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Du génotype au phénotype, relations avec l'environnement
Mise à jour : 04/10/2001

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Proposition de démarche pédagogique générale

Prérequis

  • 3e : notion de caractère héréditaire - notion de gène : les chromosomes portent les gènes, unités d'information génétique qui déterminent les caractères héréditaires - notion d'allèles
  • 2de : universalité et variabilité de la molécule d'ADN - la séquence de nucléotides d'un gène constitue un message - les mutations introduisent une variabilité de la molécule d'ADN 
Notions à dégager

Le phénotype dépend de protéines et peut se définir à plusieurs niveaux

Le phénotype peut se définir à différentes échelles : de l'organisme à la molécule. Les phénotypes alternatifs sont dus à des différences dans les protéines concernées.
 
Démarche
Exemples utilisables
A quoi est dû le phénotype clinique ou macroscopique d'un individu ?
  • Description du phénotype clinique 
  • Description du phénotype cellulaire 
  • Description du phénotype moléculaire 
Conclusion : le phénotype clinique ou macroscopique dépend du phénotype cellulaire et/ou biochimique, lui-même déterminé par le phénotype moléculaire, c'est à dire par une molécule de nature protéique.

Lorsque le phénotype moléculaire est une enzyme, comment l'activité de cette enzyme contribue-t-elle à la réalisation du phénotype cellulaire ou clinique ?

  • Observations pour bien préciser quel est le phénotype moléculaire (enzyme) et le phénotype cellulaire, et pour comprendre la relation entre les deux (réaction catalysée par l'enzyme)
  • Comparaison des séquences protéiques possibles de l'enzyme considérée et mise en relation avec la réaction catalysée et son produit
Conclusion : en catalysant une réaction, une enzyme (phénotype moléculaire) participe à la réalisation du phénotype au niveau cellulaire, biochimique ou macroscopique. Selon la séquence de la protéine enzymatique, la réaction catalysée peut varier, ce qui a des conséquences sur le phénotype cellulaire ou macroscopique.

De quoi dépend la fonction d'une molécule protéique ?

  • Comparer deux phénotypes alternatifs, du niveau clinique au niveau moléculaire pour poser le problème : si les séquences des deux protéines synthétisées (à partir de deux allèles différents d'un même gène) diffèrent, l'activité de la molécule protéique peut être modifiée. Quelle relation y a-t-il alors entre la séquence d'acides aminés d'une protéine et sa fonction ?

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  • Visualisation 3D des molécules protéiques étudiées (logiciel RASMOL ou RASTOP) : mise en évidence du fait qu'une protéine a une forme particulière (structure spatiale)
  • Relations entre cette structure spatiale et la fonction de la molécule (surtout dans le cas d'une enzyme : observation de complexes enzyme/substrat,...)
  • Découverte de la structure d'une protéine :
    • visualisation d'acides aminés pour découvrir la notion d'acides aminés
    • visualisation d'un dipeptide pour découvrir la notion de liaison peptidique
    • affichage des liaisons hydrogène dans la molécule protéique pour comprendre la structure spatiale
  • Mise en relation : séquences d'acides aminés de la protéine/ configuration spatiale/ fonction ou propriétés
Conclusion : la fonction d'une protéine dépend de sa structure spatiale,  elle-même déterminée directement par sa séquence en acides aminés.
Des modifications de la séquence d'acides aminés peuvent donc avoir des répercussions sur l'activité de la protéine, ce qui peut entraîner des modifications du phénotype au niveau cellulaire et macroscopique.
 
  • Drépanocytose (chaîne bêta)
  • Mutants cérébelleux
  • Groupes sanguins (ABO)
  • Phénylcétonurie (PAH)
  • Xeroderma

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  • Groupes sanguins ABO

    • (enzymes permettant la synthèse des marqueurs A et B du groupe sanguin)
     
  • Phénylcétonurie (PAH)

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  • Drépanocytose (chaîne bêta)
  • Mutants cérébelleux
  • Groupes sanguins (ABO)
  • Phénylcétonurie (PAH)
  • Xeroderma
  • Carboxypeptidase
  • Protéines à sérines : trypsine, chymotrypsine
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    L'expression des allèles des gènes : la synthèse des protéines
    (phénotype moléculaire)

    Acquis de seconde :

    • un gène est un fragment d'ADN
    • l'ADN est constitué de deux brins complémentaires
    • l'information génétique étant représentée par la séquence de nucléotides
    (La représentation d'un allèle par un seul brin d'ADN est justifiée à ce stade de l'étude par des raisons de commodité de traitement informatique)
     
    Démarche
    Exemples utilisables
    Associer des phénotypes moléculaires alternatifs à des différences allèliques.
     
