nomme s , s , s , s … Les mâles, qui sont haploïdes, possèdent un seul allèle à ce locus. Les individus diploïdes qui sont hétérozygotes à ce locus sont femelles, et ceux qui sont homozygotes sont mâles mais stériles. - Gène transformant chez la drosophile Chez la drosophile, un gène situé sur le chromosome 3 comporte un allèle récessif nommé tra, qui transforme, à l’état homozygote, une femelle en mâle stérile. Ce gène est important et mérite d’être signalé puisqu’il annule à lui seul les effets des nombreux gènes autosomaux impliqués dans la détermination du sexe. Caractères influencés par le sexe Les gènes impliqués sont situés sur des autosomes. Les allèles de ces gènes s’expriment différemment chez les mâles et chez les femelles. Par exemple, un allèle pourra être dominant chez les mâles et récessif chez les femelles. Ceci est dû, en grande partie à l’environnement interne qui est contrôlé par des hormones sexuelles. On trouve donc ces systèmes chez les animaux supérieurs qui possèdent des systèmes endocriniens bien développés. Par exemple : le gène responsable de la calvitie est dominant chez les hommes et récessif chez les femmes.

Génotype b’b’ b’b bb

Phénotype homme Phénotype femme Chauve Chauve Chauve Non chauve Non chauve Non chauve

Caractères limités à un sexe Certains gènes autosomiques ne peuvent s’exprimer que dans un sexe, à cause de différences hormonales ou anatomiques. Par exemple, le gène de la production existe chez la vache et le taureau, mais seules les femelles l’expriment. les mâles se contentent de transmettre leurs allèles à leur descendance et donc à leurs filles. Changement de sexe Il arrive que des poules (ZW), après avoir pondu, acquièrent des caractères sexuels secondaires mâles, comme le plumage, les ergots, le chant du coq, et même des caractères sexuels primaires comme le développement des testicules et la production de spermatozoïdes.

Cours de Génétique Formelle - Auteur Josiane Aubert et Emese Meglécz ([email protected])

13

Université de Provence – CTES – Génétique UE3-4/4TV3BI34

Cela peut se produire quand le tissu ovarien est détruit. Ce mâle, même s’il est fonctionnel, est toujours génétiquement femelle (ZW). On observe fréquemment le même phénomène chez les poissons. b) en dihybridisme

Relations entre allèles Les proportions classiques du dihybridisme sont 9/3/3/1, mais quand on a au sein des 2 couples d’allèles, une relation de dominance et de récessivité. A partir du moment où ces relations changent, les proportions seront différentes. Exemple : Dominant / Récessif 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 trouvées : 3/6/3/1/2/1

Liaison génétique Des proportions significativement très différentes des résultats attendus peuvent indiquer que nous avons affaire à une liaison génétique, c’est-à-dire que les gènes sont portés par le même chromosome. Intérêt du test-cross en génétique Quand on a une relation entre allèles de dominance / récessivité, on ne peut distinguer phénotypiquement un homozygote dominant d’un hétérozygote. [A] = AA ou Aa Pour connaître le génotype d’un individu phénotypiquement dominant, on pratique donc un croisement appelé test-cross ou test de transparence. On croise l’individu avec un autre individu récessif homozygote pour le caractère considéré. AA x aa 100% A Aa x aa 50% A 50% a Ce test permet de visualiser directement la production des gamètes de l’individu testé, l’individu récessif homozygote étant transparent au point de vue gamétique. Il ne faut pas confondre test-cross et back-cross. Le back-cross étant le croisement d’un individu avec un de ses ancêtres. Avec 2 couples d’allèles, un test-cross peut donner plusieurs résultats : AABB x aabb 100%AB AaBB x aabb 50% AB 50% aB

Cours de Génétique Formelle - Auteur Josiane Aubert et Emese Meglécz ([email protected])

14

Université de Provence – CTES – Génétique UE3-4/4TV3BI34

AABb x aabb 50% AB 50% Ab AaBb x aabb 25% AB 25% aB 25% Ab 25% ab Mise en évidence de la liaison génétique Deux gènes situés sur 2 chromosomes ségrègent indépendamment l’un de l’autre. Par contre, deux gènes liés sur un même chromosome, ne se dissocient pas au moment de la méïose. Les résultats d’un test-cross sur un hétérozygote seront donc différents. Gènes non liés : AaBb x aabb 25% AB 25% aB 25% Ab 25% ab Gènes liés : AB/ab x ab/ab (position cis et trans / conventions) Supérieur à 25% AB Inférieur à 25% aB Inférieur à 25% Ab Supérieur à 25% ab On se serait attendu à ne trouver que 2 phénotypes AB et ab, dans les proportions de 50% chacun. Ces 2 phénotypes sont les plus représentées et proviennent des gamètes parentaux AB et ab. Les 2 classes phénotypiques les moins représentées proviennent de gamètes dits recombinés par brassage intrachromosomique au moment de la méïose. Un crossing-over s’est en effet produit entre les gènes A et B. (Fig. 1. ) Fig. 1. (Hartl et Jones, 2003)

Cours de Génétique Formelle - Auteur Josiane Aubert et Emese Meglécz ([email protected])

15

Université de Provence – CTES – Génétique UE3-4/4TV3BI34

Plus la distance entre A et B est grande, plus la probabilité de crossing-over entre eux sera grande. Le pourcentage de gamètes recombinés est donc le reflet de la distance entre les deux gènes. Cette distance est exprimée en CentiMorgans (car c’est Morgan qui a mis en évidence la liaison génétique) ou en Unités génétiques. Si les gènes sont suffisamment éloignés pour qu’un crossing-over se produise à coup sûr, alors on aura 50% de parentaux et 50% de recombinés ce qui revient aux proportions de 25% obtenus quand les gènes ne sont pas liés. Crossing-over multiples Plus les gènes sont éloignés, plus il peut se produire de crossing-over entre eux. Quand il se produit 2 crossing-over entre 2 gènes, ils passent inaperçus et il n’y a en apparence que des gamètes parentaux qui sont produits, et ainsi pour tous les crossing-over en nombre pair. S’il se produit 3 crossing-over, même résultat qu’avec un seul, et ainsi pour tous les crossingover en nombre impair. Cartes factorielles Les règles que l’on vient de décrire ont été utilisées pour établir des cartes du génome. Quand on a la possibilité de calculer la distance entre des gènes, 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 supérieure à 5 cM , il est judicieux de prendre un gène intermédiaire pour déceler 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 tétrades Les asques non ordonnés Chez certaines espèces de champignons, les 4 gamètes produits par une méiose restent ensemble dans une structure appelée asque. Ces gamètes sont appelés les ascospores. L’ensemble de 4 ascospores venant du même asque est une tétrade. Si on analyse les tétrades produites par un individu hétérozygote Aa , on observe 2 allèle A et 2 allèles a . Cette ségrégation 1:1 est une preuve directe de la première loi de Mendel. La ségrégation 1:1 n’est pas simplement un effet de moyenne réalisé sur un nombre très important de méiose, mais les

