Biologie - 6e année ( 2p/s) - Chapitre 4

Sciences générales

Véronique Gilliquet Sous la direction de Raymond Tavernier et Claude Lizeaux

Vincent Audebert, Denis Baude, Claude Fabre Jean-Pierre Floch, Danièle Héau-Locker Claude Lizeaux, Philippe Roger Raymond Tavernier, André Vareille

Biologie 6e – Sciences générales Docteur en Sciences agronomiques, Véronique Gilliquet enseigne la biologie, la génétique et la microbiologie aux bacheliers en Biochimie/Biotechnologie de la Haute École de la Province de Liège et est maître de conférences à l'Université de Liège.

Dans la collection « Bio » Biologie 3e – Sciences de base et Sciences générales (3 ou 5 périodes/semaine) Biologie 4e – Sciences générales (5 périodes/semaine) Biologie 4e – Sciences de base (3 périodes/semaine) Biologie 5e – Sciences générales (6 périodes/semaine) Biologie 5e – Sciences de base (3 périodes/semaine). Édition 2012 Biologie 6e – Sciences générales (6 périodes/semaine) Biologie 6e – Sciences de base (3 périodes/semaine). Édition 2012 Dans la collection « Chimie » Chimie 3e – Sciences générales (5 périodes/semaine) Chimie 4e – Sciences générales (5 périodes/semaine) Chimie 3e/4e – Sciences de base (3 périodes/semaine) Chimie 5e – Sciences générales (6 périodes/semaine) Chimie 5e/6e – Sciences de base (3 périodes/semaine) Chimie 6e – Sciences générales (6 périodes/semaine) Dans la collection « Physique » Physique 3e – Sciences de base et Sciences générales (3 ou 5 périodes/semaine) Physique 4e – Sciences de base et Sciences générales (3 ou 5 périodes/semaine) Physique 5e – Sciences générales (6 périodes/semaine) Physique 5e/6e – Sciences de base (3 périodes/semaine) Physique 6e – Sciences générales (6 périodes/semaine)

Maquette : Michel Olivier, Bordas Couverture : Primo & Primo Mise en pages : Softwin

© éditions VAN IN, Mont-Saint-Guibert – Wommelgem, 2018, De Boeck publié par VAN IN © BORDAS 2002 pour les éditions françaises originales.

Tous droits réservés.

En dehors des exceptions définies par la loi, cet ouvrage ne peut être reproduit, enregistré dans un fichier informatisé ou rendu public, même partiellement, par quelque moyen que ce soit, sans l'autorisation écrite de l'éditeur.

2e édition

ISBN 978-2-8041-9734-6 D/2018/0078/321 Art. 580477/01

L’enseignement de la biologie en 6e au cours de sciences générales (6 périodes par semaine)

Ce manuel est une adaptation inédite de la collection « Tavernier/Lizeaux » (Sciences de la Vie et de la Terre, Bordas) aux nouveaux référentiels de l’enseignement secondaire de la Fédération Wallonie-Bruxelles pour les cours de sciences de 6e année à 6 périodes/semaine.

Ce manuel est organisé en 14 chapitres répartis en trois parties couvertes par deux unités d’acquis d’apprentissage (UAA) : Sciences générales

UAA 8 De la génétique à l’évolution UAA 9 Les impacts de l’Homme sur les écosystèmes

La correspondance entre les chapitres et les UAA, ainsi que les processus à mobiliser, sont détaillés dans les pages suivantes.

Conçu comme un outil de travail en classe avec le professeur, mais aussi en autonomie, le manuel est un auxiliaire pédagogique précieux. Pour en faciliter l’utilisation, chacun des quatorze chapitres est structuré de la même façon : – une page d’ouverture qui pose la problématique ; – une ou deux doubles pages éventuelles permettant de retrouver les acquis des années antérieures de manière active ; – des doubles pages d’activités pratiques variées avec des documents richement illustrés, dont l’analyse en classe permet de développer les différentes compétences chez l’élève, et avec des pistes d’exploitation qui invitent à approfondir le questionnement ; – un texte de synthèse, clair et structuré, avec une terminologie scientifique réduite au strict nécessaire où chaque thème développé renvoie aux activités pratiques correspondantes par le sigle AP ; – un grand schéma-bilan, facilitant la mémorisation des notions essentielles du programme ; – des pages « Pour mieux comprendre » et « Pour en savoir plus » qui répondent à la curiosité des élèves et qui peuvent être intégrées dans la démarche pédagogique du professeur ; – des exercices variés pour tester les connaissances, les savoir-faire et les compétences.

Les termes marqués d’un astérisque* renvoient à un lexique situé sur la même (double) page.

En fin de manuel sont fournis des corrigés d’exercices : – une correction systématique des « Je connais », pour inviter l’élève à évaluer son degré d’acquisition et de structuration des connaissances ; – la correction de certains exercices « J’applique et je transfère », pour permettre à l’élève de mieux apprécier les critères de réussite d’un exercice et le préparer ainsi à l­’évaluation de ses compétences.

Un index final offre à l’élève la possibilité de retrouver rapidement les pages où sont abordés les principaux termes et les notions essentielles.

Ce manuel est un outil simple, à la fois riche et accessible : étant donné la densité du propos, chaque enseignant aura le loisir de développer plus ou moins chaque partie selon l’intérêt des élèves.

L’auteur a inclus de nombreux éléments d’histoire des sciences, ce qui donne à ce manuel une dimension philosophique qui intéressera tant le jeune apprenti en sciences que le citoyen curieux de situer les sciences de la vie dans le contexte de la culture contemporaine.

Cet ouvrage très complet s’avèrera une base solide pour aborder les études supérieures faisant appel aux sciences biologiques.

L’auteur tient à remercier Michèle Cornet et Thierry Gouders pour leur relecture et pour leurs conseils précieux.

UAA, compétences et processus en sciences générales 6e Sciences générales (6 périodes/semaine)

UAA 8 De la génétique à l’évolution Partie 1 Génétique Chapitre 1

Les mécanismes de l’hérédité

13

Chapitre 2

Des mécanismes héréditaires plus complexes

39

Chapitre 3 Phénotype, génotype et environnement : une relation complexe

65

Chapitre 4

L’hérédité à l’échelle moléculaire

83

Chapitre 5

Génie génétique

117

Chapitre 6

La génétique humaine et les biotechnologies

137

Chapitre 1

Les outils d’étude de l’évolution

163

Chapitre 2

Les mécanismes de l’évolution

187

Chapitre 3

Les grandes périodes de la vie sur la Terre

217

Chapitre 4

L’évolution de l’Homme

243

Partie 2 Évolution

4

UAA 9 Les impacts de l’Homme sur les écosystèmes Partie 3 Impacts de l’Homme sur les écosystèmes Chapitre 1

Impact de l’Homme sur les cycles de matière et le flux d’énergie

Chapitre 2

Impact de l’Homme sur les espèces et les communautés écologiques 301

Chapitre 3

Les problèmes écologiques majeurs

319

Chapitre 4

Envisager le développement durable

337

279

Corrigés des exercices

354

Index

361

5

À la fin de la partie « Génétique » de l’UAA 8, tu pourras :

• expliquer la relation entre phénotypes, structure des protéines et séquence d’ADN ; • mettre en évidence quelques avantages et inconvénients liés aux champs d’application des biotechnologies.

Pour cela, tu devras acquérir et structurer les ressources suivantes (Connaître) À l’aide d’une approche historique, retracer les grandes étapes qui ont conduit de la génétique de Mendel à la génétique moléculaire.

Expliquer la relation entre ADN (gènes) et structure primaire d’une protéine.

Décrire le processus de synthèse des protéines (transcription et traduction). À partir de documents, montrer que plusieurs gènes peuvent intervenir dans la réalisation d’un même phénotype.

Identifier, à partir de documents, les principales causes des mutations et leurs possibles conséquences (au niveau des cellules germinales et des cellules somatiques). À partir de documents, montrer l’influence de l’environnement sur l’expression de certains gènes.

Distinguer une maladie chromosomique d’une maladie génétique. À partir d’un document, décrire de manière simple une application concrète des biotechnologies (par exemple : production d’OGM, thérapie génique…).

Pour cela, tu devras exercer et maîtriser les savoir-faire suivants (Appliquer) À partir de l’interprétation de résultats de croisements (travaux de Mendel et de Morgan), identifier les principales causes de la variation du génome d’une génération à la suivante au sein d’une espèce. À partir d’un arbre généalogique humain, interpréter la transmission d’un caractère (par exemple : lié à une maladie génétique) et établir la relation entre les phénotypes et la séquence d’ADN. Pour cela, tu devras développer les compétences suivantes (Transférer) Mettre en œuvre une démarche d’investigation pour découvrir l’implication de quelques gènes et l’influence de l’environnement lors du développement de certaines maladies. À partir de la lecture de différents documents, participer à un débat contradictoire argumenté scientifiquement (ou faire réaliser par les élèves un argumentaire scientifique) sur le développement des biotechnologies (avantages, inconvénients et problèmes éthiques liés par exemple à l’utilisation des OGM, au diagnostic prénatal des maladies héréditaires, à la thérapie génique chez l’Homme…).

Chapitres concernés 1, 2, 4 4 4 3 4 3, 4 4, 6 5, 6 Chapitres concernés 1, 2 1, 3, 4 Chapitres concernés 3, 6

5, 6

À la fin de la partie « Évolution » de l’UAA 8, tu pourras : • décrire les principaux mécanismes qui expliquent l’évolution de la biodiversité ; • distinguer un modèle (issu de faits scientifiques) d’une croyance pour expliquer l’apparition de la vie, l’évolution de la vie sur Terre et de la biodiversité ; • expliquer que la classification moderne du vivant se fonde sur la théorie de l’évolution.

Pour cela, tu devras acquérir et structurer les ressources suivantes (Connaître) À partir de documents, montrer que la biodiversité au niveau des écosystèmes et au niveau des espèces se modifie au cours des principales ères géologiques.

Identifier les conditions probables qui ont permis l’apparition de la vie sur Terre.

Expliquer, à l’aide d’une approche historique, comment la théorie de Darwin est étayée par des faits (notamment les apports de la génétique) depuis 1859. À partir de l’analyse d’un document, ou d’une visite au musée, décrire et interpréter un arbre phylogénétique montrant la place de l’Homme au sein des vertébrés et parmi les primates.

Identifier (à partir de documents, de visites de musées…) des critères anatomiques d’appartenance à la lignée humaine.

Pour cela, tu devras exercer et maîtriser les savoir-faire suivants (Appliquer) Retrouver des liens de parenté entre êtres vivants à partir de données anatomiques, embryologiques, moléculaires ou paléontologiques. À partir de documents, montrer l’importance des gènes homéotiques ou architectes (gènes Hox) dans le développement d’un être vivant (par exemple : l’Homme, la mouche…).

6

Chapitres concernés 3 3 1, 2 1, 4 4 Chapitres concernés 1 2

Pour cela, tu devras développer les compétences suivantes (Transférer) À partir de l’analyse de documents décrivant un cas concret d’apparition d’une nouvelle espèce (par exemple : les pinsons de Darwin, les moustiques du métro de Londres, les souris de Madère, le lézard des ruines…), mettre en évidence les mécanismes particuliers qui permettent d’expliquer l’apparition de ces nouvelles espèces.

Expliquer à l’aide d’un arbre phylogénétique (par exemple : celui des vertébrés) que la classification scientifique actuelle des êtres vivants se fonde sur la théorie de l’évolution. À la lumière de la théorie néodarwinienne, critiquer les arguments développés dans des théories (par exemple : le fixisme, le créationnisme, le lamarckisme…) qui tentent d’expliquer l’origine et l’évolution de la vie à la surface de la Terre.

Chapitres concernés 2 1 2

À la fin de l’UAA 9, tu pourras : • identifier et expliquer l’impact significatif d’activités humaines sur un écosystème ; • développer une argumentation scientifique pour critiquer une action de l’être humain sur un écosystème, puis proposer des solutions préventives et curatives.

Pour cela, tu devras acquérir et structurer les ressources suivantes (Connaître) À partir de documents, identifier quelques causes pouvant être à l’origine d’une diminution de la biodiversité dans un écosystème.

Décrire, à partir d’un exemple (tétras-lyre, cigognes noires…), les caractéristiques biologiques qui font qu’une espèce est menacée.

Décrire, à partir d’un exemple (balsamine de l’Himalaya, berce du Caucase, coccinelle asiatique, Caulerpa taxifolia…), les caractéristiques biologiques d’une espèce invasive.

Expliquer les notions d’empreinte écologique et de dette écologique.

Pour cela, tu devras exercer et maîtriser les savoir-faire suivants (Appliquer) À partir d’une recherche documentaire, comparer les caractéristiques de l’extinction de masse vécue actuellement par rapport aux grandes extinctions du passé.

Par l’observation d’écosystèmes, montrer la nécessité de les préserver en mettant en évidence les services qu’ils rendent.

Expliquer que certaines activités humaines peuvent modifier le fonctionnement d’un écosystème (par exemple : le déversement de lisier, l’introduction d’une espèce invasive, la surpêche…).

Calculer son empreinte écologique (en fonction de son alimentation, de ses déplacements, de sa consommation…).

Pour cela, tu devras développer les compétences suivantes (Transférer) Participer à un débat scientifiquement argumenté pour proposer, en tant que citoyen responsable, des pistes de solutions, afin de protéger les écosystèmes (par exemple : changement des habitudes de consommation, lutte contre la surconsommation d’eau douce, choix énergétique, valorisation des déchets…).

Expliquer comment certaines activités humaines favorisent le développement, le maintien ou la restauration de la biodiversité (par exemple : maillages vert et bleu, transhumance du mouton sur les pelouses calcaires, protection de sites et d’espèces (hotspots et projets « life »), sylviculture diversifiée…).

Chapitres concernés 2, 3 2 2 1 Chapitres concernés 3 1, 4 1, 2 1 Chapitres concernés 4

4

7

Comment utiliser ce manuel ?

Les chapitres sont subdivisés en « Activités pratiques » permettant à l’élève d’acquérir et structurer les notions requises par les référentiels, de s’approprier un langage scientifique de base et de développer ses compétences.

Ces Activités se déploient sur deux pages L’identification et le clonage des gènes responsables des maladies génétiques ont fait naître un espoir : en vis-à-vis afin d’en faciliter la vision celui de corriger le défaut responsable d’une maladie en insérant l’ADN du gène sain dans les cellules globale. malades afin qu’elles produisent une protéine thérapeutique*. L’ADN devient ainsi médicament : c’est le sur le phénotype B Des mutations aux conséquences variables principe de la thérapie génique.

Ces doubles pages débutent par un texte • Comment parvient-on à transférer un gène-médicament dans des cellules ayant un gène défectueux ? de allèles mise en situation par unpar une légère anémie : les - l’hémoglobinose C estet caractérisée Les séquences ci-dessous correspondent à différents • Quels ont été les premiers essais de thérapie génique concluants chez l’Homme ? (brins non transcrits) du gène de la β-globine. Les mutations hématies qui renferment l’hémoglobine C (Hb C) sont détruites questionnement concernant la ou prématurémentprécis ; sont repérées en rouge. sont des maladies qui peuvent provoquer Les protéines produites déterminent divers phénotypes.

On – les β-thalassémies A Les modalités de thérapies géniques les notion(s) à aborder.

Activités pratiques

5

La thérapie génique ou l’utilisation de « gènes-médicaments »

connaît en effet plusieurs maladies dues à la production d’une hémoglobine modifiée :

B Une technique performante de détection de mutations ponctuelles

des anémies sévères, nécessitant de fréquentes transfusions sanguines : elles sont dues à l’absence de production de chaînes de

La thérapie génique consiste à traiter une – la drépanocytose, déjà envisagée au chapitre 3, est engendrée β-globine complètes (Hb Tha). maladie en modifiant l’information génétique par l’allèle Hb S ; des cellules d’un patient. Le transfert de gènes peut se faire in vivo, directement sur des cellules cibles, ou ex vivo, après mise en culture de cellules spécifiques, souvent des cellules de Les depuces la moelle osseuse, puis réintroduction ces à ADN sont constituées de milliers cellules remaniées au malade. (voire de centaines de milliers) de séquences Il existe plusieurs types de vecteurs, les prind’ADN simple brin ordonnées sur une surface cipaux étant dérivés de virus. Pour introduire amplification sélective par PCR (une lame de microscope par exemple). le gène-médicament dans dessolide cellules ADN à tester et marquage malades, on exploite la capacité des à (ou fragments de gènes) recherchés Lesvirus gènes « injecter » leur matériel génétique dans les celsont amplifiés à partir d’extraits d’ADN et lules. Évidemment, le virus choisi doit être rendu inoffensif : pour cela, on élimine son sontde marqués avant leur hybridation sur la génome tous les gènes qui lui confèrent un puce. pouvoir pathogène et notamment ceux qui La lui position des signaux obtenus permet l’allèle présent dans l’échantillon permettent de se multiplier. Puis,d’identifier on insère dans le génome viral le gène humain sain. Leci-contre). (figure virus ainsi modifié mis en présence de cellules humaines y injecte son matériel génétique.