     
     
     
     

    Autre point de départ possible : les expériences de transgenèse (permettant de faire le lien avec la classe de seconde)
     

  • Rappel de la transgenèse (niveau seconde) : introduction d'un gène d'une espèce dans une autre espèce.

    • Recherche des nouvelles propriétés de l'OGM : production d'une protéine particulière nouvelle.
  • Drépanocytose (chaîne bêta)
  • Mutants cérébelleux
  • Groupes sanguins (ABO)
  • Phénylcétonurie (PAH)
  • Xeroderma

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  • GH humaine
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    Conclusions

    Un gène est une unité d'information génétique, qui permet la synthèse d'un polypeptide.

    Le gène étant caractérisé par sa séquence de  nucléotides et le polypeptide par sa séquence en acides aminés, on peut penser que la séquence de nucléotides du gène doit déterminer la séquence d'acides aminés du polypeptide pour lequel il code.
    Quels principes généraux et quels mécanismes cellulaires permettent la réalisation du phénotype moléculaire à partir du génotype ?
    • Utilisation de documents pour localiser la synthèse protéique et l'ARNm dans la cellule.
    • Utilisation du logiciel RASMOL ou d'un script CHIME pour découvrir les propriétés structurales d'un ARNm.
    • Avec Anagène, comparaison de séquences nucléiques des deux brins d'un gène et de l'ARNm correspondant.
    • Utilisation d'un document pour comprendre le mécanisme de la transcription.
    • Observation de polysomes pour localiser la traduction.
    • Avec Anagène, Comparaison des longueurs d'un ARNm et du polypeptide correspondant.
    • Avec Anagène, création de séquences nucléiques et traduction pour découvrir le code génétique.
    Conclusion : la synthèse protéique s'effectue en deux étapes : 
    • dans le noyau, le gène est transcrit en ARNm, acide nucléique constitué d'une seule chaîne de nucléotides, et dont la séquence est identique au brin non transcrit de l'ADN, donc à la séquence codante(avec des nucléotides U à la place des T). 
    • dans le cytoplasme, au niveau des ribosomes libres ou fixés sur le réticulum endoplasmique, l'ARNm est traduit en chaîne polypeptidique selon un système de correspondance appelé code génétique (un triplet, ou codon, est un ensemble de 3 nucléotides consécutifs ; chaque triplet correspond en principe à un acide aminé, sauf 3 codons appelés codons stop, qui indiquent la fin de la synthèse protéique).
    Remarque : à ce stade de l'étude, la représentation d'un allèle par un seul brin d'ADN prend un sens biologique.
    Les gènes sont le plus souvent polymorphes
     
    Démarche
    Exemples utilisables
    La variété des phénotypes constatés laisse supposer l'existence de plusieurs allèles pour certains gènes. Quelle est l'origine de ces allèles et quelles sont les conséquences de ce polymorphisme génique sur le phénotype à différentes échelles ?
    • Comparaison des séquences nucléiques de différents allèles d'un même gène.
    • Comparaison des séquences protéiques codées par ces différents allèles.
    • Relevé des différences constatées entre les allèles et mise en relation avec les différences constatées au niveau des séquences protéiques correspondantes.
    • Mise en relation des différences constatées au niveau des séquences nucléiques, protéiques (phénotype moléculaire) et du phénotype à d'autres niveaux (cellulaire, macroscopique,...).
    Conclusion : de nombreux gènes sont polymorphes, c'est à dire qu'ils existent sous plusieurs formes alléliques différentes (chaque allèle ayant une fréquence dans l'espèce supérieure à 1%). Des mutations de nature variée sont à l'origine de ce polymorphisme : substitution, addition ou délétion d'un ou plusieurs nucléotides. Ces mutations peuvent avoir des conséquences variées sur le phénotype moléculaire et donc sur le phénotype cellulaire ou macroscopique.
     
