sn02te0-sequence-03.pdf

Séquence 3-SN02 105

Innovations génétiqueset évolution

>

Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

Chapitre 1 > Les innovations génétiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

A Du polymorphisme des protéines au polymorphisme génique � La diversité biologique à l’échelle des protéines � Rappel : la notion d’allèle � L’importance de la variabilité génétique des organismes

B Les mutations, source d’innovation génétique � Rappel : la notion de mutation � L’origine des mutations � Les différents types de mutations � La création d’allèles d’un même gène � Les conséquences phénotypiques des mutations

C Une forme de complexification du génome : les familles multigéniques � La famille des globines humaines � L’importance et la variété des duplications géniques

Chapitre 2 > Les relations entre mécanismes de l’évolution

et génétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

A L’avantage sélectif de certaines mutations � Un exemple remarquable d’adaptation au milieu : la Phalène du Bouleau � La sélection naturelle privilégie certaines innovations génétiques

B Les mutations neutres � Rappel : le polymorphisme biochimique � Les mutations neutres : mutations non déterminantes pour l’évolution

C Les conséquences évolutives des mutations portant sur les gènes du développement � Les gènes de développement � L’hétérochronie, conséquence de mutations de gènes du développement

Conclusion

Corrigé des activités autocorrectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

107Sommaire séquence 3-SN02


ntroduction

Les Acquis

La vie est apparue sur Terre, il y a environ 4 milliards d’années. Au cours des temps géologiques, fau-nes et flores se sont succèdé, se modifiant sans cesse et colonisant progressivement tous les milieux possibles mêmes les plus hostiles.

L’état actuel du monde vivant résulte de l’évolution qui peut être défini dans un premier temps comme l’ensemble des transformations qui a affecté les différentes formes de vie depuis son origine.

Cependant les êtres vivants, bien que diversifiés, partagent toujours des propriétés communes (struc-tures cellulaires, ADN, modalités de la réplication et de l’expression des gènes, code génétique). Ces propriétés attestent d’une origine commune, c’est à dire d’un lien de parenté entre toutes les espèces actuelles et fossiles.

L’évolution biologique peut alors se définir comme une source d’innovations à l’origine des phylogénies (histoire évolutive des lignées d’organismes, des ancêtres aux descendants).

Problèmes scientifiques

Les mécanismes de l’évolution sont à rechercher à travers les mécanismes produisant et conservant l’innovation au sein du monde vivant.

Ces innovations peuvent se manifester à plusieurs niveaux :� Au niveau morphologique : par exemple, l’acquisition de la bipédie chez les Hominidés

(voir séquence 1).� Au niveau physiologique : par exemple, l’acquisition de l’homéothermie (température

interne constante) chez les oiseaux et les mammifères.� Au niveau comportemental : par exemple, les modifications des comportements alimen-

taires ou bien l’apparition du langage chez les Hominidés.

À travers ces exemples, il est clair que l’innovation s’exprime au niveau du phénotype des individus d’une espèce donnée et ne peut se conserver que si elle touche au génotype associé. L’innovation ne peut être alors que génétique.

Nous rechercherons dans cette séquence à préciser les principaux mécanismes génétiques qui déter-minent l ‘évolution des êtres vivants et à établir les conditions qui peuvent influer sur la conservation des innovations apparues.

Activité autocorrective n° 1 � Connaissez-vous un mécanisme provoquant l’apparition de nouveaux génotypes au sein d’une

population donnée ?

� La reproduction sexuée, étudiée dans la séquence 2, est-elle un mécanisme source d’innovation génétique chez les êtres vivants ?


Les innovations génétiques

A Du polymorphisme des protéines au polymorphisme des gènes

� La diversité biologique à l’échelle des protéinesLe polymorphisme au sein d’une espèce (ou polymorphisme intraspécifique) peut être de nos jours étudié plus finement, au niveau même des protéines et des enzymes, grâce à la technique de l'élec-trophorèse.

Lors d'une électrophorèse (document 1), les protéines sont soumises à l'action d'un champ électrique et migrent vers l'anode ou la cathode selon leurs charges. Si les protéines diffèrent entre elles par leur charges, mais aussi dans une certaine mesure par leur taille et leur structure, leur mobilité électropho-rétique sera différente et on pourra ainsi les distinguer.

Document 1 L’électrophorèse sur gel

L’ÉLECTROPHORÈSE SUR GEL est une méthode qui permet d’évaluer l’importance de la variabilité génétique dans les populations naturelles grâce à l’examen des variants protéiques des divers individus. Dans un premier temps, on prélève un échantillon de tissu de chaque organisme et on en extrait les protéines ; chaque extrait protéique est ensuite disposé sur un gel d’amidon, d’agar ou de polyacrylamide. Puis on fait passer un courant dans le gel pendant plusieurs heures ; chacune des protéines de l’échantillon migre alors à travers le gel selon une direction et à une vitesse qui dépendent de sa charge électrique et de son poids moléculaire. Au terme de la migration, on recouvre l‘ensemble du gel d’une solution contenant le substrat spécifique de l’enzyme étudiée et un réactif coloré. L’enzyme présente dans le gel catalyse la conversion du substrat en un produit qui se combine avec le réactif pour donner une bande de couleur à l’endroit où la protéine a migré. Comme les divers allèles d’une même enzyme diffèrent par leur structure moléculaire et par leur charge (et ont par conséquent des mobilités différentes dans un champs électrique), il est possible de visualiser, pour chaque individu, la composition génétique du locus qui code pour une enzyme donnée, d’après le nombre et la position des bandes électrophorétiques.

Toutes les études par électrophorèse des protéines de différents tissus animaux ou végétaux d'indivi-dus de la même espèce concordent et révèlent l'existence d'isoenzymes (ou isozymes) c'est-à-dire de différentes formes moléculaires de protéines de même spécificité enzymatique.

Une même protéine peut donc, au sein d'une population d'individus de la même espèce, exister sous plusieurs formes ou phénotypes moléculaires (document 2).

Séquence 3-SN02112

Document 2 Un exemple de gel électrophorétique

Ce gel électrophorétique a été coloré par la malate-déshydrogénase, enzyme qui intervient dans le métabolisme respiratoire. Cette enzyme est constituée de deux chaînes polypeptidiques qui se combinent spontanément après leur synthèse. Ce gel représente les migrations respectives de cette enzyme chez 22 mouches appartenant à l’espèce Drosophila equinoxialis. Plusieurs phénotypes apparaissent dans cette expérience : une protéine à migration rapide (désignée par RR = deux chaînes R), une protéine à migration lente (désignée par LL = deux chaînes L) et une protéine de migration intermédiaire (désignée par RL = une chaîne R et une chaîne L).

Selon les individus, une seule enzyme est fabriquée ou bien les trois. On parle alors d’isoenzymes.

� Rappel : la notion d'allèle

Un même gène peut exister sous différentes formes ou versions appelés allèles ou gènes allèles.

Les allèles d'un même gène sont des séquences d'ADN portées par le même chromosome et occupent le même locus (emplacement donné) sur ce chromosome.

Les êtres vivants étant dans leur grande majorité diploïdes, c'est à dire possédant 2n chromosomes (voir séquence 2), chaque gène existe en deux exemplaires chez ces individus, un exemplaire sur chaque chromosome homologue. Autrement dit, chaque individu possède deux allèles de chaque gène. Si ces deux allèles sont identiques, l'individu est qualifié d'homozygote. Par contre, si les deux allèles sont différents, l'individu est hétérozygote.

� L'importance de la variabilité génétique des organismes

a) Un exemple de polymorphisme allélique : le système ABO des groupes sanguins

Dans une grande population, on peut constater l’existence de plusieurs allèles à un locus donné, cha-que individu n’en possédant que deux. On parle de polyallélisme. Étudions l’exemple des groupes sanguins.

Le groupe sanguin est un caractère qui participe à la définition du phénotype d’un individu. Une carte de groupe sanguin porte plusieurs mentions. Elle indique en particulier l’appartenance à l’un des quatre groupes A, B, O ou AB. Les groupes sanguins correspondent à la présence ou à l’absence de certaines molécules appelées « marqueurs » à la surface des hématies. Le système ABO est le principal système de marquage des globules rouges mais il en existe d’autres comme le système Rhésus par exemple.

La synthèse des marqueurs du système ABO se fait par étapes. La dernière étape est catalysée par une enzyme codée par un gène situé sur le chromosome 9.

Il existe plusieurs allèles de ce gène :

- l’allèle A code pour une enzyme A qui catalyse la synthèse du marqueur A- l’allèle B code pour une enzyme B qui catalyse la synthèse du marqueur B- l’allèle O ne code pas pour une enzyme fonctionnelle de sorte qu’il n’y a pas dans ce cas de synthèse

de marqueur spécifique.

Un individu du groupe sanguin A possède le marqueur A ce qui signifie qu’il possède soit deux fois l’allèle A, ou bien l’allèle A et l’allèle O (rappel : tout individu diploïde possède deux allèles de chacun de ces gènes).

De même un individu du groupe sanguin B possède le marqueur B ce qui signifie qu’il possède soit deux fois l’allèle B soit l’allèle B et l’allèle O.


Un individu du groupe AB possède en mélange sur ces hématies les marqueurs A et B, ce qui signifie qu’il détient les allèles A et B du gène.

