Enseigner les Sciences de la nature

logo ensl   Logo du ministère de l'éducation
logo CIRI logo Immuniser Lyon
logo LBMC logo Musée Mérieux
Logo Inserm igfl igfl logo CREATIS
Logo du Museum national des histoires naturelles
Logo du musée de Confluences
logo geo 3d
Logo de Lyon 1 logo lgltpe 
Logo du Museum national des histoires naturelles
Logo du musée de Confluences
logo LBMC
logo LBMC
logos composé logo COP In My City logo Investissement d'avenirLogo du musée de Confluences
logo Météo France Logo du musée de Confluences
logo EVSlogo Grand Lyon
Vous êtes ici : Accueil / Thématiques / Génétique moléculaire et évolution / Dossiers thématiques / La résistance des moustiques aux insecticides / Application pédagogique : Résistance des moustiques aux insecticides organophosphorés (OP)

Application pédagogique

Résistance des moustiques aux insecticides organophosphorés (OP)

 

Observation initiale : 

on a constaté à l'échelle mondiale, que des concentrations d'insecticides initialement très efficaces dans une zone donnée, perdaient cette efficacité au cours du temps, ce qui a conduit à utiliser des doses croissantes d'insecticides. 

La diversité phénotypique

  • La diversité phénotypique au niveau macroscopique
Ressources Activités Résultats/conclusions
Phénotypes observés dans la région de Montpellier
 
 
 
 

Courbes de mortalité expérimentale des larves en fonction des doses d'insecticides

Extraire des informations de la courbe de mortalité 
 
 
 
 

Préciser la notion de résistance

On observe une diversité au niveau du phénotype macroscopique : certains sont sensibles aux insecticides et d'autres sont résistants. 

La fréquence des individus résistants est plus importante dans les zones où ont été épandus les insecticides. 

La résistance aux insecticides se traduit par une survie plus importante des moustiques à des doses élevées. Les moustiques résistants finissent par mourir, mais à des doses plus élevées d'insecticide (facteur 100). 

  • Mécanismes de cette résistance (phénotype moléculaire) 
Ressources Activités Résultats/conclusions
Mode d'action des insecticides OP et des insecticides carbamates (Exemple : le propoxur)
 
 
 

- Document : synapse cholinergique et action des OP et des carbamates

Processus de résistance des moustiques à ces insecticides

- Document sur l'Ace (acétylcholinestérase) des moustiques sensibles et des moustiques résistants
 
 
 

- Document permettant la comparaison de la production d'estérase chez des moustiques sensibles et résistants (test au papier filtre), et précisions sur le rôle des estérases.

Expliquer l'action létale de l'insecticide. 
 
 
 
 
 
 
 

Recherche d'hypothèses sur les mécanismes de résistance possibles des moustiques aux insecticides OP. 
 
 

A partir de l'analyse des résultats des tests, proposer une explication à la résistance de certains moustiques aux insecticides (relier le phénotype moléculaire au phénotype macroscopique)

Les insecticides OP et les carbamates inhibent l'activité de l'acétylcholine estérase, enzyme impliquée dans le fonctionnement des synapses à acétylcholine. Cette action sur le système nerveux entraîne la mort des insectes. 
 
 
 
 
 
 
 
 

L'acétylcholine estérase de certains moustique résistants est insensible à ces insecticides. 
 

La résistance de certains moustiques peut s'expliquer par une production très importante d'estérases.

Le génome des moustiques en relation avec la résistance aux insecticides OP (gène Ace et gènes des estérases)

  • Le génome, pour les gènes des estérases, des moustiques sensibles 
Ressources  Activités Résultats / Conclusions
- Document localisant les gènes des estérases A et B
 
 
 
 
 
 

- Electrophorèse de moustiques de différentes souches sensibles
 

 

Relier les informations apportées par ce document avec les résultats du test au papier filtre présenté précédemment de façon à expliquer la sensibilité des moustiques aux insecticides. 
 
 
 
 
 

Exploiter les résultats de l'électrophorèse pour déterminer le génotype des moustiques 1 à 5 
 

Deux gènes sont impliqués dans la production d'estérase : les gènes A et B, dont les loci sont très proches. 

Les moustiques sensibles produisent donc des estérases fonctionnelles, capables de dégrader les molécules d'insecticides OP, mais cette production se fait en trop faible quantité pour assurer une résistance à ces produits.