Cours de Génétique Formelle - Auteur Josiane Aubert et Emese Meglécz ([email protected])

16

Université de Provence – CTES – Génétique UE3-4/4TV3BI34

deux allèles d’un même gène portés par une paire de chromosomes homologues se disjoignent pour chaque division de méiose.

Fig. 2. . (Hartl et Jones, 2003)

Examinons maintenant deux gènes portés par deux chromosomes différents. Les tétrades produites par un individu double hétérozygote ( AaBb ) peuvent être classées en trois types (Fig 2.). S’il n’y a pas de crossing-over entre les gènes et le centromère de leurs chromosomes respectifs, on obtient soit une tétrade avec 2 AB  et 2 ab , soit une tétrade de 2 Ab  et 2 aB . La première tétrade s’appelle tétrade ditypique parentale (DP ; si les génotypes des parents étaient AB  et ab ), la deuxième tétrade ditypique non-parentale (DNP). La moitié des tétrades sont DP, et la moitié sont DNP, car ce sont des résultats de position aléatoire des chromosomes en métaphase I. (Le chromosome portant les allèles A peut se retrouver en moyenne une fois sur deux du même côté de la cellule que le chromosome portant l’allèle B  et une fois sur deux du même côté que le chromosome avec l’allèle b ). S’il y a un crossing-over entre un des deux gènes et le centromère de son chromosome, on obtient une tétrade tétratypique (TT) contenant les ascospores AB , ab, Ab, aB . Cela démontre que l’échange de segments entre deux chromatides parentales a lieu après que les chromosomes se soient dupliqués puisque seuls deux des quatre produits de la méiose sont

Cours de Génétique Formelle - Auteur Josiane Aubert et Emese Meglécz ([email protected])

17

Université de Provence – CTES – Génétique UE3-4/4TV3BI34

recombinants. Ceci ne serait pas possible si les crossing-over se produisaient avant le stade quatre chromatides. La présence des gamètes recombinants réciproques Ab  et aB  (si les parents étaient AB  et ab ) démontre que la recombinaison est un processus réciproque qui consiste de l’échange entre deux chromatides.

Fig 3. . (Hartl et Jones, 2003)

Cours de Génétique Formelle - Auteur Josiane Aubert et Emese Meglécz ([email protected])

18

Université de Provence – CTES – Génétique UE3-4/4TV3BI34

Considérons maintenant des tétrades produites par un double hétérozygote où les deux gènes se trouvent sur le même chromosome. La fig 3 illustre les différentes possibilités. Sans crossing-over on obtient des tétrades DP, le simple crossing-over ou les double crossing-over à deux ou trois bras donnent soit DP soit TT. Seul le double crossing-over à 4 bras donne des tétrades DNP. Comme la fréquence de double crossing-over est largement inférieure à la fréquence de méiose sans crossing-over, les tétrades NDP sont plus rares que les tétrades DP. En cas d’indépendance des deux gènes DP = DNP, alors qu’en cas de liaison DP >> DNP. En comparant la fréquence des tétrades DP et DNP, on peut rapidement détecter la liaison génétique. La proportion des différents types des tétrades peut être utilisée pour calculer la distance cartographique entre deux gènes liés. Si les deux gènes sont suffisamment proches pour que la probabilité de double crossing-over soit négligeable (donc DNP = 0), alors le nombre de tétrades TT est le nombre de méioses avec un simple crossing-over. Dans chaque TT il y a 2 gamètes recombinant, et deux parentaux. La distance génétique est définie comme le nombre de gamètes recombinants sur tous les gamètes examinés. Cela donne : Distance cartographique = (½ (Nombre des tétrades TT)/(Nombre total des tétrades))x100 Prenons un exemple. On a 100 tétrades issues d’un croisement AB x ab . DP = 88, TT=12, DNP=0. Comme DP>>DNP on peut en déduire que les gènes sont liés. Comme DNP=0, on peut déduire que la fréquence de double crossing-over est basse, donc on peut utiliser la formule cidessus pour calculer la distance cartographique : Distance cartographique = (½ x12/100)x100 = 6 cM

Les asques ordonnés Chez certains champignons comme la levure Neurospora crassa , les produits de la méiose sont disposés en rang ordonné dans l’ascospore. Les quatre produits de la méiose forment une séquence linéaire et ordonnée dans l’asque. Chacun d’entre eux entre alors dans une mitose produisant deux ascospores génétiquement identiques et adjacentes. L’asque contient alors 4 paires donc 8 ascospores. Les asques ordonnés peuvent être classés en DP, DNP et TT comme les tétrades non ordonnées, ce qui permet de déterminer la liaison et la distance cartographique comme précédemment. Le fait que les asques ordonnés reflètent la géographie de la méiose permet aussi de déterminer la distance cartographique entre un gène et son centromère (Fig 4). S’il n’y a pas de crossing-over entre le gène et son centromère (Fig. 4A), les allèles A et a  ségrégent (se séparent) pendant la première division de méiose. On obtient alors des demi asques homogènes, car tous les allèles A se regroupent dans une moitié de l’asque tandis que les allèles a  sont dans l’autre moitié. S’il y a crossing-over entre le gène et son centromère, les allèles A et a  ségrégent seulement pendant la deuxième division de la méiose. Selon la position relative aléatoire des chromosomes frères pendant la première division de la méiose et l’orientation des chromatides pendant la deuxième division de la méiose, 4 arrangements (dits « pattern » ou « profil ») sont possibles (Fig. 4.27 B). En cas de ségrégation lors de la seconde division, tous les demi asques sont hétérogènes, et chaque demi asque contient 2 allèles A et deux a . Les proportions des asques avec un profil de ségrégation de la première et de la seconde division peuvent être utilisées pour calculer la distance géographique entre un gène et le

