STABILITÉ ET VARIABILITÉ DES GÉNOMES,

STABILITÉ ET VARIABILITÉ DES GÉNOMES,

LES LIENS AVEC L’ÉVOLUTION


INTRODUCTION

Dès sa formation, tout zygote contient un programme génétique complet à partir duquel se développera un nouvel individu. Ce programme génétique (= génotype = génome) inscrit dans l’ADN (principale molécule constitutive des chromosomes) comprend des milliers de gènes (30 à 50000 chez l’Homme). Chacun code pour un polypeptide précis et est porté par un chromosome précis en un locus (emplacement) précis.



Le code génétique est le système de correspondance entre la séquence nucléotidique d’un ARNm (contretype du brin transcrit de l’ADN d’un gène) et la séquence en acides aminés du polypeptide codé par lui.

Le phénotype de tout individu (ensemble de ses caractéristiques se décrivant au niveau de l’organisme, de la cellule et de la molécule) dépend largement de son génotype. Toutefois, de nombreux gènes existant sous différentes versions (allèles), il s’en suit que, vrais jumeaux exceptés, chaque individu possèdera sa propre combinaison allélique si bien qu’il ne produira pas exactement les mêmes polypeptides et donc les mêmes protéines (molécules essentielles de la vie cellulaire) que ses congénères et diffèrera donc plus ou moins d’eux.

Par ailleurs, au niveau des espèces, malgré les différences inter-individuelles,, il existe à court terme une stabilité remarquable de leur génome ? cependant, à long terme, leur évolution ne peut s’expliquer que par l’apparition d’innovations génétiques majeures.

Au vu de ces multiples préalables, il reste donc à considérer :

· quelle est la source du polymorphisme génique et des autres innovations génétiques

· quels sont les mécanismes assurant :

- la stabilité à court terme de l’espèce

- la diversité de leurs individus constitutifs

· quels sont les principaux fondements génétiques de l’évolution


I] LES INNOVATIONS GÉNÉTIQUES



Dans une espèce comme la notre, la plupart des gènes possèdent différents allèles plus ou moins fréquents. Ce sont les mutations qui conduisent à l’apparition de nouveaux allèles. Après avoir mis en évidence la réalité de ce polyallélisme, il conviendra donc :

· de préciser la nature de ces mutations ainsi que leurs conséquences éventuelles

· de montrer qu’il existe un autre type très important d’innovations génétiques à côté des mutations.


1° La notion de polymorphisme génique (polyallélisme) au sein d’une espèce


a) Un exemple : le gène de l’a antitrypsine



Le gène de l’a antitrypsine est un exemple de gène polymorphe. Toutefois, parmi ses 75 allèles connus, seuls 7 ont une fréquence supérieure à 1%, tous les autres ont une fréquence très faible, on les qualifie de variants rares.


b) Généralisation



Tous les gènes sont polyalléliques. Toutefois, par convention, un gène est dit polymorphe si au moins 2 de ses allèles ont une fréquence supérieure à 1% au sein des population d’un espèce donnée.



Après avoir posé ces préalables sur la notion de polymorphisme génique, il convient maintenant de se pencher sur son origine.


2° Origine du polymorphisme génique au sein d’une espèce


a) Différents types de mutations



Les mutations sont des modifications normalement rares et aléatoires de la séquence nucléotidique de l’ADN. Leur fréquence augmente sensiblement en présence d’agents mutagènes.

Il existe divers types de mutations. On appelle mutation ponctuelle une mutation n’affectant que une ou quelques paires de nucléotides. On distingue :

· les substitutions : remplacement d’une ou quelques paires de nucléotides

· les délétions : disparition d’une ou quelques paires de nucléotides

· les additions ou insertions : ajout d’une ou quelques paires de nucléotides

On parle de mutation étendue si une séquence plus longue de nucléotides est impliquée (séquence inversée, supprimée…).



NB : Le nucléotide est la plus petite unité de mutation


b) Des conséquences variables



- Mutations somatiques, mutations germinales



Dans un organisme comme le notre, il existe 2 grands types de lignées cellulaires :

· la lignée germinale conduisant aux gamètes (spermatozoïdes et ovules)

· la lignée somatique constituée du reste des cellules

Une mutation frappant une cellule somatique est transmise à toutes les cellules qui en sont issues par mitose mais jamais à la descendance. Une mutation touchant une cellule germinale peut être transmise à la descendance si un gamète qui en est porteur est impliqué dans une fécondation. C’est ce type de mutation qui génère de nouveaux allèles.