L'électrophorèse permet de déterminer le génotype des moustiques : les mosutiques 1 et 2 sont de génotype (A2B2/A2B2), alors que les moustiques 3 à 5 sont de génotype (A2B2/A2B1). 

 
  • Le génome des moustiques résistants par production accrue d'estérases
Ressources Activités Résultats et conclusions
- Séquences nucléiques partielles au locus B (afin de faciliter les traitements des séquences, on a limité ces séquences aux 69 premiers nucléotides de chaque gène + codon stop; les séries de NNNN correspondent à des séquences non codantes)
  • B1S présent chez certains moustiques sensibles
  • B1R présent chez certains moustiques résistants

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Document présentant un mécanisme de duplication génique 


 
 
 
 
 
 
 
 

Exploiter les données fournies pour proposer une explication à la production accrue d'estérase par certains moustiques résistants : 

  • Comparer les séquences B1S et B1R (comparaison simple)
  • Traduire la séquence B1R (choisir dans Anagène "Traduction des phases ouvertes"), et en tirer une conclusion quand à sa constitution 
  • Comparer, au sein de B1R, le premier gène aux 7 autres : 
    • avec Anagène : comparaison simple entre B1R et B1S, puis repérer la position du premier nucléotide du deuxième gène, et décaler la séquence B1S d'autant (positions 84, 168, 252, 336, 420, 504, 588) 
    • avec la fonction DotPlot d'un logiciel : Anagène
  • Schématiser la disposition des gènes (au locus B1) chez ces moustiques résistants 
  • Relier génotype et phénotype pour les moustiques résistants

  •  
  • Relier l'acquisition de la résistance aux insecticides OP à l'évolution du génome (nature de la mutation), en utilisant ou non le document fourni - on supposera que les moustiques résistants sont apparus dans des populations de moustiques sensibles

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

- B1R commence par une séquence identique à B1S, mais il est beaucoup plus long 
- la traduction de B1R produit 8 molécules protéiques, donc B1R est constitué de plusieurs gènes (8 ici)
 
 

- B1R est constitué de la répétition de 8 gènes B1 identiques 
 
 
 
 
 
 
 

Les moustiques résistants B1R possèdent plusieurs gènes B1, ce qui leur permet de produire plus d'estérase, donc de détoxifier l'insecticide 
 

Certains moustiques ont vu leur génome évoluer par apparition de nouveaux gènes, copies de gènes préexistants (notion de duplication génique)

 

- Séquences nucléiques partielles du super locus A/B 

(afin de faciliter les traitements des séquences, on a limité la séquence de chaque gène aux 69 premiers nucléotides + codon stop; les gènes sont séparés par 12N, correspondant à des séquences non codantes)

  • (A2B2)S chez certains moustiques sensibles
  • (A2B2)R chez certains moustiques résistants

 
 

Exploiter les données fournies pour proposer une explication à la production accrue d'estérase par certains moustiques résistants : 

  • Comparer les séquences (A2B2)S et (A2B2)R (comparaison simple) 

  •  
  • Traduire la séquence (A2B2)R  (choisir dans Anagène "Traduction des phases ouvertes"), et en tirer une conclusion quand à sa constitution 
  • Comparer, au sein d'(A2B2)R, l'ensemble des 2 premiers gènes aux autres : 
    • avec Anagène : comparaison simple entre (A2B2)S et (A2B2)R, et même procédure que pour la comparaison B1S/B1R 
    • avec la fonction DotPlot d'un logiciel : Anagène (version future), Antheprot 
  • Schématiser la disposition des gènes (au locus A2B2) chez ces moustiques résistants 
  • Relier génotype et phénotype pour les moustiques résistants
  • Relier l'acquisition de la résistance aux insecticides OP à l'évolution du génome (nature de la mutation)

 
 
 
 
 
 

- (A2B2)R commence par une séquence identique à (A2B2)S, mais il est beaucoup plus long 

- la traduction d'(A2B2)R produit 8 molécules protéiques, donc (A2B2)R est constitué de plusieurs gènes (8 ici)

- (A2B2)R est formé par la répétition de 4 super-locus (A2B2) 
 
 
 
 
 
 

Les moustiques résistants (A2B2)R possèdent plusieurs "gènes A2B2", ce qui leur permet de produire plus d'estérase, donc de détoxifier l'insecticide. 
 