Cours de Génétique Formelle - Auteur Josiane Aubert et Emese Meglécz ([email protected])

19

Université de Provence – CTES – Génétique UE3-4/4TV3BI34

centromère de son chromosome. Dans chaque asque de ségrégation de seconde division, la moitié des ascospores contient un chromosome qui a subi un crossing-over. Donc la distance cartographique = (½ (le nombre d’asques représentatif de la ségrégation de seconde division)/  nombre total des asques) x 100 Cette équation est vraie si le gène est suffisamment près du centromère pour que la fréquence des double crossing-over soit négligeable. Si le gène est éloigné de son centromère les crossing-over vont être si fréquents que les allèles A et a  seront repartis aléatoirement sur les quatre chromatides et au final les six profils des asques seront équifréquents. La fréquence maximale de ségrégation de second division est donc de 2/3 et la distance cartographique maximale qu’on peut estimer est de ½ x 2/3 x 100 = 33. 3 Fig. 4. . (Hartl et Jones, 2003)

Cours de Génétique Formelle - Auteur Josiane Aubert et Emese Meglécz ([email protected])

20

Université de Provence – CTES – Génétique UE3-4/4TV3BI34

Interactions épistasiques entre gènes Interactions à deux facteurs Le phénotype est l'expression d'un génotype placé dans un environnement donné. Le mot environnement inclut non seulement : des facteurs externes comme par exemple la température, la quantité ou la qualité de la lumière, mais aussi des facteurs internes comme les hormones et les enzymes. Ce sont les gènes qui sont responsables de la structure des protéines et toutes les enzymes connues sont des protéines. Les enzymes ont un rôle catalytique dans les réactions qui ont lieu au sein de la cellule, et qui constituent le métabolisme intermédiaire. Ces réactions réalisent, étape par étape, la transformation d'une substance en une autre et chaque étape est catalysée par une enzyme spécifique. L'ensemble de ces réactions transformant un précurseur en un produit terminal constitue une voie de biosynthèse. Toutes les voies de biosynthèse même les plus simples impliquent plusieurs enzymes codées par plusieurs gènes. Pour obtenir chaque métabolite (A, B, C), l'action catalytique de différentes enzymes (e) est

P (précurseur)

G1

G2

G3

e1

e2

e3

A

B

C (produit)

nécessaire, chacune étant codée par un gène différent sous une forme allélique dominante (G). Il y a interaction génétique chaque fois que deux gènes ou plus déterminent des enzymes qui catalysent différentes étapes d'une même voie de biosynthèse. Si la substance C est indispensable pour avoir un phénotype normal et si les allèles récessifs g1, g2, et g3 produisent des enzymes défectueuses, un génotype homozygote récessif à n'importe lequel de ces trois loci sera responsable d'un phénotype mutant. Si la mutation touche g3, la conversion de B en C ne se fera pas et la substance B aura tendance à s'accumuler en quantité excessive. On dit que ces mutations provoquent des blocages métaboliques. Si par contre la mutation touche g2, ce sera la substance A qui s'accumulera. Un organisme ne possédant qu'une mutation en g2 pourra avoir un phénotype normal à condition qu'on lui fournisse soit la substance B, soit la substance C. Ainsi l'expression phénotypique du gène G3 dépend du gène G2. Si le génotype est homozygote pour l'allèle récessif g2, la voie de biosynthèse se termine avec la substance A. Ni le gène G3 ni son allèle récessif g3 ne s'exprimeront phénotypiquement. Le génotype g2g2 peut donc cacher ou masquer l'expression phénotypique d'allèles présents au locus G3. Par contre un organisme muté en g3 aura un besoin spécifique en substance C.

Cours de Génétique Formelle - Auteur Josiane Aubert et Emese Meglécz ([email protected])

21

Université de Provence – CTES – Génétique UE3-4/4TV3BI34

A l'origine, les gènes ou loci qui suppriment ou masquent l'action de gènes situés à d'autres loci ont été appelés épistasiques. Le gène ou le locus dont l'expression est supprimée était dit hypostatique. On a ensuite trouvé que deux loci pouvaient être mutuellement épistasiques l'un pour l'autre. Actuellement on parle d' épistasie pour toutes sortes d'interactions intergéniques. La dominance par exemple n’est pas une épistasie, car elle implique une suppression intragénique, c'est-à-dire le masquage par un allèle de l'expression d'un autre allèle du même locus. L'épistasie, elle, implique une suppression intergénique, c'est-à-dire le masquage par un gène de l'expression d'un gène différent situé à un autre locus. Dans les cas d'épistasie, les proportions phénotypiques classiques 9 : 3 : 3 : 1 observées en F2, sont modifiées en proportions qui sont des groupements variés des différentes classes 9 : 3 : 3 : 1. Exemple : Un exemple particulièrement démonstratif d'interaction entre deux gènes est celui du trèfle blanc. Alors que certaines souches sont riches en cyanure, d'autres en possèdent très peu. souche pauvre en cyanure X souche pauvre en cyanure F1, plantes dont les feuilles ont une concentration très élevée en cyanure. F2, 9/16 plantes riches en cyanure 7/16 plantes pauvres en cyanure On sait que le cyanure est formé par catalyse enzymatique à partir d'un glucoside cyanogène comme substrat. La chaîne de synthèse peut être représentée de la façon suivante :

P (précurseur)

G1

G2

e1

e2

A (glucoside cyanogène)

B (cyanure)

L'une des deux souches de trèfle possède 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 présence de cyanure a été testée sur des extraits de feuilles, seules, et avant et après l’addition de glucoside ou de l’enzyme E2.

