7.1. Matériel génétique et hérédité
7.1.1. De l'ADN aux chromosomes7.1.2. Cycle cellulaire et divisions7.1.3. Eléments de génétique
Cours L. Roy
� Nous sommes tous différents : - 2 individus (même frères ou sœurs)
sont toujours différents (sauf jumeaux vrais)
- Nombre de combinaisons possibles de chromosomes, de gènes sur les chromosomes immense
Rappel
Brassage intrachromosomique : prophase I
Brassage interchromosomique : métaphase I + anaphase I
� Implication du hasard dans la formation de la diversité, aux différents niveaux d’organisation :
� Mutations (substitutions, insertions/délétions) lors de la réplication de l’ADN (erreurs contribuant à former la diversité …)
� brassages intra- et interchromosomiques aléatoires au cours de la formation des gamètes (méiose)
� sélection aléatoire du spermatozoïde et de l’ovocyte lors de la fécondation
Molé-cules
cellules
organes
organismes
populations
écosystèmes
4. D'une génération à l'autre
Génétique : science étudiant la façon dont se transmettent les gènesGène : unité de base de l'hérédité (sous la forme d’un segment d’ADN localisé sur un chromosome)Terme proposé en 1909 par Wilhelm Johannsen, avant la découverte des propriétés de l’ADN
Gamètes : cellules sexuelles, spermatozoïdes et ovules
Un peu d’étymologie …
Génétique, gène : radical indo-européen gen-/gon- comme dans « géniteur », « gonades », « engendrer », …Gamètes : du grec gametê = « épouse »Hérédité : du latin hereditas = « héritage », de heres, heredis = « héritier, légataire »
Notion de ‘facteur’ = gèneLargement ignoré jusque
vers 1900
Chromosomes homologues : portent les mêmes gènes, agencés de la même façon
Mais chaque gène n’est pas forcément représenté par le même allèle
4.2 - L'hérédité
Gène « O »
Paire de chromosomes homologues
Un peu d’étymologie …
Allèle : du grec allêlôn, « l’un l’autre » → l’une des formes alternatives d’un même gène
Pour un gène donné, un individu peut posséder un seul allèle (le même sur les 2 chromosomes de la paire) ou deux allèles (une forme différente sur chaque chromosome).
Allèle O’Allèle O’’
� Un locus = une sorte d’”adresse” sur un chromosome, oùun gène est localisé chez l’ensemble des membres d’uneespèce donnée� Rq: on parle aussi de locus pour designer la localisation d’une
mutation ou d’un autre type de marqueur génétique
Locus = mot latin signifiant lieuPluriel : loci
Pluriel : lociLocus = mot latin signifiant lieuPluriel : loci
� Thomas Hunt Morgan in his Drosophila cross
Twaanders17
Aperçu de la cartographie des gènes de drosophiles réalisée par Thomas H. Morgan à partir de ses résultats de croisement contrôlé
• Version d'un gène• Les allèles d’un gène
diffèrent entre eux par leur séquence d’ADN
Allèle
• Unité fonctionnelle (portion d'ADN)Gène
• Localisation d'un gène sur un chromosome
Locus
Les caractères portés par les gènes d’un
individu ne « paraissent » pas
nécessairement
� Phénotype � Caractéristique ou ensemble de
caractéristiques physiques observables d’un organisme � peut concerner sa morphologie,
sa physiologie, certains traits de son comportement
� Génotype� Constitution génétique d’un
organisme� considérant un locus ou un petit
nombre de loci, en relation avec le phénotype correspondant
Un peu d’étymologie …
Phénotype : du grec phainein = « paraître »
Génotype : de « gène »
• Un individu peut avoir 2 allèles identiques ou non (au sein de la paire de chromosomes homologues)
• Souvent, un allèle est "dominant" sur l'autre• La présence de l’un peut masquer la présence de l’autre
• Ex. allèle ‘yeux marron’ dominant sur l’allèle ‘yeux bleus’
• Allèle ‘yeux bleus’ = allèle récessif
• Individu porteur de 2 allèles identiques : = individu homozygotepour le locus considéré
• Individu porteur de 2 allèles différents = individu hétérozygotepour le locus considéré
Autre exemple : allèle Rh+ dominant sur Rh-sur chr. 1 (système rhésus du groupe sanguin) :
