J. Barrère 

M. Dupuis

J-C Hervé

Une approche des phénomènes à l'origine des innovations 
génétiques à partir de l'exemple des globines
(Démarche pédagogique proposée par : Jacques Barrère, Jean-Claude Hervé, Monique Dupuis) 

• Les mutations sont à l'origine du polymorphisme génique
• Un mécanisme à l'origine de l'apparition de nouveaux gènes : la duplication génique suivie de mutations
• Le devenir des innovations génétiques (maintien ou non de ces innovations au sein des populations)

Prérequis :

• structure de l'ADN
• notions de gène et d'allèles
• expression de l'information génétique, code génétique
• relations génotype/phénotype/environnement

• les différents types de mutations ponctuelles et leurs conséquences phénotypiques
• la notion de polymorphisme génique

Prérequis :

• structure d'une globine
• notion de molécules homologues
• signification évolutive de l'homologie moléculaire
• principe d'établissement de parentés entre organismes à partir de données moléculaires

1. Découverte de la notion de famille multigénique et de sa signification évolutive
2. Les mécanismes à l'origine de l'apparition de nouveaux gènes de globine
3. Datation des duplications géniques
4. Reconstitution de l'histoire de l'ensemble des gènes de la famille des globines

1 - Découverte de la notion de famille multigénique et de sa signification évolutive

NB : dans la démarche proposée ci-dessous, on n'utilise que les données concernant 5 globines (les globines alpha 1, alpha 2, bêta, gammaA et delta - Fichiers globines-humaines).

La même démarche est possible à partir d'un plus grand nombre de gènes de globines (les globines précédentes + espilon1, theta, zeta, myoglobine, gammaG) : utiliser alors les fichiers toutes-globines-humaines)
 

Ressources	Activités	Résultats et conclusions
Documents : Structure 3D d'une hémoglobine A humaine (tétramère). Les différentes globines produites par l'homme Comparaison des structures 3D de quelques unes de ces globines (avec l'hème) Localisation des gènes de ces globines Séquences : séquences protéiques globines humaines : bêta, alpha, alpha2, delta, gamma séquences des gènes codant pour ces globines  Utilisation du logiciel Anagène ou du logiciel Phylogène (fichiers séquences en ".aln" pour utilisation avec Phylogène, en ".edi" pour utilisation avec Anagène : globinesPro.edi; globinesADN.edi; globines.aln )	Poser le problème à partir de ces documents                              Comparer les séquences protéiques des 5 globines, et quantifier les différences  avec le logiciel Anagène: choisir un alignement avec discontinuités ; on peut obtenir des informations sur la fenêtre de comparaison en pointant le curseur devant la ligne traitement et en demandant ces informations (sont alors fournis les % d'identités entre les molécules) ; en changeant de ligne de référence, on peut ainsi obtenir toutes les valeurs nécessaires au remplissage d'une matrice des similitudes. avec le logiciel Phylogène : on peut obtenir la matrice des différences en cliquant sur Matrice  Faire de même avec les séquences nucléiques des gènes correspondants  Exploiter les informations obtenues pour préciser les parentés entre les molécules protéiques et entre les gènes correspondants (un arbre de parenté traduira les conclusions obtenues)   si l'on a travaillé avec Anagène, l'arbre est à construire manuellement si l'on travaille avec Phylogène, l'arbre peut être obtenu directement en cliquant sur "arbre"	Comment expliquer l'existence de plusieurs gènes codant pour des protéines ayant une structure 3D très voisine et le même rôle ?  On peut faire l'hypothèse d'une parenté entre ces gènes.                   Les séquences protéiques des 5 globines considérées sont très semblables (et même identiques pour alpha1 et alpha2), ce qui fait que ces protéines sont homologues, et donc que les gènes qui les codent sont aussi homologues. Cette homologie permet donc de dire que toutes ces molécules dérivent d'une même molécule ancestrale commune, donc que tous ces gènes dérivent d'un même gène ancestral commun. On appelle famille multigénique un ensemble de gènes homologues présents chez un même organisme. Une comparaison plus précise permet d'évaluer le nombre de différences (ou le nombre de similitudes) entre ces molécules protéiques, ou nucléiques. Les résultats sont présentés dans une matrice : Matrice des similitudes obtenue avec les valeurs fournies par le logiciel Anagène Matrice des différences obtenue avec le logiciel Phylogène Les parentés entre ces gènes (ou entre ces protéines) peuvent alors être précisées en appliquant le principe suivant : plus il y a de similitudes et plus la parenté est grande.  (Arbre obtenu avec le logiciel Phylogène)