Cours de Génétique Formelle - Auteur Josiane Aubert et Emese Meglécz ([email protected])

22

Université de Provence – CTES – Génétique UE3-4/4TV3BI34

Proportions F2 9 3 3 1

Génotypes 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 phénotypiquement les feuilles sur la base de la présence ou de l'absence de cyanure dans l'extrait seul, on obtient une proportion 9/7. Si on les classe suivant ce même critère 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 phénotypique, on revient à la proportion classique 9 : 3 : 3 : 1. Les différents cas d’épistasie Quand il y a des phénomènes d'épistasie entre deux loci, on obtient toujours moins de quatre phénotypes en F2. L'épistasie est habituellement responsable de six types de proportions ; pour trois d'entre elles, on a trois phénotypes; pour les trois autres, on en a seulement deux. - Epistasie dominante (12 : 3 : 1) Quand l'allèle dominant d'un locus, par exemple l'allèle A, est responsable d'un certain phénotype quel que soit l'allèle présent à l'autre locus, on dit que le locus A est épistasique sur le locus B. 9 AB 9 3 Ab 3 3 aB 3 1 Ab 1 Cette épistasie est dominante puisque l'allèle dominant A peut aussi bien s'exprimer en présence de B que de b. Les allèles du locus hypostatique B ne pourront s'exprimer que chez des individus homozygotes et récessifs pour le locus épistatique A. - Epistasie récessive (9 : 3 : 4) Si le génotype récessif d'un locus A empêche l'expression des allèles du locus B, on dit que le locus A exerce une épistasie récessive sur le locus B. 9 AB 9 3 Ab 3 3 aB 3 1 ab 1 Les allèles du locus hypostatique B ne pourront s'exprimer qu'en présence de l'allèle dominant du locus A. - Effet cumulatif de deux gènes (9 : 6 : 1) Si la présence d'un allèle dominant (à l'état homozygote ou hétérozygote) à l'un ou à l'autre de deux loci (mais non aux deux en même temps) se traduit par un même phénotype, 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 gènes épistasiques sont impliqués dans la production d'une substance telle qu'un pigment, et si les génotypes dominants à l'un ou à l'autre locus produisent

Cours de Génétique Formelle - Auteur Josiane Aubert et Emese Meglécz ([email protected])

23

Université de Provence – CTES – Génétique UE3-4/4TV3BI34

indépendamment une unité de pigment, les individus de génotypes A-bb et aaB- produiront chacun une unité de pigment et auront donc le même phénotype. Par contre, chez un individu aabb, aucun pigment ne sera synthétisé, alors que chez un individu A-B-, l'effet cumulatif des deux gènes se traduira par la synthèse de deux unités de pigment. - Action de deux gènes dominants sans effet cumulatif (15 : 1) La proportion 9 : 3 : 3 : 1 devient une proportion 15 : 1 si les allèles dominants à chacun des deux loci s'expriment par le même phénotype sans effet cumulatif. 9 AB 9 3 Ab 3 3 aB 3 1 ab 1 - Action de deux gènes récessifs se traduisant par le même phénotype (9 : 7) Les rapports F2 deviennent 9 : 7 dans le cas où les génotypes homozygotes récessifs à chacun des deux loci s'expriment par le même phénotype. 9 AB 9 3 Ab 3 3 aB 3 1 ab 1 Quand les allèles dominants sont présents ensemble aux deux loci, il y a complémentation et apparition d'un phénotype différent. - Interaction entre génes dominant et récessif s'exprimant par le même phénotype (13 : 3). Quand le même phénotype est obtenu soit par la présence d'un allèle dominant à un locus (A-), soit par la présence du génotype récessif à l'autre locus (bb), on observe seulement deux phénotypes en F2. 9 AB 9 3 Ab 3 3 aB 3 1 ab 1 Les proportions sont alors 13 : 3. Interactions non épistasiques Il peut également exister entre plusieurs gènes des interactions non épistasiques ; c'est le cas en particulier quand plusieurs produits finaux issus de voies biosynthétiques différentes contribuent ensemble à un caractère commun. Exemple : La coloration caractéristique rouge mat des yeux des drosophiles « sauvages » résulte du mélange de deux sortes de pigments (B et D), formés tous deux à partir de composés non pigmentés (A et C) grâce à l'action de deux enzymes différentes (e1 et e2) codées par deux gènes sauvages différents (G1 et G2). Les deux génotypes récessifs codent pour des enzymes inactives, il n’y aura pas synthèse de pigments et les yeux seront blancs. Dans cet exemple, les gènes codant pour les couleurs B et D sont tous deux dominants sur l'absence de coloration, c’est à dire que l’on peut avoir la couleur B sans la couleur D et viceversa, mais, ensemble, ces deux gènes interagissent et donnent un nouveau phénotype (sauvage). Si les deux gènes ségrègent indépendamment, la proportion classique de 9 : 3 : 3 : 1 n'est pas modifiée.

Cours de Génétique Formelle - Auteur Josiane Aubert et Emese Meglécz ([email protected])

24

Université de Provence – CTES – Génétique UE3-4/4TV3BI34

G1 ↓

A→

e1 → B G2

mélange de B et D → œil sauvage

↓

C→

e2 → D

Interactions à trois facteurs ou plus Les proportions phénotypiques attendues dans la descendance de croisements trifactoriels sont 27 : 9 : 9 : 9 : 3 : 3 : 3 : 1. Cette proportion classique peut être modifiée chaque fois qu'il y a interaction entre deux ou trois loci. Des interactions entre quatre loci ou plus sont également possibles. Le plus souvent, en fait, l'expression d'un gène dépend de l'action de beaucoup d'autres, et le phénotype est l’expression ultime des interactions entre le génotype et l’environnement. Pléiotropie Dans tout organisme vivant, la plupart des chaînes de biosynthèse sont interconnectées et interdépendantes. Les produits d'une chaîne sont utilisés dans d'autres chaînes métaboliques. Un gène va donc s'exprimer par plus d'un caractère phénotypique. Quelquefois un caractère sera clairement évident (l’effet majeur), alors que d’autres paraîtront moins évident ou sembleront sans rapport (les effets secondaires). Dans certains cas, des modifications apparentées pourront être considérées comme un syndrome. Toutes les expressions phénotypiques multiples d'un seul gène sont appelées effets pléiotropiques. Exemple : Chez l'homme, la drépanocytose est causée par une hémoglobine anormale. Ceci est l'effet primaire de la mutation. La forme en faucille des hématies et la tendance qu'elles ont à se grouper et à obstruer les vaisseaux sanguins dans différents organes sont des effets secondaires de cette hémoglobine anormale. Il en résulte des lésions du cœur, du foie, de la moelle et du cerveau : toutes ces lésions sont les caractéristiques du syndrome. L'anémie résulte de la destruction rapide des globules défectueux.