Génotypes Rh+//Rh+ ou Rh+//Rh- � Phénotype Rhésus + Génotypes Rh-//Rh- � Phénotype Rhésus -
Certains allèles sont codominants : les 2 s'expriment simultanément
7.6.2 - Génotype et phénotype
Ex. Groupe sanguin du système "ABO"
� Pour le gène déterminant le groupe sanguin du système "ABO", 3 allèles possibles
� allèle A� allèle B� allèle o
codominants
récessif
Conventions standard de notation des allèles :2 mêmes lettres pour 2 allèles (sauf exceptions)- majuscule pour les allèles dominants et codominants- minuscule pour les allèles récessifs- allèles portés par un individu séparés par // : ex. Rh+//Rh+
Ex. Groupe sanguin du système "ABO"� Chacun d’entre nous porte 2 allèles, identiques
ou différents, un sur chaque chromosome de la paire 9
� Le gène déterminant le groupe sanguin du système "ABO" dirige la synthèse d’une protéine présente sur les globules rouges
• allèle A → protéine A
• allèle B → protéine B
• allèle O → ni protéine A ni protéine B
Cas du groupe sanguin du système "ABO"
7.6.2 - Génotype et phénotype
ni A ni B.protéine A protéine B protéines A et B
→ 4 groupes sanguins (PHENOTYPES)
6 combinaisons possibles, les GÉNOTYPES :
A//A et A //o B//B et B //o A//B o//o
groupe [A] groupe [B] groupe [AB] groupe [O ]
Cas du groupe sanguin du système "ABO"7.6.2 - Génotype et phénotype
� Gregor Mendel (1822-1884)
� Moine catholique au monastère Saint-Thomas (actuelle Rép. Tchèque)
� Botaniste
1er à analyser de manière systématique la transmission héréditaire de caractères
(morphologiques)
� a déduit de ses résultats d’expérimentation les règles fondamentales de la génétique
⇒ lois de l’hérédité
– aisémentmanipulables
– autofécondables
Etamines
Carpelle
Petit pois
‘Facteur’ dominant ‘Fact.’ récessif
Blanche
Forme de la gousse Gonflée Ajustée
Position de la fleur
Couleur de la gousse
Couleur de la fleur Violette
Axiale Terminale
Verte Jaune
Haute Naine
Aspect de la graine Lisse Ridée
Couleur de la graine Jaune Verte Longueur
de la tige
‘Facteur’ dominant ‘Fact.’ récessif
Croisements contrôlés → observation des phénotypes des parents et des descendants
Génération P(parents de lignées “pures”)
Tous les hybrides F1 ont des fleursviolettes
Croisementsentre plants F 1 (F1 × F1)
Génération F 2
3/4 des plantsà fleursviolettes
1/4 des plants à fleursblanches
Fleursviolettes
Fleursblanches
Génération F 1
Croisements monohybrides:
Si l'on croise 2 individus de lignées « pures » (= homozygotes pour un caractère observé), tous les descendants de la première génération (= « hybrides F1 ») sont identiques.
Ratio fleurs violettes/fleurs blanches en génération F2 = 3:1
� Echiquier de Punnett : explication des résultats de croisements monohybridesà la F2
� Lorsqu’on croise des individus de F1, on trouve à nouveau dans la F2 les deux versions de la couleur des fleurs dans des proportions bien définies
Plants parents Parent P//P
p
Plants F 1:(hybrides) All Pp
1/2
Parent p//p
All P All
P 1/2
P
p
PP
Pp Pp
Plants F 2:Gam. ♀ Gam. ♂
p
P
Ratio phénotypique3 violettes : 1 blancheRation génotypique1 PP : 2 Pp : 1 pp
p
pp
Gamètes
Gamètes
� Que se passe-t-il lorsque l’on s’intéresse à la transmission de plus d’un caractère à la fois ?
� Comment 2 caractères différents se transmettent-ils à la descendance ?
Croisements dihybrides
RRYY rryy
Gamètes RY ry
RrYy
ry
Ry
rY
RY RY
rY
Ry
ry
RRYY
RrYY RrYY
RRYy rrYY RRYy
RrYy RrYy RrYy RrYy
rrYy RRyy rrYy
Rryy Rryy
rryy
9/16JAUNE ROND
3/16vert ROND
3/16JAUNE ridé
1/16 vert ridé
Croisementsdihybrides
RrYy RrYy
Ratio 9:3:3:1
Gam. ♀ Gam. ♂
Rr: ROND ou ridéYy: JAUNE ou vert
Ou loi de l’assortiment indépendant
� Les alleles de chaque paire ségrègentindépendamment des autres pairesdurant la formation des gametes
� Cette règle ne s'applique que
� si les gènes responsables des caractéristiques se situent sur différents chromosomes
� ou s'ils sont éloignés sur le même chromosome
Explication a posteriori= méiose (div. I)
Répartition aléatoire des 2 membres de chaque paire de chr.