- Conséquences à différents niveaux de phénotype



Même si une mutation génique peut rester silencieuse (substitution n’altérant pas le sens du message génétique du fait de la redondance du code génétique : la séquence en acides aminés du polypeptide produit à partir de ce nouvel allèle ne change pas), généralement, une telle mutation affecte le sens du message : on distingue :

· des mutations faux sens si un seul acide aminé du polypeptide synthétisé est modifié

· des mutations non sens si un codon « stop » apparaît à la place d’un codon désignant un acide aminé

· des mutations décalantes lorsque, suite à une délétion ou une addition non multiple de 3 nucléotides, il y a décalage du cadre de lecture avec éventuelle apparition « anticipée » d’un codon « stop ».

Selon les cas, les conséquences phénotypiques des mutations non silencieuses diffèrent. Beaucoup de mutations faux sens concernent des acides non essentiels au polypeptide si bien que leur substitution n’altère pas le fonctionnement protéique et est sans conséquence phénotypique à quelque niveau que ce soit. Si la mutation faux sens substitue un acide aminé important, la fonction protéique se trouve alors perturbée avec des conséquences phénotypiques (ex : mutation induisant la drépanocytose).

Les mutations non sens ou décalantes conduisent à des polypeptides raccourcis et/ou largement modifiés le plus souvent non fonctionnels, elles génèrent donc des modifications phénotypiques importantes (ex : thalassémies).



Rqs : Certains gènes tels les gènes architectes ou homéotiques, du fait qu’ils influent sur l’architecturation des organismes, sont essentiels. Leur mutation peut donc induire des changements phénotypiques radicaux (altération du plan d’organisation de l’individu).

Exceptionnellement, une mutation induit un gain de fonction et confère à l’individu porteur de nouvelles potentialités.


3° Un autre type d’innovation génétique



Outre les mutations géniques, d’autres innovations génétiques importantes notamment dans le cadre évolutif, existent. En effet, une bactérie compte 1000 à 2000 gènes contre plus de 30000 chez nous De multiples gènes sont donc apparus au fil du temps et ont été source d’innovations génétiques.

Dans un organisme tel le notre, certaines protéines ainsi que les gènes qui les gouvernent sont apparentés : on parle de familles multigéniques issues d’un gène ancestral unique. La formation de telles familles résulte d’un double mécanisme :

· duplication (= copie) d’un gène

· transposition de la copie (parfois sur un autre chromosome) évoluant alors indépendamment par mutations et codant pour une protéine aux fonctions proches ou, parfois, très différentes de la protéine ancestrale.



Rq : La réassociation aléatoire de gènes indépendamment dupliqués conduit parfois à la formation de nouveaux gènes.


4° Aperçu général






II] REPRODUCTION SEXUÉE ET STABILITÉ DE L’ESPÈCE



La plupart des espèces assurent leur pérennité par la reproduction sexuée. Dans une espèce comme la notre, elle produit des individus héritant de 2 lots de chromosomes (un d’origine paternelle l’autre d’origine maternelle), l’ensemble portant un génome complet et original. Si ce mode de reproduction assure la diversité des individus, il garantit aussi la stabilité caryotypique (du bagage chromosomique) de l’espèce toute entière.

Après avoir rappelé la nature des processus fondamentaux de la reproduction sexuée, il restera à préciser comment assurent cette stabilité.


1° La notion de cycle de développement d’une espèce


a) Définition



Le cycle de développement désigne les étapes de la vie d’un individu d’une espèce donnée allant de sa conception à celle de ses propres descendants. Chacune de ces étapes se caractérise, entre autres, par le degré de ploïdie (n ou 2n chromosomes) de ses cellules.


b) Caractéristiques fondamentales



- La fécondation (F !)





La fécondation est la fusion de 2 cellules (en général un spermatozoïde et un ovule) formant un zygote toujours diploïde ( à 2nK) à l’origine d’un nouvel individu.