Cours de Génétique Formelle - Auteur Josiane Aubert et Emese Meglécz ([email protected])

25

Université de Provence – CTES – Génétique UE3-4/4TV3BI34

Caractères qualitatifs et quantitatifs Les caractères mendéliens dont il a été question au cours des chapitres précédents sont des caractères qualitatifs, descriptibles, identifiables, qui peuvent aisément se distribuer en catégories phénotypiques bien séparées (variabilité discrète). Ces phénotypes distincts sont déterminés par un nombre très réduit de gènes dont les effets sont pratiquement indépendants des conditions environnantes. A l'opposé, de nombreux caractères, importants en agriculture présentent une variabilité telle, qu'il est impossible de définir des phénotypes bien séparés. En fait, il existe une gamme continue de phénotypes avec tous les intermédiaires possibles (variabilité continue). Par exemple, le taux de croissance des animaux, la taille des plantes, la production journalière d’œufs ou de lait, le rendement en grains par unité de surface sont des caractères quantitatifs, sujets à une variation continue. Les caractères qualitatifs et quantitatifs s'opposent par le nombre de gènes qui les déterminent et par le rôle de l'environnement dans la réalisation du phénotype. Les caractères quantitatifs dépendent habituellement d'un grand nombre de gènes (10, 100 ou plus), qui jouent chacun un rôle minime dans le déterminisme du phénotype. On parle alors de polygènes ou de systèmes polygéniques. Très souvent, la variation génétique d'un caractère quantitatif provient : - en majorité de la ségrégation de quelques loci relativement peu nombreux mais d'effet notable, - en minorité d’effets pléiotropiques mineurs d'un grand nombre d'autres gènes (ces derniers ont probablement des effets majeurs en tant que tels, mais pas sur le caractère quantitatif considéré). Pour la plupart des caractères quantitatifs, la composante proprement génétique ne joue qu'un rôle relativement faible, alors que l'environnement joue un rôle majeur dans la variabilité phénotypique. Le rôle du généticien est d'apprécier la part des composantes génétiques et environnementales dans la variabilité phénotypique totale d'un caractère quantitatif. Pour cela, il utilise des méthodes mathématiques et statistiques. La génétique quantitative est une discipline à part entière, avec d’importantes applications en agronomie. Caractères à variation presque continue (quasi quantitatifs) Dans les premiers temps de la génétique mendélienne, on pensait qu'il y avait une différence fondamentale entre les caractères qualitatifs et quantitatifs. Un exemple devenu classique a permis de faire la liaison entre ces deux types de caractères. C’est le modèle à gène multiples que le généticien suédois Nilsson-Ehle a proposé vers 1910 pour rendre compte de la coloration des grains de blé. Souche à grains rouges X Souche à grains blancs F1 homogène à grains rouge clair F2 1/16 d'individus à grains blancs 4/16 rouge très clair 6/16 rouge clair 4/16 rouge moyen 1/16 d'individus à grains rouges Pour un caractère à variation presque continue, il existe une méthode grossière pour estimer le nombre de gènes qui interviennent. Elle consiste à déterminer quelle est, dans la F2, la proportion d'individus ayant un phénotype aussi extrême que celui d'une des deux souches pures parentales (la F2 résulte de

Cours de Génétique Formelle - Auteur Josiane Aubert et Emese Meglécz ([email protected])

26

Université de Provence – CTES – Génétique UE3-4/4TV3BI34

l'autofécondation de la F1, elle-même hybride de deux variétés pures). Nombre de loci Fraction de la F2 aussi extrême que l’un des 2 parents

1 1/4

2 1/16

3 1/64

n n (1/4)

Nilsson-Ehle interpréta donc ses résultats par la présence de deux gènes, chacun avec une paire d'allèles à effets individuels cumulatifs. Souche à grains rouges X Souche à grains blancs R1R1R2R2 rouge X r1r1r2r2 blanc F1 homogène à grains rouge clair R1r1R2r2 rouge clair F2 R1R1R2R2 1/16 d'individus à grains rouges R1R1R2r2 R1r1R2R2

4/16 rouge moyen

R1R1r2r2 R1r1R2r2 r1r1R2R2

6/16 rouge clair

R1r1r2r2 r1r1R2r2

4/16 rouge très clair

r1r1r2r2

1/16 d'individus à grains blancs

Chacun des allèles R contribue pour une part dans le déterminisme du phénotype rouge. (1R, 2R, 3R ou 4R amènent des phénotypes différents). On peut schématiser ces résultats dans un histogramme. On note que la F1 a un phénotype intermédiaire à celui des deux types parentaux ; le phénotype moyen de la F2 est identique à celui de la F1. La F2 comprend un plus grand nombre de phénotypes que la F1.

Les fréquences observées en F2 sont égales aux différents termes du développement de 4 (a + b) , avec a=b=1/2, où 4 et le nombre des allèles qui entre en jeu ((a+b)4 = a4 + 4a3b + 6a2b2 + 4ab3 + b4= 1/16 +4/16 +6/16 + 4/16 +1/16 ) Il existe d'autres souches de blé à grains rouge sombre, qui, quand elles sont croisées avec des souches à grains blancs, donnent aussi une F1 au phénotype intermédiaire mais qui donnent seulement 1/64 d’individus à grains blancs en F2. Dans ce cas, il est probable que trois couples d'allèles soient en jeu. Evidemment, la F2 présente un plus grand nombre de nuances de rouge, et même si l'environnement ne modifie pas ces couleurs (ce qu'il fait probablement dans une certaine mesure), il doit être difficile de faire une distinction nette entre les différents phénotypes dûs aux différents génotypes. Cela devient impossible si 4 ou 5 couples d'allèles sont en jeu.