Recombinaisons
� Aujourd’hui, on sait que :� certains caractères sont co-
dominants (ou à dominance incomplète)
� la 3ème loi ne s’applique pas aux loci situés à proximité l’un de l’autre sur le même chromosome (gènes « liés »)
� Dans ces cas, la combinatoire mendélienne ne s’applique pas
RougeRR
Gamètes R r
RoseRr
Gamètes 1/2 R 1/2 r
1/2 R 1/2 R
1/2r1/2 rRouge
RRRose
rRRose
Rr
Blancrr
Gam. ♀ Gam. ♂
Blancrr
� Si Mendel avait travaillé sur des gènes à dominance incomplète et/ou sur des gènes liés, il n’aurait pas pu déduire ses lois de l’hérédité
RougeRR
Gamètes R r
RoseRr
Gamètes 1/2 R 1/2 r
1/2 R 1/2 R
1/2r1/2 rRouge
RRRose
rRRose
Rr
Blancrr
Gam. ♀ Gam. ♂
Blancrr
1re loi de Mendel (loi d’uniformité des hybrides de première génération)
Parents Génotype Rh -//Rh- Rh+//Rh+
Gamètes Rh- Rh+
% (100%) (100%)
Enfants Génotype Rh -//Rh+
Phénotype [Rh +] 100%
Phénotype [Rh -] [Rh +]
4.2 - L'hérédité
1re loi de Mendel
L'union de 2 homozygotes différents donne 100% de descendants hétérozygotesdont le phénotype est celui de l'un des deux parents (pour le caractère considéré)
4.2.3 - Notions de génétique formelle
Parents Rh -//Rh- Rh+//Rh+
Rh- Rh+
Enfants Rh-//Rh+
[Rh+] 100%
[Rh -] [Rh +]
A la méiose, les homologues se séparent :
Ex : Parents hétérozygotes (Rh+//Rh-)
50 % des gamètes paternels portent Rh +, 50% Rh-
50 % " maternels " Rh +, 50% Rh-
2ème loi de Mendel (loi de disjonction des allèles)(ou loi de pureté des gamètes)
4.2.3 - Notions de génétique formelle
P Génotype Rh+//Rh- Rh+//Rh-
Gamètes Rh+ et Rh- Rh+ et Rh-
Fréquences 0,5 et 0,5 0,5 et 0,5
L'union de 2 hétérozygotes donne :50% de descendants hétérozygotes25% de chacun des homozygotes
F1
Rh+//Rh+(0,25)
Rh+//Rh-(0,50)
Rh-//Rh-(0,25)
[Rh+] 0,75
[Rh -] 0,25
Rh-
0,5
Rh+
0,5
Rh- 0,5Rh+ 0,5
Rh-//Rh-
0,25
Rh+//Rh+
0,25
Rh+//Rh-
0,25
Rh+//Rh-
0,25
2ème loi de Mendel
4.2.3 - Notions de génétique formelle
Quel spermatozoïde (Rh+ ou Rh-) fécondera quel gamète femelle (Rh+
ou Rh-) ?
Rh+//Rh+ Rh+//Rh-Rh+//Rh- Rh-//Rh-
0,25 0,25 0,25 0,25
4 possibilités équiprobables
4.2.3 - Notions de génétique formelle
2ème loi de Mendel (loi de disjonction des allèles)
Représenta-tion de toutes ces possibilités sur un échiquier
� 1 chance sur 4 : enfant Rh +//Rh+
1 chance sur 4 : enfant Rh -//Rh-
2 chances sur 4 : enfant Rh +//Rh-
0,50,5
Gamètes mâles
0,5
0,5
} 0,75 Rh positif
} 0,25 Rh négatif
4 possibilités équiprobables
4.2.3 - Notions de génétique formelle
3ème loi de Mendel (ségrégation indépendante des caractères héréditaires multiples)
En considérant 2 gènes portés par des chromosomes différents, tout hétérozygote produit 4 types de gamètes.
