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Variabilité génétique et mutation

par Naoum Salamé last modified 2013 May 21 20:08

A - En introduction

a - Comparaison des nouveaux programmes par rapport aux précédents

  • L’évolution est  un fil directeur important des  programmes de second cycle appliqués depuis le début des années 2000 et elle le reste dans les nouveaux programmes. En conséquence l’étude de la variabilité génétique se retrouve dans les deux, débutant avec la classe de seconde par la notion de mutation qui modifie la séquence de nucléotides de l’ADN et qui est à l’origine de nouveaux allèles à partir d’allèles préexistants. L’originalité du nouveau programme de seconde sur ce point porte sur l’approche des mécanismes qui assurent l’expansion de nouveaux allèles au fil des générations, notamment la dérive génique.
  • Jusqu’ici l’étude de la variabilité génétique n’était pas approfondie en première en dehors du fait qu’on envisageait  les conséquences phénotypiques des différences génétiques entre individus. En revanche, en terminale, dans la partie « Stabilité et variabilité des génomes et évolution », on évoque les innovations génétiques et notamment les différents types de mutations : diverses mutations ponctuelles, duplications de motifs dans la séquence d’un gène, duplications de gènes.

Avec les nouveaux programmes de second cycle, c’est en première S qu’est enrichie l’étude de la variabilité génétique. Le programme de terminale S indique d’ailleurs que les études sur « De la diversité des gènes à la diversité des génomes » et celles sur « Vers une vision dynamique de la biodiversité » s’appuient sur les mutations étudiées à l’échelle moléculaire en première S. En terminale, outre le brassage génétique assuré par la reproduction sexuée, on complète par d’autres mécanismes de diversification des génomes : hybridations suivies de polyploïdisation, symbioses.

b - Réflexions sur l’étude de la variabilité génétique dans le nouveau programme de première S

Du double sens du mot mutation

Le terme de mutation fait référence au mécanisme qui provoque une modification de la séquence d’ADN et à la modification qui résulte de cet évènement. Le terme de mutation s’emploie pour désigner à la fois une variation de séquence et l’évènement qui l’a causée. Il désigne à la fois un processus et le produit de ce processus, c'est-à-dire la séquence mutée.

Dans la colonne « Connaissances » du programme, on cible sur le processus : une mutation est une erreur qui intervient au cours de  la réplication de l’ADN (ou un dommage à l’ADN sous l’action d’agents mutagènes comme les UV) qui n’est pas corrigée par les systèmes enzymatiques de réparation de l’ADN.

Dans la colonne « Capacités et attitudes », on trouve : utiliser des logiciels pour caractériser des mutations. Là, on cible sur le deuxième sens du terme de  mutation c'est-à-dire sur les produits, les résultats de l’erreur non réparée. 

  • L’étude des mécanismes de la réplication de l’ADN entraînant des erreurs ainsi que ceux  de réparation exigent des connaissances sur la réplication de l’ADN et les enzymes en jeu qui vont bien au-delà de la classe de première S. Autrement dit, il n’y a guère d’activités pratiques à conduire en rapport avec les connaissances du programme. La plus évidente est en rapport avec le phénotype « Xéroderma pigmentosum », où il y a un dommage causé à l’ADN par les UV et non réparé par suite d’une mutation d’un des gènes intervenant dans la réparation de l’ADN. En outre cette activité permet d’envisager à la fois mutation germinale et mutation somatique.
  • Dans la colonne du programme, on ne trouve que peu de chose sur le deuxième sens du terme de mutation c'est-à-dire sur les différents types de changements de la molécule d’ADN  résultant des erreurs non réparées. Il est uniquement mentionné que les mutations sont la source aléatoire de la diversité des allèles, fondement de la biodiversité. C’est un usage trop restrictif du terme de mutation : les duplications d’une portion de gène (d’un exon par exemple, d’un triplet (triplet CAG pour le gène de la hungtitine), la duplication de gène), sont des mutations au même titre que les substitutions, insertions ou délétions ponctuelles. D’ailleurs, dans la partie du programme sur la vision, on dit : « que les gènes des pigments rétiniens constituent une famille multigénique, issue de duplications. Le terme de mutation désigne tout changement aléatoire touchant une séquence d’ADN, ou affectant l’agencement des gènes ou leur nombre (M.Harry : Génétique moléculaire et évolutive. Maloine)
  • D’un point de vue scientifique, il est légitime d’insister sur le mécanisme général de la mutation : erreur ou dommage de l’ADN non réparé. Cela risque toutefois de renforcer le préjugé négatif qui accompagne souvent le terme de mutation car il évoque en premier lieu quelque chose d’anormal. Ce préjugé va être renforcé par l’étude des maladies héréditaires comme la mucoviscidose ou les maladies plurifactorielles et les cancers de la partie du programme « Corps humain et santé ». Or l’intention majeure du programme est de faire saisir que les mutations sont à l’origine  de la biodiversité. Il apparaît donc utile d’envisager un exemple en rapport avec cette idée. Un exemple particulièrement parlant est celui des « Poissons des glaces ».
  • Dans le libellé du programme de première, l’étude de la variabilité génétique est placée avant celle de l’expression du patrimoine génétique. Il est évident qu’à un moment donné l’étude des mutations doit se prolonger par celle de leurs conséquences phénotypiques. Dans les exploitations proposées avec Anagène, on associe systématiquement les deux.