On puces comprennent des séquences Certaines peut alors espérer que la cellule infectée utilide gènes humains dont on a identifié le rôle sera le gène humain sain apporté par le virus dans le développement de pathologies. Doc. pour fabriquer une protéine thérapeutique.

Doc.2 Deux thérapies géniques différentes selon les cellules ciblées.

ci-contre). Chaque extrait est marqué différemment et la superposition des

Doc.4 Toutes les mutationspermet ne sont pas à l’origine delesmaladies. signaux de détecter gènes surexprimés ou sous exprimés dans le cas d’une pathologie.

Pistes d’exploitation

6

146

ponsables de l’apparition de souches résistantes aux antibiotiques… maladies monogéniques. La première est strictement interdite en Belgique, la seconde, qui a un but thérapeutique, peut faire Elles peuvent aussi être utiliséesallèle pourO analyser l’ensemble des ARNm proGTG l’objet de recherches strictement encadrées sous réserve d’un (1061 nucléotides) On peut ainsi comparer l’expresavis favorable d’un comité de bioéthique. duits par une cellule (le transcriptome). protéine O : 116(photo aa sion des gènes dans des cellules saines et dans des cellules malades

L a g é n é t i q u e h u m a i n e e t l e s b i o t e c h n o l o g i e s Chapitre

dans un œuf ou un embryon malade ; ce gène pourrait alors être présent dans toutes les cellules de l’organisme, y compris les cellules germinales et serait donc transmis à la descendance.

L ’ h é r é d i t é à l ’ é c h e l l e m o l é c u l a i r e Chapitre

Des documents pertinents et richement 3 Les divers allèles du gène de la β-globine ont desillustrés effets variés sur le phénotype. (photographies, schémas, Si certaines maladies sont liées au dysfoncgraphiques, protocoles d’expériences, …) tionnement d’un seul gène, ce n’est pas le cas Dans l’espèce humaine, de nombreux gènes Séquences codantes des allèles déterminant Puce à alléliques ADN Hybridation des Détection permettent à l’élève d’accéder à diverses plusieurs formes « norpour la majorité d’entre elles. Les puces présentent à produits les PCR groupes sanguins du système ABO Doc.1 Le transfert de gènes dans un patient. males » : c’est le cas par exemple du gène resADN, par leur capacité à identifier de mulressources et le guident dans son ponsable du groupe sanguin (système A B O tiples mutations, sont un outil de choix dans étudié au médicale chapitre: 1). synthèse des anticodon 86 175 large 234 part 265 267 il estLabeauIl y a deux possibilités « techniques » de thérapie génique : la Une telle méthode n’a pas de justification parcours.

Ils laissent une à un du diagnostic médical. gènes A etlesBembryons dépend d’un enzymaGTG CGC GGC CTG GGG allèle A plus simple de sélectionner, parmi issus système de thérapie génique somatique le et cadre la thérapie génique coup (1062 nucléotides) dont et l’une des enzymes fécondations in vitro, ceux quitique sont sains peuvent être réim-existe sous plugerminale. apprentissage actif avec le soutien du sieurs formes alléliques (A, B et O). protéine A : 353 aa – La thérapie génique somatique consiste à introduire le gène- plantés plutôt que de tenter de soigner des embryons porteurs professeur. Leur analyse en classe ou en médicament dans des cellules somatiques de l’organisme, d’une anomalie génétique. La figure ci-contre reprend les divers allèles La thérapie génique germinale pose de sérieux problèmes du gène codant l’enzyme (seuls les codons c’est-à-dire des cellules non sexuelles. Dans ce cas, le gène ne autonomie sert de permettent support à AGC la réflexion GGC d’idenATG GCG allèle applications B Les pucesgénique à ADN ont de nombreuses : elles éthiques. Il faut distinguer dans ce cadre la thérapie modifiés sont indiqués dans la séquence). peut pas être transmis à la descendance.

(1062 nucléotides) germinale qui a pour but l’amélioration de tifier l’espècedes de la agents thérapathogènes (bactéries, ainsi queprotéine les mutations puis à virus) la mémorisation.

– Lors de la thérapie génique germinale, le gène sain est injecté pie germinale correctrice qui tend à lutter B : 353 aarescontre certaines

4

Utilisation de puces à ADN pour la détection de maladies

À la fin de chaque double page, des pistes d’exploitation font référence aux différents 1 Doc. 2 : Parmi les diverses mutations, certaines auront un effet plus visible sur le phénotype, d’autres pourraient ne pas avoir d’impact au niveau macroscopique. Lesquelles et pourquoi ? documents. Ces pistes permettent un 2 Doc. 3 : Déterminez quelles sont les mutations ponctuelles à l’origine des divers allèles du gène de la β-globine. Quels sont leurs effets questionnement permanent de l’élève sur les sur la protéine ? notions abordées afin de le guider et de 3 Doc. 4 : Quels types de mutations sont à l’origine des allèles A, B et O ? Quelles en sont les conséquences ?

Résultat d’une hybridation sur une puce avec un extrait d’ARN d’une cellule saine (marquage en vert) et d’une cellule malade (marqué en stimuler son apprentissage actif des notions et rouge). La coloration jaune est le résultat de la superposition des deux signaux, elle indique que les gènes sont exprimés de la même façon 101 d’exercer ses compétences. dans les deux types de cellules.

Doc.2 Les puces à ADN, une technique d’hybridation performante.

Lexique • Amniocentèse : technique qui consiste à prélever un peu du liquide amniotique dans lequel se trouvent des cellules du fœtus.

• Exon : partie d’un gène dont le transcrit se trouve dans l’ARNm mature.

8

Pistes d’exploitation 1 Doc. 1 : Quelle est l’origine de la drépanocytose ? Quel est réduite le génotypeau d’unstricte malade ? nécessaire.

Quel est ici le risque La terminologie scientifique est pour l’enfant à naître d’être malade (au simple vu de l’arbre généalogique) ?

Néanmoins, les mots biologiques nouveaux ou d’usages peu De quelles tailles sont les fragments de restriction produits par action de l’enzyme sur la séquence d’ADN issue usuels pour les élèves sontmuté signalés dans les documents par un de l’allèle normal ? Qu’en est-il dans le cas de l’allèle ? Justifiez.

astérisque* et renvoient à un lexique situé sur la même double 2 Doc. 2 : Expliquez pourquoi les puces à ADN sont plus performantes que la technique vue au Doc 1 dans page. Celui-ci donne le cadre du diagnostic de mutationsen ponctuelles.

une définition simple mais suffisante.

3 Doc. 2 : Que va apporter l’analyse de l’ensemble des ARNm cellulaires dans le diagnostic et le traitement de pathologies ?

143

À la fin de chaque chapitre, un texte de synthèse clair et structuré reprend les Schéma-bilan principales notions vues précédemment. Il deCYCLES support à la mémorisation et doit IMPACT DE L’HOMME sert SUR LES BIOGÉOCHIMIQUES être mis en parallèle avec les notions vues Les activités humaines Effets sur desdeActivités pratiques.

Ces dernières libèrent des lors gaz à effet l’environnement serre et des gaz nocifs sont facilement identifiées grâce au sigle gènes à la descendance. Ainsi, les génotypes les plus favo• Dioxyde • Augmentation de <AP>. rables dans un environnement donné sont « sélectionnés » de carbone l’effet de serre

Synthèse

• Méthane • CFC •…

Un exemple très démonstratif est celui de la phalène du bouleau. Dans les populations de ce papillon coexistent deux phénotypes : des formes sombres et des formes claires.

Selon les conditions du milieu (pollué ou non), l’une ou l’autre des deux formes est privilégiée car elle a plus de chances d’échapper aux prédateurs et donc de transmettre ses gènes à une descendance.

• Trou dans la couche d’ozone • Augmentation de l’ozone en basse atmosphère • Pluies acides •…

• Dioxyde de soufre • Oxyde d’azote • Ozone •…

L’émergence de bactéries résistantes aux antibiotiques est un effet de la sélection naturelle : les traitements à base d’antibiotiques favorisent, dans la population bactérienne, Les activités humaines les souches résistantes qui apparaissent naturellement Rôles naturels assurés modifient les cycles par les écosystèmes AP 1 suite à des mutations et qui, sans traitement ne constituent Élimination des polluants : • Eutrophisation eau et air purifiés qu’une infime partie de cette population.

La théorie de l’évolution est née à partir de concepts élaboExcès de • Pollution des Modération • La sélection naturelle a des effets divers sur la variation du climat rés au xviiie siècle et a pris forme suite à un ensemble d’obPO43– et eaux • Les pollutions, les modifications climatiques engendrées par l’émission des gaz à effet de serre et la Remplacement de du phénotype.

– de NO3 servations. Elle s’oppose à une vision fixiste et créationniste •… l’eau profonde surexploitation des ressources ont profondément altéré l’environnement.

Lors de la sélection directionnelle, les individus qui préqui suppose que les espèces se perpétuent identiques à sentent un phénotype extrême ont un avantage par rapport elles-mêmes depuis créationsur dunotre monde.

Perturbation du • Les pollutions ont un effetlanéfaste santé.

Sécheresse, etc. aux autres individus de la population. cycle de l’eau Cette théorie de l’évolution a été formulée par Darwin en • La crise1859 actuelle de la biodiversité est sans précédent par son amplitude sa rapidité.

La et sélection diversifiante élimine les types intermédiaires et s’articule en deux grands principes : et favorise les phénotypes extrêmes. Celle-ci tend à diversiEmpreinte Dette • La surpopulation faitactuelles peser une lourde charge sur lesancestrales ressources terrestres.

– les espèces proviennent d’espèces Biocapacité fier la population en deux groupes distincts. écologique écologique par l’accumulation de modifications ; La sélection stabilisante élimine les phénotypes extrêmes, – la sélection naturelle et l’adaptation sont les moteurs de PERTURBATIONS DES SUR ÉCOSYSTEMES IMPACT DE L’HOMME LES CYCLES BIOGÉOCHIMIQUES ce qui a pour effet d’augmenter la fréquence du phénotype l’évolution. intermédiaire. Ce type de sélection réduit les variations auassurés Impact de la perte des rôles Rôles naturels naturels des écosystèmes Effets sur par les écosystèmes L’adaptation est le dispositif qui permet à un organisme de Les activités humaines sein de la population et maintient un statu quo. Élimination des polluants : libèrent des gaz à effet de l’environnement survivre et de se reproduire dans son environnement. eau et air purifiés La sélection naturelle est relative à des conditions environPollution serre et des gaz nocifs Modération La théorie émise par Darwin va être étayée par de nomnementales données. Un allèle qui présente un avantage, à More severe Climat plus du climat sévère breuses données scientifiques issues de diverses disciplines un certain moment et dans un milieu donné, peut se révéler Remplacement de • Dioxyde • Augmentation de l’eau profonde comme la paléontologie, la systématique et la génétique.

Raréfaction de désavantageux dans d’autres circonstances. La fréquence de carbone l’effet de serre l’eau profonde Ces recherches donneront naissance à de nouvelles théories des allèles n’est donc pas la même dans les populations • Trou dans la couche Contrôle • Méthane de l’évolution. de l’érosion vivant dans des environnements différents et elle est sus• CFC d’ozone ceptible d’évoluer.

Ces théories sont sans cesse confrontées aux nouvelles •…

• Augmentation de découvertes dans divers domaines et sont donc régulièreDans certains cas, un allèle néfaste peut être maintenu dans l’ozone en basse ment revues. Mais si les mécanismes de l’évolution sont une population car les hétérozygotes ont un avantage sélecatmosphère encore l’objet de recherches, et parfois de controverses, le • Dioxyde tif sur les homozygotes : c’est ce que l’on appelle le poly• Pluies acides processus évolutif en lui-même est bien une réalité. de soufre morphisme équilibré. Ce phénomène a notamment été •…

• Oxyde d’azote étudié dans le cas de l’interaction entre la drépanocytose et Impact de la perte des rôles • Ozone le paludisme. naturels des écosystèmes

La synthèse se termine par un « Essentiel » qui reprend en quelques mots clefs les notions principales du chapitre.

1 La naissance de la théorie de l’évolution

L’essentiel

Contrôle de l’érosion

Schéma-bilan

Un grand Schéma-bilan complète la synthèse et sert de support visuel à la mémorisation des notions principales du chapitre.

J e c oAP 2net 4n a i s 1. La sélection naturelle

•…

2. L’évolution des populations

Pollution

AP 3

204

c. Les premiers stades du développement embryonnaire sont très comparables chez un poisson et chez un Homme.

d. Amphibiens, reptiles, oiseaux et mammifères définissent l’ensemble des amniotes.

e. La comparaison des séquences de protéines homologues prove-

Raréfaction de Les activités humaines l’eau profonde modifient les cycles

a. Quelle différence faites-vous entre gènes orthologues et gènes

paralogues ? Donnez des exemples. b. Pourquoi les poissons ne sont-ils pas considérés comme un taxon ? c. Qu’est-ce qu’un vertébré tétrapode ?

Excès de PO43– et de NO3–

E. Restitution des connaissances Sujet 1

Comment procède-t-on pour comparer des molécules homologues ? Quels types de molécules choisit-on pour une telle étude ?

L’archéoptéryx est considéré comme un intermédiaire structural Equus ? entre oiseaux et reptiles. Que signifie cette expression Equus

CDLY, Intro To Biology Fig. 44.11 #4411, 09/27/99 JBWoolsey Initials: MND

Changements évolutifs chez les chevaux

PERTURBATIONS DES ÉCOSYSTEMES Impact de la perte des rôles naturels des écosystèmes Élimination des polluants : eau et air purifiés

Equus

Modération du climat

1- Établissez les tendances évolutives de la lignée.

2- Comment expliquer l’évolution de certains de ces caractères ?

Actuel, apparu il y a 5 Ma Habitat : steppes et prairies Poids : env. 500 kg Taille : env. 1,6 m

Pliohippus

Pliohippus Pliohippus

Merychippus

Env – 23 Ma Habitat : steppes et prairies Poids : env. 175 kg Taille : 1 m

Env – 30 Ma Habitat : forestier Poids : env. 50 kg Taille : 60 cm

Merychippus Merychippus Merychippus Mesohippus

Mesohippus

Equus

Env – 55 Ma Habitat : forestier Poids : env. 50 kg Taille : 40 cm

Mesohippus Mesohippus

Pour Pour mieuxencomprendre… savoir plus…

Pollution

Remplacement de l’eau profonde

More severe Climat plus A Un polymorphisme de l’ADN qui rend chacun d’entre nous unique sévère

Raréfaction de Le séquençage systématique de l’ADN • Le polymorphisme VNTR (10 à 100 nucléotides répétés) l’eau profonde révèle un polymorphisme : cela signifie que, d’un individu à l’autre, des différences = ATTAAGCCTACTAT = séquence répétée à un locus Écoulements Contrôle apparaissent : de séquences sur une paire de chromosomes homologues et érosions –deaul’érosion niveau des gènes (aussi bien dans les exons que dans les introns) ; Individu 1 Individu 2 graves – dans l’ADN « non codant » situé entre allèle les gènes et qui représente l’essentiel du génome.

Le système XY On trouve notamment dans ces régions des séquences de bases répétées ; le nombre 2n + 2n + Parents de répétitions selon les indiviXY XX Chez l’être humain, comme chez tousest lesvariable mammi• Le polymorphisme STR (2 à 4 nucléotides répétés) dus et il ysont a une grande variété de fères, des paires de chromosomes identiques séquences répé différentes. Suivant le chez les mâles et les femelles : ce sont lestées autosomes. = GT = séquence répétée à un locus plus ou diffère moins élevé Par contre, une paire denombre chromosomes chez de bases dans n+ Ovules n+ surnX+uneSpermatozoïdes paire de chromosomes homologues X chaque tée, elles sont soit appeles deux sexes : les femelles ont unité deux répé chromosomes Y lées VNTR (Variable X identiques alors que les mâles possèdent un Number chro- of Tandem Individu 1 Individu 2 Repeats) ousont encore soit STR mosome X et un chromosome Y, ce les minisatellites hétéroImpact de la perte des rôles (Short Tandem Repeats) ou microsatellites.

2n + 2n + chromosomes.

Zygotes XX XY naturels des écosystèmesL’espèce regroupe un ensemble Pour VNTR ou STR, un individu C’estd’êtres le parent qui porte leschaque deux chromosomes CDLY, Intro To Biology allèle possèdele deux « allèles » qu’il transmet vivants possédant des lienssexuels étroitsdifférents de qui détermine sexe chez ses desFig. 44.11 #4411, 09/27/99 commececeux gène. parenté. Les individus d’une mêmeAinsi, chez l’Homme, cendants. sontd’un les spermatoJBWoolsey Initials: MND espèce possèdent Pollution tous unzoïdes caryotype du père qui définissent le sexe des enfants.

Système XY identique. La notion d’espèce bioloLa drosophile possède le système sexuelde; répétition. les Chez les mammifères, le sexe d’un individu dépend du chromoDoc.même Un polymorphisme gique repose sur la faculté qu’ont les mâles sont hétérogamétiques et les femelles homogasome sexuel (X ou Y) qui était porté par le spermatozoïde.

More Climat severe individus de se reproduire entre eux etplus métiques. sévère de donner une descendance fertile.