Quant à l’individu O, il ne possède aucun marqueur sur ses hématies, il ne peut donc détenir que l’allèle O du gène.

Document 3 Un exemple de polymorphisme : le système des groupes sanguins ABO

Répartition des groupes sanguins du système ABO dans différentes populations humaines

Population Groupes sanguins (%)

O A B AB

Amérindiens 98,5 1,5 0 0

Aborigènes 48,1 51,9 0 0

Basques 57,2 41,7 1,1 0

Français 39,8 42,3 11,8 6,1

Pygmées 30,6 30,3 29,1 10,0

Hindous 29,2 26,8 34,0 10,0

Fréquence (en %) des allèles A, B et O dans différentes populations

Allèle A Allèle B Allèle O

Indiens (Mexique) 12,5 0 87,5

Français 27,8 8,8 63,4

Chinois 22,0 20,1 57,9

Russes 25,0 18,5 56,5

Pygmées 22,7 21,9 55,4

Hindous 20,6 25,4 54,0

Suédois 30,7 7,4 61,9

Les tableaux du document 3 montrent que la fréquence des groupes sanguins dans les populations humaines est liée à la fréquence des différents allèles du gène dans ces populations. On remarque que chaque population est caractérisée par une répartition des allèles spécifiques.

b) Notions de gènes polyalléliques et de gènes polymorphes

Pour beaucoup de gènes, il existe un nombre plus ou moins grand d’allèles : ces gènes sont qualifiés de gène polyalléliques (exemple : le gène qui code pour la � globine : 476 allèles connus à ce jour). La plupart du temps, un allèle est présent à une fréquence beaucoup plus élevée que les autres allèles du même gène, on le considère alors comme l’allèle normal (allèle de référence).

Un gène est dit polymorphe quand il présente au moins deux allèles dont le plus rare est présent dans plus de 1 % de la population. Le gène ABO des groupes sanguins est donc bien un gène polymorphe d’après les tableaux du document 3. Ce n’est pas le cas de tous les gènes polyalléliques. Prenons l’exemple du gène qui code pour l’hormone hypophysaire LH. On connaît 4 allèles de ce gène mais la fréquence de l’allèle normal est de 99,99 %, les 3 autres allèles ne sont présents qu’à 0,01 %. Ce gène n’est donc pas polymorphe.

La variabilité génétique des vertébrés est très importante : 30 % des protéines sont variables et les individus sont en moyenne hétérozygotes pour 6 % de leurs gènes. Les invertébrés ainsi que les plantes sont encore plus polymorphes avec des valeurs de leurs hétérozygoties de l'ordre de 15 à 17 %.

Séquence 3-SN02114

Activité autocorrective n° 2 D'après ce qui vient d'être dit et vos connaissances sur les protéines et le mécanisme de leur synthèse

dans la cellule, expliquez l'origine des trois formes de l'enzyme malate déshydrogénase (document 2).

Activité autocorrective n° 3 � Calculez à partir du tableau du document 4 et du document 5, le nombre de génotypes différents

pour chacun des gènes du complexe CMH.

� Les gènes du complexe CMH sont situés sur le même chromosome : éva-luez le nombre d’associations différentes d’allèles de ces 6 gènes sur le chromosome. Chaque gène étant représenté par 2 allèles situés sur les 2 chromosomes homologues, calculez le nombre de « moi biologique » ou nombre de génotypes différents du complexe HLA.

� Comparez ce résultat à l’effectif de l’humanité : qu’en déduisez-vous ?

Document 4 Les marqueurs d’identité de l’individu sont, à l’échelle des cellules, représentés par des glycoprotéines membranaires. Ces molécules sont les produits d’expression des gènes du complexe majeur d’histo-compatibilité (CMH) : ce système est très polymorphe.

Dans l’espèce humaine, le complexe majeur d’his-tocompatibilité (CMH) est situé sur le bras court du chromosome 6. Il comporte six gènes appelés HLA-A, HLA-B, HLA-C, HLA-DR, HLA-DP, HLA-DQ. Chacun de ces gènes présente un grand nombre d’allèles.

Gènes HLA-A B C DR DP DQ

nombre d’allèles (n)

25 50 10 45 10 6

Chacun des différents allèles des gènes HLA-A, -B, -C code pour une chaîne peptidique présente à la surface de toutes les cellules de l’organisme et associée avec une autre chaîne polypeptidique. Ces motifs protéi-ques, appelés produits de classe I du CMH définissent le moi biologique de tous les tissus.

Les différents allèles des gènes HLA-DR, -DP, -DQ codent pour des motifs protéiques dites de classe II présents uniquement à la surface de nombreux globules blancs (lymphocytes et macrophages). Ces motifs participent à la mise en œuvre de l’immunité et, de ce fait, peu-vent aussi être considérés comme des éléments du moi biologique.

Document 5 Le nombre de génotypes à chaque locus d’un gène dépend du nombre d’allèles de ce gène

Évaluation du nombre de génotypes différents pour un gène donné

Pour un gène présentant n formes alléliques, il existe n2 combinaisons possibles de 2 allèles parmi ces n. Ces n2 combinaisons se répartissent en :

– n homozygotes différents (voir diagonale dans le tableau ci-dessous) ;– n2 - n hétérozygotes (le reste du tableau).


Le nombre d’hétérozygotes différents est seulement de (n2 – n)/2 puisque chaque couple d’allèles figure deux fois dans le tableau (au dessus et au dessous de la diagonale).

Il existe donc n + (n2 - n)/2 = n(n + 1)/2 génotypes différents pour le gène considéré.

Le problème qu'il nous reste à résoudre est l'origine du polymorphisme génique c'est à dire du poly-morphisme de l'ADN ?

B Les mutations, source d’innovation génétique

� Rappel : la notion de mutation

Il arrive parfois qu'au sein d'un clone cellulaire apparaisse un nouveau caractère. Si ce nouveau caractère se transmet d’une génération de cellule à une autre, on parle de mutation. La fréquence des mutations au sein d'une population homogène de cellules est un événement rare dont la probabilité est de l'ordre de 10-5 à 10-7 (touche une cellule sur 100 000 à une cellule sur 10 millions).

L'analyse biochimique des mutations se ramène dans la plupart des cas à une modification de la struc-ture et par voie de conséquence de l'activité de certaines enzymes par rapport au caractère naturel dit encore caractère sauvage.

Les mutations étant transmissibles, il faut admettre qu'elles touchent le matériel génétique de la cellule, c'est-à-dire l'ADN.

Une mutation est donc une modification de l'information génétique gouvernant l'expression d'un caractère.

Activité autocorrective n° 4 Quel moment du cycle cellulaire vous semble particulièrement favorable à la mise en place d'une

mutation ? Par quel mécanisme moléculaire ?

� L’origine des mutations

Même dans des circonstances parfaitement normales, les mécanismes de la réplication de l'ADN admettent toujours une certaine marge d'erreurs. Des mutations peuvent donc se produire de manière spontanée chez tous les êtres vivants. La fréquence d'un tel événement reste cependant très faible (probabilité de 10-5 à 10-7).

Ces fréquences spontanées peuvent augmenter dans des proportions importantes si l'on soumet le patrimoine génétique à l'action de certains agents qualifiés de mutagènes.

Séquence 3-SN02116

Les agents mutagènes agissent au niveau de l'ADN. Ils sont responsables de lésions variées : modification chimique de certaines bases azotées, rupture des liaisons chimiques entre les bases… Les mutations sont la conséquence directe de ces lésions. Elles interviennent le plus souvent dans les processus de réparation des molécules d'ADN qui sont susceptibles de faire des erreurs ou des oublis.

Les mutagènes connus se répartissent en deux catégories : les agents physiques et les agents chimiques. Le premier groupe comprend toutes les radiations ionisantes (rayons g, rayons X…) et certaines parties du spectre de l'ultra-violet. Les agents mutagènes chimiques sont nombreux et variés (acide nitreux, esters sulfuriques, 5-bromo uracile par exemple).

Il faut noter que les poisons de la mitose constituent une catégorie à part d'agents mutagènes. Ils peuvent produire des mutations de la garniture chromosomique. Le plus connu est la colchicine dont l'action conduit, dans la cellule, au doublement du nombre de chromosomes (polyploïdie).

� Les différents types de mutations

Le terme de mutation peut être appliqué aux changements de toute nature intéressant le matériel génétique. On distingue les mutations géniques et les mutations chromosomiques.

a) Les mutations géniques

Un exemple : origine d'une maladie, la drépanocytose.

Cette maladie, qui atteint surtout les populations humaines africaines, est aussi appelée anémie à hématies falciformes car elle se caractérise par la présence d’hématies en forme de faux. Les individus atteints ont une hémoglobine anormale appelée hémoglobine « s » (s pour sickle = faucille, en anglais) de telle sorte qu'elle ne peut plus jouer son rôle de transporteur d'oxygène depuis les poumons jusqu'aux cellules. Cette hémoglobine anormale ne diffère de l'hémoglobine normale (hémoglobine « A ») que par la substitution d'un seul acide aminé de la chaîne b (la molécule d'hémoglobine comporte 4 chaînes polypeptidiques (2 chaînes a et 2 chaînes b).