Cours de Génétique Formelle - Auteur Josiane Aubert et Emese Meglécz ([email protected])

27

Université de Provence – CTES – Génétique UE3-4/4TV3BI34

Autre exemple : la couleur de la peau. Il s’agit d’un exemple simplifié, valable dans certains cas. Les personnes noires auraient 4 doses de facteur de coloration AABB et les personnes blanches 0 dose aabb. Les métis de première génération sont hétérozygotes AaBb et ont une coloration intermédiaire entre celles de leurs parents. Les métis de deuxième génération peuvent avoir n’importe quelle couleur du plus noir au plus blanc. Caractères à variation continue (quantitatifs) De tels modèles à gènes multiples fournissent une explication satisfaisante dans les cas où le caractère discontinu de la variation reste apparent. En effet, ils permettent de comprendre l'origine de la variation continue caractéristique des caractères purement quantitatifs. Il est facile d’imaginer que plus le nombre de gènes intervenant est grand, plus il y aura de classes différentes. A tel point qu’il deviendra impossible de distinguer les classes et qu’on aura donc une variation continue dans la population. L'étude d'un caractère quantitatif dans une grande population montre qu'il y a un maximum d’individus de phénotype moyen et un minimum d’individus de phénotypes extrêmes. Ce type de distribution symétrique en forme de cloche est appelé distribution normale.

Cours de Génétique Formelle - Auteur Josiane Aubert et Emese Meglécz ([email protected])

28

Université de Provence – CTES – Génétique UE3-4/4TV3BI34

Différents modes d’action des allèles Les différents allèles peuvent interagir les uns avec les autres de plusieurs façons. - Absence de dominance, c'est-à-dire effet additif : Chaque allèle A1 est inactif ( allèle nul) alors que chaque allèle A2 contribue pour une part dans le phénotype ( allèle actif). Echelle des valeurs des phénotypes : Génotype :

A1A1

A1A2

A2A2

- Dominance partielle : L'hétérozygote a une valeur presque identique à celle de l'homozygote. Echelle des valeurs des phénotypes : Génotype :

A1A1

A1A2

A2A2

- Dominance complète : L'hétérozygote est indistinguable de l’homozygote. Echelle des valeurs des phénotypes : Génotype :

A1A1

A1A2 A2A2

- Superdominance : L'hétérozygote a une valeur supérieure à celle de l'homozygote. Echelle des valeurs des phénotypes : Génotype :

A1A1

A2A2

A1A2

Différents modes d’action des gènes On peut avoir des interactions épistasiques, mais très souvent, elles sont non épistasiques. Dans ce cas l’effet des gènes peut être additif ou multiplicatif. - Gènes à effets additifs : Chaque gène contribue à augmenter la valeur du paramètre. Dans l’exemple du blé rouge, chaque gène R augmente la pigmentation. Les gènes agissent indépendamment. - Gènes à effets multiplicatifs : Un gène peut augmenter l’effet d’un autre gène et ceci peut avoir lieu plusieurs fois. Par exemple le gène R1 donne une valeur x au paramètre considéré. 2 Les gènes R1+R2 donnent une valeur x . 3 Les gènes R1+R2+R3 donnent une valeur x .

Cours de Génétique Formelle - Auteur Josiane Aubert et Emese Meglécz ([email protected])

29

Université de Provence – CTES – Génétique UE3-4/4TV3BI34

Héritabilité Jusqu’ici on a discuté uniquement la composante génétique de la variance phénotypique des caractères quantitatifs. Or, pour la plupart des caractères quantitatifs, à part la composante proprement génétique, l'environnement joue un rôle important dans la variance phénotypique. Cela veut dire que même si on obtient une population où tous les individus ont le même génotype, le phénotype peut varier quand même et cette variation est due à l’environnement. La proportion relative de variance génétique et environnementale est décrite par l’héritabilité au sens large : 2

 H  =

Où

2 σ  g

2 σ   g 2 σ   p

, σ  e2 ,

=

2 σ   p

2 σ   g 2 σ  g

+ σ  e2

sont les variances génétique, environnementale et phénotypique.

Les caractères continus dépendent de nombreux gènes et il est impossible de faire une analyse de descendances par croisements individuels. En plus de cela l’estimation directe des différents types des variances est difficile. Pour contourner ce problème, on estime l’héritabilité 2 au sens strict (h ) par la méthode suivante : On va raisonner sur un effectif important, et étudier le passage des caractères quantitatifs d’une génération à la suivante Exemple : Le poids des veaux à 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 sélectionnés (50 kg), car les veaux sélectionnés de la génération originale étaient plus grand que les autres partiellement grâce à leur composition génétiques et partiellement grâce à leur environnement favorable.

Cours de Génétique Formelle - Auteur Josiane Aubert et Emese Meglécz ([email protected])

30

Université de Provence – CTES – Génétique UE3-4/4TV3BI34

n

poids

ξF1 = 45 kg 2

L’héritabilité h est égale à : 2

h = Gain génétique / Différence parentale 2 h = ∆G / ∆P 2 h = Différence entre la moyenne des parents et la moyenne de la F1 / Différence entre la moyenne parentale et les parents utilisés pour le croisement. 2 h = P - F1 / P - P’ Dans notre cas : 2 h = 40 – 45 / 40 – 50 = - 5 / - 10 = 0,5 On a donc 50% d’héritabilité. On peut dire que le poids des veaux dépend pour moitié du génotype et moité du l’environnement. Plus l’héritabilité d’un caractère sera grande, plus le caractère sera facile à sélectionner. Mais, en cas de sélection, il faut faire attention, car on ne sélectionne jamais un seul caractère, on sélectionne aussi ceux qui sont liés aux gènes qui agissent sur le caractère choisi. Les individus résultants ne seront pas forcément les meilleurs pour tous les caractères sélectionnés. Par exemple, pour les poules pondeuses, il faut tenir compte de la taille des œufs pondus, mais aussi du nombre d’œufs pondus par période de ponte. c) Les facteurs cytoplasmiques

Effets maternels L'expression de certains caractères ne dépend pas du génotype de la descendance, mais du génotype maternel. De tels effets peuvent être transitoires ou bien durer toute la vie de l'individu. Les substances responsables des effets maternels ne s'autoreproduisent pas, elles doivent être synthétisées à nouveau à chaque génération sous l'influence du génotype maternel. Exemples : Chez le papillon de la farine Ephestia (pyrale des moulins ou teigne de la farine), la pigmentation est dûe à une substance de type hormonal appelée cynurénine dont la synthèse