Pour mieux comprendre…

A Les bases chromosomiques de la détermination du sexe sont variables selon l’organisme

P o ur ret ro uver les acq uis

Les classifications du vivant

Hyracotherium

En 1985, A. Jeffreys a 164/382 mis au point une technique pour isoler des VNTR SVT dansTerm l’ADNS total digéré. Après sépara- 729598 tion des frag ments d’ADN par électrophorèse, les Chez d’autres insectes, comme les sauterelles, les criquets séquences répétéesune sont repérées grâce à une sonde par et les cafards, les femelles possèdent paire de chrolales méthode de Southern. sonde reconnaît des mosomes X alors que mâles n’ont qu’un seul Cette chromoVNTR différents un peu partout dans l’ADN, car elle some X. s’hybride avec une séquence de bases commune à dif2n + 2n + férentes séquences répétées.

X XX Le système XO

et érosions graves

Hyracotherium Pliohippus Hyracotherium

Doc.1 La définition biologique de l’espèce. Quelles sont les limites de ce concept ?

Certains chapitres débutent par une ou deux doubles pages « Pour retrouver les acquis » permettant à l’élève de réactiver des notions vues dans les années antérieures.

D’autres chapitres présentent des pages « Pour mieux comprendre » et « Pour en savoir plus » qui répondent à la curiosité des élèves.

297

1

Chaque espèce est désignée par un binôme de noms écrits en italique et Raréfaction de systèmes… en latin, la première lettre D’autres du premier l’eau profonde mot est écrite en majuscule : ainsi, l’Homme actuel est nommé Homo Écoulements sapiens pour « Homme sage ».

Hyracotherium

184

Contrôle de l’érosion

Dette écologique

Biocapacité

Equus

Pliohippus

Env – 12 Ma Habitat : steppes et prairies Taille : 1,2 m

Empreinte écologique

Rôles naturels assurés par les écosystèmes

J’applique et je transfère

332

Élimination des polluants :

• Eutrophisation eau et air purifiés • Pollution des Modération du climat eaux Remplacement de •… l’eau profonde

Tous les chapitres se terminent par des exercices variés regroupés Perturbation du selon les trois axes des développements attendus desSécheresse, référentiels : etc. cycle de l’eau Connaître, Appliquer et Transférer.

Sujet 2

Les chevaux appartiennent à la famille des équidés et au genre Equus comme les zèbres, les mulets et les ânes.

Les archives paléontologiques de ce genre sont abondantes, certains fossiles sont repris dans les figures cicontre.

Rôles naturels assurés par les écosystèmes

Écoulements et érosions graves

nant de groupes animaux différents permet d’avoir uneLa idéepollution de la altère l’environnement et menace notre santé. parenté plus ou moins étroite entre ces groupes.

C. Questions à réponses courtes

1

CDLY, Intro To Biology Fig. 44.11 #4411, 09/27/99 JBWoolsey Initials: MND

Climatsevere More plus sévère

• mots La sélection naturelle occupeD. une dans les Les mécanismes de l’évolution agissent sur un grand A. Définissez les ou expressions : Vraiplace ou fauxcapitale ? caractère ancestral, caractère dérivé, arbre intermécanismes dephylogénétique, l’évolution.

En effet, les individus n’ont nombre d’individus. C’est au sein d’une population que les Parmi lestous affirmations suivantes, repérez celles qui sont exactes médiaire structural, synténie. et corrigez celles qui sont erronées. pas les mêmes capacités pour faire face aux contraintes de modifications apparaissent et qu’elles sont maintenues ou a. Un groupe monophylétique comprend l’ensemble des espèces B. Exprimez desl’environnement. notions importantes…Ce sont les mieux qui partagent les mêmes ancestraux. adaptés quicaractères ont davanéliminées. La microévolution provoque des changements b. Le partage par un ensemble d’animaux de caractères dérivés … en rédigeant une phrase utilisant chaque mot et groupe de tage de chances de survivre etdéfinit donc transmettre au niveau du pool génique d’une population. une de parenté entre ces animaux.leurs

mots pris dans cet ordre ou dans un ordre différent. a. Caractère ancestraux, caractères dérivé, évolution des caractères, fossiles de transition. b. Développement embryonnaire, homologies, organismes, stade précoce.

297

1

2 Les mécanismes de l’évolution

Exercices

Écoulements et érosions graves

1

et deviennent plus fréquents, les autres se raréfient. C’est ce que l’on appelle la sélection naturelle.

Impact de l’Homme sur les cycles de matière et le flux d’énergie Chapitre

La modification des caractères héréditaires au sein d’une population est à la base de l’apparition de nouvelles espèces à partir d’espèces ancestrales : c’est l’évolution.

De petites différences accumulées au sein d’une population et soumises aux contraintes évolutives sont la clé de la microévolution. Celle-ci pourra permettre la différenciation des espèces.

Certaines innovations génétiques comme des remaniements chromosomiques ou des mutations dans des gènes du développement sont à l’origine de modifications fondamentales au niveau de l’organisme. Celles-ci provoqueront assez rapidement la formation de nouvelles espèces ou de nouveaux groupes : c’est la macroévolution.

Impact de l’Homme sur les cycles de matière et le flux d’énergie Chapitre

Les mécanismes de l’évolution

n

Ex : l’être humain

2n

L’assortiment des VNTR reconnus par une sonde chez un individu se présente après révélation sous forme d’une série de bandes : c’est l’empreinte génétique. Sur un même test, on peut comparer les empreintes de plusieurs personnes. La diversité des séquences répétées et la très grande variabilité du nombre de répétitions d’un individu à un autre explique qu’à l’exception des vrais jumeaux, il est hautement improbable que deux individus aient la même empreinte.

Ces empreintes ont rapidement été utilisées dans les enquêtes criminelles.

Merychippus

Eucaryotes LeDomaine système:haplo-diploïde

CDLY, Intro To Biology Fig. 44.11 #4411, 09/27/99 JBWoolsey Initials: MND

Chez les insectes sociaux comme les abeilles et les fourmis, il n’y a pas de chromosomes sexuels : les mâles sont haploïdes, ils sont issus d’œufs non fécondés et ne possèdent donc qu’unRègne seul lot de chromosomes (n), tandis que les femelles sont diploïdes, elles naissent : Animal d’œufs fécondés et portent deux lots de chromosomesLes (2n). empreintes de sept individus non apparentés.

Embranchement ou Phylum : Cordés*

Mesohippus

156 2n + ZZ

Doc.2 Les premières empreintes génétiques.

Le système ZW

2n + ZW

Classe : Mammifères Chez les oiseaux et chez certains insectes comme les papillons, c’est la femelle qui possède deux chromosomes sexuels différents : ceux-ci sont dénommés ZW. LeOrdre mâle,: Primates lui, porte deux chromosomes identiques : ZZ.

Dans chaque figure, le nombre d’autosomes est représenté par « n » dans les cellules.

Famille : Hominidés

Hyracotherium

60

Doc.1 Il existe plusieurs systèmes différents de détermination du sexe chez les êtres vivants.

Genre : Homo

Espèce : Homo sapiens

Doc.2 Une classification hiérarchisée : la classification taxonomique.

166

9

Représentation schématique de la molécule d’ADN

OGM, animaux transgéniques, prédiction de maladies, thérapie génique, séquençage du génome humain…

Qu’on le veuille ou non, les avancées de la génétique ont modifié notre perception du monde. Afin de permettre à chacun de comprendre les enjeux des sciences génétiques, nous allons dans cette partie présenter les notions nécessaires à la compréhension du concept de gène, ce support de l’hérédité.

Chromosomes humains vus au microscope @ électronique à balayage

Drosophiles sauvage (à gauche) et mutée (à droite)

Souris sauvage (à gauche) et souris génétiquement modifiée (à droite)

Génétique

1

Chapitre 1 Les mécanismes de l’hérédité Chapitre 2 Des mécanismes héréditaires plus complexes Chapitre 3 Phénotype, génotype et environnement : une relation complexe

Chapitre 4 L’hérédité à l’échelle moléculaire Chapitre 5 Génie génétique P A R T I E Chapitre 6 La génétique humaine et les biotechnologies

11

UAA 8 De la génétique à l’évolution partie 1

Génétique Chapitre 1 L es mécanismes de l’hérédité

Activités pratiques

1. La transmission des caractères au sein d’une famille . . 14 2. Diversité des caractères . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3. Étude de la transmission des caractères : les travaux de Mendel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 4. Une organisation rigoureuse des expériences d’hybridation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 5. Des expériences d’hybridation portant sur un seul caractère : le monohybridisme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 6. La détermination d’un génotype . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 7. La généralisation des travaux de Mendel . . . . . . . . . . 26 8. Le monohybridisme chez l’Homme . . . . . . . . . . . . . . . . 28

Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Pour en savoir plus…

• L’utilisation de la génétique en agronomie . . . . . . . . . . 34

Chapitre 4

L’hérédité à l’échelle moléculaire

Pour retrouver les acquis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 Activités pratiques

1. Découverte du support chimique du gène . . . . . . . . . 86 2. Découverte de la structure de l’ADN et de sa capacité d’autoréplication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 3. La réplication de l’ADN, un processus essentiel . . . . . . . 90 4. Les mécanismes de l’expression de l’information génétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 5. Traduction de l’ARNm en protéine : la nécessité d’un code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 6. De l’ARNm à la protéine : la traduction . . . . . . . . . . . . 96 7. Le contrôle de l’expression des gènes . . . . . . . . . . . . . . 98 8. Les mutations et leurs conséquences sur le phénotype . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 9. Les mutations chromosomiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 Pour en savoir plus…

Chapitre 2

Des mécanismes héréditaires plus complexes

• D’autres modalités de variation de l’information génétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 • La régulation de l’expression des gènes chez les eucaryotes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

Pour retrouver les acquis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Activités pratiques Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 1. Des expériences d’hybridation portant sur deux caractères : le dihybridisme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2. L’analyse du polyhybridisme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3. Naissance de la théorie chromosomique de l’hérédité . 46 4. Des résultats de monohybridisme différents de ceux de Mendel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 5. Hérédité liée aux chromosomes sexuels chez l’Homme . . 50 6. Morgan explique des résultats non conformes à la seconde loi de Mendel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 7. L’établissement des premières cartes génétiques . . . . 54

Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 Pour mieux comprendre…

• …la cartographie des gènes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

Chapitre 5

Génie génétique

Activités pratiques

1. Les enzymes de restriction : des outils pour manipuler les gènes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 2. Le clonage et le séquençage des gènes . . . . . . . . . . . . 120 3. La PCR, une méthode d’amplification de l’ADN . . . . . . . 122 4. La transgenèse : une biotechnologie qui utilise l’universalité du code génétique . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 5. La problématique des plantes génétiquement modifiées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 Pour en savoir plus…

• L’analyse des génomes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

Chapitre 3

hénotype, génotype et environnement : P une relation complexe

Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

Pour retrouver les acquis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 Chapitre 6 La génétique humaine et les biotechnologies Activités pratiques Activités pratiques 1. Un même génotype engendre des phénotypes différents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 2. De nombreux caractères sont déterminés par plusieurs gènes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 3. De l’organisme à la molécule : le phénotype peut se définir à différents niveaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4. Un même phénotype, plusieurs génotypes possibles . 74

1. Prédisposition génétique et risque multifactoriel . . . 138 2. Génétique du cancer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 3. Le dépistage d’anomalies géniques . . . . . . . . . . . . . . . . 142 4. L’analyse d’anomalies chromosomiques . . . . . . . . . . . . 144 5. La thérapie génique ou l’utilisation de « gènes-médicaments » . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 6. Limites et perspectives de la thérapie génique . . . . . . 148

Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 Pour en savoir plus…

• Un polymorphisme qui caractérise chaque individu : les empreintes génétiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156

12

Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

14 chapitre

L’hérédité à l’échelle moléculaire La découverte de la structure de l’ADN est un événement majeur de la génétique.

Les études sur sa réplication montrent comment le matériel génétique se perpétue de génération en génération et comment des modifications apparaissent.

L’information génétique nécessaire à la synthèse des protéines est stockée dans les gènes. L’expression de ce patrimoine génétique s’effectue en deux étapes : une transcription et une traduction. Les recherches sur le transfert de cette information ont mis en évidence de nombreux mécanismes de régulation.

Les modifications de l’ADN sont soit limitées, ce sont les mutations ponctuelles, soit de plus grande ampleur lors des mutations chromosomiques.

Photographie : Photographie : modèle d’une double hélice d’ADN.

83

P o u r r e t r o u v e r le s a cqu i s

Structure de la cellule LES CELLULES EUCARYOTES

10 mm

10 mm

LES CELLULES PROCARYOTES

1 mm

84

Doc.1 La cellule est l’unité structurale et fonctionnelle des êtres vivants. Il existe deux grands types cellulaires : eucaryote et procaryote.

Quelles sont leurs caractéristiques essentielles ? Quelles sont les fonctions des organites principaux de la cellule eucaryote ?

ADN

Structure des acides nucléiques Montant désoxyribosephosphate

P

P

P

T

T

T

G

P

P

A

G

P

A

P

C P

P

Molécules élémentaires

Bases Liaisons hydrogène entre paires de bases

A

T

P P

Nucléotides

A

C

P

Macromolécules et Polymères G

P

C

P

P

ARN ADN

P

A

P

P

C

G

G

A

P

P

P

P

A

P

G

P

A

P

U

P

T

T

T

P

C

A

P

U

P

C

A

P

A

T

P

P

G C

P

P P

P

P

G

Exemples : A, T, U, C et G ATP : adénosine triphosphate

Brin simple Double brin en hélice A, U, C, G A – T et C – G ribose ¥ squelette pentose-phosphate ¦ désoxyribose

Doc.2 Les acides nucléiques sont constitués de molécules élémentaires : un sucre à 5 carbones et des bases azotées. Quels sont les points communs

et les divergences entre l’ADN et l’ARN ?

O

Liaisons hydrogène entre bases azotées

P C

G

O

O

C

P

P

G

O

O

P

A P

T

O

O

P

G C

P

Bases azotées :

O

T O

A

Adénine

T

Thymine

OH

A P Nucléotide O

P

P

O

Phosphate

G

Guanine

Désoxyribose

C

Cytosine

Doc.3 La structure en double hélice de la molécule d’ADN. Par quel mécanisme les bases s’apparient-elles ?

85

P

L ’ h é r é d i t é à l ’ é c h e l l e m o l é c u l a i r e Chapitre 4

Montants sucre-phosphate O

Activités pratiques Découverte du support chimique du gène

1

Suite aux travaux de Morgan, les gènes, supports de l’hérédité, ont été assignés à des loci précis sur les chromosomes. La nature chimique du gène était alors inconnue. Entre 1930 et 1950, divers travaux montrent que l’ADN est le support de l’hérédité.

• Comment cette découverte a-t-elle été faite ?

• Comment l’ADN exerce-t-il ses effets ?

A

Découverte de la nature chimique du gène 1

2

Souche bactérienne S (smooth lisse) vivante

Souche bactérienne R (rough rugueuse) vivante

La souris meurt

3

Souche R vivante

La souris survit

4

+ La souris meurt Culture des microorganismes La souris survit

Souche S tuée par la chaleur

Souche S tuée par la chaleur

Doc.1 L’expérience de Griffith (1928) : découverte du principe transformant.

Traitement du filtrat

Ajout aux souches R

Résultat obtenu

+

Chauffage et élimination des débris cellulaires

F

F

–

protéines

+

F

–

protéines sucres

+

F

–

protéines sucres ARN

+

Filtrat Souche bactérienne S

Étude du filtrat restant ADN

F

– +

protéines sucres ARN

désoxyribonucléase*

* enzyme dégradant l’ADN.

Doc.2 Expérience de Avery, Mac Leod et Mc Carthy (1935-1944)

86

pour identifier le principe transformant.

En 1944, on pense que l’ADN est une molécule formée par la répétition monotone du même motif de 4 nucléotides à A, C, G et T ; l’ADN semble donc trop simple pour être le support de l’information génétique. Par contre, les protéines qui sont des molécules variées, complexes, douées de spécificité pouvaient être le support de cette information.

C’est pourquoi les résultats d’Avery laissent sceptiques de nombreux scientifiques de cette époque.

En quelques années, de nouvelles connais­sances sur l’ADN sont acquises.

En 1952, des expériences de marquage sélectif des pro­téines et de l’ADN par des éléments radioactifs sont réalisées par Hershey et Chase sur des virus parasites de bactéries ; elles confirment définitivement que l’ADN est bien le matériel génétique.

Doc.3 L’ADN support des gènes, une idée dif­ficile

à accepter en 1944.

B

Découverte de la relation gène — protéine

• Historique – Les travaux de génétique classique avaient établi l’idée : « Un gène/un caractère. » – En 1908, suite à des études sur différentes maladies métaboliques, Archibald Garrod, médecin anglais, avance l’hypothèse d’une relation « un gène/une enzyme ».

– En 1941, Beadle et Tatum apportent la preuve expérimentale de la relation entre gène et enzyme.

– Expériences Beadle et Tatum testent la croissance des divers mutants arg‑ sur les différents milieux nutritifs. La croissance cellulaire se marque par l’apparition de spores orange. Les résultats de ces expériences sont schématisés ci-contre.