Chaîne b normale : 146 acides aminés Chaîne b mutée : 146 acides aminés

---- Thr - Pro - Glu - Glu ------ ------ Thr - Pro - Val - Glu ------

aa4 aa5 aa6 aa7 aa4 aa5 aa6 aa7

Question

À partir de l'exemple présenté ci-dessus et de vos connaissances, proposez une définition de l'expression « mutation génique ».

RéponseLes mutations géniques correspondent à un changement localisé sur un fragment d'ADN codant. Il s'agit d'une modification de la séquence des nucléotides au niveau d'un brin d'ADN qui code pour la synthèse d'une protéine.

Ces mutations peuvent être localisées au niveau d'un triplet de nucléotides (mutations ponctuelles) ou plus étendues (addition ou perte de longues séquences de nucléotides).

Il existe 4 principaux types de mutations géniques ponctuelles (document 6) :

– la substitution = remplacement d'un nucléotide par un autre ;

– l'inversion = retournement d'un triplet de nucléotides ;

– la délétion = perte d'un nucléotide ;

– l'insertion = introduction d'un nucléotide supplémentaire.


Document 6 Principaux types de mutations ponctuelles

Type de mutation ARNm correspondantau gène normal +protéine synthétisée

ARNm correspondantau gène muté +protéine synthétisée

Substitution CCA - GAG - ACUPro - Glu - Thr

CCA - GUG - ACUPro - Val - Thr

Inversion UUC - UGG - GCUPhé - Try - Ala

UUC - GGU - GCUPhé - Gry - Ala

Délétion UAC - ACC - ACG - A.. Tyr - Thr - Thr

UAC - CCA - CGATyr - Pro - Arg

Insertion UAC - ACC - ACGTyr - Thr - Thr

UAC - GAC - CAC - G..Tyr - Asp - His

Activité autocorrective n° 5 Le fragment du brin transcrit d'ADN correspondant aux acides aminés 4 à 7 du gène normal de la

chaîne b de l'hémoglobine est le suivant : ...TGA - GGT - CTC - CTC...

En vous aidant du code génétique (document 7), expliquez en quoi consiste la mutation génique à l’origine de la drépanocytose.

Document 7 Le code génétique

1re 2e lettre 3e

lettre U C A G lettre

U UUU phénylalanine UCU UAU tyrosine UGU cystéine U UUC (phe) UCC sérine UAC (tyr) UGC (cys) C UUA leucine UCA (ser) UAA non-sens UGA non-sens A UUG (leu) UCG UAG UGG tryptophane (trp) G

C CUU CCU CAU histidine CGU U CUC leucine CCC proline CAC (his) CGC arginine C CUA (leu) CCA (pro) CAA glutamine CGA (arg) A CUG CCG CAG (gln) CGG G

A AUU isoleucine ACU AAU asparagine AGU sérine U AUC (ileu) ACC thréonine AAC (asn) AGC (ser) C AUA ACA (thr) AAA lysine AGA arginine A AUG méthionine (met) ACG AAG (lys) AGG (arg) G

G GUU GCU GAU ac. aspartique GGU U GUC valine GCC alanine GAC (asp) GGC glycine C GUA (val) GCA (ala) GAA ac. glutamique GGA (gly) A GUG GCG GAG (glu) GGG G

Question

Certaines mutations ponctuelles sont qualifiées de mutations silencieuses car ces mutations n'affectent pas la protéine qui garde la même structure primaire.

Expliquez l'existence de telles mutations en utilisant le code génétique (document 7)

Réponse

L'information génétique est redondante, c'est-à-dire que la plupart des acides aminés sont désignés par plusieurs codons. Ainsi peut on expliquer que certaines mutations ponctuelles par substitution sont sans conséquence sur la structure primaire de la protéine.

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Séquence 3-SN02118

Activité autocorrective n° 6 � Retrouvez les différentes modifications qui ont affecté la séquence du gène b des individus 2 à 6.

Tenez compte des différents codons 75 indiqués. Identifiez les différents types de mutations.

À l’aide du code génétique (document 7), indiquez leurs conséquences sur l’expression des allèles du gène.

� Justifiez le phénotype des individus 4, 5 et 6.

Document 8 Les anomalies de l’hémoglobine

Il existe au sein de la population humaine de nombreuses anomalies de l’hémoglobine. En vue de les connaître, on a isolé et séquencé, entre autres, le gène codant pour la chaîne b. Les allèles de ce gène sont très nombreux (plusieurs centaines) et permettent pour la plupart une synthèse de molécules fonctionnelles. Mais on connaît de nombreuses maladies appelées hémoglobinopathies se traduisant par des anémies plus ou moins marquées. Ce document donne le début de la séquence (qui comprend 147 codons au total) de l’ARN messager correspondant au gène b de 6 individus. Chaque individu est homozygote, porteur de deux allèles identiques de ce gène.

b) Les mutations étendues

Dans le cas des mutations étendues, le changement se situe au niveau de segments de chromosomes. Une mutation chromosomique comporte deux étapes : la première est une production de cassures sur les chromosomes ; la seconde, l'établissement de connexions nouvelles entre les segments.

Ces accidents, affectant tout ou partie d'un chromosome sont visibles sur le caryotype de la cellule alors que les mutations géniques ne le sont pas (voir séquence 2 – chapitre 1).


� La création d'allèles d'un même gène

Les mutations touchant le matériel génétique sont à l'origine des versions modifiées d'un même gène, appelées allèles. Chaque nouvel allèle d’un gène peut être considéré comme une innovation génétique.

Le document 9 présente un exemple de polymorphisme génique ou polyallélisme.

Document 9 Le polymorphisme génique de la chaîne b de l'hémoglobine.

La diversité des pathologies liées aux gènes de l'hémoglobine et plus particulièrement à celui de la chaîne b, fait de cette molécule un bon exemple de polymorphisme génique.

Codon Mutation Nouveau codon Nombre d’acides Conséquence ou nouvelle aminées phénotypique séquence (ADN) dans la chaîne b et signes cliniques

2 substitution CAT 146 hémoglobine fonctionnelle

hémoglobine formant 6 substitution GTG 146 de longues fibres ; hématies déformées : drépanocytose

6 substitution AAG 146 hémoglobine C : anémie peu grave

6 délétion G – G 17 thalassémie : anémie grave

16 délétion GG - 20 thalassémie

17 substitution TAG 16 thalassémie

39 substitution TAG 38 thalassémie

41 – 42 délétion de 4 nucléotides ----TT 58 thalassémie

71 – 72 insertion TTTTAGT 71 thalassémie

102 substitution ACC 146 diminution de l’affinité pour l’oxygène : cyanose

103 substitution CTC 146 augmentation de l’affinité pour l’oxygène : polyglobulie

121 substitution de 3 nucléotides TTC 146 hémoglobine fonctionnelle

� Les conséquences phénotypiques des mutations

À partir du tableau du document 9, on peut dresser un bilan des conséquences phénotypiques des mutations :

➠ Au niveau de la séquence polypeptidique

- La substitution d’un nucléotide par un autre donne un codon qui désigne le même acide aminé : mutation silencieuse (document 9, cas du codon 2).

- La substitution donne un codon désignant un autre acide aminé : mutation faux sens (document 9, cas codon 6).

- La mutation donne un codon stop : mutation non-sens (document 9, cas du codon 17).- L’addition ou la délétion d’un nucléotide entraîne un décalage du cadre de lecture de l’ARNm corres-

pondant : mutations décalantes (document 9, cas des codons 71-72).

➠ Au niveau de la fonction des protéines

- La fonction d’une protéine est liée à sa forme tridimensionnelle (forme dans l’espace), elle-même liée à sa structure primaire (séquence d’enchaînement des acides aminés). Une modification de la séquence polypeptidique peut donc avoir une incidence sur la fonction de la protéine qui peut être à l’origine de pathologies chez l’individu. Certaines mutations faux sens et non sens et la plupart des mutations déca-lantes sont ainsi des mutations qualifiées de défavorables (nombreux exemples dans le document 9).

Séquence 3-SN02120

- Il peut cependant arriver qu’une légère modification de la structure primaire de la protéine (mutation faux-sens) ne modifie pas sa forme dans l’espace, donc n’altère pas sa fonction. On parle alors de mutations neutres (document 9, cas du codon 121).

- Enfin, certaines mutations aboutissent à des protéines plus efficaces ou ayant une nouvelle fonction : ces mutations peuvent être qualifiées de favorables pour un environnement particulier.

Les mutations, source d’innovation, ne sont pas toujours défavorables. Beaucoup sont neutres, d’autres peuvent être avantageuses pour l’organisme. Nous avons là un des mécanismes de l’évolution des êtres vivants (voir séquence 3 – chapitre 2).

Activité autocorrective n° 7 D’après vos connaissances, comment ces mutations peuvent-elles se transmettre :

� d’une génération de cellules à une autre ?� d’une génération d’individus à une autre (transmission à la descendance) ?

C Une forme de complexification du génome : les familles multigéniques

� La famille des globines humainesAu cours du développement de l’organisme humain, différentes molécules d’hémoglobine sont syn-thétisées (document 10).

Document 10 Les différentes chaînes de globines participant à la formation de l’hémoglobine au cours du développement de l’Homme.

expressiondes gènesde globine

-6 -3 0 3 6 moisnaissance

a

b

d

g

e

z Quel que soit le stade de développement, l’hémoglobine

est constituée de deux chaînes se rattachant au groupe a (a ou z) et de deux chaînes se rattachant au groupe b (b, d, e, g). L’hémoglobine fœtale est ainsi principalement de type a2 - g2 alors que l’hémoglobine adulte est du type a2 - b2.