     
     
     
  • Groupes sanguins (ABO)
  • Xeroderma
  • Phénylcétonurie
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    Les relations de dominance/récessivité 
     
     
    Démarche
    Exemples utilisables
    Déterminer les génotypes de plusieurs individus ayant le même phénotype clinique: 
    • comparer les allèles que possède l'individu avec les allèles de référence du gène 
    • en déduire le génotype de chaque individu 
    • comparer les génotypes des individus de même phénotype cellulaire ou macroscopique et discuter des relations de dominance/récessivité entre les différents allèles 
    Conclusions
    • Les relations de dominance/récessivité dépendent du niveau de phénotype auquel on se place : 
      • au niveau du phénotype macroscopique, cellulaire, biochimique, on peut discuter des relations de dominance / récessivité : chez un individu hétérozygote, si le phénotype à l'un de ces niveaux correspond à celui d'un des deux allèles seulement, celui-ci sera considéré comme dominant
      • au niveau moléculaire, tous les allèles s'expriment en principe, et il n'y a donc pas de discussion sur ces relations. 
      Un même phénotype macroscopique peut donc correspondre à plusieurs génotypes différents. 
     
     
     
  • Groupes sanguins (ABO)
  • Xeroderma
  • Drepanocytose
  • Phénylcétonurie
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    Un phénotype macroscopique donné résulte de processus biologiques gouvernés par l'expression de plusieurs gènes (dans le cas d'une chaîne de biosynthèse)
     
    Démarche
    Exemples utilisables
    La plupart des exemples étudiés précédemment laissent supposer qu'un seul gène est responsable de la réalisation d'un caractère du phénotype, car selon les allèles considérés, ce phénotype varie. Cependant, cela ne prouve pas qu'il soit seul impliqué dans la réalisation de ce phénotype. 

    La réalisation d'un phénotype au niveau cellulaire ou macroscopique nécessite souvent un ensemble de réactions ou de mécanismes physiologiques. L'expression de plusieurs gènes est alors nécessaire pour la réalisation du phénotype. 

    Comment mettre en évidence l'intervention de plusieurs gènes dans la réalisation d'un phénotype ? 

    • Décrire un phénotype macroscopique, cellulaire ou biochimique
    • Prendre en compte les données concernant le gène qui semble, a priori, directement et seul impliqué dans la réalisation de ce phénotype
    • Déterminer le génotype de quelques individus et constater une incohérence entre ce génotype et le phénotype constaté
    • Faire une hypothèse pour expliquer cette incohérence
    • Prendre en compte des données nouvelles (chaîne de biosynthèse) pour arriver à l'idée quau moins un autre gène peut être mis en cause
    • Expliquer les relations génotype/phénotype cellulaire ou macroscopique en prenant en compte au moins deux des gènes impliqués.
    Conclusion : dans le cas où la réalisation d'un phénotype au niveau cellulaire, biochimique ou macroscopique résulte d'une chaîne de biosynthèse, l'intervention de plusieurs gènes est nécessaire, chaque gène impliqué codant pour une enzyme intervenant dans cette chaîne de biosynthèse.
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
  • Groupes sanguins ABO

    • (intervention du gène fut1 ; chaîne de biosynthèse)
  • Phénylcétonurie
  • Xeroderma
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    L'influence de l'environnement sur le phénotype
     
    Démarche
    Exemples utilisables
    Le phénotype de certains individus se modifie lorsque l'environnement change. Le génotype n'ayant pas varié, il faut donc supposer que certains facteurs de l'environnement peuvent avoir une influence sur la réalisation du phénotype au niveau cellulaire, biochimique ou macroscopique. 

    Comment l'environnement peut-il influer sur la réalisation du phénotype ?

    • Utiliser des documents montrant des variations phénotypiques pour un même individu dans des conditions environnementales données, de façon à identifier le facteur environnemental qui semble impliqué.
    • Mettre en relation toutes les informations recueillies pour expliquer l'influence du facteur environnemental sur la réalisation du phénotype.
    Conclusion : certains facteurs de l'environnement peuvent avoir une action au niveau du phénotype moléculaire (modification de l'activité d'une enzyme) ou sur certains paramètres physiologiques (teneur en dioxygène, altération de l'ADN,...), et donc influer sur la réalisation du phénotype au niveau cellulaire, biochimique ou macroscopique.
     