M

M+O

M+C

M+A

Champignons non mutés

Mutant

Mutant

– Conclusion Selon Beadle et Tatum, pour chaque mutant, la chaîne de réactions menant à l’arginine est bloquée mais à une étape différente. C’est l’absence de l’enzyme catalysant une étape précise qui bloque la synthèse de l’arginine. Chacune des trois étapes peut être affectée.

• Généralisation de la théorie

Mutant Les enzymes étant des protéines, la théorie « un gène/une enzyme » a été élargie par la suite. Des études ultérieures ont montré que l’altération d’un gène qui donnait des effets phénotypiques visibles provoquait en fait des modifications dans la séquence d’une protéine qui n’avait pas forcément de fonction enzymatique. On a donc reformulé la théorie en « un gène/une protéine ».

Doc.4 Naissance du concept « un gène/une protéine ».

139/362 SVT Term S - 729598

Pistes d’exploitation

4

– Matériel Neurospora crassa, la moisissure orange du pain : – mutants arg ‑ de Neurospora obtenus par irradiation des spores aux rayons X ou UV et ne pouvant vivre que sur un milieu nutritif complété par un acide aminé, l’arginine. Trois types de mutants arg‑ existent (Mutants I, II et III), tous incapables de synthétiser de l’arginine sur un milieu nutritif minimum.

Milieux de culture : – milieu nutritif minimum seul (M) ; – milieu nutritif minimum additionné de divers acides aminés :

ornithine (M + O), citrulline (M + C) et arginine (M + A).

Connaissances préalables sur le métabolisme Neurospora est un champignon qui réalise la synthèse de l’arginine en plusieurs étapes avec des molécules intermédiaires, la citrulline et l’ornithine, selon le schéma :

produit initial ornithine citrulline arginine

étape 1 étape 2 étape 3

L ’ h é r é d i t é à l ’ é c h e l l e m o l é c u l a i r e Chapitre

• Les expériences de Beadle et Tatum

1 Doc. 1 et 2 :Qu’est-ce que le principe transformant ? Quelle est sa nature ?

2 Doc. 2 : En quoi les résultats présentés prouvent-ils que l’ADN est le support de l’hérédité ?

3 Doc. 1 à 4 : Sur une échelle de temps, replacez les étapes essentielles de l’évolution des idées concernant le support chimique de l’information génétique.

4 Doc. 4 : Quelles conclusions peut-on tirer des expériences de Beadle et Tatum ? Faites un schéma récapitulatif expliquant la relation entre la mutation d’un gène et l’étape métabolique pour chacun des mutants.

87

Activités pratiques Découverte de la structure de l’ADN et de sa capacité d’autoréplication

2

La découverte du rôle de l’ADN comme support de l’hérédité posait un autre problème : comment une molécule aussi simple peut-elle stocker l’information, être répliquée et modifiée pour engendrer des mutations ?

La découverte de la structure de l’ADN permettra de répondre à ces questions.

• Comment a-t-on déterminé la structure de l’ADN ? Quelles sont ses caractéristiques ?

A

Les éléments de construction de l’ADN

Groupement phosphate

La base azotée d’un nucléotide peut être l’un de ces composés.

O– –O

P

O–

Nucléotide P

O

NH2 N

Base azotée

O

La thymine se trouve seulement dans l’ADN.

Bases

HC

C

C

N CH

C N

HN O

N

C

H

Sucre

HN

4' H

O H

H2N

OH H

1' H

Le désoxyribose est un sucre à cinq atomes de carbone.

2' 3' OH H Désoxyribose

C

C

N

CH

C N

CH

NH2 N

N H

Guanine (G)

O

C

CH3

N

Thymine (T)

O Sucre 5' HOCH2

C

H

Adénine (A)

C

C

C

CH CH

Les bases azotées sont des molécules à un ou deux cycles contenant du carbone, de l’azote, de l’oxygène et de l’hydrogène.

N H

Cytosine (C)

L’enroulement de deux brins de nucléotides constitue la double hélice d’ADN.

Proportion des constituants de l’ADN (règle de Chargaff)

• 1949-1950 : E. Chargaff hydrolyse des préparations d’ADN d’origines diverses et analyse leur composition en bases. Dans tous

les échantillons, il trouve une quantité iden­tique de thymine (T) et d’adénine (A) d’une part, de cytosine (C) et de guanine (G) d’autre part.

Il en tire une règle, dite de Chargaff : A = T, C = G, expri­mée aussi par la formule : A + G = T + C. Il observe par ailleurs que les proportions des différents types de bases varient d’une espèce à l’autre mais sont constantes au sein d’une espèce.

88

Doc.1 L’ADN est composé de quatre désoxyribonucléotides.

B

La découverte de la double hélice : une étape majeure dans l’histoire de la génétique

• 1950-1952 : R. Franklin obtient des cli­chés de cristaux d’ADN

par diffraction des rayons X, procédé délicat et maîtrisé par peu de personnes à l’époque. Elle analyse ces clichés et, avec son chef de laboratoire, M. Wilkins, ils en tirent des informations capitales : la molécule d’ADN est hélicoïdale et comprend plusieurs chaînes de nucléotides ; les groupes phosphate sont à l’extérieur et les bases occupent une position centrale.

• 1953 : J.D. Watson et E. Crick regroupent un ensemble de don-

nées physicochimiques et, sur base des clichés obtenus par R. Franklin, proposent un modèle pour la structure de l’ADN. C’est une double hélice formée de deux chaînes polynucléotidiques complémentaires maintenues ensemble par des liaisons hydrogène. La séquence de bases d’une chaîne permet de définir exactement celle de l’autre chaîne. Ils suggèrent immédiatement un mécanisme possible de réplication (voir schéma ci-contre).

Rosalind Franklin.

• Ils reçoivent le prix Nobel en 1962, avec M. Wilkins, pour leur découverte. R. Franklin, décédée en 1958, n’a pas reçu le prix Nobel malgré sa contribution essentielle, les prix Nobel n’étant pas décernés à titre posthume.

Radiographie de l’ADN par diffraction de rayons X produite par Franklin.

• 1958 : Les expériences de marquage des chromosomes de

Watson et Crick devant leur maquette d’ADN.

Dessin de la molécule d’ADN (extrait de J.-D. Watson, La double hélice, Laffont).

Doc.2 Découverte de la structure de l’ADN et de sa capacité d’autoréplication.

Pistes d’exploitation

L ’ h é r é d i t é à l ’ é c h e l l e m o l é c u l a i r e Chapitre

4

H. Taylor et de marquage de l’ADN de M. Meselson et F.W. Stahl confirment ce que Watson et Crick avaient suggéré : la réplication de l’ADN se fait selon un mécanisme semi‑conservatif.

1 Doc. 1 et 2 : Expliquez la règle de Chargaff à l’aide du schéma de l’ADN. Déterminez comment les nucléotides s’apparient.

2 Doc. 2 : Indiquez ce que signifie l’expression « chaînes complémentaires polynucléotidiques » . Qu’est-ce qui constitue le support de l’infor-

mation génétique dans la molécule d’ADN ? Pourquoi la réplication est-elle qualifiée de semi-conservative ? Quel est l’intérêt de cette semi-­ conservativité ?

89

3

Activités pratiques

La réplication de l’ADN, un processus essentiel

Pour être le support de l’hérédité, l’ADN doit se perpétuer invariablement. La réplication assure cette exigence tout en permettant des variations.

• Comment l’ADN est-il répliqué ?

• Comment les mutations* apparaissent-elles ?

A

La réplication de l’ADN, un processus semi-conservatif CG

Brin modèle

A T G

HO

C G

G

C

A

T

C

G

O

T

A

T

P O

O

C

A G T A

C

T A G

C

ADN polymérase III P

C

G

C

P

O

O

G

P O

O

P

Chaque molécule d’ADN fille comporte un brin conservé de la molécule mère (en bleu sur le schéma) et un brin néoformé (en jaune). Le nouveau brin se forme par ajout de nucléotides successifs selon la complémentarité A-T et G-C.

P O

O

P

C

T

A

O

T A G

P O

P

O

G T A

A

O P

T

A

T

O

P

T

T A

A

P

G

O

P

T A

5

C

P

G

Nouveau brin

3

HO P

G

O

Colonne vertébrale sucrephosphate

Brin modèle

5

C

C A T

C

Nouveau brin

3

P

3

A

OH

A

O

T P

O

T

P

P

P

O

P

A OH

P

P

P

O

A

P

Pyrophosphate

O

3

OH

O P

5

5

Doc.1 Lors de la réplication de l’ADN, l’ADN polymérase synthétise un nouveau brin à partir d’un brin modèle.

3΄ 5΄ Brin avancé Brin retardé 3΄ 5΄

5΄ 3΄ 1

Synthèse de l’amorce

P OH

3 Élimination de l’amorce et remplissage de l’intervalle par l’ADN polymérase I

Fragment d’Okazaki 2 Élongation par l’ADN polymérase III

90

Doc.2 La réplication de l’ADN est continue sur le brin avancé et discontinue sur l’autre brin.

4

Ligature par l’ADN ligase

B

La réparation de l’ADN, un processus essentiel pour éviter l’apparition de mutations

Au cours de la réplication de l’ADN, des erreurs peuvent se produire : la polymérase insère une base incorrecte dans le brin nouvellement synthétisé, ce qui provoque une erreur d’appariement. Dans la figure ci-contre, une cytosine (C) est placée erronément en face d’une adénine (A). Ce type d’erreur est relativement rare, car les cellules possèdent un ensemble d’enzymes de réparation qui corrigent plus de 99 % des erreurs. Lorsque l’erreur d’appariement n’est pas corrigée, la séquence d’ADN est modifiée, une mutation est apparue.

Certains agents chimiques ou physiques (comme les rayons UV ou les rayons X) augmentent la fréquence d’apparition des mutations : ce sont des agents mutagènes

Nouveau filament Ancien filament

Doc.3 Une erreur lors de la réplication de l’ADN est à la base de l’apparition des mutations.

La lumière ultraviolette peut endommager des gènes en provoquant des liaisons inhabituelles entre deux molécules de thymine (dimères de thymine).

Dans la plupart des cas, un groupe de protéines de réparation de l’ADN se mobilise pour localiser et éliminer l’ADN endommagé.

Élimination de l’ADN endommagé =

Réparation de l’ADN

Lumière ultraviolette Dimère de thymine

D’autres protéines remplacent ensuite les bases manquantes.

Réparation d’ADN

Étant donné que les personnes atteintes de XP ne possèdent pas des versions fonctionnelles de toutes les protéines de réparation…

=

…elles accumulent de nombreuses mutations, y compris les mutations qui provoquent le cancer de la peau.

ADN endommagé non réparé

Cet enfant est atteint de XP. L’excroissance sur son menton représente un cancer de la peau.

Doc.4 Le Xeroderma pigmentosum, une maladie récessive, liée à un mécanisme de réparation de l’ADN déficient.

• Mutation : modification accidentelle de la séquence des nucléotides de l’ADN.

Pistes d’exploitation 1 Doc. 1 : En fonction des propriétés des nucléotides, expliquez pourquoi la molécule d’ADN sert de modèle lors de la réplication. Quelles sont les étapes nécessaires à la réplication de l’ADN ?

2 Doc. 1 : Dans quel sens l’ADN polymérase « lit-elle » l’ADN ? Quel est le sens de synthèse du brin néoformé ?

3 Doc. 2 : Pourquoi le brin retardé ne peut-il être synthétisé en continu ?

4 Doc. 3 : Expliquez le terme « erreur d’appariement ».

5 Doc. 4 : Montrez en quoi les mécanismes de réparation de l’ADN sont essentiels.

6 Doc. 4 : Expliquez pourquoi les individus atteints de Xeroderma pigmentosum ne peuvent s’exposer au soleil.

91

Lexique

L ’ h é r é d i t é à l ’ é c h e l l e m o l é c u l a i r e Chapitre

ADN endommagé non réparé

4

=

Activités pratiques

4

Les mécanismes de l’expression de l’information génétique

Les gènes sont les « plans de construction » des protéines. Or, chez les eucaryotes, l’ADN est localisé dans le noyau des cellules et les « ateliers de construction » des protéines sont situés dans le cytoplasme.

L’ADN ne dirige donc pas directement l’assemblage des acides aminés.

• Comment l’information est-elle transmise du noyau au cytoplasme ?

• Quelles sont les expériences clés qui ont permis la découverte des mécanismes de l’expression des gènes ?

A

L’expression des gènes : un processus en 2 étapes × 45 000

• Un intermédiaire nécessaire Que sait-on à la fin des années 1950 ? Les gènes, portés par les chromosomes du noyau, codent pour l’assemblage ordonné des acides aminés d’une protéine fabriquée dans le cytoplasme au niveau de ribo­somes. Ces derniers ne comportent pas d’ADN mais de l’ARN. Les ARN ribosomiaux semblent être les intermédiaires logiques entre ADN et protéines.

22

33

1

• Le rôle des ARN mis en évidence

44

En 1951, le Belge Jean Brachet démontre qu’il existe, pour un tissu déterminé, une corrélation entre la quantité d’ARN au sein de la cellule et l’activité de synthèse des protéines.

• L’ARN est synthétisé dans le noyau et migre vers le cytoplasme

Lorsque l’on cultive des cellules en présence de précurseurs radioactifs de l’ARN, et que l’on mesure rapidement le taux de radioactivité au sein de la cellule, celle-ci se situe au niveau du noyau.

Si on réalise une expérience de marquage avec chasse, c’est-à-dire que l’on ne laisse les cellules qu’un court instant avec des précurseurs radioactifs de l’ARN et que l’on transfère ensuite ces cellules dans un milieu contenant des précurseurs non marqués, on peut ainsi suivre une population d’ARN synthétisés de novo. Si l’on suit la radioactivité au cours du temps, on observe que la radioactivité se trouve au début dans le noyau et qu’ensuite elle se retrouve dans le cytoplasme.

• Une observation curieuse faite en 1958 Certains virus, les phages, infectent des bactéries, en y injectant leur ADN et en utilisant la machinerie cellulaire de ces hôtes pour fabriquer leurs propres molécules d’ARN et de protéines.

Deux chercheurs, Volkin et Astrachan, identifient dans ces bactéries un ARN marqué particulier : l’analyse de sa composition en bases montre un rapport A+U/G+C égal au rapport A+T/G+C de l’ADN du phage.

Doc.1 Découverte d’un intermédiaire entre ADN et protéines.

92

Coupe fine de cellule exocrine de pancréas de chien :

1 – noyau ;

2 – enveloppe nucléaire ; 3 – ribosome ; 4 – réticulum endoplasmique.

• La découverte de l’ARNm C’est l’équipe française de F. Jacobs, J. Monod et A. Lwoff qui émit l’hypothèse d’un ARN intermédiaire entre l’ADN et les protéines, l’ARN messager (ARNm). Les protocoles expérimentaux menés par ces chercheurs et par d’autres équipes ont montré que l’ARNm est synthétisé dans le noyau et est transporté dans le cytoplasme où il dirige la synthèse protéique. Ces ARNm ont une durée de vie courte (quelques heures chez les eucaryotes).

On dénomme transcription la synthèse des ARNm sur base d’un modèle ADN et traduction, la synthèse protéique à partir d’ARNm. En 1965, le prix Nobel est attribué à F. Jacob, J. Monod et A. Lwoff pour l’ensemble de leurs travaux, dont la découverte de l’ARN messager.

B

Structure et synthèse de l’ARNm Le ribose est un sucre à cinq atomes de carbone.

Sucre 5' HOCH2 4' H

ARN P

O H

OH H

P

P

A

G

1' H

P

U

2'

3' OH OH ribose

Montant ribosephosphate

P

C

A O

Ribose U

Bases

P

U

Uracile P

O HN C

O

C

N

CH

G

CH

H

Doc.2 Structure de l’ARNm. 1. Initiation 1. Initiation

Facteur de transcription

Fixation de l’ARN polymérase au niveau du promoteur

ARN polymérase Site d’initiation

ADN Boîte TATA*

Promoteur

3. Terminaison

Sens de la transcription Croissance de l’extrémité 3’ de l’ARN

5’ ARNm

ARN polymérase

3’

Un brin d’ADN en cours de transcription

Site de terminaison de la transcription

3'

5' 5’

ARNm Brin non Brin transcrit transcrit Brin transcrit = brin matrice

Segment de la double hélice déroulé localement

Brins d’ADN complémentaires

Libération de l’ARN polymérase

Doc.3 Les étapes de la transcription.

Pistes d’exploitation 1 Doc. 1 : Pourquoi l’ARN ribosomial était-il une matrice envisageable pour la synthèse des protéines ? Avec vos connaissances actuelles, expliquez l’observation de Volkin et Astrachan.

L ’ h é r é d i t é à l ’ é c h e l l e m o l é c u l a i r e Chapitre

2. Élongation

4

* Boîte TATA = région de fixation de l’ARN polymérase sur le promoteur constituée d’A et de T

2 Doc. 1 : Pourquoi l’ARNm est-il un meilleur candidat comme intermédiaire entre l’ADN et les protéines ? Quel est l’intérêt d’une brève durée de vie pour l’ARN messager ?