Activité autocorrective n° 8 Commentez le graphique du document 10.

Toutes les chaînes des deux groupes de globines (groupe a et groupe b) sont codées par des gènes dif-férents. Les gènes du groupe a sont situés sur le chromosome 16, ceux du groupe b, sur le chromosome 11 (document 11). Il ne s’agit pas d’allèles d’un même gène mais bien de gènes différents, exprimés à différents moments du développement embryonnaire.

� N.B. Les gènes sont placés sur les chromosomes 11 et 16 dans l’ordre où ils vont être exprimés.


Document 11 Gènes codant pour les différentes chaînes de globine

Les pseudogènes dans chaque groupe ne codent pour aucune chaîne polypeptidique fonctionnelle mais présentent une structure semblable à celle des gènes actifs.

Toutes les chaînes de l’hémoglobine comportent un nombre d’acides aminés voisins (de 141 à 146 acides aminés). Le document 12 compare les séquences polypeptidiques des principales globines humaines (seuls, les 35 premiers acides aminés vous sont proposés à titre d’exemple). Cette comparaison permet d’estimer le nombre de différences entre les séquences prises deux à deux (document 12).

Document 12 Comparaison des séquences des principales globines humainesUn tiret représente, pour une position donnée, un acide aminé identique à celui observé dans la globine a.

Séquence des 35 premiers acides aminés :

10 20 30

hémoglobine a : V*LSPADKTNVKAAWGKVGAHAGQYGAEALERMFL…

hémoglobine b : - H - T - EE - S A - T - L - - - - N* *VD EV - G - - - G- L LV…

hémoglobine d : - H - TPEE - - A - N - L - - - - N* *VDAV - G - - - G- L LV…

hémoglobine g : GHFTEE - - AT I T S L - - - - N* *VE DA - G - T - G- L LV…

hémoglobine e : - HFTAEE - AA - T S L - S - MN** VE E A - G - - - - G- L LV…

myoglobine : G* - - DGEWQL - LNV - - - -E - D IP GH - Q - V - I - - - K…

[* représente un délétion détectée en alignant les séquences.]

z

b

d

g

emyoglobine

61

84

85

89

92

115

a

96

94

91

92

115

z

10

39

36

118

b

41

40

117

d

30

118

g

120

e

Activité autocorrective n° 9 Exprimez les différences en % entre les polypeptides codés par les différents gènes des globines du groupe b.

� N.B. Toutes les chaînes du groupe b ont 146 acides aminés.

Les ressemblances entre les polypeptides témoignent d’une grande similitude entre les gènes qui codent pour ces globines. Ces gènes présentent donc une grande parenté. On dit que ces gènes appartiennent à un même ensemble appelé famille multigénique. Dans une famille multigénique, tous les gènes dérivent d’un gène ancestral commun.

Séquence 3-SN02122

Pour passer d’UN premier gène ancestral à toute une famille de gènes différents et présents chez un même individu, il est nécessaire dans un premier temps que le gène de départ soit copié ou dupliqué une ou plusieurs fois.

La duplication génique est un mécanisme génétique complexe à partir duquel il se forme 2 gènes identiques à la place d’un seul sur un même chromosome.

Puis, dans un deuxième temps, les copies de ces gènes se déplacent ou se transposent d’un endroit à un autre sur le même chromosome ou sur un autre chromosome.

Enfin, les gènes dupliqués sont susceptibles d’évoluer séparément par mutations ce qui explique la divergence constatée entre les gènes.

Comme pour les gènes homologues (voir séquence 1), les gènes issus d’une duplication sont d’autant plus semblables que la duplication est récente.

Question

Schématisez l’histoire des gènes du groupe des globines b (tous situés sur le chromosome 11).

Réponse

Si l’on se réfère aux % de différences calculés dans l’activité n° 8, on peut dire que :

– b et d sont les plus proches (environ 7 %) : 1re duplication, la plus récente.– g et e sont ensuite les plus proches (20 %) : mise en évidence d’une seconde duplication, plus ancienne

que la première.– b et e, b et g ainsi que d et g et d et e montrent des % de différences assez proches (24 à 28 %)

donc un éloignement des gènes à peu près semblable les uns des autres, consécutif à une troisième duplication, la plus ancienne.

Au total, on met en évidence l’existence hypothétique de 3 gènes ancestraux qui subissent chacun une duplication génique suivi de mutations. On peut résumer cela par les deux types de schémas suivants :

Schéma de type « Arbre »

Gène e Gène g Gène d Gène b Temps

Duplication du gène ancestral n° 3


- 40 MA

- 200 MA

- 100 MA



Schéma de type « représentation chromosomique »

Les ressemblances entre les chaînes polypeptidiques a et b (de l’ordre de 40 %) indique sans conteste une parenté entre les gènes du groupe a et ceux du groupe b. Ainsi a-t-il été montré que tous les gènes des globines actuels sont issus d’une série de duplications, de transpositions et de mutations à partir d’un gène ancestral, la première duplication ayant probablement eu lieu chez un vertébré de la classe des poissons il y a 450 MA (document 13).

Une telle famille de gène illustre bien comment a pu s’établir la complexification du génome par dupli-cations de gènes puis mutations successives.

e g d b

Chromosome 11

Mutations

Duplication 3 et transposition

Mutations



Gène ancestral

Mutations

Séquence 3-SN02124

Document 13 Histoire d’une famille multigénique : les gènes des globines humaines

Gène z Gène a Gène e Gène g Gène d Gène b

Duplication du gène ancestral n° 4 : date estimée à - 100 MA





� L’importance et la variété des duplications géniquesLa famille des gènes de la globine n’est qu’un exemple parmi beaucoup d’autres de famille multigénique montrant l’évolution du génome par duplication.

Ainsi les protéines qui servent à l’emballage de l’ADN, les histones, sont elles aussi codées par de multiples gènes. Dans ce cas, tous les gènes sont quasiment identiques.

Gènes multiples et identiques encore pour les ARN des ribosomes : jusqu’à 5000 copies du même gène.

Activité autocorrective n° 10 Pouvez-vous émettre des hypothèses dans ces cas précis sur l’intérêt de la conservation d’un grand

nombre de gènes identiques ?

Dans la famille des globines, les différentes molécules fabriquées, les hémoglobines, ont gardé la même fonction, celle liée à la fixation de l’oxygène. Mais le processus de duplication – mutations ne conserve pas toujours la fonction du gène ancestral.

L’hypophyse antérieure sécrète diverses hormones et certaines d’entre elles montrent des similitudes. L’hormone « thyréotrope » TSH (régulation de la fonction thyroïdienne, la thyroïde régulant elle même, entre autres, la croissance de l’individu et son métabolisme), les hormones « gonadotropes » GSH, FSH et LH (régulation des sécrétions testiculaires et ovariennes) sont des glycoprotéines dont la partie protéique est constituée chez tous les vertébrés de deux sous-unités (a et b).

Il existe une grande similitude entre les chaînes a et b de ces hormones. Cette similitude indique qu’elles proviennent de la duplication d’un gène ancestral commun.

Le document 14 représente en bas à droite, cette première duplication (point noir) et le dessin montre l’évolution de la sous unité a qui a muté de nombreuses fois, ce qui a donné des sous-unités différentes suivant les espèces de vertébrés.


Document 14 Hypothèse sur l’évolution des hormones FSH, GTH, LH et TSH chez les vertébrés, des Agnathes aux Mammifères.

De bas en haut : évolution au sein d’un même groupe.

Le destin de la sous-unité b est représenté sur la figure principale.

Chez les Agnathes, la chaîne b n'aurait d'abord porté qu'une fonction gonadotrope unique (hormone de type GTH). Puis chez les ancêtres des poissons osseux, elle aurait acquis une potentialité thyréo-trope supplémentaire. Le gène codant pour la chaîne b se serait ensuite dupliqué : il y aurait alors une sous unité b thyréotrope distincte (hormone de type TSH) de la sous-unité b gonadotrope de type LH (hormones de type GTH, puis LH).

Chez les ancêtres des amphibiens, une nouvelle duplication génique se serait produite donnant une nouvelle sous-unité b à fonction gonadotrope, de type FSH.

Dans la suite de l’évolution, les différents gènes des chaînes à potentialité FSH, LH ou TSH auraient subi des mutations modifiant certains acides aminés, expliquant que les différentes espèces aient des chaînes b différentes.

Les potentialités gonadotropes de la chaîne b puis les potentialités thyréotropes supplémentaires de cette même chaîne permettent une séparation des régulations des gonades et du fonctionnement thyroïdien chez l’organisme. Cette séparation effective chez les vertébrés vivants en milieu terrestre permet la division des tâches entre plusieurs hormones, tâches au départ accomplies par une seule hormone. Ce phénomène de spécialisation hormonale représente un avantage évolutif indéniable (indépendance entre les fonctions de reproduction d’une part, métabolisme et croissance de l’individu d’autre part).

ConclusionLes mutations sont à l’origine des différents allèles d’un gène. Spontanées, aléatoires, elles apparaissent chez des individus avec une fréquence faible mais touchent néanmoins de nombreux gènes.