B - Anagène et l’étude de la variabilité génétique.

a - Ressources disponibles

  • Pour étudier les différents types de mutations  ponctuelles (substitutions silencieuses, faux sens, non sens, les délétions et insertions) et leurs conséquences : voir brochure Anagène : allèles de la chaîne bêta de l’hémoglobine, allèles du gène de l’antitrypsine, allèles du gène de la G6PD. En outre, ces exemples permettent de travailler sur la filiation entre allèles, donc sur l’histoire évolutive du gène.
  • Pour envisager les mutations résultant d’une expansion d’un triplet, exemple des allèles du gène IT15 codant pour la hungtitine ; à partir de cet exemple introduire la notion de mutation germinale (en rapport avec néomutation).
  • Pour envisager les duplications de gènes,on peut se référer aux familles multigéniques des globines, des hormones hypophysaires et des opsines. Les données sur la famille multigénique des globines permettent non seulement de montrer l'homologie de ces gènes à partir de la comparaison des séquences codantes, mais aussi de leurs structures en exons et introns.

 

b – Deux mécanismes génétiques accroissant la diversité des protéines produites.

  • Les gènes GH1 et GH2 et la notion de duplication de gène

En se limitant aux deux gènes GH1 et GH2, on peut faire le point sur deux des mécanismes contribuant à la diversité des protéines produites par un organisme.

- L’un est l’épissage alternatif qui existe pour les deux gènes. Certes, on ne connaît pas l’importance physiologique de cet épissage alternatif au sein d’un même type cellulaire, et il est possible qu’elle soit nulle. Néanmoins d’un point de vue pédagogique, étant donné la structure relativement simple de chaque gène, c’est un bon support pour dégager la notion d’épissage alternatif.

- Le deuxième mécanisme est la duplication de gènes. Les deux gènes partagent la même structure en exons et introns et présentent de fortes similitudes dans leurs séquences codantes. Les deux polypeptides (22 Kda) les plus abondants codés par les deux gènes ne diffèrent que par 13 acides aminés. La notion de duplication de gène peut donc être facilement dégagée. Elle est reprise dans le programme à propos de la vision (famille multigénique des opsines). Ce qui est intéressant est qu’outre les mutations ponctuelles survenues après la duplication, il y a une expression tissulaire propre à chacun des deux gènes, faisant qu’un des gènes intervient dans la croissance prénatale et l’autre dans la croissance postnatale. On retrouve l’idée d’une régulation de l’expression des gènes.

Même s’il existe aussi un épissage alternatif pour le gène GH2, on peut se limiter au variant 1 de l’ARN messager de ce gène qui code pour un polypeptide de 22 Kda.

Flèche.jpegTélécharger le fichier : GH2.edi

On dispose de la séquence du gène, de celle de l’ARN pré-messager et celle de l’ARNm (variant 1). Il est donc possible de déterminer avec la fonction dotplot la structure en exons et introns du gène GH2 et de la comparer avec celle de GH1.

Ensuite grâce à la fonction de comparaison d’Anagène, on peut comparer les séquences de l’ARNm des variants 1 de chaque gène et donc constater leur grande similitude. La comparaison peut être poussée jusqu’au niveau des polypeptides. L’interprétation des résultats obtenus conduit à la notion de duplication de gènes.


 

 

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