- Une nécessité de cellules haploïdes (à nK)



La constitution d’un zygote diploïde lors de la fécondation implique que les 2 cellules qui en sont à l’origine soient elles-mêmes haploïdes. C’est la méiose qui assure la formation de telles cellules à partir de cellules diploïdes.



- Vue d’ensemble



Dans tout cycle de développement, une phase haploïde alterne avec une phase diploïde.


c) Des cycles de développement variables



Selon les espèces, la durée relative des phases haploïde et diploïde du cycle de développement diffère sensiblement.

Chez les mammifères, les sexes sont séparés, la fécondation conduit à un zygote diploïde à partir duquel se formeront pas mitoses toutes les cellules somatiques. La phase diploïde domine donc largement puisque seuls les gamètes issus de la méiose dans les glandes génitales sont haploïdes : on parle de cycle diplophasique.

Chez les champignons ascomycètes tel Sordaria, l’appareil végétatif est formé d’un enchevêtrement de filaments : mycélium. Il n’y a pas de sexes séparés mais 2 filaments issus d’un même mycélium ou de 2 mycéliums distincts peuvent s’unir.Les noyaux cellulaires ainsi réunis finissent par fusionner 2 à 2. Chaque zygote ainsi produit subit immédiatement la méiose conduisant, après une mitose supplémentaire, à 8 ascospores. A terme, ces spores haploïdes sont disséminées, en conditions favorables, elles germent et génèrent un nouveau mycélium haploïde. Dans un tel cycle, la phase haploïde domine, on parle de cycle haplophasique.


2° La méiose : passage de l’état diploïde à l’état haploïde



Qu’elle produise des spores ou des gamètes, la méiose se caractérise toujours par une succession de 2 divisions cellulaires :

· une division réductionnelle où les chromosomes homologues se séparent : le stock chromosomique passe de 2nK (cellule mère) à nK (cellules filles).

· Une division équationnelle équivalant à une mitose (les cellules restent haploïdes)







Rq : Chez les mammifères, la méiose est incluse dans la gamétogenèse et se déroule dans les glandes reproductrices :

· la spermatogenèse s’effectue de la puberté à la mort dans les testicules

· l’ovogenèse débute dans les ovaires embryonnaires, reprend à la puberté et cesse à la ménopause


3° La fécondation rétablit la diploïdie



La fécondation, en réassociant dans le noyau du zygote les chromosomes paternels et maternels par paires d’homologues, rétablit la diploïdie.

Chez les animaux tels les mammifères, la fécondation s’opère lorsque un de la centaine de spermatozoïdes entourant le gamète femelle y pénètre. Des mécanismes évitent alors l’entrée de spermatozoïdes surnuméraires alors que le gamète femelle achève sa méiose. La caryogamie (fusion des noyaux) scelle le processus.

Chez des organismes tels Sordaria, si la distinction mâle/femelle est peu claire, la fécondation reste fondamentalement proche de celle des autres êtres vivants.

Quelle que soit l’espèce considérée, la fécondation correspond à la fusion de noyaux haploïdes de 2 cellules pour donner un zygote diploïde. Généralement impossible entre individus d’espèces distinctes, elle maintient entre eux une barrière caryotypique et participe donc, à parts égales avec la méiose, à la stabilité de l’espèce.


4° Des perturbations possibles





Notamment chez l’Homme, des individus souffrent de problèmes plus ou moins graves liés à des anomalies caryotypiques. On distingue :

· des anomalies de nombre de chromosomes

- monosomie : syndrome de Turner (XO)

- trisomies : syndrome de Down (trisomie 21), syndrome de Klinefelter (XXY)…

· des anomalies de structure : délétion, inversion, translocation d’un fragment de chromosome.

Les anomalies de nombre résultent, en général, d’une non disjonction des chromosomes homologues en 1ère ou 2ème division de méiose. Elles ne sont pas très rares mais, exceptées celles déjà citées, non viables dès avant la naissance.


5° Bilan




III REPRODUCTION SEXUÉE ET UNICITÉ DES INDIVIDUS



Outre le fait qu’elle assure la stabilité caryotypique des espèces, la reproduction sexuée induit aussi l’apparition d’individus toujours originaux fruits de génotypes eux mêmes uniques.

On se propose donc de préciser comment méiose et fécondation génèrent cette diversité génétique..


