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Des phénotypes associés à la régulation de l’expression des gènes


1 – Regard nouveau : accent mis sur la régulation de l'expression des gènes

L’originalité de l'actuel programme de première S par rapport à ceux qui l’ont procédé est qu’il insiste sur le fait que le phénotype cellulaire dépend non seulement du patrimoine génétique de la cellule mais aussi de la nature des gènes qui s’expriment sous l’effet de l’influence de facteurs internes et externes variés.

Ceci est renforcé dans le programme de terminale S : on trouve dans la partie « Diversification génétique et diversification des êtres vivants » ; « Des formes vivantes différentes peuvent résulter de variations dans la chronologie et l’intensité d’expression de gènes communs ». Sans que les mécanismes sous-jacents soient clairement exprimés, cela souligne l’accent mis sur le fait que tant au niveau cellulaire qu’au niveau de l’organisme, des variations dans l’expression des gènes sans modifications de la séquence codante peuvent engendrer des différences phénotypiques.

Les exemples ci-dessous ont pour objectif de servir de support pour introduire les notions indispensables relatives à l’expression des gènes. Plusieurs des supports présentés sont relatifs à la pigmentation de la peau chez la souris.

2 - Une différence phénotypique associée à une différence d’expression d’un gène : exemple du gène agouti chez la souris

Dans la partie « variabilité génétique et santé » nous avons développé l’origine des phénotypes « Lactase persistance et non persistance » qui introduit la notion de séquence régulatrice au sens large (région promotrice et enhancers) qui régule l’expression du gène de la lactase.

Ici nous envisageons un cas de variabilité du pelage et d’autres caractéristiques phénotypiques qui résultent de l’expression différentielle de deux allèles d’un gène, le gène agouti. Cet exemple est très net pour introduire cette notion de séquence régulatrice absolument indispensable dès qu’on aborde la régulation de l’expression des gènes. En outre, cet exemple va servir de support pour développer d’autres notions par la suite.

Le principe de la démarche est le suivant :

- Analyser des données d’hybridation entre deux souches de souris pour déboucher sur l’idée que la différence phénotypique est due à un seul gène ;

- Comparer les séquences codantes des allèles pour conclure qu’elles sont identiques ;

- Comparer l’expression des deux allèles à l’aide de données sur les ARNm. Relier la différence d’expression à la différence phénotypique ;

- Introduire l’existence de région régulatrice de l’expression du gène en cause ;

- Comparer les séquences régulatrices des deux allèles et ainsi mettre en évidence la corrélation : différence dans la séquence régulatrice et différence phénotypique.

- Les documents de l'étude

- L'exploitation pédagogique 

3 – Le glucose, le gène PDX1 et l’expression du gène de l’insuline

 Principe de la démarche

L’exploitation des données fournies débouche sur  la notion introduite par le programme que l’expression d’un gène dépend de facteurs externes et internes. L’exemple choisi est celui de l’expression du gène de l’insuline dans la cellule pancréatique qui est stimulée par le glucose (facteur externe à la cellule) et par la protéine PDX1, facteur interne à la cellule dépendant de l’expression d’un autre gène, le gène PDX1. Le rôle du glucose dans la stimulation de la sécrétion d’insuline est bien connu. Il n’augmente pas uniquement l’exocytose des granules d’insuline contenus dans la cellule mais stimule aussi l’expression du gène de l’insuline.

La démarche suivie est la suivante :

- Analyse d’un arbre généalogique d’une famille où plusieurs individus sont atteints d’un diabète Mody4. L’analyse de cet arbre conduit à dire que l’affection est monogénique et le gène en cause a été identifié et appelé PDX1. L’allèle cause de ce diabète est dominant : à l'échelle cellulaire et à l'échelle macroscopique.

- Analyse comparative des séquences des allèles du gène PDX1 possédés par les individus non diabétiques et ceux de phénotype Mody4 de la famille.  La dominance est liée au fait que les cellules bêta des individus hétérozygotes produisent moins de protéine PDX1 que les individus possédant 2 allèles fonctionnels.

- Analyse de données expérimentales sur la sécrétion d’insuline en réponse à des concentrations variables de glucose chez des sujets Mody 4 et chez des sujets non diabétiques. On dégage l’idée que la protéine PDX1 est un facteur de transcription qui, en se fixant sur la région régulatrice du gène de l’insuline en active la transcription.

- Bilan sur l’action du glucose et de la protéine PDX1 sur l’expression du gène de l’insuline.

Documents et exploitation pédagogique