Toutes ces modifications géniques sont source d’innovations. Parmi ces innovations génétiques, seules celles qui affectent les cellules germinales peuvent être transmises à la descendance.

La complexification du génome est une sorte de « bricolage moléculaire » (F. Jacob), comprenant les phénomènes de duplications et de mutations géniques. Le génome des organismes complexes comprend ainsi de nombreuses familles multigéniques, source d’évolution des populations et des espèces. En effet, les gènes dupliqués peuvent être l’objet d’une évolution indépendante par mutations successives, enrichissant ainsi progressivement le génome de différentes espèces apparentées et pouvant rendre compte de l’apparition de fonctions nouvelles.

Séquence 3-SN02

Les relations entre mécanismes de l’évolution et génétique

126

Rappel du problème biologiqueLe devenir des innovations génétiques envisagées dans le chapitre précédent (mutations, duplications géniques) est très variable : elles peuvent être conservées par les populations ou éliminées.

Nous nous attarderons dans ce chapitre sur les conditions favorables à la conservation des innovations génétiques apparues.

A L’avantage sélectif de certaines mutations

Le chapitre précédent a montré à plusieurs reprises (globines humaines, hormones hypophysaires) que les innovations génétiques sont conservées lorsqu’ils représentent un avantage sélectif, c’est à dire que les nouveaux organismes sont mieux adaptés à leur environnement. Prenons un exemple précis d’adaptation au milieu.

� Un exemple remarquable d’adaptation au milieu : la Phalène du bouleau

La Phalène du bouleau (Biston betularia) est un papillon essentiellement nocturne. Il passe la journée immobile, posé, ailes étendues, sur les tronc d’arbres, principalement les hêtres et les chênes. En Grande Bretagne, jusqu’au XIXe siècle, les populations de phalènes étaient exclusivement représentées par des individus de couleur claire, ne montrant que quelques tâches foncées (forme typique, voir documents 15 et 16). A cette époque, dans la région de Manchester, fut capturé un premier spécimen d’une forme noire de phalène (voir documents 15 et 16). La fréquence de cette forme (carbonaria) a ensuite augmenté jusqu’à devenir prépondérante dans certaines régions de Grande Bretagne. La carte proposée dans le document 15, représente la distribution des formes claires et sombres vers 1950.

� N.B. Le nom du papillon, la « Phalène du bouleau », provient du fait que la chenille de ce papillon se nourrit principalement de feuilles de bouleau. L’adulte, par contre, vit de préférence sur des troncs de chênes et de hêtres.

Question

À l’aide des données provenant des documents 16 et 17, proposez une ou plusieurs hypothèses expli-catives concernant la distribution des formes claires et sombres de la Phalène du bouleau en Grande Bretagne vers 1950 (document 15).

Vous montrerez l’influence du milieu dans l’évolution des populations considérées.


Document 15 Évolution des populations de Biston betularia, la Phalène du bouleau : répartition géographique

Document 16 L’adaptation au milieu du papillon Biston betularia (voir encart couleur E10)

La « pigmentation industrielle » de la Phalène du bouleau est un bel exemple d’adaptation au milieu. Les polluants de l’air détruisent les lichens qui devraient normalement recouvrir l’écorce des troncs d’arbre. Sur le bois sombre des chênes sans lichen près de Liverpool en Angleterre, région fortement industrielle, on a constaté que le papillon de couleur noire était plus difficile à repérer que le papillon sauvage de couleur claire (voir encart couleur E10, photographie gauche). Par contre, sur l’écorce recouverte de lichen d’un chêne de la campagne du Pays de Galles, le type sauvage est presque invisible (voir encart couleur E10, photographie droite). Ce type de « camouflage » est appelé homochromie.

Phalènes du bouleau sur écorce sombre de chêne Phalènes du bouleau sur écorce de chêne dépourvue de lichens recouvert de lichens clairs

Répartition des formes claires et sombres de

la Phalène du Bouleau (Biston betularia)

Séquence 3-SN02128

Document 17 Évolution des populations de la Phalène du bouleau : données expérimentales

L’étude des croisements a montré que la couleur était déterminée par un gène, l’allèle correspondant à la couleur sombre dominant l’allèle correspondant à la couleur claire. L’allèle muté, responsable de la forme carbonaria, remplace dans certaines régions l’allèle initial, ce qui correspond à la fixation de la mutation dans certaines populations.

Un ensemble d’expériences a permis d’identifier des facteurs susceptibles d’expliquer l’évolution des populations. Des formes claires et sombres sont lâchées dans deux régions, une région industrielle (région de Birmingham), où les rejets polluants font disparaître les lichens des troncs d’arbres et une région rurale (région du Dorset) où prédominent des arbres aux troncs clairs recouverts de lichens. Les papillons marqués sont des mâles, marqués d’une petite tache de peinture. Des observations à la jumelle montrent que de nombreux papillons sont capturés par les oiseaux, alors qu’ils sont posés pendant la journée sur les troncs d’arbres. Les survivants sont ensuite recapturés la nuit, à l’aide d’une lampe ultraviolet ou attirés par des femelles émettant des phéromones.

Papillons Clairs Sombres

Région industrielle de BirminghamNombre de papillons lâchés :Nombre de papillons recapturés :

16416

15482

Région rurale du DorsetNombre de papillons lâchés : Nombre de papillons recapturés :

39354

40619

Réponse

En 1950, la répartition des formes claires et sombres de la Phalène du bouleau montre que les formes claires sont prédominantes en zones rurales (Sud Ouest de la Grande Bretagne) et que les formes mutantes sont localisées en majorité dans les zones industrielles (centre et est de la Grande Bretagne), là où les rejets industriels polluants font disparaître les lichens des forêts de chênes et de hêtres.

L’industrialisation a entraîné l’évolution de la population de phalènes.

La forme typique est parfaitement camouflée sur des troncs clairs recouverts de lichens (camouflage par homochromie) et échappe ainsi plus facilement à ces prédateurs naturels (oiseaux insectivores) que la forme noire (voir tableau du document 17).

Au contraire, la forme carbonaria est moins visible sur les troncs de chênes dépourvus de lichens des régions industrielles de la Grande Bretagne et échappe ainsi plus facilement aux oiseaux que la forme sauvage.

Les papillons les mieux camouflés sont épargnés par les oiseaux d’où les proportions inversées des formes claires et sombres selon les régions : formes claires avantagées en zone rurale peu polluée et formes sombres avantagées en zone industrielle. Il en résulte une transmission privilégiée des allèles selon le milieu.

� N.B. Les résultats des mesures anti-pollution prises en Grande Bretagne depuis cette époque confirment la pression sélective exercée par le milieu : il y a de plus en plus de formes typiques en zone industrialisée et ceci coïncide avec la réapparition des troncs clairs recouverts de lichens.

� La sélection naturelle privilégie certaines innovations génétiques

Nous venons de traiter avec la Phalène du bouleau, d’un bel exemple actuel d’adaptation au milieu. Les individus porteurs de l’allèle (typique ou muté) qui, dans des conditions de milieu données, leur donnent une probabilité plus grande de parvenir à la maturité sexuelle et de contribuer à la reproduction de l’espèce, ont plus de descendance. La fréquence de l’allèle dont ils sont porteurs augmente dans la population : on parle de sélection naturelle.


L’innovation génétique, ici une mutation aléatoire d’un gène responsable de la couleur du papillon, n’est conservée que dans la mesure où les individus peuvent transmettre cet allèle muté à leur descendance et donc ne sont pas éliminés. Dans l’exemple de la Phalène du bouleau, la « sélection naturelle » est liée à l’association « couleur des troncs – repérage des papillons par les oiseaux prédateurs ».

La sélection naturelle oriente la transmission des allèles et permet l’adaptation au milieu. Elle privilégie la transmission de certaines innovations génétiques ou de certaines combinaisons allèliques, dans la mesure où elles confèrent un avantage dans des conditions données de l’environnement.

B Les mutations neutres

� Rappel : le polymorphisme biochimique

Grâce à la technique de l’électrophorèse, la variabilité génétique des populations et des espèces peut être étudiée très finement, au niveau même des protéines (les enzymes en particulier).

Nous avons déjà montré (séquence 3, chapitre 1) que ce polymorphisme biochimique intraspécifique (populations d’individus de la même espèce) était considérable. Trois paramètres principaux permettent de le quantifier :

� le taux de polymorphisme, P, ou proportion moyenne de gènes polymorphes ;� le nombre moyen d’allèles par gène, A, est le rapport entre le nombre d’allèles et le nombre

total de gènes examinés (il dépend de la taille de l’échantillon étudié : en effet, plus le nombre d’individus examinés est important, plus on aura de chances d’observer un allèle peu répandu) ;

� le taux moyen d’hétérozygotie par individu, H, donne, pour un individu dans une population, le pourcentage moyen de ses gènes hétérozygotes.

Document 18 Évaluation de la variabilité par la technique de l’électrophorèse

Espèce ou groupe Nombre d’espèces étudiées

Nombre de gènes étudiés par espèce

Taux de polymorphisme P

Taux d’hétérozygotie H

Homme 1 71 0,28 0,06Rongeurs 26 26 0,2 0,05Oiseaux 4 19 0,14 0,04Reptiles 9 21 0,23 0,04

Batraciens 11 22 0,33 0,08Poissons 14 21 0,3 0,07

Le tableau du document 18 montre l’étendue du polymorphisme biochimique (ou génétique) chez les vertébrés. La variabilité est très importante : de 25 à 30 % des gènes sont polymorphes et les individus sont hétérozygotes à 6 % environ de leurs gènes.