1° Quelques préalables



Chez un organisme haploïde, chaque gène n’est représenté que par un seul allèle. Le caractère phénotypique lié au polypeptide codé par cet allèle apparaît donc forcément.

Chez un organisme diploïde, la plupart des gène sont représentés par 2 allèles identiques ou non. Le caractère phénotypique lié à l’expression de ce gène dépend donc de ses allèles présents :

· si le gène est à l’état homozygote (2 allèles identiques), le phénotype dépend de l’expression du seul allèle présent.

· Si le gène est à l’état hétérozygote (2 allèles distincts), il y a 3 cas :

- le phénotype dépend de l’expression d’un seul des 2 allèles et correspond à celui apparaissant lorsque cet allèle est présent en double exemplaire. On parle d’allèle dominant, l’autre allèle « muet » est qualifié de récessif.

- Le phénotype résulte de l’expression à parts égales des 2 allèles : on parle d’allèles codominants (ex : allèles A et B du système ABO)

- Le phénotype résulte de l’expression d’un seul des 2 allèles mais la quantité de protéine dont il permet la synthèse induit l’apparition d’un phénotype intermédiaire : on parle de dominance incomplète (ex : couleur de certaines fleurs…)



Rqs : Très souvent, la présence d’un seul allèle fonctionnel suffit à la genèse d’un phénotype sain, c’est notamment le cas pour de multiples maladies génétiques monofactorielles où des parents porteurs sains (hétérozygotes) ont un enfant atteint car homozygote récessif.

Tout organisme diploïde possède de nombreux locus à l’état hétérozygote si bien que les chromosomes homologues ne sont jamais, dans les conditions naturelles, strictement identiques.


2° La méiose assure un brassage de l’information génétique


a) Mécanismes fondamentaux



C’est parce que les cellules mères impliquées sont hétérozygotes pour de nombreux gènes que la méiose brasse l’information génétique.

Chez Sordaria, la méiose suit immédiatement la fécondation et produit des ascospores. Le croisement de 2 souches différant par la couleur des spores (noires ou blanches) produit 6 types d’asques dont les proportions diffèrent. Ils résultent de différentes modalités de la méiose et prouvent qu’elle brasse l’information génétique.

Les asques les plus nombreux (4B/4N ou 4N/4B) résultent de la disjonction aléatoire (ségrégation indépendante) en anaphase I des chromosomes homologues et donc des allèles de la couleur qu’ils portent : on parle de brassage interchromosomique.

La formation des autres types d’asques est plus complexe, elle s’explique par des échanges préalables d’ADN entre chromatides de chromosomes homologues en prophase I au niveau de chiasmas. Ces échanges induisent des recombinaisons chromosomiques (= crossing over) donc un réassortiment des allèles portés par les chromosomes homologues bichromatidiens : on parle de brassage intrachromosomique. Le brassage interchromosomique répartit ensuite les nouvelles combinaisons.




b) Aperçu du brassage génétique lié à la méiose chez les organismes diploïdes



- Monohybridisme : le cas le plus simple



Dans un tel cas, seul le brassage interchromosomique est perceptible (le C.O existe mais n’a pas d’incidence). Chaque gamète porte un allèle du gène considéré après ségrégation indépendante des chromosomes homologues en anaphase I.



Rq : Le test cross (= croisement en retour d'un individu de génotype non connu pour le ou les gènes étudiés avec un individu récessif pour ce ou ces mêmes gènes) permet de connaître les différents types de gamètes que produit l’individu testé pour le ou les gènes testés et donc d’en déduire son génotype.



- Dihybridisme



Dans ce cas, les gènes dont on étudie la transmission sont soit liés (portés par la même paire de chromosomes) soit indépendants (portés par 2 paires de chromosomes distinctes).

· 2 gènes indépendants : seul le brassage interchromosomique est perceptible (le C.O existe mais n’a pas d’incidence). A partir de lignées pures et en ne considérant que les 2 paires de chromosomes portant les gènes étudiés, chaque individu de F1 peut former 4 (22) gamètes différents (le test cross individu de F1 * individu double récessif donne 4 types de descendants équiprobables : 2 sortes de type parental : même phénotype qu’un des parents et 2 sortes de type recombiné : phénotype différent de celui des parents)

· 2 gènes liés : le brassage est d’abord intrachromosomique puis interchromosomique : quelques individu de type recombiné issus de gamètes recombinés après C.O apparaissent lors d’un test cross à côté d’individus de type parental très majoritaires issus de gamètes non recombinés par C.O.