2 - Les mécanismes à l'origine de l'apparition de nouveaux gènes de globine
 

Ressources	Activités	Résultats et conclusions
	A partir de l'arbre obtenu précédemment, proposer des arguments en faveur d'un mécanisme de duplication génique suivi de mutations indépendantes. Donner une signification aux noeuds de l'arbre.	Cet arbre suggère l'existence d'un gène ancestral unique, à partir duquel sont apparus successivement au cours du temps d'autres gènes de globine.  Chaque noeud doit ainsi correspondre à l'apparition de deux gènes à partir d'un seul. Ce phénomène, qui consiste à obtenir deux gènes identiques à partir d'un gène ancestral est la duplication génique. Les différences aujourd'hui constatées entre les gènes des globine s'expliquent par l'apparition et la fixation de mutations différentes dans les deux exemplaires du gène obtenus après duplication. Ces mutations se font de façon aléatoire, donc indépendante, pour chaque gène. La famille des globines est donc issue de duplications et diversifications de gènes.

3 - Datation des duplications géniques 
 

Ressources	Activités	Résultats et conclusions
Document : les globines présentes chez différents groupes de Vertébrés et les dates d'apparition de quelques groupes de Vertébrés	Mettre en relation les informations apportées par les documents proposés avec l'arbre obtenu précédemment, de façon à donner un cadre temporel à cette phylogénie, et donc à dater approximativement les duplications géniques.	Tous les Vertébrés, à l'exception des Agnathes, ayant deux gènes de globine (alpha et bêta) et les plus anciens gnathostomes (vertébrés à mâchoires) 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.  En suivant un raisonnement similaire, on peut considérer que la duplication à l'origine du gène delta date d'environ 40 mA. Arbre résumant l'histoire évolutive des gènes de la famille des globines

(Généralisation à l'ensemble des globines)

Matrice des différences et arbre obtenus avec le logiciel Phylogène

Le devenir des innovations génétiques (maintien ou non de ces innovations au sein des populations)

Prérequis

• Les divers types d'innovations génétiques (mutations ponctuelles et duplications)
• Les différents niveaux de définition du phénotype appliqués au phénotype drépanocytaire
• Les notions d'homozygotie et d'hétérozygotie
• Les bases de la phylogénie établie à partir de données moléculaires

 
• Les mutations apparaissent au hasard chez les individus et touchent de façon aléatoire les gènes. 

1. La notion de la notion de sélection naturelle (avantage et désavantage sélectif)
2. Expansion des  mutations neutres (dérive génique)

Le maintien de ces innovations dans les populations dépend des conséquences de ces mutations sur le phénotype et parfois de facteurs de l'environnement. 
 