Cours de Génétique Formelle - Auteur Josiane Aubert et Emese Meglécz ([email protected])

31

Université de Provence – CTES – Génétique UE3-4/4TV3BI34

est contrôlée par un gène K. Les souches de génotype kk ne possèdent pas de cynurénine et ne peuvent pas synthétiser de pigment. Les ovules issus de femelles possédant l’allèle K contiennent un peu de cynurénine. Pendant une courte période, au début du développement, toutes les larves, même celles de génotype kk, peut utiliser cette cynurénine pour former du pigment. Au cours du développement, la larve perd sa pigmentation car la cynurénine d'origine maternelle est de plus en plus diluée. Chez un mollusque, la limnée, le sens de l’enroulement de la coquille peul être dextre, c'est-àdire tourner dans le sens des aiguilles d'une montre ou senestre, c'est-à-dire tourner en sens inverse. Le génotype maternel, en déterminant l'organisation du cytoplasme de l’œuf, contrôle la manière selon laquelle la première division zygotique va s’effectuer, ce qui va définir le sens de l'enroulement, indépendamment du génotype du zygote. Si la mère possède l’allèle dominant S, toute la descendance sera à enroulement dextre. Si le génotype de la mère est ss, toute la descendance sera à enroulement senestre. Le sens de l'enroulement dure toute la vie de l'individu.

Plasmagènes Le comportement de certains éléments génétiques indique qu'ils ne sont pas localisés sur les chromosomes. Le cytoplasme contient plusieurs organites doués de continuité physique d'une génération à l'autre. Ces organites ne se forment pas de novo, (autrement dit ne sont pas synthétisés par la cellule en partant de constituants élémentaires), mais découlent de la réplication d'un organite préexistant. Les mitochondries et les chloroplastes contiennent un ADN et jouent un rôle génétique. Si les résultats de croisements réciproques présentent des différences qu'on ne peut attribuer ni à une liaison au sexe, ni à une autre ségrégation chromosomique, cela suggère l'existence de facteurs extranucléaires. On dit qu’il y a hérédité maternelle quand toute la descendance présente uniquement les caractères du parent maternel. Si on peut rendre compte de ce mode de transmission par une contribution inégale des cytoplasmes des deux parents, il faut envisager la présence de particules douées de continuité génétique. Le cas de la mitochondrie : Dans la grande majorité des cas, au moment de la fécondation, l’ovule contient une grande quantité de mitochondries et seule la tête du spermatozoïde pénètre. La queue composée du flagelle et de la pièce intermédiaire reste à l’extérieur. Cette pièce contient les mitochondries mâles. Toute la descendance d’une femelle porte ses mitochondries. L’hérédité est maternelle. Si on croise une femelle et un mâle de souches pures mais de phénotypes différents RR et rr, qui n’ont pas le même type d’ADN mitochondrial, et qu’on réalise des back-cross successifs sur les femelles au cours des générations : femelle mt1 RR X mâle mt2 rr F1 femelles mt1 Rr X mâle mt2 rr BC1 50% femelles mt1 Rr X mâle mt2 rr 50% femelles mt1 rr X mâle mt2 rr BC2 25% femelles mt1 Rr X mâle mt2 rr 75% femelles mt1 rr X mâle mt2 rr BC3 12,5% femelles mt1 Rr X mâle mt2 rr

Cours de Génétique Formelle - Auteur Josiane Aubert et Emese Meglécz ([email protected])

32

Université de Provence – CTES – Génétique UE3-4/4TV3BI34

87,5% femelles mt1 rr X mâle mt2 rr BC4 6,25% femelles mt1 Rr X mâle mt2 rr 93,75% femelles mt1 rr X mâle mt2 rr BC5 3,125% femelles mt1 Rr X mâle mt2 rr 96,875% femelles mt1 rr X mâle mt2 rr La descendance de la première femelle a toujours gardé son ADNmt, mais l’ADN nucléaire a changé.

Cours de Génétique Formelle - Auteur Josiane Aubert et Emese Meglécz ([email protected])

33

Université de Provence – CTES – Génétique UE3-4/4TV3BI34

Génétique bactérienne Conjugaison, transduction, transformation La génétique mendélienne est basée sur les croisements entre diploïdes conçus par l’expérimentateur et l’étude des produits de la méiose chez ces diploïdes. Néanmoins, il ne faut pas oublier l’existence des bactéries où la phase diploïde n’existe pas. Ce chapitre résume la génétique des eubactéries où la cellule contient un chromosome constitué d’une molécule d’ADN double brin circulaire, attaché à la membrane plasmique. Chez les bactéries il existe trois mécanismes différents d’entrée d’ADN exogène, pour compléter l’information génétique existante (endogène) dans la cellule : la conjugaison, la transduction et la transformation.