     
     
     
     
     
     
     
     
  • Apport alimentaire et phénylcétonurie
  • Hommes à pigmentation limitée aux membres (température et activité enzymatique) 
  • Action des UV et Xeroderma
  • Drépanocytose
    		•
    La complexité des relations génotype/phénotype/environnement
     
    Démarche
    Exemples utilisables

    La variété des phénotypes cliniques, à génotype identique pour le gène principalement impliqué, laisse supposer l'intervention d'autres gènes dans la réalisation de ce phénotype.

    Comment mettre en évidence l'intervention de plusieurs gènes dans la réalisation d'un phénotype ? 

    • Décrire des phénotypes alternatifs 
    • Prendre en compte les données concernant le gène qui semble, a priori, directement et seul impliqué dans la réalisation de ce phénotype
    • Considérer plusieurs individus ayant le même génotype pour ce gène, mais présentant des phénotypes cliniques différents alors qu'ils sont dans le même environnement.
    • Faire une hypothèse pour expliquer cette incohérence
    • Prendre en compte des données nouvelles pour arriver à l'idée quau moins un autre gène peut être mis en cause
    • Expliquer les relations génotype/phénotype cellulaire ou macroscopique en prenant en compte au moins deux des gènes impliqués.
    Conclusion : un phénotype clinique peut dépendre de l'intervention de plusieurs protéines interagissant entre elles, et donc de plusieurs gènes. Cela explique la diversité des phénotypes alternatifs pour un caractère donné.
     
     
     
     
     
     
     
  • Drépanocytose(troubles dus à la présence d'HbS compensés par la poursuite de synthèse d'Hb foetale constituée de globines alpha et gamma)

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  • Xeroderma (il existe plusieurs gènes impliqués dans la réparation de l'ADN, et l'activité prolongée ou plus importante de certains d'entre eux peut compenser, dans certaines conditions, la déficience d'un autre)

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  • Phénylcétonurie (interactions avec le protéine BH4 codée par le gène DHPR, interactions avec des protéines permettant  le passage de la phénylalanine dans le cerveau, ....)

    •  
    On constate, dans certaines familles, une fréquence particulière d'apparition de certains cancers ou  une sensibilité  plus importante à certaines maladies virales ou bactériennes. Certains individus présentent donc une prédisposition à ces maladies qui semble héréditaire, liée à la présence de certains allèles.

    Dans un certain nombre de cas, des gènes de susceptibilité commencent à être découverts. 

    Comment peut-on établir un lien entre une sensibilité particulière à une maladie et l'implication de certains gènes dits de susceptibilité ?

  • Analyse d'arbres généalogiques de familles où plusieurs individus possèdent une sensibilité particulière à une maladie donnée (cancer, SIDA,...) pour mettre en évidence un rapport entre la maladie déclarée et l'implication du génotype.
  • Analyse de documents concernant les mécanismes physiologiques impliqués dans la réalisation du phénotype "malade" pour comprendre comment se réalise le phénotype étudié. 
  • Recherche de molécules protéiques et donc de gènes impliqués dans ces mécanismes. 
  • Mise en relation des différentes informations recueillies pour proposer une hypothèse explicative.
    • Conclusion : la possession de certains allèles particuliers de gènes de susceptibilité semble augmenter la sensibilité à l'infection par certains microbes ou la survenue de certains cancers. La connaissance des gènes impliqués pourrait permettre la mise au point de techniques de dépistage des sujets à risque et donc la mise en place d'une surveillance particulière permettant un diagnostic précoce. 
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
  • Prédisposition à certains cancers (gène P53)
  • Prédisposition au cancer du sein (gène BRCA2)
  • Prédisposition au diabète de type 1 (Gènes HLA)
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    Certaines personnes se montrent particulièrement résistantes au effets du virus du SIDA.

    Comment peut-on établir un lien entre cette résistance particulière et la possession de certains allèles ?
     
    Résistance au SIDA (gène CCR5)