� Les mutations neutres : mutations non déterminantes pour l’évolution

Beaucoup de gènes polymorphes codent pour des isozymes (ou isoenzymes, voir séquence 3, chapitre 1). C’est le cas par exemple des enzymes à spécificité assez large comme les estérases, les phosphatases et les hydrolases, qui agissent sur un grand nombre de substrats. Cette observation a été confirmée à la fois chez de nombreuses espèces animales et végétales et chez l’homme.

Bien que les séquences primaires de ces isozymes soient différentes, puisqu’elles ne migrent pas de la même façon sur des gels d’électrophorèse, leur fonction est généralement conservée, ce qui signifie que la structure tridimensionnelle de leur site actif n’est pas ou peu modifiée.

Séquence 3-SN02130

Les mutations qui ont affecté les gènes de ces enzymes n’apportent aux individus concernés ni avantage, ni désavantage particulier : on parle de mutations neutres.

Nous avons déjà abordé cette notion de mutation neutre dans la séquence 3, chapitre 1, à partir des documents 8 et 9 concernant l’hémoglobine humaine.

Activité autocorrective n° 11 À partir des données du document 19 et de vos connaissances sur les gènes homologues, montrez

l’intérêt des mutations neutres pour établir des phylogénies.

Document 19 Comparaison des séquences des chaînes a de l’hémoglobine chez différents vertébrés

La séquence de l’Homme est prise comme référence. Chaque lettre correspond à l’abréviation conventionnelle d’un acide aminé. Un tiret représente, pour une position donnée, un acide aminé identique à celui qui est observé chez l’Homme. Tous les Tétrapodes ont une chaîne a de 141 acides aminés. La carpe en possède 142 et le requin 148. L’alignement des séquences de la Carpe et du requin, d’une part, avec celles des autres Tétrapodes, d’autre part, nécessite de décaler par deux fois des fragments de ces dernières (positions repérées par les deux flèches verticales). Les astérisques verticaux correspondent aux espaces introduits pour aligner les séquences. Les astérisques horizontaux repèrent les positions conservées chez toutes les espèces considérées.

Carpe 85Triton 84 75Poulet 83 72 63Ornithorinque 80 74 67 47Kangourou 80 70 63 41 46Bœuf 75 65 60 38 44 26Singe rhésus 79 68 61 35 37 26 16Homme 79 68 60 35 39 27 17 4

Requin Carpe Triton Poulet Onithorinque

Kangourou Bœuf Singe rhésus

Séparation(en mi l l ions d’années)

450 400 360 300 225 135 80 30

Les différences entre séquences sont reportées dans cette matrice. Les valeurs sont obtenues à partir de la figure précédente. Les espaces introduits pour aligner les séquences (astérisques verticaux) ne sont pas comptabilisés dans les différences. La paléontologie permet de dater la séparation des différentes lignées les unes des autres. Par exemple, la lignée conduisant au requin s’est séparée des autres il y a 450 millions d’années.

Les mutations neutres ne sont pas déterminantes pour l’évolution des individus qui en sont porteurs car elles n’offrent pas de prise à la sélection naturelle. Ce type de mutation peut par contre facilement se répandre dans les populations sexuées. Cela explique l’extraordinaire polymorphisme intra et inters-pécifique observé que la sélection naturelle, seule, ne pourrait maintenir.


Le neutralisme est considéré actuellement comme un fait majeur car il fournit aux scientifiques d’ex-cellents traceurs de l’évolution des espèces ; il permet d ‘établir des phylogénies très précises entre espèces proches ou éloignées dont on a peu ou pas de restes fossilisés.

C Les conséquences évolutives des mutations sur les gènes du développement

� Les gènes de développementLes relations entre l’évolution moléculaire (séquences des gènes et protéines associées) et l’évolution morphologique et anatomique (évolution des phénotypes macroscopiques) des individus et des espè-ces ne sont pas simples. Il peut y avoir une évolution moléculaire importante sans réelle évolution phénotypique. Dans ce cas, l’essentiel des mutations sont probablement des mutations neutres qui touchent les parties non actives des protéines codées (voir l’exemple des globines). A l’inverse, certains gènes homologues peuvent présenter de grandes similitudes chez deux espèces morphologiquement différentes. C’est le cas par exemple de l’homme et du chimpanzé qui ont en commun 98,5 % de leur matériel génétique.

Cette apparente contradiction s’explique mieux si l’on considère que les différences entre les organis-mes adultes ne sont que le reflet des différences entre les processus de développement qui mènent à ces organismes adultes.

Ainsi, la compréhension des mécanismes qui aboutissent à l’évolution morphologique passe par celle des mécanismes du développement embryonnaire dont vous avez eu un aperçu en classe de seconde.

a) Découverte des gènes architectesC’est chez les insectes qu’on a, pour la première fois, mis en évidence l’existence de gènes responsables de l’identité des différentes régions du corps suivant l’axe antéro-postérieur. Les gènes impliqués dans cette mise en place sont appelés gènes architectes ou gènes homéotiques.

Chez la drosophile, ces gènes sont situés sur le chromosome 3. Toutes les cellules, donc toutes les régions du corps, les possèdent mais ils ne sont actifs que dans une région précise, déterminée. Les caractères de chaque région du corps, au cours du développement, sont déterminés par les gènes actifs de ce complexe. Chose remarquable, les gènes sont disposés sur le chromosome dans l’ordre où sont disposées les régions dont ils commandent le développement. Il existe en somme, un plan, un patron, une représentation génétique du corps (document 20).

Document 20 Le complexe des gènes de développement de la drosophile et les régions correspondantes chez l’adulte et l’embryon (voir encart couleur E11)

Séquence 3-SN02132

b) Des gènes homéotiques homologues chez tous les métazoaires

Des gènes architectes ont été découverts chez tous les animaux pluricellulaires (métazoaires). Chez les Mammifères, ces gènes sont assemblés en quatre complexes. Dans chaque complexe, les gènes sont disposés sur le chromosome dans l’ordre correspondant à celui des différentes régions du corps où ils sont actifs (document 21).

Document 21 Les 4 complexes de gènes homéotiques chez la souris (voir encart couleur E12)

Activité autocorrective n° 12

À partir des documents 20, 22 et 23, montrez que les gènes antennapedia de la drosophile et le gène Hox B6 de la souris sont des gènes homologues ayant la même fonction.

Document 22 Comparaison des séquences de nucléotides d’une partie du gène antennapedia de la drosophile et du gène Hox B6 de la souris`


Document 23 Drosophile transgénique

Cette drosophile a été obtenue par l’injection d’un gène Hox B6 de Souris dans un œuf de drosophile. Le gène Hox B6 a été incorporé, au préalable, dans un système qui le rend actif, particulièrement, au niveau de la tête.

Des gènes homéotiques homologues, tels ceux de la drosophile et de la souris, ont été trouvés chez tous les animaux pluricellulaires, ce qui témoignent une fois de plus de l’origine commune de toutes les espèces animales.

Des expériences de transgénèse (document 23) montrent que ces gènes architectes déclenchent l’acti-vité d’un ensemble de gènes qui, eux, contribuent au développement de l’individu. Ce ne sont pas des gènes qui agissent directement sur le développement mais qui régulent ce développement. Les gènes homéotiques sont qualifiés de gènes de régulation.

c) Mutations des gènes homéotiques

Question

À partir d’une comparaison des documents 20 et 24, montrez les conséquences d’une mutation du gène homéotique antennapedia ?

Document 24 Drosophile normale et drosophile mutante antennapedia (le gène antennapedia muté s’exprime au niveau de la Tête)

Mise en place de pattes à la place des antennes

Séquence 3-SN02134

a. Drosophile normale b. Tête d’une drosophile normale c. Tête d’une drosophile antennapedia possédant des pattes à la place des antennes.

Réponse

Chez la drosophile, une mutation au niveau du gène antennapedia s’exprime au niveau de la tête, des pattes se développant à la place des antennes. Il est non seulement actif dans un territoire où il ne l’est pas habituellement mais, de plus, il empêche le gène résident chargé de la mise en place des antennes de fonctionner. Cette mutation entraîne donc des changements dans l’organisation antéro-postérieure de l’animal.

Des changements minimes dans les gènes qui régulent le développement embryonnaire peuvent donc entraîner de grands changements dans l’organisation de l’adulte. On voit apparaître de nouveaux plans d’organisation.