3 Doc. 1 : Expliquez le choix des termes transcription et traduction.

4 Doc. 3 : Dans quel sens l’ARN polymérase se déplace-t-elle sur le brin matrice ? Dans quel sens le brin d’ARN est-il transcrit ?

5 Doc. 3 : Expliquez pourquoi le brin non transcrit de l’ADN est appelé brin codant par les généticiens ?

93

Activités pratiques

5

Traduction de l’ARNm en protéine : la nécessité d’un code Alors que les acides nucléiques ne comportent que 4 bases différentes, les protéines contiennent jusqu’à 20 acides aminés différents.

• Comment s’effectue le passage d’un code à 4 lettres vers un autre à 20 lettres ?

• Quelles sont les propriétés du code génétique ?

A

Un système de correspondance entre bases et acides aminés

ARN

P

P

P

A

Protéine

P

C G

P T I

P

U

A U

Nom

P

P

G

Nom

Symbole

Adénine

A

Cytosine

C

Guanine

G

Uracile

U

Pendant la traduction, l’information véhiculée par l’ARNm est convertie en une chaîne polypeptidique.

Alanine Acide aspartique Acide glutamique Arginine Asparagine Cystéine Glutamine Glycine Histidine Isoleucine

L R M

L

F H R I H

Abréviation

Symbole

Abréviation

Symbole

Ala Asp

A D

Leucine Lysine

Nom

Leu Lys

L K

Glu

E

Méthionine

Met

M

Arg Asn Cys Gln Gly His Ile

R N C Q G H I

Phénylalanine Proline Sérine Thréonine Tryptophane Tyrosine Valine

Phe Pro Ser Thr Trp Tyr Val

F P S T W Y V

Doc.1 ARN et protéines, deux systèmes de codage différents.

Exemples du début et de la fin de la séquence polypeptidique de 4 protéines humaines avec leurs correspondants en terme d’ARNm.

94

Doc.2 Début et fin de séquences codantes* de divers gènes.

Le code génétique et ses propriétés 2 e nucléotide U

U

C

A

G

C

UUU UUC UUA UUG CUU CUC CUA CUG AUU AUC AUA AUG GUU GUC GUA

UCU phénylalanine UCC UCA leucine UCG CCU CCC leucine CCA CCG ACU isoleucine ACC ACA méthionine ACG GCU GCC valine GCA

GUG

GCG

sérine

proline

thréonine

alanine

A UAU UAC UAA UAG CAU CAC CAA CAG AAU AAC AAA AAG GAU GAC GAA GAG

G

UGU cystéine UGC UGA codon(s) stop codon(s) stop UGG tryptophane CGU histidine CGC arginine CGA glutamine CGG AGU asparagine sérine AGC AGA lysine arginine AGG GGU acide aspartique GGC glycine GGA acide glutamique GGG tyrosine

U C A G U C A G U C A G U C A G

3e nucléotide

En 1955 le code génétique, c’est-à-dire la correspondance entre les triplets de nucléotides et les acides aminés, était encore inconnu. Pour décrypter ce code, des biochimistes américains, Nirenberg et Matthaei, ont synthétisé des ARN in vitro grâce à une enzyme bactérienne. Ils ont utilisé ces ARN dans un système de traduction in vitro constitué d’acides aminés et d’extraits bactériens. Ils ont ainsi obtenu une chaîne polypeptidique constituée uniquement de phénylalanine avec un ARN composé de polyU.

1er nucléotide

B

En procédant de cette manière, ils ont découvert la signification de 54 triplets. C’est le chimiste Khorana qui identifia le rôle des derniers codons.

En 1966, le code génétique est entièrement déchiffré. Nirenberg et Khorana reçurent le prix Nobel de médecine en 1968.

Doc.3 Le code génétique : chaque acide aminé est défini par un codon* constitué de trois bases.

C A A A U U G U C U C C Gln Ile Val Ser

G A A A U A C Lys Tyr

C

C

C A A A A G C U U U U G Gln Lys Leu Leu

4

G C A G A G C Gln Ser

C A A A G C Gln Ser

C U G A A A C C Pro Glu Thr

U U U G G A U G G C A C C Leu Asp Gly Thr

C U U Leu

C U C U U A Leu Leu

A G U C G C U U U G U U U U U A U U U Val Ala Leu Phe Leu Phe

Doc.4 Fragments de séquences protéiques de divers organismes avec les séquences d’ARNm qui leur correspondent.

• Codon : ensemble de trois nucléotides contigus correspondant à un acide aminé.

• Séquence codante : portion du gène (ADN) ou de l’ARNm comprenant la séquence nucléotidique codant une protéine.

Pistes d’exploitation 1 Doc. 1 et 2 : Combien de nucléotides faut-il pour spécifier un acide aminé ? Expliquez.

2 Doc. 2 : Quelles particularités remarquez-vous en début et en fin de chaîne ?

3 Doc. 3 : Certains codons sont qualifiés de « synonymes », on dit que le code génétique est redondant (ou dégénéré), par contre il n’est pas ambigu. Expliquez ce que signifient ces termes.

4 Doc. 4 : Sélectionnez un codon et recherchez-le dans chacune des séquences, indiquez l’acide aminé pour chacun des cas. Refaites l’analyse pour d’autres codons. Qu’en déduisez-vous ?

95

Lexique

L ’ h é r é d i t é à l ’ é c h e l l e m o l é c u l a i r e Chapitre

Mammifère : homme (interféron gamma) ARNm A G A A A A A U A A U Protéine Arg Lys Ile Met Poisson : poisson zèbre (phospholipide hydrolase) ARNm G A U G U G U U C C A Protéine Asp Val Phe Gln Insecte : drosophile (ADN polymérase) ARNm A C C G A G A A U C U Protéine Thr Glu Asn Leu Plante : maïs (riboflavine kinase) ARNm G U C A U U C U U G A Protéine Val Ile Leu Asp Bactérie : Escherichia coli (phosphatase alcaline) ARNm C C G A G A C U U A U Protéine Pro Arg Leu Ile

Activités pratiques De l’ARNm à la protéine : la traduction

6

Pendant la traduction, l’information contenue par l’ARNm est convertie en une chaîne polypeptidique.

• Quels sont les acteurs nécessaires à ce processus ?

• Comment s’effectue la traduction ?

A

L’ARN de transfert transfère l’information de l’ARNm vers la protéine OH

Accepteur pour Asp

3' L’acide aminé s’attache ici

5'

5' 3'

ARNt

Anticodon

Anticodon

ARNm

5'

3' Codon pour Asp

Doc.1 Les ARNt possèdent une séquence complémentaire au codon de l’ARNm et portent un acide aminé spécifique.

Trp

C =O

Trp

OH

Trp

C =O

C

H2O

O

C

C

Enzyme d’activation

=O

O

OH

A

ARNtTrp Anticodon

Tryptophane attaché à l’ARNtTrp

AC C U GG

ARNm

L’ARNtTrp s’unit au codon UGG de l’ARNm

Doc.2 Des enzymes d’activation « lisent le code génétique » : les ARNt synthétases catalysent la liaison spécifique de chaque acide aminé

96

à l’ARNt correspondant.

B

Le déroulement de la traduction « START » AUG) jusqu’au point d’arrêt (désigné par un codon « STOP » UAG, UAA ou UGA).

La protéine est produite dans le sens amino- terminal (NH3+) vers carboxy-terminal (COO–).

Pendant la traduction, l’information contenue par l’ARNm est convertie en une chaîne polypeptidique. Les bases de l’ARNm sont lues sous forme de triplets, les codons, qui correspondent à un acide aminé. L’ARNm comporte un ensemble de codons qui sont lus en série d’un point de départ (désigné par le codon

1. Initiation Met Met

A U

Grande sous-unité ribosomique

U

A

G

ARNt

Site P

Site E

C

Site A ARNm U A C A U G

5′

ribosome

3′

Petite sous-unité ribosomique (contenant l’ARNr)

2. Élongation Facteur d’élongation ARNt

Liaison peptidique

Leu

Met

Met

Met

Site P

Met

Leu

Leu

Leu

C

Site E A

U A C U G A A U A U G C

3′

C U A C G A G A A U A U G C U

5′

3′

U A C G A C G A A U A U G C U

5′

3′

5′

A C U A C G A U U G A A U G C

3′

4

5′

ARNm

3. Terminaison Val

Val

Ser Ala

Trp

Chaîne polypeptidique libérée

Ser Ala

Facteur de libération

ARNt

Trp

ARNt

Site P

A C

Site E 5′

A C C U G G U

Site A A A

3′

ARNm

5′

A C C U G G U

A A

3′

C

Grande sous-unité ribosomique

Petite sous-unité ribosomique

Doc.3 La traduction, un processus en trois étapes.

Pistes d’exploitation

L ’ h é r é d i t é à l ’ é c h e l l e m o l é c u l a i r e Chapitre

G

Site A

1 Doc. 1 : Quelles sont les propriétés des ARNt ?

2 Doc. 2 : Pourquoi dit-on que les ARNt synthétases sont spécifiques ?

3 Doc. 3 : Dans quel sens l’ARNm est-il lu lors de la traduction ? À quel brin d’ADN correspond la séquence codante du gène ?

4 Doc. 3 : Décrivez les étapes de la traduction. Quel est le premier acide aminé incorporé dans une protéine ?

97

Activités pratiques Le contrôle de l’expression des gènes

7

Bien que les cellules d’un organisme pluricellulaire possèdent toutes les mêmes gènes, elles exercent des fonctions diverses et produisent des protéines différentes. Certains gènes ne s’expriment jamais dans certaines cellules, d’autres ne sont actifs qu’à certains moments.

• Comment ce processus est-il régulé ?

A

Les gènes ne sont pas tous exprimés dans les cellules Dans une cellule humaine de base, seuls environ 3 à 5 % des gènes sont exprimés à tout moment. Certains gènes ne sont actifs que pendant un laps de temps déterminé et vont déterminer la différenciation cellulaire, d’autres gènes codent des protéines spécifiques qui ne sont présentes que dans des cellules bien définies. Ces gènes ne sont actifs que dans certains types cellulaires : ils sont « allumés ».

Dans d’autres cellules, ils sont « éteints ».

Certains gènes par contre sont exprimés continuellement dans toutes les cellules, ceux-ci sont nécessaires au bon fonctionnement de toutes les cellules : c’est le cas des gènes codant pour les ARN polymérases ou pour les ARN ribosomiaux (ARNr). Ce sont les « gènes de maintenance » ou « gènes de ménage » (house­keeping genes).

Globule rouge en voie de développement

Cellule du globe oculaire (chez l'embryon)

Cellule du pancréas

ALLUMÉ

ÉTEINT

ÉTEINT

ÉTEINT

ALLUMÉ

ÉTEINT

ÉTEINT

ÉTEINT

ALLUMÉ

ALLUMÉ

ALLUMÉ

ALLUMÉ

Gène de l'hémoglobine Gène de la cristalline

Gène de l'insuline Gène de l'ARNr

Doc.1 Les gènes sont différemment exprimés dans les cellules CDLY,eucaryotes.

Intro To Biology

Fig. 16.07 #1608, 10/11/99 JBWoolsey CD, LC

Les cellules procaryotes doivent s’adapter continuellement aux changements du milieu ; elles produisent différemment les enzymes nécessaires à leur métabolisme en fonction des conditions physico-chimiques. Lorsque l’on ajoute du lactose* à une culture d’Escherichia coli*, les bactéries produisent rapidement

Lactose Lactose disponible available

ACTIVATION des gènes codant pour les enzymes qui décomposent le lactose

Lactose épuisé

les enzymes nécessaires à la décomposition de ce glucide.

Lorsque cette source carbonée est épuisée, elles cessent de produire ces enzymes et induiront la production d’autres enzymes pour utiliser une autre source disponible (l’arabinose dans le schéma ci-dessous).

RÉPRESSION des gènes codant pour les enzymes qui décomposent le lactose

Arabinose disponible

Temps

98

Doc.2 Les cellules procaryotes expriment leurs gènes selon les conditions du milieu.

CDLY, Intro To Biology Fig. 16.04 #1605, 12/16/01 JBWoolsey Initials: WN

ACTIVATION des gènes codant pour les enzymes qui décomposent l'arabinose

Arabinose épuisé

corépresseur Gène codant l’activateur

activateur actif

activateur inactif

ARN polymérase Initiateur Promoteur

B

ARNm

Gène codant les enzymes

Initiateur Promoteur

Gène codant les enzymes

La régulation de l’expression des gènes activateur

ARNm

La régulation de l’expression des gènes a tout d’abord été étudiée chez la bactérie Escherichia coli. Cette régulation s’effectue principalement au niveau de la 1re étape de Pas de synthèse des enzymes la transcription, lors de l’initiation. enzyme

Conditions d’induction

Conditions de répression

inducteur

Gène codant le répresseur

Répresseur inactif Répresseur actif

Promoteur Opérateur

ARNm

ARN polymérase Promoteur Opérateur

Gène codant les enzymes

Gène codant les enzymes

répresseur ARNm

Les premiers à mettre en évidence un tel mécanisme de régulation furent Jacob et Monod qui étudiaient la réponse d’Escherichia coli à l’addition de lactose dans le milieu de culture.

Comme nous l’avons vu précédemment, le lactose induit la production des enzymes qui le métabolisent, c’est un inducteur.

Ces enzymes sont codées par des gènes qui sont regroupés et sont transcrits sous forme d’un seul ARNm. Ils forment un ­opéron. L’opéron lac est contrôlé par une protéine intracellulaire qui agit comme un interrupteur « off » et empêche la transcription : c’est un répresseur. En présence de lactose dans le milieu, le répresseur est inactivé, les gènes codant les enzymes de dégradation du lactose sont alors exprimés.

Pas de synthèse des enzymes enzyme

Conditions d’induction

Conditions de répression corépresseur Gène codant l’activateur

activateur actif

activateur inactif

Initiateur Promoteur

4

ARN polymérase

Gène codant les enzymes

ARNm

Initiateur Promoteur

Gène codant les enzymes

activateur ARNm

Pas de synthèse des enzymes enzyme

Conditions d’induction

Conditions de répression Gène codant Doc.3 Les mécanismes de contrôle transcriptionnel ont été mis en évidence chez les bactéries. le répresseur

• Escherichia coli : bactérie présente dans le tractus intestinal des mammifères. C’est l’organisme modèle pour les travaux de génétique.

• Lactose : glucide du lait. C’est un disaccharide constitué de glucose et de galactose.

Pistes d’exploitation

Répresseur inactif ARNm

ARN polymérase

1 Doc. 1 : Donnez Gène descodant exemples de gènes de maintenance et deGène gènes régulés. codant les enzymes les enzymes 2 Doc. 2 : Quel est l’avantage pour les bactéries de réguler l’expression de certains gènes ? répresseur 3 Doc. 3 : Faites un schéma des autres mécanismes possibles pour le contrôle transcripPromoteur Opérateur

Promoteur Opérateur

tionnel.

ARNm

99

Lexique

Répresseur actif

inducteur

L ’ h é r é d i t é à l ’ é c h e l l e m o l é c u l a i r e Chapitre

D’autres systèmes de régulation ont été mis à jour : ainsi, certaines protéines agissent plutôt comme des interrupteurs « on » et permettent la transcription : ce sont des activateurs.

Les enzymes nécessaires à la biosynthèse des composés cellulaires ne sont produites que lorsque l’élément n’est pas présent dans le milieu environnant. Ainsi, en présence d’un acide aminé, la synthèse des enzymes nécessaires à sa biosynthèse est réprim é e . L’ a c i d e a m i n é e s t u n corépresseur.

Pas de synthèse des enzymes enzyme

Activités pratiques

8

Les mutations et leurs conséquences sur le phénotype

Des modifications de l’ADN provoquent régulièrement des modifications au niveau du phénotype.

• Quels sont les divers types de mutations ponctuelles ?

• Comment les mutations dans l’ADN modifient-elles les protéines ?

A

Les mutations ponctuelles et leurs effets au niveau moléculaire

Nous avons vu précédemment que des erreurs pouvaient survenir lors de la réplication de l’ADN. Outre les erreurs d’appariement, d’autres mutations, comme des délétions ou des insertions de nucléotides, peuvent survenir.

Il arrive également qu’il y ait délétion ou insertion de plusieurs nucléotides consécutifs.

A C G A T C C G

A C G T T C C G

T G C T A G G C

substitution T G C A A G G C

A C G A T C C G

A C G T C C G C

T G C T A G G C

délétion

A C G A T C C G T G C T A G G C

T G C A G G C G

A C G A G T C C insertion

T G C T C A G G

Doc.1 Divers types de mutations ponctuelles modifient la séquence d’ADN.

Effets des mutations de substitution • Mutations faux-sens

Effets des mutations de phase Insertion

– Remplacement d’un acide aminé Séquence ADN

CCA TAT

AGA AGT GGA TAC AAT

Séquence protéique

Pro

Arg

Séquence ADN

CCA TAT

GGA AGT GGA TAC AAT

Séquence protéique

Pro

Gly

(brin non transcrit)

(brin non transcrit)

Tyr

Tyr

Ser

Ser

Gly

Gly

Tyr

Tyr

Asn

Asn

• Mutations non-sens

Délétion

– Codon stop Séquence ADN

CCA TAT

AGA AGT GGA TAC AAT

Séquence protéique

Pro

Arg

Séquence ADN

CCA TAT

TGA AGT GGA TAC AAT

Séquence protéique

Pro

STOP

(brin non transcrit)

(brin non transcrit)

100

Tyr

Tyr

Ser

Gly

Tyr

Asn

Doc.2 Les différents types de mutations affectent diversement la séquence protéique.