Ressources	Activités	Résultats et conclusions
Documents :  Conséquences cliniques de la drépanocytose Cartes de répartition de l'allèle HbS et du paludisme                                                Document : mortalité des individus d'une population en fonction de leur génotype pour le gène de la beta globine	En prenant en compte les conséquences cliniques de la drépanocytose, proposer une explication au fait que la fréquence de l'allèle HbS soit normalement très faible dans les populations, par rapport à l'allèle HbA.     Comparer les deux cartes fournies de façon à poser le problème du maintien à une fréquence élevée de l'allèle HbS dans certaines populations et à dégager la notion de sélection naturelle.                                                 Exploiter le document fourni pour discuter de la notion de sélection positive et de sélection négative et ainsi proposer une explication au maintien à une fréquence assez élevée de l'allèle HbS dans les populations soumises à un environnement inpaludé.	Les individus homozygotes HbS/HbS ont des chances de survie limitées, et donc peu de chances de se reproduire et de transmettre ces allèles. La transmission ne peut donc être assurée que par les individus hétérozygotes, alors que l'allèle HbA est transmis par les individus hétérozygotes et par les homozygotes HbA/HbA L'allèle HbS se maintient dans certaines populations africaines et asiatiques à une fréquence élevée (alors que sa fréquence devrait être normalement faible). La comparaison des cartes fournies met en relation le maintien de cet allèle à une fréquence assez élevée (10 à 15 %) avec le fait que ces populations vivent dans des régions où le paludisme sévit de façon importante à l'état endémique. On se retrouve donc devant le problème suivant : la fréquence dans une population humaine d'un allèle (HbS), apparu par mutation au hasard, est en corrélée avec un facteur de l'environnement, la présence à l'état endémique du paludisme: dans un environnement sans paludisme cette fréquence est faible dans un environnement avec paludisme, cette fréquence est plus élevée On peut donc supposer que ce facteur de l'environnement a une influence sur le maintien et la transmission de l'allèle HbS : on parle alors de sélection naturelle.   On constate que la mortalité réelle des individus hétérozygotes dans un environnement impaludé est nettement inférieure à celle attendue. On parle de sélection positive. Les individus hétérozygotes se trouvent donc favorisés par rapport aux individus homozygotes A/A (les individus S/S ayant une très forte mortalité), et ont donc une probabilité plus grande de transmettre leurs allèles de génération en génération, ce qui explique la fréquence plus élevée de l'allèle S dans les populations vivant dans un environnement impaludé, que dans celles vivant dans un environnement non impaludé.

2 - Notion de mutations neutres
 

Ressources	Activités	Résultats et conclusions
Séquences : 6-globines-beta-Vertebres.edi (six espèces seulement pour utilisation avec le logiciel Anagène) NB : toutes ces chaînes bêta font partie de molécules d'hémoglobines ayant des capacités similaires à transporter le dioxygène.  NB Deux fichiers comportant un plus grand nombre d'espèces de vertébrés sont également disponibles :  - alpha-globines-Vertebres.edi - beta-globines-Vertebres.edi contenus dans le fichier globines-vertebres.zip	Comparer les séquences de globine bêta de différents vertébrés et repérer des sites très variables et des sites conservés.     Proposer une explication à l'existence des sites conservés et des sites très variables, en supposant que le taux d'apparition des mutations est le même sur toute la molécule.	Résultats des comparaisons avec Anagène et localisation des sites sur la molécule 3D : sites très variables sites conservés Les mutations apparaissent au hasard, avec à priori la même fréquence tout au long de la molécule. On constate cependant que certains sites sont particulièrement variables d'un taxon à l'autre, alors que d'autres sites sont très identiques. La localisation sur la molécule 3D montre que les sites conservés sont en règle générale situés autour de l'hème. On peut donc supposer qu'un changement dans la séquence des acides aminés dans ces secteurs doit avoir des répercussions sur la fixation de l'hème ou la structure spatiale de la molécule dans cette région, et donc altérer la fonction de la globine. Ainsi, les individus porteurs de ces mutations doivent être "désavantagés", donc ces mutations se transmettent beaucoup moins ou pas du tout et finissent par être éliminés. En revanche, des changements d'acides aminés qui ne sont pas importants pour le maintien de la structure spatiale de la globine ou la fixation de l'hème n'ont pas d'effet sur la survie ou la reproduction des individus qui les portent. Ils ne confèrent donc aucun avantage sélectif. Et pourtant leur présence dans les populations des espèces actuelles indique que ces mutations apparues à différents moments de l'histoire des lignées, se sont répandues dans les populations, et transmises aux espèces successives des lignées. La conservation de ces mutations dites neutres est aléatoire (mécanisme de la dérive génique, hors programme).