Exemple :gamètes d'un double hétérozygoteA / o et Rh+ / Rh- (phénotype [A+])
A Rh+
0,25
A Rh-
0,25o Rh-
0,25
o Rh+
0,25
7.6.3 - Notions de génétique formelle
A Rh+0,25
A Rh -0,25
o Rh+0,25
o Rh -0,25
A Rh+0,25
[A +] [A +] [A +] [A +]
A Rh -0,25
[A +] [A -] [A +] [A -]
o Rh+0,25
[A +] [A +] [O +] [O +]
o Rh -0,25
[A +] [A -] [O +] [O -]
L'union de 2 hétérozygotesA/o et Rh+/Rh-
produira 4 (phéno)types de descendants :[A+],[A-],[O+],[O-]en proportions9/16, 3/16, 3/16, 1/16
Père MèreA/o et Rh +/Rh- x A/o et Rh +/Rh-
7.6.3 - Notions de génétique formelle
ENVIRONNEMENTGÉNOTYPE
PHÉNOTYPE
Caractéristiquesphysiques et physiologiques (hormones …), comportement, …
Maladies(Infections,
parasites)
autres gènes(environnement
génétique)
Climat(T°, humidité …)
Alimentation …
Société, famille
…
4.2.2 - Génotype et phénotype
Pour la plupart des traits, l’ENVIRONMENT affecte aussila correspondence entre phénotype et génotype
3 phénotypes 3 environnements1 génotype
CCNutrition moyenne
Ici, la variation dans le phénotype est la conséquence d’une variation dans l’environnement et non dans le génotype
Dans les expérimentations de Mendel, pas d’effet de l’environnement→ la variation phénotypique était bien
causée par la variation génotypique
Phe
noty
pe:
coul
eur
de g
rain
e
Froid Tempéré Chaud
Environnement
YYYy
yy
Chaque ligne = “norme de réaction” de chaque génotypeNorme de réaction d'un génotype = gamme des phénotypes associés selon les conditions environnementales
Nombreux traits affectés par l’environnement→ changement des correspondances génotype-phénotype
Phé
noty
pe: t
aille
Pauvre Moyen Riche
Environnement
CC
Ligne = “norme de réaction”Pour le génotype CC: UN génotype-TROIS phénotypes
3 Phenotypes 3 Environnements3 Genotypes
CCmoyen
Cc
cc
Les interactions entre génotype et environment complexifient les correspondancesgénotype-phénotype
Allèle
Gène
Locus
� Mutations géniques : substitutions, insertions, délétions → diversité des allèles
� Recombinaisons durant prophase I (méiose) → diversité des chromosomes
� Ségrégation indépendante des chromosomes de chaque paire durant métaphase I puis anaphase I (méiose) → diversité des jeux de chromosomes
� Recrutement des gamètes mâle et femelle au moment de la fécondation � mise en contact d'un jeu de 23 chromosomes donné
avec un autre jeu de 23 chromosomes
→ diversité paires de chromosomes, donc des génomes, des individus
� Au cours de la réplication de l’ADN (interphase, S), erreurs non corrigées → mutations
� Si cellule germinale avant méiose et si mutation viable, transmissible héréditairement
� Si sur gène codant une protéine, modification possible de la protéine
Rappel
� Maladies autosomales & maladies gonosomales
Caryotype humain : 2n = 46 chromosomes
Soit 22 paires d'autosomeset 1 paire de chromosomes sexuels, les gonosomes
XX � femmeXY � homme
Autosome→ grec autos, « soi-même »Gonosome→ grec gonê, « semence » (comme dans gonade)
� Certaines mutations sont viables mais associées à des pathologies
� Exemples� Drépanocytose : substitution non silencieuse A→T dans gène
codant une protéine du sang sur le chromosome 11� Mucoviscidose : le plus souvent, ∆F508 : délétion de 3 paires
de bases sur le chromosome 7 responsable de la perte de phénylalanine (F) en position 508 de la protéine CFTR (cysticfibrosis transmembrane conductance regulator)
� Certaines mutations sont viables mais associées à des pathologies
� Exemples� Chorée de Huntington : insertion d’un à plusieurs codons
(répétitions de CAG)� protéine huntingtine « normale » contient jusqu’à 26 répétitions de
glutamine (codon CAG)� Des dizaines d’allèles
� la mutation consiste en une expansion anormale d’une répétition de triplets CAG � <26 CAG répétés = allèles normaux� >40 CAG répétés = allèles pathologiques (27-39 répét. :
expression de la maladie variable)
Gènes portés par X
en un seul exemplaire chez l'homme (XY)
en double chez la femme (XX)
7.6.4 – Transmission de caractères génétiques
� CAS DES GÈNES LIÉS AU SEXE ou hérédité liée au sexe
� De nombreux gènes du chromosome X sans homologue sur le Y = gènes liés au sexe
Exemple du daltonisme
dû à un allèle récessif d
Locus situé sur le chromosome X
Génotypes possibles
Homme daltonien [d] : XdY
Homme non daltonien [D] : XDY
Femme daltonienne [d] : XdXd
Femme non daltonienne [D] : XDXD ou XdXD
7.6.4 – Transmission de caractères génétiques
� Chez un garçon, tout gène lié au sexe s'exprime (gène en un seul exemplaire)
� Chez une fille, l'allèle récessif porté par le chromosome X ne s'exprime que si elle est homozygote pour cet allèle
Raison principale : les filles peuvent être hétérozygotes, pas les garçons (les filles peuvent posséder un allèle récessif masqué par un allèle dominant)
Autre raison, pour certaines maladies invalidantes, les hommes atteints meurent jeunes et ont (avaient) rarement des enfants
→ pour qu'une fille soit homozygote (donc malade), il faut qu'elle ait reçu cet allèle de sa mère ET de son père (qui est malade !)