B

Des mutations aux conséquences variables sur le phénotype

Les séquences ci-dessous correspondent à différents allèles (brins non transcrits) du gène de la b-globine. Les mutations sont repérées en rouge.

Les protéines produites déterminent divers phénotypes. On connaît en effet plusieurs maladies dues à la production d’une hémoglobine modifiée : – la drépanocytose, déjà envisagée au chapitre 3, est engendrée par l’allèle Hb S ;

- l’hémoglobinose C est caractérisée par une légère anémie : les hématies qui renferment l’hémoglobine C (Hb C) sont détruites prématurément ; – les b-thalassémies sont des maladies qui peuvent provoquer des anémies sévères, nécessitant de fréquentes transfusions sanguines : elles sont dues à l’absence de production de chaînes de b-globine complètes (Hb Tha).

Séquences codantes des allèles déterminant les groupes sanguins du système ABO codon

allèle A

86 GTG

175 CGC

234 265 267 GGC CTG GGG

(1062 nucléotides)

protéine A : 353 aa allèle B

GGC

AGC

ATG GCG

(1062 nucléotides)

protéine B : 353 aa allèle O

GTG

(1061 nucléotides)

protéine O : 116 aa

Doc.4 Toutes les mutations ne sont pas à l’origine de maladies.

Pistes d’exploitation

L ’ h é r é d i t é à l ’ é c h e l l e m o l é c u l a i r e Chapitre

Dans l’espèce humaine, de nombreux gènes présentent plusieurs formes alléliques « normales » : c’est le cas par exemple du gène responsable du groupe sanguin (système A B O étudié au chapitre 1). La synthèse des antigènes A et B dépend d’un système enzymatique dont l’une des enzymes existe sous plusieurs formes alléliques (A, B et O).

La figure ci-contre reprend les divers allèles du gène codant l’enzyme (seuls les codons modifiés sont indiqués dans la séquence).

4

Doc.3 Les divers allèles du gène de la β-globine ont des effets variés sur le phénotype.

1 Doc. 2 : Parmi les diverses mutations, certaines auront un effet plus visible sur le phénotype, d’autres pourraient ne pas avoir d’impact au niveau macroscopique. Lesquelles et pourquoi ?

2 Doc. 3 : Déterminez quelles sont les mutations ponctuelles à l’origine des divers allèles du gène de la b-globine. Quels sont leurs effets sur la protéine ?

3 Doc. 4 : Quels types de mutations sont à l’origine des allèles A, B et O ? Quelles en sont les conséquences ?

101

Activités pratiques Les mutations chromosomiques

9

Certaines mutations sont de grande ampleur, elles modifient le nombre ou la structure des chromosomes.

• Quelles sont les principales anomalies chromosomiques ?

A

Les modifications du nombre de chromosomes

L’aneuploïdie est caractérisée par un nombre anormal de chromosomes ; l’absence d’un chromosome engendrant un individu monosomique, la présence d’un chromosome surnuméraire, un individu trisomique.

Chez l’Homme, les cas d’aneuploïdie sont associés à des maladies graves. Dans de nombreux cas, elles provoquent des anomalies importantes dans le développement de l’embryon, ce qui provoque des avortements spontanés. Seules trois trisomies autosomiques sont viables : les trisomies 21, 18 et 13.

Parmi celles-ci, c’est la trisomie 21 qui est la plus connue : elle provoque le syndrome de Down, souvent appelé mongolisme.

Les trisomies 18 et 13 provoquent de graves malformations, la plupart des enfants porteurs de ces types de trisomies décèdent durant la première année de leur vie.

Chez l’Homme, les anomalies concernent aussi le nombre de chromosomes sexuels. Les individus qui possèdent un chromosome X surnuméraire sont stériles (hommes XXY et femmes XXX). Par contre, les hommes qui possèdent un seul chromosome Y surnuméraire (XYY) ne présentent aucun syndrome bien défini. La monosomie X (45 chromosomes avec un caryotype XO) est la seule monosomie viable chez l’Homme.

Elle provoque le syndrome de Turner : les individus sont de sexe féminin, mais sont stériles.

Caryotype d’un enfant atteint de trisomie 21. (Laboratoire de Cytogénétique, Centre de Génétique Humaine, Université de LIège.)

Ces anomalies chromosomiques sont provoquées par une erreur lors de la ségrégation des chromosomes à la méiose, ce qui aboutit à des gamètes avec un chromosome en excès ou manquant. Les défauts de ségrégation peuvent se produire aussi bien au cours de l’ovogenèse que de la spermatogenèse.

Doc.1 Des aneuploïdies viables chez l’Homme.

La polyploïdie est caractérisée par la présence de plusieurs lots de chromosomes : un triploïde possède trois lots de chromosomes, un tétraploïde quatre… La polyploïdie survient souvent dans le règne végétal. Ainsi, le froment est hexaploïde, il comporte 42 chromosomes parmi lesquels on observe 6 jeux de 7 chromosomes différents. Ce végétal se réplique de façon normale, ses gamètes possèdent 21 chromosomes.

102

Doc.2 Une multiplication de jeux complets de chromosomes.

La polyploïdie rend parfois certains végétaux stériles, les plantes produisant alors des fruits sans graines, ce qui peut s’avérer agréable pour qui les consomme. C’est le cas notamment des bananes commercialisées qui sont triploïdes avec 33 chromosomes.

B

Les modifications structurales des chromosomes A

B

C

D

E

F

G

H

A

B

C

D

E

F

G

H

A

B

C

D

E

F

G

H

A

B

C

D

E

F

G

H

Délétion

Duplication

Inversion

A

B

C

E

F

G

H

A

B

C

B

C

D

E

F

A

D

C

B

E

F

G

H

M N

O

C

D

E

F

G

A

P

Q

R

G

H

H

Les altérations de structure des chromosomes sont assez fréquentes. Certaines n’ont aucune conséquence physique mais un grand nombre d’entre elles sont associées à des pathologies. Ainsi, on observe des translocations de chromosomes dans de nombreuses cellules cancéreuses.

Le schéma ci-contre reprend les diverses modifications de la structure des chromosomes ; les flèches indiquent l’endroit du remaniement, les parties colorées sont celles qui subissent le remaniement.

Translocation réciproque M N

O

P

Q

R

B

Doc.3 Des chromosomes remaniés.

a

Les photographies b et c montrent les chromosomes 14 et 21 du père et de la mère de cet enfant (tous les autres chromosomes sont normalement constitués). Les phénotypes des deux parents sont normaux.

b

c

Doc.4 Une trisomie 21 particulière : la trisomie par translocation.

Pistes d’exploitation 1 Doc. 1 : Quelles sont les anomalies chromosomiques les plus courantes chez l’Homme ?

2 Doc. 1 et 2 : Quelle est la différence entre une aneuploïdie et une polyploïdie ?

3 Doc. 3 : Décrivez les divers remaniements chromosomiques.

4 Doc. 4 : Comparez les chromosomes de la mère à ceux du père. Comment expliquez-vous que la mère ne présente aucun symptôme ?

L ’ h é r é d i t é à l ’ é c h e l l e m o l é c u l a i r e Chapitre

4

Dans 95 % des cas de trisomie 21, le caryotype révèle la pré­sence de trois chromosomes 21 bien isolés. Cette anomalie résulte d’une mauvaise disjonction des chromosomes au cours de la méiose chez l’un des parents ; cet accident est imprévisible.

Plus rarement, la trisomie 21 a une autre origine.

Le caryotype ci-contre (a) est celui d’un enfant présentant tous les symptômes de la trisomie 21.

Au premier abord, on n’observe pas la présence de trois chromosomes 21. Un examen plus approfondi révèle cependant la présence d’un troisième chromosome 21 « soudé » à l’un des chromosomes 14. Cette anomalie constitue une translocation.

On parle dans son cas de translocation équilibrée : définissez cette expression.

5 Doc. 4 : En utilisant une couleur pour le chromosome 14 et une autre pour le chromosome 21, schématisez les différents types de gamètes

pouvant être produits par la mère. Indiquez alors le risque de constituer une cellule œuf portant une anomalie chromosomique. Ce couple désire un autre enfant : quel conseil génétique peut-on lui donner ?

103

Synthèse L’ hérédité à l’échelle moléculaire Au début des années 1940, la biologie moléculaire naît de la rencontre entre la chimie du vivant, ou bio­chimie, et la génétique. Elle permet d’abord d’élucider la nature chimique du gène, la façon dont il est reproduit et comment il gouverne un caractère héréditaire.

Les progrès de l’analyse génétique ont permis de définir les modalités de l’expression des gènes et de leur régulation. En outre, elles ont abouti à une nouvelle définition du concept de gène.

Les modifications de l’ADN sont soit limitées, ce sont les mutations ponctuelles, soit de grande ampleur lors des remaniements chromosomiques.

1 La décou­verte de concepts majeurs Les principaux concepts de la génétique moléculaire sont établis par des biochimistes, des généticiens, des physiciens, grâce à des techniques d’analyse du fonctionnement cellulaire de plus en plus perfor­mantes et aussi grâce au choix d’un nouveau matériel biologique : des microorganismes comme les levures, les bactéries ou les virus remplacent pour un temps les drosophiles de Morgan.

1. La relation entre gènes et protéines

AP 1

Au début du xxe siècle, on connaît déjà l’importance capitale de la catalyse enzymatique dans les réac­tions du métabolisme cellulaire. Par ailleurs, on a remarqué que certaines maladies héréditaires sont transmises comme des caractères mendéliens réces­sifs. Leur découvreur, Garrod, nomme ces maladies « erreurs innées du métabolisme » et propose d’expliquer leur origine par l’absence d’une enzyme.

En 1944, Beadle et Tatum prouvent par des expé­riences sur un champignon, la moisissure orange du pain, qu’une mutation dans un gène peut empêcher une réaction enzymatique précise de se produire. Ils introduisent le concept « un gène/une enzyme », qui deviendra ensuite « un gèneune protéine ».

2. L’ADN, support chimique du gène, et sa structure AP 1 et 2

En 1944, Avery, Mac Leod et Mac Carthy expliquent la transformation bactérienne : des bactéries dépour­vues d’un caractère héréditaire peuvent l’acquérir au seul contact d’ADN purifié issu de bactéries de même espèce possédant,

104

elles, ce caractère. C’est la première démonstration que l’ADN peut être le matériel hérédi­taire, donc le support chimique de gènes. Cela remet en question l’idée dominante de l’époque attribuant aux protéines le rôle de matériel héréditaire.

En 1953, Watson et Crick proposent un modèle pour la structure de l’ADN : c’est une double hélice formée de deux chaînes complémentaires de nucléotides reliées entre elles par des liaisons hydrogène. Trois idées s’imposent à eux : – la séquence de bases peut constituer le support d’une information génétique ; – des changements de bases engendreraient des mutations ; – chaque chaîne, dissociée de sa chaîne complémen­taire, peut servir de matrice pour la production d’une nouvelle chaîne complémentaire (ainsi se formeraient deux molécules identiques à la molécule initiale).

Cette dernière hypothèse d’une réplication semi-conservative sera validée par les expériences de marquage de chromosomes ou de l’ADN. Les principes fondamentaux concernant la nature de l’information génétique, la transmission d’un patrimoine génétique identique d’une cellule à une autre et la possibilité de mutation en relation avec l’apparition de nouveaux caractères sont en place.

3. De l’ADN aux protéines

AP 4 et 5

Après la découverte de la structure de l’ADN, le gène est défini comme une séquence de nucléotides qui détient l’information pour fabriquer une protéine. Dans les dix années qui suivent, on met en évidence les mécanismes du passage de l’un à l’autre.

• Le système de correspondance entre ADN et pro­téines, ou code génétique (64 combinaisons de trois nucléotides codant pour 20 acides aminés), est d’abord un concept avant d’être validé par l’expérience.

Le dogme central de la biologie moléculaire est éta­bli avec la découverte de l’ARN messager : l’ADN d’un gène est transcrit en copies, ou ARN messagers, qui sont ensuite transférés dans le cytoplasme et traduits en séquences d’acides aminés.

Les 64 codons du code génétique, universel et redondant, sont entièrement déchiffrés en 1966.

AP 2 et 3

• La réplication de l’ADN est semi-conservative : les deux répliques d’ADN formées contiennent chacune un brin d’ADN parental et un brin nouvellement formé.

La réplication de l’ADN s’effectue grâce à des complexes enzymatiques, les ADN polymérases. Celles-ci catalysent la synthèse d’ADN dans la direction 5’ vers 3’ en formant un lien entre le groupement OH (situé en 3’) du pentose appartenant au dernier nucléotide de la chaîne en croissance et le groupement phosphate (situé en 5’) du pentose du nucléotide nouvellement incorporé.

Pour débuter la synthèse d’ADN, les polymérases doivent s’accrocher à une extrémité d’ADN double brin prolongée par une chaîne simple brin (l’ADN matrice qui va servir de modèle pour la réplication). L’ADN polymérase lit la séquence de l’ADN matrice dans la direction 3’ vers 5’. Étant donné la structure en double hélice antiparallèle, un des brins d’ADN, le brin avancé, va pouvoir être synthétisé en continu. L’autre brin est synthétisé de manière discontinue : c’est le brin retardé. L’ADN polymérase se fixe sur l’ADN matrice simple brin en un point d’ancrage constitué par une amorce liée à cet ADN et synthétise un nouveau fragment d’ADN jusqu’à ce qu’elle atteigne une nouvelle amorce. Les divers fragments synthétisés, dénommés fragments d’Okazaki, seront reliés entre eux par la suite grâce à une enzyme : l’ADN ligase.

Des erreurs lors de la synthèse d’ADN peuvent se produire lorsque la polymérase incorpore dans la chaîne en croissance un nucléotide non complémentaire au nucléotide présent sur le brin matrice, ce sont des erreurs d’appariement. La plupart de ces erreurs (plus de 99 %) sont corrigées par les mécanismes cellulaires de réparation de l’ADN. Les mutations apparaissent notamment lorsque ces erreurs n’ont pas été corrigées.

2. L’expression des gènes en protéines

AP 4, 5 et 6

L’expression des gènes s’effectue en deux étapes : – la transcription où l’ADN est copié en une séquence d’ARN messager ou ARNm ;

• La traduction de l’ARNm en protéine est catalysée par les ribosomes, ceux-ci permettent l’appariement précis des anticodons des ARN de transfert ou ARNt avec les codons de l’ARNm et catalysent la formation des liens peptidiques entre les acides aminés. Les ribosomes sont constitués de deux sous-unités, constituées chacune d’ARN ribosomial (ARNr) et de protéines. L’ARNm se lie au ribosome sur l’ARNr. Une fois que l’ARNm est attaché, la traduction commence généralement au codon d’initiation AUG le plus proche du site de liaison de l’ARNm et du ribosome. Les molécules d’ARNt qui portent les acides aminés spécifiques se lient par leur anticodon au codon correspondant de l’ARNm. Le ribosome forme les liens peptidiques entre l’acide aminé apporté par l’ARNt et la chaîne peptidique en formation et se déplace le long de l’ARNm dans le sens 5’ vers 3’. Quand le ribosome atteint l’un des trois codons de terminaison sur l’ARNm (UAA, UAG ou UGA), il se détache de l’ARNm et la traduction est terminée.

La traduction des protéines s’effectue dans le sens aminoterminal (NH3+) vers carboxy-terminal (COO-).

• La séquence nucléotidique de l’ADN correspondant à la séquence protéique est la séquence codante du gène, elle débute par un triplet ATG et se termine par un triplet TAA, TAG ou TGA.

3. Le code génétique

AP 5

• Le code génétique permet la conversion d’une séquence nucléotidique comportant 4 bases différentes en une séquence protéique à 20 acides aminés, il est constitué de codons comportant chacun 3 bases. Comme il y a 4 bases possibles pour chacune des positions dans le codon, il y a 64 combinaisons (43) de codons, ce qui est amplement suffisant pour spécifier les 20 acides aminés. La lecture d’un code à trois lettres implique donc que certains acides aminés seront spécifiés par plusieurs codons différents, ce sont les codons synonymes. Ces codons synonymes expriment la dégénérescence du code génétique, c’est-à-dire la perte de spécificité absolue entre un codon et un acide aminé.

4

1. La réplication de l’ADN est semi-conservative

• La transcription des gènes s’effectue grâce à une enzyme : une ARN polymérase. Celle-ci se fixe sur l’ADN au niveau d’une séquence particulière, le promoteur du gène.

Elle synthétise l’ARNm dans le sens 5’ vers 3’, et lit l’ADN matrice dans le sens 3’ vers 5’. Le brin de l’ADN qui sert de matrice est appelé le brin transcrit (ou brin sens), le brin complémentaire est le brin non transcrit (ou brin antisens ou encore brin codant). L’ARNm a la même séquence que le le brin non transcrit avec des uraciles à la place de thymines.