La conjugaison La conjugaison bactérienne a été découverte par Josuah Lederberg et Edouard Tatum en 1946. Ils démontrèrent qu’en mettant deux souches de bactéries en contact (co-culture) portant des mutations différentes, des bactéries recombinantes émergent. Ils visualisèrent au microscope des ponts cytoplasmiques à travers lesquels on pouvait supposer un échange d’ADN. Haynes établira en 1953 que le passage d’ADN est unidirectionnel : une cellule réceptrice reçoit l’ADN d’une cellule donatrice. Cet ADN peut recombiner avec l’ADN (endogène) de la cellule réceptrice et le remplacer. On utilise le terme de « parasexualité » pour désigner la conjugaison bactérienne, parce qu’elle permet le brassage des gènes, comme la sexualité chez les eucaryotes. Haynes a aussi démontré l’existence d’un facteur de fertilité F, qui existe chez les cellules donatrices (F+) et qui est absent chez les cellules réceptrices (F-). Cependant, en mettant en contact une souche F- mutante auxotrophe (bactérie qui nécessite un apport extérieur d’acide(s) aminé(s), car elle ne peut pas le(s) synthétiser), avec une souche sauvage F+, la plupart des bactéries de la souche réceptrice deviennent F+ et restent auxotrophe, tandis que les rares recombinants, qui deviennent sauvages restent F-. Ce paradoxe a été résolu par la découverte de la nature du facteur de fertilité. Les bactéries d’une souche F+ possèdent un « épisome » en plus de leur chromosome. L’épisome est une molécule d’ADN double brin circulaire d’environ 100 Kb et libre contrairement au chromosome qui est attaché à la membrane plasmique. Il se réplique de façon autonome. Pendant la conjugaison entre une souche F+ et F-, une copie d’épisome est transférée dans la cellule réceptrice, qui devient ainsi une cellule F+. Aucun ADN chromosomique n’est transféré pendant ce processus. L’épisome est aussi capable de s’intégrer dans le chromosome bactérien. Dans ce cas on dit que la cellule devient Hfr (High Frequency of Recombination). La cellule garde sa capacité d’être donneur, mais pendant la conjugaison qui est pilotée par son épisome intégré dans le chromosome, l’épisome entraîne l’ADN chromosomique. Si la conjugaison dure suffisamment longtemps (90-100 minutes), une copie entière du chromosome bactérien peut être transférée dans la cellule réceptrice. L’ADN transféré est linéaire, et ne peut pas être maintenu dans la cellule réceptrice. Néanmoins, les séquences homologues des cellules donatrices et réceptrices peuvent s’aligner, et la séquence exogène peut remplacer la séquence endogène par recombinaison. Revenons à l’expérience de la conjugaison entre une cellule F+ sauvage et une cellule Fauxotrophe. La plupart du temps seulement l’épisome est transféré dans la cellule mutante, donc celle-ci reste mutante, mais devient F+. Une petite minorité de cellules F+ devient spontanément Hfr, ce qui veut dire que leurs épisomes sont intégrés dans leurs chromosomes. Ces cellules transfèrent une partie ou la totalité de l’ADN du chromosome dans les cellules réceptrices, attaché à l’épisome. L’ADN exogène soit remplace l’ADN endogène par

Cours de Génétique Formelle - Auteur Josiane Aubert et Emese Meglécz ([email protected])

34

Université de Provence – CTES – Génétique UE3-4/4TV3BI34

recombinaison, soit se dégrade dans la cellule. Comme la séquence d’épisome n’a pas d’homologue dans la séquence endogène il est dégradé, donc la cellule réceptrice reste F-. Les souches Hfr peuvent être utilisées pour la cartographie des chromosomes bactériens. Croisons une souche de Echerichia coli Hfr, prototrophe pour l’arginine et la proline (arginine et proline ne sont alors pas nécessaires dans le milieu de culture) mais sensible à la streptomycine (antibiotique) avec une souche F-, auxotrophe pour l’arginine et la proline (nécessité de la présence de ces acides aminés dans la culture) et résistante à la streptomycine. Si on étale la co-culture sur un milieu contenant la streptomycine mais qui n’a ni arginine ni proline (milieu minimal), toutes les cellules de souche Hfr meurent car elles sont sensibles à la streptomycine. Les cellules non recombinées de la souche réceptrice meurent aussi, car elles nécessitent l’arginine et la proline dans le milieu. Seules les cellules recombinantes de la souche réceptrice peuvent pousser sur le milieu minimal. On répète le croisement précédent, mais on fait un prélèvement de la co-culture toutes les minutes et on secoue fortement les prélèvements, pour rompre les ponts de la conjugaison donc le transfert de l’ADN. Les gènes situés à proximité en aval de l’origine de transfert de l’épisome ont plus de chance d’être transférés que les gènes plus éloignés. On étale la moitié de chaque prélèvement sur un milieu contenant de la streptomycine et de la proline et l’autre moitié sur un milieu contenant de la streptomycine et de l’arginine. Sur le premier milieu on observe les colonies recombinantes à partir du quatrième prélèvement, tandis que sur le deuxième milieu seulement à partir de dixième prélèvement. Cela veut dire que le gène responsable de la synthèse d’arginine est plus près de l’origine de transfert de l’épisome que le gène de la proline. On observe 6 minutes de décalage entre les premières colonies recombinantes « arginine » et les premières recombinantes « proline ». Il faut environ 100 minutes de transfert pour faire passer le génome entier d’ E. coli , composé de 4,2 millions de bases, ce qui fait environ 40 000 bases par minute. Donc les gènes arginine et proline sont distants d’environ 240 000 bases.

La transduction Certains bactériophages (virus de bactéries) induisent la fragmentation du génome bactérien. Bien que ce soit un phénomène rare il arrive qu’à la formation de nouveaux virus, ce ne soit pas le génome viral qui soit enveloppé par la capside mais un fragment du génome bactérien. Ces phages appelés « transducteurs » peuvent contenir jusqu’à 100 000 pb d’ADN bactérien. (C’est la taille de génome viral.) Les transducteurs en infectant les bactéries, peuvent transférer le fragment d’ADN bactérien exogène dans la bactérie réceptrice. Cet ADN peut remplacer par recombinaison la totalité ou une partie de la séquence homologue endogène. Les transducteurs ne sont pas isolés des vrais phages. Le nombre moyen de phages par bactérie pendant la transduction est bien inférieur à 1, ainsi chaque bactérie est infectée par un phage au maximum. Si ce phage contient le génome viral la bactérie meurt. Si le phage est un transducteur, l’ADN bactérien est transféré dans la bactérie et peut recombiner avec les séquences endogènes. La transduction est aussi utilisée pour la cartographie du génome. Comme le fragment transféré est inférieur à 100 000 pb, si une souche de bactéries porteuses de plusieurs mutations peut être recombinée par transduction pour toutes les mutations à la fois, cela prouve que ces gènes mutants se trouvent sur un fragment d’ADN plus court que 100 000 pb. La transformation Sous certaines conditions physiologiques les bactéries sont capables de laisser pénétrer de l’ADN exogène nu (sans pont de conjugaison, sans transducteur). On dit que ces cellules réceptrices sont « compétentes ». La taille d’ADN exogène peut rarement dépasser 10 000 pb.

Cours de Génétique Formelle - Auteur Josiane Aubert et Emese Meglécz ([email protected])

35