3° La fécondation amplifie le brassage génétique



Dès qu’on considère la transmission de 2 gènes hétérozygotes, on voit qu’en F2 peuvent apparaître des phénotypes et encore plus de génotypes nouveaux par rapport à la génération parentale. On en déduit donc que, après la méiose, la fécondation amplifie le brassage de l’information génétique du fait d’une multitude de rencontres différentes possibles entre 2 gamètes eux mêmes originaux.



Rq : L’échiquier de croisement sert à déterminer, pour les gènes étudiés, les différents génotypes possibles pouvant théoriquement apparaître dans un zygote lors d’une fécondation. Il permet aussi de déduire (si on connaît l’état de dominance ou récessivité des allèles concernés) les proportions phénotypiques attendues chez les descendants d’un croisement (ex : proportions 9-3-3-1) en cas de dihybridisme gènes indépendants…).


4° Bilan



Chez l’Homme, du fait des 2 types de brassage méiotique, chaque individu peut produire 22300 gamètes différents si bien qu’en tenant compte de la fécondation, le nombre de zygotes potentiels différents dépasse l’entendement. La reproduction assure donc un brassage extraordinaire de l’information génétique et, au sein d’une espèce donnée, vrais jumeaux exceptés, chaque individu est génétiquement unique.


IV ASPECTS GÉNÉTIQUES DE L’ÉVOLUTION



Après leur apparition au niveau individuel, les innovations génétiques peuvent se transmettre de génération en génération et se répandre au sein des populations d’une espèce donnée. C’est donc à leur niveau que s’opère l’évolution (en accumulant les innovations génétiques, les populations voient leur pool d’allèles évoluer au fil du temps). On se propose donc de préciser quelques aspects de cette évolution génétique.


1° Différents types d’évolution génétique


a) La notion d’avantage sélectif



Si la plupart des innovations génétiques sont défavorables, certaines peuvent conférer aux individus qui en sont porteurs un avantage sélectif si bien qu’elles tendent à se répandre dans la population. Ainsi, en milieu pollué, les phalènes sombres meurent moins et se reproduisent davantage que les blanches, le génome permettant le phénotype sombre se répand donc dans la population des phalènes.

D’une façon générale, après apparition, toute innovation génétique est soumise à la sélection naturelle qui, pour une niche écologique donnée, favorise les individus ayant le phénotype le mieux adapté (donc une combinaison allélique favorable), le succès reproductif plus grand de ces individus assurant une large diffusion de ce génome.


b) Les innovations neutres



Les comparaisons moléculaires chez plusieurs individus de la séquence en acides aminés de protéine (ou de la séquznce nucléotidique de l’ADN génique correspondant) montrent que, dans certaines zones, les séquences sont identiques alors que, ailleurs, elles peuvent largement différer. C’est la preuve que :

· une mutation touchant une partie essentielle d’une molécule ne franchit généralement pas le cap de la sélection naturelle

· une mutation frappant une partie non essentielle d’une molécule e procure ni avantage ni désavantage = mutation neutre

Une fois apparue, le devenir d’une mutation neutre dépend du hasard : elle peut aussi bien se répandre dans une population qu’en disparaître : on parle de dérive génétique.


c) Évolution et gènes de développement



On sait déjà que les mutations touchant les gènes de développement peuvent avoir des conséquences majeures. Certains estiment d’ailleurs que les grandes étapes évolutives de l’histoire de la vie (changements importants du plan d’organisation des êtres vivants) y trouvent leur origine. On pense notamment que certaines de ces mutations ont induit des hétérochronies (modifications de la durée et de la vitesse de développement de l’organisme). Ainsi, par rapport au chimpanzé, la durée du développement embryonnaire du système nerveux humain est allongée, il en est de même de la phase juvénile d’apprentissage. De telles hétérochronies expliquent que de nombreux caractères humains adultes (architecture du crâne, bipédie…) existent transitoirement chez le jeune chimpanzé.


2° vue d’ensemble