L ’ h é r é d i t é à l ’ é c h e l l e m o l é c u l a i r e Chapitre

Les organismes modèles pour l’étude de la génétique moléculaire ont permis d’analyser en détail les processus majeurs qui permettent le transfert de l’information au niveau des organismes : la perpétuation de l’ADN via la réplication semi-conservative et l’expression des gènes en protéines.

– la traduction où l’ARNm est utilisé pour la synthèse protéique.

La dégénérescence du code génétique est due au fait que la 3e base du codon n’est pas spécifique de l’acide aminé. Par

105

2 L’analyse détaillée des processus de base

contre, les deux premières bases sont indispensables à la reconnaissance de l’acide aminé.

Le code génétique est non-chevauchant : les codons voisins ne se superposent pas, ils n’ont aucun nucléotide commun.

Le code génétique est universel : tous les codons d’un ARNm peuvent être traduits en protéine dans une autre espèce.

4. La régulation de l’expression des gènes

AP 7

5. Les mutations et leurs effets AP 8 et 9

• Tous les gènes ne sont pas exprimés continuellement dans les cellules. L’expression différentielle dans l’espace et dans le temps permet aux organismes pluricellulaires de développer des structures différentes avec des cellules différenciées exerçant des fonctions bien définies. Quant aux procaryotes, constitués de cellules uniques, ils doivent répondre rapidement aux changements du milieu extérieur.

• Une mutation est une modification de la séquence de nucléotides de l’ADN. Le terme de mutation recouvre les divers types de changements de plus ou moins grande ampleur affectant la molécule d’ADN.

• Le premier mécanisme de contrôle qui a été mis en évidence se situe au niveau de l’initiation de la transcription.

Des études réalisées chez les bactéries ont permis de montrer que la cellule peut agir rapidement suite aux changements des conditions du milieu en induisant ou en réprimant la transcription de gènes codant pour des enzymes du métabolisme.

– les substitutions de paires de nucléotides : elles proviennent du remplacement d’un nucléotide par un autre ;

Ainsi, les enzymes du catabolisme (nécessaires à la dégradation des substrats en composés simples utilisables par la cellule) sont induites par des nutriments ; ceux-ci sont des inducteurs. Par contre, les enzymes de biosynthèse (et notamment celles impliquées dans la synthèse des acides aminés), sont réprimées lorsque le produit final de la biosynthèse est présent en trop grande quantité : ce dernier joue le rôle de corépresseur.

Les mécanismes de régulation font aussi intervenir des protéines synthétisées par la cellule qui vont augmenter le taux de transcription, ce sont les activateurs, ou au contraire le diminuer, ce sont les répresseurs. Activateurs et répresseurs agissent en se liant à l’ADN sur des séquences bien définies situées près des promoteurs et interagissent directement ou indirectement avec l’ARN polymérase. Leur activité dépend de la présence ou de l’absence des inducteurs ou des corépresseurs.

Ainsi, on peut observer les modes de régulation suivants :

106

– lors du contrôle positif, une protéine régulatrice, l’activateur, est nécessaire à la transcription, elle se lie à l’ADN près du promoteur et active la transcription. Lors de la régulation de protéines répressibles, l’activateur est rendu inactif, en conditions de répression, par liaison à un corépresseur. Lors de la régulation de protéines inductibles, l’activateur est rendu actif, en conditions d’induction, par liaison à l’inducteur.

– lors du contrôle négatif, une protéine régulatrice, le répresseur, se lie à une séquence d’ADN située près du promoteur, et empêche la transcription. Lors de la régulation de protéines répressibles, le répresseur est rendu actif, en conditions de répression, par liaison à un corépresseur. Lors de la régulation de protéines inductibles, le répresseur est rendu inactif, en conditions d’induction, par liaison à l’inducteur et ne peut pas réprimer la transcription ;

• On appelle mutation ponctuelle une mutation qui ne concerne qu’une paire de nucléotides (ou limitée à quelques nucléotides adjacents). On distingue :

– les insertions (ou additions) : une nouvelle paire de nucléotides s’insère entre deux nucléotides successifs ; – les délétions : une paire de nucléotides de la molé­cule d’ADN est alors perdue.

• Les mutations qui affectent les gènes ou mutations géniques peuvent avoir des conséquences sur la synthèse des protéines.

– Certaines mutations sont silencieuses : en effet, le code génétique étant redondant (un même acide aminé peut correspondre à plusieurs codons différents) une substitution d’un nucléotide par un autre (souvent lorsqu’il s’agit du troisième nucléotide d’un triplet) peut ne pas modifier l’acide aminé mis en place lors de la synthèse de la protéine. Une telle mutation n’a donc aucune conséquence phénotypique.

– Beaucoup de mutations modifient la séquence des acides aminés de la protéine correspondante : ce sont des muta­ tions efficaces. Celle qui entraîne le remplacement d’un acide aminé par un autre est qualifiée de mutation fauxsens. On appelle mutation non-sens une mutation qui spécifie un codon-stop à la place d’un triplet codant pour un acide aminé.

– Les mutations par insertion ou délétion de nucléotides engendrent des mutations de phase, qui sont en effet décalantes : lors de la traduction, il y a un décalage du « cadre de lecture » de l’ARNm par les ribosomes. La séquence des acides aminés est alors souvent profondément modifiée à partir du point de mutation et il est fréquent que cette nouvelle association des nucléotides constitue un codon-stop avant la terminaison normale de la traduction.

• Les mutations ou remaniements chromosomiques sont de plus grande ampleur. Elles sont dues à une modification de la structure ou du nombre des chromosomes.

– Les changements du nombre de copies de chromosomes sont de deux types : la polyploïdie où des lots complets de chromosomes sont en surplus et l’aneuploïdie où seule une partie du lot de chromosome est modifié.

Dans ce dernier cas, on distingue les individus trisomiques qui comptent un chromosome surnuméraire et les individus monosomiques dont un chromosome fait défaut.

– Les altérations structurales des chromosomes sont provoquées par des délétions ou des duplications de portions de chromosomes ou encore par des translocations, c’est-à-dire le rattachement de fragments d’un chromosome à un autre chromosome non homologue. Ces altérations structurales provoquent généralement des pathologies chez l’Homme.

• Les conséquences des mutations sont variables. Elles peuvent n’avoir aucun effet pathologique, ou provoquer des altérations du fonctionnement cellulaire responsables de maladies.

Les mutations assurent la variabilité génique : elles sont à l’origine des différents allèles des gènes.

L’essentiel • À la fin des années 1960, les principaux concepts de la biologie moléculaire sont en place : relation gène — pro­téine, structure et réplication de l’ADN, modalités de l’expression des gènes en protéines, code génétique.

• Les progrès de l’analyse génétique ont permis de comprendre les mécanismes de la réplication et de l’expression des gènes.

• L’ADN est constitué d’une double hélice formée de deux chaînes complémentaires de polynucléotides. Sa réplication est semi-conservative.

• L’expression des gènes s’effectue en deux étapes : la transcription et la traduction. C’est principalement lors de l’initiation de la transcription que s’exerce le contrôle de l’expression des gènes.

L ’ h é r é d i t é à l ’ é c h e l l e m o l é c u l a i r e Chapitre

4

– Les altérations du nombre de chromosomes ont des conséquences importantes pour l’organisme. Chez l’Homme, les polyploïdies et la plupart des aneuploïdies sont non viables. Seules certaines trisomies (comme la trisomie 21

ou la présence d’un chromosome X ou Y surnuméraire) ainsi que la monosomie X sont viables à long terme.

• Des erreurs peuvent se produire lors de la réplication. Celles-ci sont généralement réparées par les enzymes de réparation. Les erreurs non corrigées engendrent des mutations qui peuvent provoquer des changements au niveau des protéines.

• Les mutations chromosomiques altèrent la structure ou le nombre des chromosomes.

• Des mutations sont à l’origine des différents allèles d’un gène.

107

Schéma-bilan L’ADN SUPPORT DE L’INFORMATION Structure en double hélice de l’ADN

Réplication semi-conservative de l’ADN

C G

Un gène

A T G

C G

Une protéine

C A T G C

A C

T

G

C G T A A

T C

G T A T A

C

G

L’EXPRESSION DES GÈNES Transcription 1. Initiation

ARN polymérase

2. Élongation

ARNm

3. Terminaison

5’ 5’

3’

ARNm

ADN Transcription ARNm

Traduction protéine Code génétique 1 codon  1 acide aminé

1. Initiation

5’

Traduction

108

2. Élongation

Met

AUG XXX XXX

3’

Met AA

3. Terminaison

AA

NH2

AA 5’

AUG XXX XXX

3’

AA

Met

COOH

AA AA

5’

XXX UAA

3’

LA RÉGULATION DE L’EXPRESSION DES GÈNES

Signaux extracellulaires

Protéines régulatrices intracellulaires

inducteur

activateur

répresseur

corépresseur

promoteur Gène régulé

ARNm

LES MUTATIONS Type de mutation

Effet Séquence de base

Type de mutation

CCU ACU AUU UUA AGA AUG CUA CAU

P

T Effet

I

L

R

M

L

H

CCTAC TAT T TT AAGAATGCTACAT GType GA T G AAAA T TCTT ACGAT GTA deA Tmutation

Séquence de base CCTACTATTTT AAGAATGCTACAT G GA T G A T A AA A T T C T T A C G A T G T A

T

I

P

TEffet I

L

R

M

L

H

Séquence de base

CCU ACU AUU UUA AGA AUG CUA CAU

P

CCU ACU AUU UUA AGA AUG CUA CAU

L

R

M

L

H

CCTAC TAT T TT AAGAATGCTACAT G G A T G A T A A A A T T délétion CTT ACGAT GTA

CCU ACU AUU UUA AGA AUG CUA CAU

P

T

I

L

R

M

L

H

4

substitution Mutation silencieuse CCU ACU AUU UU G AGA AUG CUA CAU

substitution CCTACTAT T T TGAGAATGCTACAT GGATGATAAAA CTC T T ACGATGTA

P

I

L

Mutation silencieuse Mutation faux-sens CCU ACU AUU UU G

R

M

L

H

AGA AUG CUA CAU

CCU P ACU T AUU I UU L C AGA R AUG M CUA L CAU H

P CCTACTAT T T TGAGAATGCTACAT GGATGATAAAA CTC T T ACGATGTA

T

T

I

F

R

M

L

I I

F

R

M

L

H

Mutation non-sens CCU ACU AUU UA A AGA AUG CUA CAU

P

T

CCU ACU AUU UU U A AG A AU G CU A CA U

OU addition

P

T

I

F

K

N

A

T

Mutation de phase CCU ACU AUU UU U A AG A AU G CU A CA U

CCU ACU AUU UU C AGA AUG CUA CAU CCU ACU AUU UA A AGA AUG CUA CAU

T T

Mutation de phase C CT AC T A T T T T AGA A T GCT AC A T GGA T GA T A A A A T C T T A CGA T G T A

H

Mutation faux-sens Mutation non-sens P P

C C T A C T A T T T T A G délétion A A T GCT AC A T GGA T GA T A A A A T C T T A CGA T G T A

C C T A C T A T T T T A G A G A A T G C T A C AT addition G G A T G A T A AOU AA TC TCTT ACGAT GTA

C C T A C T A T T T T A G A G A A T G C T A C AT GGA T G A T A A A A T C T C T T A C GA T GT A

I

LES MUTATIONS CHROMOSOMIQUES

délétion délétion duplication duplication inversion

polyploïdisation

inversion translocation

polyploïdisation

translocation

P

T

I

F

K

N

A

T

L ’ h é r é d i t é à l ’ é c h e l l e m o l é c u l a i r e Chapitre

CCTACTATTTT AAGAATGCTACAT G GA T G A T A AA A T T C T T A C G A T G T A

Effet Séquence de base

109

Type de mutation

Pour en savoir plus…

A

Les transposons ou gènes sauteurs

Les transposons sont des éléments mobiles du génome. Découverts par Barbara McClintock chez le maïs dans la fin des années 1940, ces « gènes sauteurs » provoquent des mutations instables.

Chez le maïs indien, les grains sont habituellement pigmentés et de couleur uniforme, cependant on observe également des grains mutés jaunes et des grains jaunes avec des taches de pigmentation. Ces grains tachetés sont un exemple de phénotype instable : la mutation du gène codant pour une enzyme impliquée dans la production d’un pigment apparaît et disparaît durant le développement du grain, ce qui fait apparaître des taches pigmentées. Ce phénomène est provoqué par un transposon qui s’insère dans le gène codant pour l’enzyme de la pigmentation, provoquant son dysfonctionnement. Le transposon s’excise par la suite, rétablissant ainsi la fonction du gène.

La découverte de la transposition par Barbara McClintock fut tout d’abord ignorée car on ne trouvait pas d’équivalent chez les bactéries. À la fin des années 1960, plusieurs laboratoires découvrirent le phénomène de transposition chez les bactéries. Depuis, on a démontré la présence de transposons chez tous les organismes. Barbara McClintock a reçu le prix Nobel en 1983 pour ses travaux.

Il existe plusieurs types de transposons, certains d’entre eux se transfèrent directement d’une région à l’autre du génome, d’autres se répliquent avant d’être transposés. Enfin, chez les eucaryotes, de nombreux transposons se déplacent dans le génome par l’intermédiaire d’un ARN, ce sont les rétrotransposons.

Les transposons sont responsables de réarrangements chromosomiques et de mutations lorsqu’ils s’insèrent dans des gènes. Chez l’Homme, plusieurs exemples sont connus : on estime qu’environ une mutation sur 500 est la conséquence de l’insertion d’un élément transposable.

Ainsi, certaines hémophilies sont dues au dysfonctionnement d’un gène clé intervenant dans la coagulation du sang suite à l’insertion d’un transposon.

110

Doc.1 Les transposons, des éléments mobiles dans le génome.

D’autres modalités de variation de l’information génétique Les gènes morcelés

Nous avons appris dans ce chapitre que la séquence codante des gènes spécifie la séquence de la protéine. Chez les eubactéries, cette séquence est continue. Par contre, chez les eucaryotes, les séquences codantes sont souvent interrompues par des fragments non codants. Ainsi, les gènes d’eucaryotes sont composés de séquences de bases transcrites mais excisées ensuite de l’ARN pré-messager initial, les introns, et de séquences transcrites et conservées, les exons. Ces exons collés les uns aux autres par épissage formeront l’ARN messager envoyé dans le cytoplasme pour y être traduit. C’est le concept de gène morcelé avec des introns non codants et des exons codants.

Le gène morcelé de l'ovalbumine 7 700 paires de nucléotides L

1 2

TRANSCRIPTION ARN prémessager

ARN messager mature ou ARNm

dans le cerveau

ARNm 1+2+3+5

1+2+3+4 TRADUCTION CALCITONINE

CGRP

(1 872 nucléotides)

Le morcellement des gènes d’eucaryotes a conduit à réviser le dogme « un gène/une protéine». En effet, on sait aujourd’hui que les exons d’un ARN prémessager ne sont pas toujours épissés de la même façon : cela donne naissance à des ARN messagers matures composés d’exons différents et donc à plusieurs protéines. C’est ce qu’on appelle l’épissage alternatif. Ainsi, 130/305 un même gène peut gouverner la synthèse de protéines SVT Term S - 729598différentes.

La figure ci-contre illustre le cas du gène de la calcitonine - dans certaines cellules de la glande thyroïde, il gouverne la synthèse d’une hormone qui régule la quantité de calcium dans le sang, la calcitonine ; - dans certaines cellules du cerveau, le même gène gouverne la synthèse d’un peptide neurotransmetteur, le CGRP (Calcitonine Gene Related Peptide).

On estime que plus de 40 % des gènes humains subiraient un épissage alternatif, d’où la très grande diversité des protéines synthétisables, bien supérieure au nombre de gènes.

Doc.2 Le fractionnement des131/306 gènes eucaryotes à l’origine d’une diversité de protéines.

SVT Term S - 729598

Notre organisme est susceptible de fabriquer des milliards d’anticorps différents capables chacun de reconnaître un antigène spécifique. Les anticorps, synthétisés par les lymphocytes B, sont formés par un dimère de 2 chaînes polypeptidiques différentes, chacune possédant une région constante et une région variable. C’est cette dernière qui forme le site de reconnaissance des antigènes.

La variabilité des anticorps est codée génétiquement. Or, chez l’Homme, il n’y a pas des milliards de gènes mais seulement environ 20 000 gènes. Lors de la formation d’un lymphocyte B à partir d’une cellule souche, différents segments de gènes répartis en différents ensembles sur les chromosomes sont assemblés au hasard lors de réarrangements somatiques. Chaque lymphocyte B né d’une cellule souche possède donc un réarrangement unique de segments de gènes; cet assemblage constitue son gène fonctionnel qui gouverne la synthèse d’un anticorps.

Deux lymphocytes B issus de deux cellules souches différentes produisent donc des anticorps différents.