Pourquoi plus d'hommes sont-ils atteints de maladies dues à un gène porté par l'X (hémophilie, myopathie de Duchenne, daltonisme …) que de femmes ?
Ex. : en France, 8% d’hommes daltoniens XdY0,45% de femmes daltoniennes XdXd
Reste de la population : XDXd ou XDXD ou XDY
� Eléments de réflexion sur la transmissions des maladies gonosomales, avec l’exemple du daltonisme :
� Les fils d'un homme daltonien ne seront le plus souvent pas affectés (pas plus souvent que les hommes de la population générale), étant donné qu'ils reçoivent son chromosome Y et pas son chromosome X déficient
� Les fils d'une femme porteuse saine (hétérozygote pour le locus du daltonisme) ne seront daltoniens que dans un cas sur deux (indépendamment de génotype du père)
� Dans un couple daltonien, les fils et filles seront tous daltoniens étant donné que les chromosomes X transmis sont tous porteurs du gène récessif
Ex. drépanocytose
• Hématies fragiles détruites en excès: anémie hémolytique chronique� Fatigabilité
� Ictère conjonctival
� Splénomégalie
• Hématies rigides : obstructions des vaisseaux: crises vaso-occlusives.� Facteurs déclenchants:
� le froid
� la déshydratation
� le stress
� l’infection
Ex. drépanocytose
� Maladie génétique autosomalerécessive:� hémoglobine A � S (de l’anglais Sickle:
faucille).
� Anomalie de l’hémoglobine : � Quand la concentration en oxygène du
sang diminue, déformation des globules rouges (ou hématie) qui prennent alors la forme de faucilles, au lieu d'être biconcaves.
� Devenue problème de santé publique en France (plus de 10 000 patients suivis)
Un couple sain peut avoir un enfant
malade :
Si les 2 parents hétérozygotes, 3
enfants sur 4 peuvent être sains, 1 sur 4
peut être atteint
Ex. 1: Chorée de Huntington� Maladie héréditaire incurable dont les symptômes se
développent vers 30-45 ans→ dégénérescence neuronale
� affecte les fonctions motrices et cognitives� → démence + manifestations neurologiques� gestes incohérents, troubles de l'équilibre, léthargie
� Gène codant la protéine : plusieurs dizaines d’allèles possibles (nombre de répétitions de CAG > chez malade)
= une maladie héréditaire dominante
Chorée de Huntington = maladie autosomale dominanteH : allèle dominant déterminant la maladie *h : allèle « sain », récessif
� si un membre du couple hétérozygote, 1 enfant sur 2 pourra être atteint de chorée
H h
h H//h h//h
↓ Homme atteint H//hFemme →
non atteinte
h//h
Un homme de groupe sanguin [A] et une femme de groupe [B] ont 4
enfants dont les phénotypes sont [A], [B], [AB], et [O].
Indiquez le génotype de chacun de ces individus (en ce qui concerne
ce groupe sanguin), ainsi que les proportions théoriques des
enfants. Justifiez.
Individus Père Mère Enfant [A] Enfant [B] Enfant [AB] Enfant [O]
Génotype
Proportions
Dans notre espèce, les lobes d'oreilles ont une forme
déterminée par un gène.
L'allèle L (responsable de lobes libres*) est dominant sur l'allèle l
(responsable de lobes adhérents**).
* **
Pour un couple où l'un est L//l
et l’autre a les lobes
adhérents, la probabilité
d'avoir un enfant aux lobes
adhérents est de...
A) 0,75
B) 0,5.
C) 0,25
D) 0
Justifiez
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