� L’hétérochronie, conséquence de mutations de gènes du développement

Une hétérochronie est une différence de positions relatives, dans le temps, des différentes étapes du développement, entre une espèce « ancestrale » et ses descendants.Les travaux sur l’embryologie des primates ou sur l ‘évolution du crâne des hominidés peuvent servir à préciser cette notion complexe.

a) Comparaison du développement du Chimpanzé et celui de l’HommeLa phase embryonnaire dure deux semaines chez le chimpanzé, huit semaines chez l’homme. C’est durant cette seule phase que se multiplient les cellules nerveuses, jusqu’à 5 000 neurones par seconde, ce qui aboutit à nos quelques cent milliards de neurones. Chez l’homme, cet allongement de la durée de la phase embryonnaire peut être interprétée comme une hétérochronie. Cela signifie qu’au cours des millions d’années pendant lesquelles s’est produite l’hominisation, la régulation des étapes du dévelop-pement a été modifiée. On voit que chez l’homme, par rapport au chimpanzé actuel et probablement par rapport à l’ancêtre hypothétique de l’homme et du chimpanzé, que le déclenchement de la phase fœtale est déplacée dans le temps. C’est un cas de ralentissement du développement embryonnaire qui a pour conséquence, chez l’homme, la mise en place d’un cerveau beaucoup plus développé

La phase fœtale, en revanche, est plus courte chez l’homme que chez le chimpanzé. L’accouchement se produit vers le 238e jour pour le chimpanzé et vers le 266e jour chez nous ce qui fait seulement un mois de différence pour la durée totale de la gestation, alors que la phase embryonnaire humaine est plus longue de six semaines.Il s’est donc produit au cours de l’évolution, un raccourcissement relatif de la durée de cette phase de croissance. Cela expliquerait que le bébé humain naisse plus immature que le bébé chimpanzé. Nous serions là en présence d’un phénomène d’accélération du développement.


Après la naissance vient la phase dite lactéale, qui s’achève avec l’apparition de la première molaire supérieure. Cela se produit vers 3 ou 4 ans chez le chimpanzé, et 6 ou 7 chez l’homme. Nouveau phénomène de post-déplacement, puisque la durée de la phase est quasi doublée. C’est durant cette période, vers l’âge de un an et demi, que se produit chez le chimpanzé le processus de remontée du trou occipital vers l’arrière, ce qui entraîne la quadrupédie. Jusque-là, le jeune chimpanzé est autant bipède que quadrupède. Chez le gorille, plus éloigné de nous génétiquement que le chimpanzé, cet épisode survient dès l’âge de un an. En revanche chez le jeune humain, la remontée n’a pas lieu, ce qui permet la bipédie permanente.

Un tel phénomène de non apparition d’un caractère (trou occipital dirigé vers l’arrière) peut être inter-prété comme le maintien chez l’homme d’un caractère embryonnaire : on parle d’un cas de néoténie.La néoténie est un cas de ralentissement du développement sans modification de la durée de vie, ni de l’âge de la maturité sexuelle, ce qui aboutit à des individus conservant une morphologie juvénile par rapport aux individus du ou des espèces considérées comme ancestrales.

Ce maintien en position avancée du trou occipital s’accompagne d’une autre manifestation : la forme arrondie du crâne du jeune chimpanzé se retrouve chez l’homme, comme si elle avait été conservée au cours de l’évolution : exemple frappant là encore de néoténie (document 25).

Document 25 La comparaison des crânes du Chimpanzé et de l’Homme

Le crâne d’un jeune chimpanzé ressemble à celui d’un homme adulte : cas de néoténie.

La comparaison, par la méthode des points homologues, des crânes d’un jeune chimpanzé (Pan troglodytes) et d’un homme moderne adulte (Homo sapiens) montre que la position du trou occipital (flèche) et la forme générale arrondie du crâne du jeune chimpanzé se retrouve chez l’homme adulte.

Les grandes étapes du passage des singes supérieurs à l’homme méritent donc d’être reconsidérées en y intégrant ces phénomènes d’hétérochronie. Les hétérochronies sont largement répandues dans le monde vivant. L’exemple classique est l’axoltl, grosse larve de salamandre qui, au Mexique, au lieu de se métamorphoser en salamandre terrestre, reste toute sa vie dans l’eau à l’état larvaire (avec branchies et nageoire dorsale) et pourtant se reproduit. C’est un cas remarquable de néoténie.

Séquence 3-SN02136

Document 26 L’Axolotl :

L’axolotl est un cas d’école pour l’étude des hétérochronies. Cette salamandre reste toute sa vie à l’état larvaire.

b) Des mutations de gènes homéotiques, à l’origine des processus d’hétérochronie

Les recherches entreprises sur le rôle des gènes architectes montrent que ceux-ci sont impliqués dans les phénomènes d’hétérochronie.

Prenons comme exemple, la formation des membres chez les vertébrés tétrapodes. Leur mise en place est sous la dépendance de plusieurs gènes homéotiques ; ils sont toujours construits selon un plan en trois phases successives :

� phase I : mise en place de l’humérus (membre supérieur) et du fémur (membre inférieur) ;� phase II : mise en place du radius puis du cubitus et de la même manière le tibia puis le

péroné ;� phase III : mise en place de la main et du pied.

Des expériences sur le poisson-zèbre ont montré que les mêmes gènes homéotiques existent (gènes homologues) et s’expriment mais seulement au stade précoce du développement, dans la partie proxi-male de la future nageoire. La phase III n’apparaît pas. Le passage des poissons aux tétrapodes ne correspondrait, en ce qui concerne les 4 membres, qu’à l’acquisition de la phase III, phase qui apparaît comme une potentialité intrinsèque du programme de développement de poissons (puisque les gènes capables de la déclencher sont présents dans leur génôme) mais ne s’y expriment pas. Il s’agit bien d’un cas d’hétérochronie : le temps de développement détermine la structure finalement produite.

L’analyse des ancêtres fossiles du poisson Coelacanthe (une espèce dont les nageoires sont plus évolués que chez la plupart des poissons et très fortement apparentés aux membres des vertébrés tétrapodes) permet de retrouver la trace de l’apparition chez les poissons de cette succession de phases. On voit le fémur et l’humérus apparaître en premier, probablement vers le silurien supérieur, puis la phase II au dévonien inférieur et enfin la phase III au dévonien supérieur.

Le passage des poissons aux tétrapodes serait donc fondé sur le déclenchement d’une hétérochronie liée à la poursuite de l’activité de certains gènes architectes.

Question

Quel événement est susceptible d’être à l’origine de ces propriétés hétérochroniques des gènes homéotiques ?

Réponse

Des recherches récentes ont permis de démontrer que des mutations de gènes homéotiques sont capables de déclencher des hétérochronies du développement.

Ainsi, chez l’homme, une mutation du gène homéotique Hoxd-13 peut entraîner un ralentisse-ment du développement inhibant la formation des deuxièmes phalanges et entraînant parfois jusqu’à la disparition des doigts.


Il est donc possible qu’une simple mutation, autorisant, inhibant ou modifiant l’expression d’un gène homéotique à une étape donnée du développement, peut suffire à changer, chez un individu, la mor-phologie d’un ou de plusieurs caractères, les fonctions d’un ou de plusieurs organes, voire un plan d’organisation, et transmettre ces modifications à sa descendance. Les paléontologues ont souvent été confrontés au problème que pose l’apparition brutale chez certaines espèces fossiles d’innovations morphologiques importantes. Les recherches portant sur les hétérochronies, autorisent à penser que l’apparition de ces innovations peuvent être liées à des mutations portant sur des gènes de régulation tels que les gènes architectes.

Ces résultats confortent l’idée avancée en 1977 par François Jacob selon laquelle les mécanismes de l’évo-lution résultent d’un vaste bricolage moléculaire qui modifie constamment les structures préexistantes.

Conclusion

Les connaissances des modifications du génome nous éclairent sur les processus qui conduisent à l’appa-rition de nouvelles espèces à partir d’espèces préexistantes, phénomène que l’on nomme spéciation.

La spéciation est réalisée quand un isolement reproductif permanent s’est établi entre deux populations appartenant à l’origine à la même espèce. Elle résulte d’un ajustement génétique aux conditions du milieu : l’environnement sélectionnant les innovations génétiques favorables.

Mutationschromosomiques =

remaniements chromosomiques

Gènes de régulation en particulier les gènes du

développement

Gènes de structure ; polyallélie

2 populations d’une même espèce se séparent

Duplications géniques et

mutations géniques

Remaniement du matériel génétique :

« Faire du neuf avec du vieux »

Individus d’une même

espèce

Mutations géniques

Famillesmultigéniques

1 espèce nouvelle

1 espèce nouvelle

Spéciation

Évolution rapide (en particulier

de la morphologie)

Évolution lente (morphologie,

anatomie, physiologie)

Évolution des protéines

Isolement reproductif

Évolution des caryotypes

Séquence 3-SN02

orrigé des activités autocorrectives

138

Activité n° 1 � Les mutations peuvent provoquer l’apparition de nouveaux génotypes dans une population (acquis du programme de seconde).

� La reproduction sexuée ne crée pas d’innovations génétiques ; elle est par contre à l’origine du brassage de caractères nouveaux avec des caractères plus anciens, qualifiés souvent de caractères sauvages. Par exemple, le croisement de drosophiles sauvages (corps gris et ailes longues) avec des drosophiles au corps noirs et aux ailes vestigiales permet de créer des drosophiles recombinées (drosophiles au corps gris et aux ailes vestigiales ou au corps noir et aux ailes longues), c’est-à-dire des drosophiles dont le phénotype associe l’innovation génétique (ailes vestigiales, corps noir) avec les caractères sauvages (caractères ancestraux ?).