Noyau ADN d’une cellule B non différenciée 5 5’

3 5’ 5 3’ VH1 VH2

VH50

DH1 DH2

DH30

JH1 JH2 JH6

3 3’

C

VH1

Locus de la chaîne lourde

VH2

VH40

JH1 JH2 JH5

C

Locus de la chaîne légère

Réarrangements de l’ADN

Réarrangements de l’ADN

ADN d’une d une cellule B différenciée 5’

3’

Locus de la chaîne lourde

5’

3’

Locus de la chaîne légère

Transcription

5’

Epissage

5’

Transcription

5’

3’

pré-ARN m

3’

pré-ARN m 5’

3’

ARN m

Epissage

3’

L ’ h é r é d i t é à l ’ é c h e l l e m o l é c u l a i r e Chapitre 4

EPISSAGE ALTERNATIF

exon

EXCISION-EPISSAGE

un ARN prémessager

ARNm

7

ADN

Exons TRANSCRIPTION

5 6 intron

gène de la calcitonine

dans la thyroïde

3 4

ARN m

Traduction Protéine de la chaîne lourde

Cytoplasme

Doc.3 Les réarrangements somatiques de l’ADN, source de la variabilité des anticorps.

Région variable

Région constante

Traduction Protéine de la chaîne légère

111

B

Pour en savoir plus…

A

L’expression des gènes chez les eucaryotes est plus complexe que chez les procaryotes Chromosome Chromosome

Chromosome Chromosome bactérien bactérien

ADN ADN

Coiffe Intron Intron Transcrit Transcrit primaire primaire d’ARNd’ARN

Transcription Transcription ARNmARNm

Transcription Transcription Queue poly-A Maturation Maturation

5′ 5′ ARNmARNm Coiffe Coiffe Pore nucléaire Pore nucléaire

Traduction Traduction

Enveloppe Enveloppe nucléaire nucléaire

Protéine Protéine

3′ Queue 3′ Queue poly-Apoly-A

Traduction Traduction

Membrane cellulaire Membrane cellulaire Membrane Membrane plasmique plasmique

Paroi cellulaire Paroi cellulaire

(a)

(a)

Chez les eucaryotes, l’expression des gènes est plus compliquée que chez les procaryotes : transcription et traduction s’effectuent dans deux compartiments cellulaires différents, le noyau et le cytoplasme, alors que chez les procaryotes ces deux processus se produisent simultanément dans le cytoplasme. Les ARNm des eucaryotes portent une structure inhabituelle à leur extrémité 5’, la coiffe et une série de résidus adénine à leur extrémité 3’ (la queue polyA). Les gènes étant morcelés chez les eucaryotes, l’ARN nucléaire doit être maturé par excision des

Protéine Protéine

(b)

(b)

introns avant d’être transporté sous forme d’ARNm dans le cytoplasme. La régulation de l’expression des gènes chez les eucaryotes est beaucoup plus complexe que chez les procaryotes. Les étapes de maturation de l’ARN et le transport de celui-ci dans le cytoplasme sont des cibles supplémentaires où la régulation peut s’exercer. Cependant, la régulation au niveau de l’initiation de la transcription reste importante et les interactions de base entre les protéines et l’ADN s’effectuent globalement de la même manière que chez les procaryotes.

Doc.1 Les étapes de l’expression des gènes chez les procaryotes et chez les eucaryotes.

Activateur

Le génome des eucaryotes est nettement plus complexe et plus grand que celui des procaryotes. La transcription des gènes nécessite des facteurs spécifiques supplémentaires pour permettre à l’ARN polymérase de se positionner et d’agir au niveau du promoteur. En outre, les activateurs, régulateurs de la transcription, viennent se positionner sur l’ADN au niveau d’amplificateurs (« enhancer ») situés à grande distance (jusqu’à plusieurs milliers de bases), en amont ou en aval, du site de fixation de l’ARN polymérase.

Séquence d’amplification

ARN polymérase

Facteur de transcription

Promoteur

Région codante du gène

Synthèse de l’ARNm

112

Doc.2 La régulation au niveau de l’initiation de la transcription nécessite des interactions entre divers facteurs.

La régulation de l’expression des gènes chez les eucaryotes La régulation post-transcriptionnelle de l’expression des gènes

La régulation de l’expression des gènes a surtout été étudiée au niveau transcriptionnel. Cependant, il existe aussi des mécanismes régulant la stabilité des ARNm et empêchant ces derniers d’être traduits. Ces phénomènes ont été mis en évidence suite aux travaux de Richard Jorgensen en 1990.

Celui-ci a tenté d’intensifier la coloration de ses pétunias en y incorporant des gènes supplémentaires impliqués dans la pigmentation.

Contrairement à toute attente, ses pétunias développèrent des taches blanches d’autant plus grandes que le nombre de copies du gène était élevé.

Le processus moléculaire responsable de cette mise sous silence des gènes a été découvert par Andrew Z. Fire et Craig C. Mello en 1998. Ces deux chercheurs ont utilisé le vers Caenorhabditis elegans pour leurs études et ils ont démontré qu’il était possible d’inactiver un gène en interceptant son ARNm. Ils ont appelé ce phénomène « interférence de l’ARN ». Cette découverte a valu à Andrew Z. Fire et Craig C. Mello le prix Nobel de médecine en 2006.

Modification de la couleur des pétunias suite à l’incorporation de gènes de coloration supplémentaires.

Le mécanisme mis en place dans cette « mise sous silence » de gènes dépend de petits ARN, longs de 21 à 28 nucléotides, qui réagissent avec les transcrits primaires des gènes pour les inactiver. Ces petits ARN proviennent d’ARN bicaténaires qui ont été découpés par une enzyme intracellulaire baptisée dicer. Cette enzyme génère deux sortes de petits ARN : les microARN (miARN) et les petits ARN interférents (siARN).

Les miARN s’uniraient aux ARNm qui leur sont complémentaires et bloqueraient leur traduction.

Les siARN, quant à eux, se lient à un complexe RISC (RNA induced silencing complex ou complexe d’inactivation induit par l’ARN) et vont s’hybrider aux ARNm qui leur sont complémentaires. Cette liaison va entraîner la dégradation de l’ARNm.

Dicer

ARNdb

ARNm

2. Le complexe enzymatique « dicer » reconnaît les ARNm bicaténaires et les fragmente.

1. Certaines régions des ARNm peuvent devenir bicaténaires en formant des boucles en épingles à cheveux.

Interférence de l’ARN

3. Les siARN s’associent au complexe RISC et sont déroulés.

RISC

4. L’ARNm complémentaire au siARN se fixe au complexe RISC.

RISC

AAAAAAAA ARNm cible substrat

6. Les miARN simples brins s’associent miARN aux ARNm qui leur sont complémentaires, bloquant ainsi leur traduction.

ARNm

5. L’ARNm est dégradé.

L ’ h é r é d i t é à l ’ é c h e l l e m o l é c u l a i r e Chapitre 4

B

ARNm dégradé

Mais ce mécanisme pourrait aussi être utilisé dans le traitement de nombreuses pathologies, notamment dans le traitement contre le cancer.

Doc.3 L’interférence de l’ARN, un nouveau mécanisme de régulation de l’expression des gènes.

113

Le mécanisme d’interférence de l’ARN est actuellement utilisé par de nombreux chercheurs pour inactiver de façon ciblée différents gènes chez les eucaryotes de façon à étudier leur rôle.

Exercices Je connais A. Définissez les mots ou expressions : mutation ponctuelle, mutation faux sens, mutation non sens, mutation silencieuse, délétion, agent mutagène, brin codant, brin sens, inducteur, corépresseur.

B. Vrai ou faux ?

Parmi les affirmations suivantes, repérez celles qui sont exactes et corrigez celles qui sont erronées. a. Une mutation ponctuelle a pour conséquence une modification de la séquence des acides aminés de la protéine correspondante. b. Lors de la réplication de l’ADN, le brin avancé est lu dans le sens 5’ 3’. c. Le brin matrice de l’ADN est le brin transcrit, il a la même séquence que l’ARNm, avec des T à la place des U. d. Un activateur est un élément du milieu nécessaire à l’induction de la transcription. e. Les ARN et les ADN comportent les mêmes glucides et les mêmes purines.

C. Questions à réponses courtes a. Que signifie l’expression « le code génétique est universel » ?

b. Qu’est-ce que la séquence codante d’un gène ? c. Quel était le dogme central de la biologie moléculaire ? b. Expliquez pourquoi une délétion ou une addition a souvent une conséquence importante.

D. Exprimez des notions importantes… … en rédigeant une phrase utilisant chaque mot et groupe de mots. a. ADN, brin nouvellement formé, brin parental, réplication, semiconservative. b. ADN matrice, ARNm, ARN polymérase, transcription. c. ARNm, AUG, codon d’initiation, codon STOP, ribosome, traduction. d. Erreurs d’appariement, mutations, réplication. e. Expression des gènes, corépresseur, inhibition.

E. Restitution des connaissances • Sujet 1. Présentez les différents types de mutations ponc-

tuelles et leurs conséquences au niveau de l’expression des protéines.

• Sujet 2. Exposez les différents mécanismes de régulation de la transcription.

J’applique et je transfère 1

Détermination du mode de réplication de l’ADN : l’expérience de Meselson et Stahl

Pour établir le mode exact de réplication de l’ADN, Meselson et Stahl ont réalisé l’expérience suivante : ils ont cultivé des bactéries Escherichia coli sur un milieu contenant l’isotope lourd de l’azote (15N). Celui-ci fut incorporé dans les nucléotides et donc dans l’ADN des bactéries. Après plusieurs générations des bactéries sur l’isotope lourd, les cellules furent transférées dans un milieu contenant 14N. Les cellules ont ensuite été prélevées après une ou deux générations, l’ADN a été extrait et analysé par ultracentrifugation (centrifugation à très grande vitesse) : lors de ce processus, l’ADN va migrer dans le tube de centrifugation en fonction de sa densité. Un ADN marqué avec l’isotope lourd sera positionné plus bas dans le tube qu’un ADN contenant l’isotope normal (14N).

Résultats d’ultracentrifugation avec des échantillons témoins d’ADN marqués.

14N 15N

1- Pouvez-vous schématiser les résultats obtenus par Meselson et Stahl ?

2- Quels résultats auraient-ils obtenus si la réplication était conservative ?

3- Quels seraient les résultats si la réplication s’effectuait selon le mode dispersif, c’est-à-dire si chacun des brins des deux molécules filles était un mélange des segments de départ et des segments nouvellement synthétisés ?

114

2

Le Xeroderma pigmentosum, une hypersensibilité aux UV

Le Xeroderma pigmentosum est une maladie rare caractérisée par une hypersensibilité aux UV solaires. Chez les individus affectés, l’enzyme XPA, qui intervient dans des processus de réparation des dimères de thymine de l’ADN, n’est plus fonctionnelle.

Pour étudier la maladie, on a testé l’effet des rayonnements ultraviolets sur des cellules qui n’ont jamais été exposées aux UV. Ces cellules proviennent d’un individu sain et d’un individu atteint de la maladie. Lorsque les cellules sont exposées au rayonnement ultra-violet, il peut se former des liaisons covalentes entre deux nucléotides à thymine successifs de l’ADN. Pour réaliser l’expérience, les cellules ont été mises en cultures puis soumises quelques instants à un rayonnement UV de 25 erg . mm-2. On mesure ensuite l’évolution du pourcentage de dimères de thymines dans l’ADN des cellules.

• Sur base de ce document, expliquez pourquoi les personnes atteintes de Xeroderma pigmentosum accumulent plus de mutations que les personnes non malades.

3

A C T T C G

liaison covalente

T G A A G C

liaison hydrogène

% de thymines présentes à l'état de dimères dans l'ADN cellules d'un individu atteint de Xeroderma pigmentosum

0,10

0,05

cellules d'un individu sain temps (en heures)

0

12

24

fin d'irradiation aux UV àt=0

Déterminer la séquence d’un gène et d’une protéine

Le tableau suivant reprend, de façon lacunaire, l’alignement des séquences de la double hélice d’ADN, l’ARNm transcrit à partir de celleci et la protéine obtenue.

Double hélice d’ADN

A T C

Acides aminés incorporés dans la protéine

C

U

G

A

G

4

C

C

Met

Pro

Phe

• Complétez le tableau en vous servant du tableau du code génétique repris p.95.

Indiquez les extrémités 5’ et 3’ sur chacun des brins de l’ADN ainsi que sur l’ARN et les extrémités carboxyle et amine de la protéine. Indiquez le brin transcrit et le brin non transcrit.

4

Étude de mutations ponctuelles

Les séquences ci-dessous correspondent aux différents allèles d’un gène (brins non transcrits). Les mutations sont repérées en rouge.

Allèle normal

A T G A T A G T T C T T T A C G G T G C T C C C C G A A G T G A T G G G

Allèle 1 A T G A T A G T T C T T T A C G G T T C T C C C C G A A G T G A T G G G Allèle 2 A T G A T A G T T C T T T A A G G T G C T C C C C G A A G T G A T G G G Allèle 3 A T G A T A G G T T C T T T A C G G T G C T C C C C G A A G T G A T G G Allèle 4 A T G A T A G T T C T T T A C G G A G C T C C C C G A A G T G A T G G G Allèle 5 A T G A T A T T C T T T A C G G T G C T C C C C G A A G T G A T G G G

L ’ h é r é d i t é à l ’ é c h e l l e m o l é c u l a i r e Chapitre

U

A

A

ARNm transcrit Anticodon de l’ARNt adéquat

G

1- À l’aide du tableau du code génétique repris p.95, déduisez la séquence de la protéine codée par le gène.

2- Indiquez pour chaque mutation son type.

3- Quelles seront les conséquences de chacune de ces mutations ? (Aidez-vous du tableau p.95 pour déduire les diverses séquences protéiques.)

115

Exercices 5

Établissement du code génétique

Pour déchiffrer le code génétique, de nombreux travaux ont été effectués. Les premiers d’entre eux furent effectués par deux chercheurs américains, M. Nirenberg et H. Matthaei en 1961. Ils ont synthétisé un ARNm synthétique constitué seulement d’uracile et ont mélangé celui-ci avec la machinerie de synthèse des protéines d’Escherichia coli. Ils ont alors obtenu un polypeptide constitué uniquement de phénylalanine (Phe).

Par la suite, une équipe de chercheurs américains a fabriqué synthétiquement des copolymères de ribonucléotides et les a utilisés pour la synthèse in vitro de polypeptides. Selon la séquence utilisée, les polypeptides synthétisés ne contenaient qu’un seul acide aminé ou plusieurs. Parfois, plusieurs polypeptides différents étaient synthétisés à partir d’un même ARNm synthétique.

Le tableau ci-contre montre les résultats obtenus.

ARNm synthétique

Polypeptide(s) synthétisé(s)

(UC)n

(Ser-Leu)

(UG)n

(Cys-Val)

(AC)n

(Thr-His)

(AG)n

(Arg-Glu)

(UUC)n

(Ser-Ser) et (Leu-Leu) et (Phe-Phe)

(UUG)n

(Leu-Leu) et (Val-Val) et (Cys-Cys)

(AAG)n

(Arg-Arg) et (Lys-Lys) et (Glu-Glu)

(CAA)n

(Thr-Thr) et (Asn-Asn) et (Gln-Gln)

(UAC)n

(Thr-Thr) et (Leu-Leu) et(Tyr-Tyr)

(AUC)n

(Ile-Ile) et (Ser-Ser) et (His-His)

(GUA)n

(Ser-Ser) et (Val-Val)

(GAU)n

(Asp-Asp) et (Me-Met)

(UAUC)n

(Tyr-Leu-Ser-Ile)

(UUAC)n

(Leu-Leu-Thr-Tyr)

(GAUA)n

Néant

(GUAA)n

Néant

Remarque : l’ordre dans lequel les polypeptides et les acides aminés sont présentés est sans importance sauf pour (UAUC)n et (UUAC)n.

1- Expliquez pourquoi plusieurs polypeptides diffé-

rents peuvent être obtenus à partir d’un seul ARNm synthétique.

2- À partir de la séquence des polypeptides obtenus

et des triplets susceptibles d’être présents dans les copolymères, attribuez un acide aminé à chacun des triplets de la liste suivante. Plusieurs triplets peuvent être attribués à un même acide aminé. Pour résoudre ce problème, vous devez également tenir compte du fait que les deux premières lettres d’un codon sont habituellement les plus importantes et que dès lors, des triplets synonymes sont souvent semblables au niveau des 2 premières lettres.

6

AAC

GAU

CAC

UAU

AAG

GAG

CAA

UAC

AGA

GAA

CUC

UAG

AGU

GUG

CUU

UAA

ACU

GUU

CUA

UGU

ACA

GUA

AUG

UCU

AUC

UUC UUG UUA

Le contrôle du métabolisme du toluène chez Pseudomona putida

Pseudomona putida est une bactérie qui peut dégrader le toluène (un hydrocarbure aromatique) grâce à un ensemble d’enzymes codées par les gènes xyl et notamment les gènes xylC, xylMA et xylB. Ces gènes sont fortement exprimés en présence de toluène

alors qu’ils ne le sont que très peu en son absence. On a pu isoler un mutant du gène xylR qui ne synthétise plus les enzymes codées par les gènes xyl en présence de toluène. Ce gène est indépendant des autres gènes.

1- Quelle est l’action du toluène dans cette régulation ?

2- Faites un schéma du mécanisme de régulation de l’expression des gènes du métabolisme du toluène.

116

UGA