Certains moustiques ont vu leur génome évoluer par apparition de nouveaux gènes, copies de gènes préexistants (ici copie d'un ensemble de 2 gènes). 
 

Document présentant différents génomes rencontrés chez des moustiques
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

  • Tirer des informations du document fourni en faveur de l'idée que plusieurs innovations génétiques survenues de façon indépendante dans le génome des moustiques ont eu lieu, ces événements ayant ou non des conséquences sur la résistance aux insecticides OP
Des mutations ponctuelles sont apparues dans les gènes A et B et sont à l'origine d'un polymorphisme génique dans les populations de moustiques. Ces mutations ponctuelles n'ont pas conféré de résistance particulière aux moustiques, les quantités d'estérases produites n'étant pas accrues. 

Des duplications géniques sont intervenues à plusieurs reprises, de façon indépendantes les unes des autres, après l'acquisition du polymorphisme génique. Elles ont conféré aux organismes les possédant une résistance aux insecticides OP en leur permettant une production accrue d'estérase. 

Séquences complètes des allèles A2 et B2
  • Comparer les séquences fournies (comparaison simple - Anagène)
  • Tirer des résultats de cette comparaison des arguments en faveur d'une origine commune des gènes A et B, et conclure quant aux mécanismes d'apparition de nouveaux gènes.
Les gènes A2 et B2 ont des similitudes importantes dans leurs séquences (52,7 % selon une comparaison simple et 60,1 % selon l'alignement avec discontinuité), ce qui permet d'envisager une origine commune. 

A partir d'un gène d'origine, on peut envisager un mécanisme de duplication génique suivie de mutations. 

Ces phénomènes ont dû avoir lieu chez les ancêtres des moustiques puisque tous les moustiques possèdent ces deux gènes. 

(notion de duplication génique suivie de mutations)

  • Le génome des moustiques résistants par production d'une AchE résistante 
Ressources Activités Résultats / Conclusions
Séquences des allèles S et R du gène de l'AchE 
(allèle S : souche sensible; allèle R : souche résistante par production d'une AchE insensible aux insecticides OP)
Certains moustiques résistants produisent une acétylcholine estérase non sensible à l'action des insecticides OP et des carbamates. 

A partir du traitement des séquences nucléiques fournies, discuter des mécanismes d'évolution du génome et de leurs conséquences phénotypiques.

 


 
 

La comparaison des séquences nucléiques des allèles S et R montre 28 différences, qui correspondent à des mutations par substitution.
La comparaison des séquences protéiques correspondantes permet de dire que 27 de ces mutations sont muettes (pas de changement d'acide aminé) et qu'une seule (substitution G/A en position 739) conduit à un changement d'acide aminé (la glycine devient de la sérine en position 247). 
On peut alors faire l'hypothèse que ce changement de séquence protéique est à l'origine de l'insensibilité aux insecticides de l'AchE des moustiques résistants.

 

L'influence de l'environnement sur la conservation des innovations génétiques

 

Ressources Activités Résultats/conclusions
Fréquence des allèles résistants aux locus Ace et (AB) en fonction de l'environnement (données terrain)  Extraire des informations des graphiques fournis sur la relation entre la fréquence des allèles résistants et l'environnement. La fréquence des allèles résistants pour chacun des gènes considérés (Ace et Esterases) est plus importante dans les zones où ont été épandus les insecticides. 
Il existe donc une relation entre la fréquence des allèles et un facteur de l'environnement 
Influence de l'environnement sur la conservation des innovations génétiques concernant les gènes des estérases

Etude expérimentale : évolution des phénotypes en fonction de l'environnement (pour les gènes des estérases) 
 
 

Séquences nucléiques des allèles B1R des souches R96a et R96i.
 
 

Séquence de l'allèle B1R présent chez les homozygotes de la souche initiale R92
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 


 

Document sur le coût des allèles de résistance

 

Sensibilité à la bactérie Wolbachia chez des moustiques sensibles et résistants 
 
 
 
 

 


 
 
 
 
 

Extraire des informations du graphique sur l'évolution des phénotypes en fonction de l'environnement. 
 