Activité n° 2 Tout polypeptide est le fruit de l'expression d'un gène.On peut donc penser que les polypeptides R et L correspondent à deux allèles R et L du même gène.Si l'individu est homozygote, il possède deux allèles R ou deux allèles L. Dans ce cas, il ne fabrique qu'un seul polypeptide et par conséquent qu'une seule enzyme (cas des individus 1,2 et 3 par exemple).Par contre, si l'individu est hétérozygote (6 et 7 par exemple), il possède les deux allèles L et R et peut donc fabriquer les deux polypeptides. Ces individus peuvent alors combiner ces polypeptides et syn-thétiser les trois formes enzymatiques RR, LL et RL.

Activité n° 3 � Pour calculez le nombre de génotypes différents pour chaque allèle du complexe HLA, on utilise la formule suivante : n(n + 1)/2

HLA-A HLA-B HLA-C HLA-DR HLA-DQ HLA-DPnombre d’allèles 25 50 10 45 10 6

nombre de génotypes diffé-rents

325 1275 55 1035 55 21

� Nombre d’associations différentes des gènes du complexe HLA sur un chromosome : 25 x 50 x 10 x 45 x 10 x 6 = 3,375 107 associations des allèles des 6 gènes.

(un exemple d’association : A24 B13 C8 DR1 DP4 DQ7

)

Calcul du nombre de « moi biologique » sachant que pour chaque gène, il existe 2 allèles situés sur les 2 chromosomes homologues. Nous utiliserons la formule précédente (cf 1°) de manière à éliminer les combinaisons aboutissant au même « moi biologique ».

A1 B8 C3 DR1

A2 B12 C7 DR2

A1 B12 C3 DR2

A2 B8 C7 DR1

3,375 107 x (3,375 107 + 1)/2 = 5,7 1014

� L’effectif de l’humanité est compris entre 5,5 milliards (109) et 6 milliards. On constate alors que le nombre de génotypes différents correspondant à divers « moi biologique » est potentiellement 100 000 fois supérieur à l’effectif de l’humanité.

Même moi biologique


Cette énorme diversité, ce polymorphisme génétique, explique l’unicité biologique et génétique de chaque individu : le grand nombre des allèles de chaque gène et leur répartition différentes sur les chromosomes homologues font que la probabilité de rencontrer deux individus semblables génétique-ment est extrêmement faible.

Activité n° 4 Une modification du matériel génétique contenu dans l'ADN peut avoir lieu au moment de la duplication de celui-ci. Il peut s'agir d'une erreur non corrigée de la réplication semi-conservative de l'ADN.

Activité n° 5 Gène normal

4 5 6 7 (codons)

ADN ...TGA - GGT - CTC - CTC...

ARNm ...ACU - CCA - GAG - GAG... (transcription)

Chaîne Thr - Pro - Glu - Glu - (traduction)

Dans la chaîne mutée, la valine remplace l'acide glutamique en position 6. D'après le code génétique, il suffit de remplacer le codon GAG de l'ARNm par le codon GUG pour expliquer l'apparition de l'ano-malie. Il suffit donc d'une substitution au niveau du codon 6 de l'ADN entre la base azotée Thymine et la base azotée Adénine.

ADN ...TGA - GGT - CAC - CTC...

ARNm ...ACU - CCA - GUG - GAG...

Chaîne Thr - Pro - Val - Glu

Activité n° 6 � Individu 2 : La substitution du nucléotide à cytosine (C) du codon n° 2 (CAC) de l’ARNm par un nucléotide à uracile (U) aboutit à un triplet codant également pour l’histidine. En raison de la redondance du code génétique, aucune conséquence de cette substitution n’est décelable au niveau du phénotype.

Individu 3 : Le codon n° 6 (GAG) de l’ARNm (individu 1) code l’acide glu-tamique. La substitution, par mutation, du nucléotide à adénine (A) cen-tral par un nucléotide à uracile (U) produit le codon GUG qui code pour la valine. L’individu est alors atteint de la drépanocytose (voir plus haut).

Individu 4 : Le codon n° 17 (UAG), obtenu par mutation (substitution du nucléotide à adénine (A) par un nucléotide à uracile (U) sur l’ARNm) est un codon-stop : la synthèse de la chaîne b est inter-rompue à ce niveau.

Individu 5 : La délétion du nucléotide à adénine (A) central du codon 6 juxtapose deux nucléotides à guanine. On aboutit ainsi à la désignation d’une glycine à la place de l’acide glutamique, mais également à un décalage général du cadre de lecture de l’ARNm pour tous les codons transcrits en aval de la mutation. Ainsi le codon 18 devient un codon-stop (UAG) : l’ARNm cesse d’être traduit en polypeptide à ce niveau.

Individu 6 : L’insertion d’un nucléotide à uracile avant la première base du codon 72 décalerait également le cadre de lecture de l’ARNm mais en réalité celui-ci n’est pas lu en aval car le codon 72 devient un codon-stop UAG.

� Les individus 4, 5 et 6 sont atteints d’hémoglobinopathies, maladies du sang appelées également thalassémies. Ce phénotype « macroscopique » a pour origine, selon les individus, trois interruptions de la synthèse de la chaîne b à des niveaux différents de sa structure primaire.

Activité n° 7 � Les mutations peuvent se transmettre d’une génération de cellules à une autre par la mitose, qui est un mode de reproduction conforme de la cellule.

Séquence 3-SN02140

� La transmission des mutations d’une génération d’individus à une autre peut se faire selon deux mécanismes :

– la reproduction conforme : cela concerne essentiellement les végétaux, le mécanisme est alors appelé la multiplication végétative ;

– la reproduction sexuée : dans ce cas, les mutations doivent toucher les cellules de la lignée germinale c’est-à-dire les cellules sexuelles.

Activité n° 8 Avant la naissance, jusqu’à la 8e semaine de grossesse environ, est d’abord synthétisée une hémoglobine embryonnaire du type (z2 – e2), puis jusqu’à la naissance, principalement une hémoglobine fœtale du type (a2 – g2).

Après la naissance, l’hémoglobine fœtale fait place à l’hémoglobine adulte (a2 – b2) et à une autre hémoglobine, dite hémoglobine A2 (moins fréquente, seulement 2 %) (a2 – d2).

Activité n° 9 Différences en % :

b - d : 6,8 %

b - e : 24,7 %

b - g : 26,7 %

d - g : 28,1 %

d - e : 27,4 %

g - e : 20,5 %

Ces résultats montrent entre 75 et 90 % de similitudes entre ces protéines.

Activité n° 10 La mise en jeu simultanée d’un grand nombre de gènes identiques permet la traduction simultanée et donc la synthèse en très grand nombre de la même protéine ou des ribosomes, tout cela dans un temps très court.

La production élevée de protéines à des moments propices de la vie cellulaire (mitose par exemple) avantage l’organisme.

Activité n° 11 La similitude entre les chaînes a de l’hémoglobine chez les différents vertébrés présentés est frappante. Cette similitude exprime une parenté entre ces molécules, reflet d’une parenté entre les gènes codant pour ces protéines. Ces gènes dérivent donc d’un gène ancestral que possédait l’ancêtre commun à tous les vertébrés. Les gènes a des vertébrés sont des gènes homologues.

Les globines a présentées entrent toutes dans la composition de l’hémoglobine. Concernant le transport de l’oxygène, l’hémoglobine de la carpe, du triton, du poulet, du kangourou… n’est ni plus ni moins efficace que celle de l’homme. Les chaînes a de l’hémoglobine différent par une partie de leurs acides aminés mais ces modifications dues à des mutations, n’entraînent pas de différence au niveau du site actif des molécules. On peut donc parler de mutations neutres, c’est-à-dire n’influençant pas la fonction de la protéine, ce qui leur a permis d’être conservées de générations en générations.

Les mutations neutres sont à l’origine des gènes homologues des espèces.

Elles permettent par ailleurs aux scientifiques de tracer des arbres phylogénétiques qui traduisent les hypothèses de rela-tions de parenté entre les espèces (voir séquence 1).

Les données moléculaires sur les globines a permettent, par exemple, de dresser une phylogénie des vertébrés.

Les mutations neutres sont donc d’excellents traceurs de l’évolution des espèces.


Activité n° 12 D’après le document 22, la similitude entre le gène antennapedia de la drosophile et le gène Hox B6 de la souris est importante : seulement 33 différences sur les 180 bases azotées représentées. On peut donc parler de gènes apparentés ou gènes homologues.

Le document 23 montre le résultat d’une expérience de transgénèse du gène Hox B6 de la souris chez la drosophile. Le gène Hox B6 a été incorporé, au préalable, dans un système qui le rend actif, particu-lièrement, au niveau de la tête.

Le résultat de cette expérience est spectaculaire : il montre la présence de pattes à la place des antennes chez la drosophile transgénique.

Sur le document 20, nous pouvons repérer que le gène antennapedia régule la mise en place d’une région thoracique de la drosophile, région où se situent les pattes et les ailes de la drosophile adulte. Le gène Hox B6, rendu actif au niveau de la tête de la drosophile, a donc la même fonction que le gène antennapedia puisqu’il permet la mise en place de pattes au niveau de la Tête.

Ces expériences de transgénèse montrent donc qu’un gène homéotique de souris, chargé de la mise en place d’une région précise, est capable d’être actif chez la drosophile. Il provoque la mise en place d’organes de drosophiles. Cela montre qu’il déclenche l’activité d’un ensemble de gènes de la drosophile, qui, eux, contribuent à la construction de ces organes. Les gènes homéotiques ou gènes architectes sont des gènes de régulation. ■

sn02te0-sequence-03.pdf

Documents