Famille multigénique des globines

–   Gènes des globines (Rappel)

Les globines humaines représentent d’une part les globines qui constituent l’hémoglobine et d’autre part la myoglobine présente dans les cellules musculaires.

Toutes les hémoglobines humaines sont constituées de quatre chaînes polypeptidiques de globines identiques deux à deux. Chaque molécule d’hémoglobine est un tétramère formé par l’association de quatre chaînes polypeptidiques identiques deux à deux.

L’être humain, au cours de sa vie, produit plusieurs globines différentes : Bien que n’ayant pas la même longueur (141 acides aminés pour les globines alpha 1 et alpha 2, thêta et zêta, 146 acides aminés pour les globines bêta, gamma, delta, epsilon, gamma A et gamma G), toutes ces globines sont fonctionnelles et ont un rôle semblable (fixation et transport du dioxygène grâce au groupement hème).

Avant la naissance, les hématies du fœtus contiennent de l’hémoglobine fœtale constituée de deux chaînes de globine alpha et de deux chaînes de globine gamma.

Après la naissance, les hématies contiennent de l’hémoglobine adulte A, très largement majoritaire (97 %), de l’hémoglobine D (2 %) et de l’hémoglobine F (environ 1 %).

Chaque globine est codée par un gène.

Les gènes des globines sont répartis sur deux chromosomes différents :

• les gènes de type alpha sont regroupés sur un chromosome (le chromosome numéro 16) ;

• les gènes de type bêta sur un autre (le chromosome numéro 11).

La disposition des gènes de la globine humaine le long des chromosomes correspond à l’ordre dans lequel ils sont exprimés au cours du développement.

Cartes de la famille des gènes codant les chaînes de type alpha et bêta de l’hémoglobine humaine Les gènes embryonnaires sont représentés en bleu, les gènes foetaux en vert, les gènes adultes en jaune et les pseudogènes en rouge :

• Sur le chromosome 16 on trouve de gauche à droite les gènes zêta en bleu, fz et fa1 en rouge et alpha1 puis alpha2 et thêta en jaune ;

• Sur le chromosome 11, on trouve de gauche à droite les gènes epsilon en bleu, Gamma G et gamma A en vert, fb en rouge, delta et bêta en jaune. Les pseudogènes ne codent pas pour des protéines fonctionnelles ; la maturation de l’ARNm ou sa traduction sont bloquées.

Tous les Vertébrés à l’exception des Lamproies et Myxines possèdent au moins deux gènes de globine : le gène bêta et le gène alpha.

Toutes les molécules de bêta globine des Vertébrés sont homologues ; il en est de même des molécules d’alpha globine.

Les gènes des globines forment une famille multigénique

L’exploitation des données fournies permet de bâtir les notions relatives à l’apparition de nouveaux gènes par duplication génique suivie de mutations.

Les gènes de la famille des globines codent pour des protéines ayant conservé globalement la même fonction (fixation de dioxygène grâce au groupement hème). La disposition des différents gènes de cette famille sur deux chromosomes différents permet d’aborder le phénomène de transposition (ou translocation) génique.

Quelques données paléontologiques sont utilisables pour dater approximativement certaines duplications géniques.

Fichiers des séquences

• Nucléiques : Globines humaines - ADN.edi : séquences nucléiques représentant la partie strictement codante (du codon d’initiation au codon stop) des gènes de globines humaines (alpha 1, alpha 2, bêta, gamma A, gamma G, zêta, delta, epsilon, thêta, myoglobine) ;
• Protéiques : Globines humaines - Protéines.edi : séquences protéiques des globines humaines (alpha 1, alpha 2, bêta, gamma A, gamma G, zêta, delta, epsilon, thêta, myoglobine).
• Molécules en 3D : Globines 3D.zip contient les fichiers .pdb suivants : alphahom.pdb, betahom.pdb, gammahom.pdb et zetahom.pdb.
• Globines bêta (protéiques) de divers vertébrés : Globines-bêta-vertébrés.edi

Des similitudes de structure et de fonction pour les globines humaines

Toutes les globines humaines, globines alpha, bêta, zêta, gamma G, gamma A, epsilon présentent des structures qui se ressemblent : de telles similitudes confortent l’idée d’une origine commune.

Similitudes des séquences protéiques et nucléiques

Les séquences nucléiques ou les séquences peptidiques des globines humaines présentent un degré de similitude qui ne peut être dû au hasard. Les globines sont des protéines homologues qui dérivent donc d’un même gène ancestral (de la même façon, on observe des similitudes dans l’organisation de ces différents gènes : ils possèdent tous trois exons et deux introns et ont des longueurs proches). Les gènes des globines forment donc une famille multigénique.

Afin d’établir l’arbre de filiation des gènes de cette famille de globines humaines, on relève les simulitudes entre les séquences nucléiques de ces gènes, ce qui permet de construire une matrice :

On déduit de cette matrice l’arbre d’évolution probable des gènes des globines humaines :

Arbre de filiation des globines humaines obtenu avec le logiciel Phylogène

Les mécanismes à l’origine de cette famille multigénique

Chaque nœud de l’arbre correspond à une duplication génique ; sur chaque branche, des mutations différentes ont été fixées (les mutations apparaissant au hasard), responsables d’une évolution indépendante des deux duplicatas.

Un phénomène de translocation est à faire intervenir pour expliquer la localisation des gènes sur des chromosomes différents. Cette translocation (ou transposition) a dû accompagner la duplication à l’origine des deux familles de gènes (famille alpha et famille bêta).

Tous les Vertébrés, à l’exception des Agnathes, ayant deux gènes de globine (alpha et bêta) et les plus anciens poissons étant datés d’environ 450 mA alors que les premiers Vertébrés sont apparus il y a environ 550 mA, on en déduit que la première duplication a dû avoir lieu entre ces deux dates.

Il est possible de proposer divers exercices utilisant les documents sur l’arbre d’évolution des gènes de globine et sur les dates d’apparition des principales classes de Vertébrés.

Par exemple, l’arbre indique une date de 200 millions d’années pour la duplication gamma–bêta, bien antérieure à l’apparition des différents ordres de Mammifères. On peut demander aux élèves de tester cette donnée à l’aide des séquences des globines bêta et gamma humaines et de la globine bêta du Chien.

La comparaison de ces séquences montre que les similitudes entre la globine bêta humaine et la globine bêta du Chien sont plus importantes qu’entre les globines bêta et gamma humaines. Cela signifie que la divergence Primates/Carnivores est postérieure à la duplication bêta-gamma. L’ancêtre commun à l’Homme et au Chien possédait déjà deux gènes bêta et gamma. C’est un caractère ancestral, la duplication ayant eu lieu bien avant, au tout début de l’histoire des Mammifères placentaires.