 
 

Comparer les séquences fournies, de façon à proposer une explication à l'évolution des phénotypes constatée. 
 
&nbnbsp;
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Prendre en compte les informations apportées par ces documents pour proposer une explication aux observations réalisées dans les souches R96a.


 
 
 
 
 

Dans les populations soumises à l'action de l'insecticide OP, on observe une augmentation de la résistance, et inversement dans les populations non soumises à cet insecticide OP. 

La différence des phénotypes entre les souches R96a et R96i est liée à une différence génotypique : 

  • tous les allèles de la souche R96a possèdent un nombre de répétitions du gène B1 supérieur à celui de l'allèle de la souche d'origine R92 (R92 : 14 gènes B1 ; R96i1 : 18 gènes B1; R96i2 : 22 gènes B1; R96i3 : 23 gènes B1)
  • inversement, les allèles de la souche R96a possèdent un nombre de répétitions du gène B1 inférieur à celui de l'allèle de la souche d'origine R92 (R96a1 : 7 gènes B1; R96a2 : 10 gènes B1; R96a3 : 13 gènes B1)
De nouveaux "allèles" sont donc apparus (ces "allèles" diffèrent par le nombre de répétitions du gène B1). 

Sous l'action de l'environnement, il a dû y avoir une sélection des individus au fil des générations, en fonction du nombre d'exemplaires du gène B1 que possédaient ces individus. 
 

Dans un environnement avec insecticide OP , la possession d'un grand nombre d'exemplaires du gène B1 permet une meilleure résistance, et confère donc un avantage sélectif. 
 
 

Dans un environnement sans insecticide OP, la possession d'un grand nombre d'exemplaires du gène B1 est un désavantage (coût) : 

  • la possession d'un trop grand nombre d'exemplaires du gène B1, dans un environnement sans insecticide, est un désavantage pour le moustique, à cause de la quantité excessive d'estérase qu'il produit alors.
  • d'autre part, les moustiques résistants sont particulièrement infectés par la bactérie Wolbachia (surtout les femelles résistantes), ce qui altère leur reproduction.
Influence de l'environnement sur la conservation des innovations génétiques concernant le gène AcE

Document présentant l'activité de l'AcE chez des Moustiques sensibles et résistants, dans des environnements différents

Document présentant la répartition des allèles du gène AcE dans la région de Montpellier
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Document présentant un nouveau génotype pour un moustique résistant 

Séquences des allèles AchES, AchER et AchE93 

(AchES : allèle du gène AchE chez les moustiques sensibles; AchER : allèle du gène AchE chez les moustiques résistants; AchE93 : génome équivalent à Ace chez les moustiques résistants apparus en 1993 dans la région de Montpellier)

 


 
 
 

En utilisant les informations apportées par ce document, proposer une explication possible aux variations de la fréquence de l'allèle AceR dans la région de Montpellier 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Comparer les séquences fournies de façon à dégager le mécanisme génétique à l'origine de la résistance de la souche apparue en 1993 dans la région de Montpellier 
 
 
 
 

Depuis son apparition, la fréquence d'AchE93 tend à augmenter par rapport à celle d'AchER, notamment dans la région de Montpellier. 

  • Préciser en quoi un individu AchE93 peut être avantagé quelque soit l'environnement , par rapport à AchER ou à AchES.

 
 
 

Dans un environnement avec insecticide, l'acétylcholinestérase sensible est peu active ou inactive, alors que l'actéylcholinestérase résistante garde la même activité. Dans cet environnement, les moustiques AceR sont donc avantagés. 
Dans un environnement sans insecticide, l'activité de l'acétylcholinestérase résistante est trois fois plus faible que celle de l'acétylcholinestérase sensible. On peut penser que cela peut avoir des conséquences sur le fonctionnement des synapses cholinergiques, donc sur le comportement et la physiologie du moustique, et donc constituer ainsi un certain désavantage. 
 
 
 

La souche résistante apparue en 1993 dans la région de Montpellier présente une duplication du gène AchE : on trouve en tandem sur le même chromosome un allèle AchES et un allèle AchER. 
 
 
 
 
 
 

Les mutants AchE93 produisent à la fois une AchER et une AchES, ce qui leur assure une résistance en milieu avec insecticide, tout en leur évitant le côut que cela peut représenter en milieu sans sans insecticide.