La génétique est une branche fondamentale de la biologie, essentielle pour comprendre l'hérédité et l'évolution. Ce domaine explore les mécanismes par lesquels les caractéristiques sont transmises d'une génération à l'autre, ainsi que les processus qui permettent la diversification génétique au sein des populations. Cet article vise à démystifier les concepts clés de la génétique, en mettant l'accent sur la relation entre l'ADN, le phénotype, les mutations, la fécondation et la mitose.
La Génétique : Concepts de Base
Ce chapitre présente les concepts de base essentiels à la compréhension de la génétique et de l'évolution. Il se termine par une explication du génotype et du phénotype, concepts fondamentaux en génétique.
Qu'est-ce que le génotype ?
Le génotype fait référence à la constitution génétique d'un individu, c'est-à-dire l'ensemble des allèles qu'il possède pour chaque gène. Chez un individu diploïde, chaque cellule contient deux chromosomes de chaque type, donc deux exemplaires de chaque gène. Le génotype est hérité des parents lors de la reproduction sexuée.
Qu'est-ce que le phénotype ?
Le phénotype, quant à lui, est l'ensemble des caractères observables d'un individu, qu'ils soient morphologiques, physiologiques ou comportementaux. Les caractères exprimés dans le phénotype sont dus à des protéines, qui sont formées par l’expression des gènes. Le phénotype est le résultat de l'interaction entre le génotype et l'environnement.
La Conservation des Génomes : Stabilité Génétique et Évolution Clonale
Le Clonage Conserve l’Information Génétique
Les cellules qui se multiplient par clonage, telles que les bactéries ou les cellules d’un même organisme, possèdent toutes la même information génétique que la cellule mère dont elles sont issues. La mitose conserve l’information génétique en doublant à l’identique cette information par réplication semi-conservative, puis en répartissant équitablement l’information génétique entre les deux cellules filles lors de la mitose. Ces ensembles de cellules peuvent être séparées, comme chez les bactéries, les cellules filles se disjoignent et forment un nouvel individu totalement identique génétiquement en l’absence d’échanges génétiques avec l’extérieur. On parle de clone cellulaire. Les cellules filles peuvent également être indépendantes dans un organisme pluricellulaire, comme les globules rouges, les lymphocytes… Parfois, les cellules d’un même clone peuvent être associées de façon stable pour former un tissu au sein d’un même organisme.
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Le clonage est une forme de reproduction asexuée qui assure une multiplication rapide du nombre de cellules toutes identiques génétiquement. Parfois, des mécanismes permettent une innovation génétique.
Les Mutations Créent de l’Innovation Génétique
De nouveaux caractères peuvent néanmoins apparaitre dans un clone de cellules grâce à un phénomène rare, aléatoire et spontané : la mutation. Il s’agit d’une modification de la séquence de nucléotides de l’ADN. Malgré un système de réparation, certaines mutations sont conservées. Au final, bien que toutes les cellules d’un organisme soient formées par reproduction asexuée par clonage, la succession de mutations introduit une faible diversité génétique au sein de l’organisme. Toutes les cellules ne sont donc pas parfaitement identiques au sein d’un même organisme, même lorsqu’elles sont formées par clonage, mais la proportion de ces cellules mutantes est relativement faible.
Ces mutations, sont d’après la définition, aléatoires. Elles peuvent affecter un gène mais rester silencieuses grâce à la redondance du code génétique et ne provoquer aucune conséquence au niveau du phénotype moléculaire (la protéine est inchangée) ni des autres phénotypes. Parfois, la mutation modifie le gène et une nouvelle protéine est fabriquée modifiant le phénotype moléculaire, cellulaire et macroscopique, de la lignée du sous-clone dérivée de la cellule mutante. Si la mutation se produit dans une cellule germinale, alors la mutation se transmettra à la descendance et elle deviendra pérenne pour toute la lignée des individus.
Nous savons qu’une grande partie de l’ADN est non codante, donc n’est pas directement transcrite en ARN puis en protéine. Pour autant ces régions longtemps considérées comme inutiles ont montré pour certaines d’entre elles certaines fonctions de régulation dans l’expression des gènes, activatrices ou inhibitrices. Ce sont les séquences régulatrices de gène. Les mutations étant aléatoires, elles peuvent donc également affecter une de ces régions régulatrices. Par conséquent, une perturbation de l’expression du gène peut se manifester. La protéine n’est plus produite ou au contraire l’est alors qu’elle ne le devait pas. Le phénotype moléculaire est alors modifié, sans que la séquence du gène concerné le soit, entrainant la perturbation du phénotype cellulaire et macroscopique de la lignée cellulaire concernée.
En l’absence d’échanges génétiques avec l’extérieur, la diversité génétique dans un clone résulte de l’accumulation de mutations successives dans les différentes cellules. Tout accident génétique irréversible (perte de gène par exemple) devient pérenne pour toute la lignée (sous-clone) qui dérive du mutant.
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Le Brassage des Génomes : La Reproduction Sexuée des Eucaryotes
La reproduction sexuée permet l’apparition d’individus aux phénotypes nouveaux. Elle débute chez le parent par la fabrication de 4 gamètes haploïdes (spermatozoïdes ou ovule) à partir d’une cellule germinale diploïde, grâce au mécanisme de la méiose qui sépare les chromosomes homologues de chaque paire. Ces gamètes étant produits chez les deux parents, ils peuvent alors se rencontrer de manière aléatoire lors de la fécondation.
En fin de méiose, chaque cellule produite reçoit un seul des deux allèles de chaque paire avec une probabilité équivalente. La fécondation entre gamètes haploïdes rassemble, dans une même cellule diploïde, deux génomes (ensemble des gènes et allèles chez un individu) d’origine indépendante apportant chacun un lot d’allèles. Chaque paire d’allèles résultant de cette fusion dans la cellule œuf et donc dans le nouvel individu formé, est constituée soit de deux allèles identiques pour le gène considéré, il est donc homozygote soit de deux allèles différents pour le gène considéré et dans ce cas le nouvel individu est hétérozygote pour ce gène. Le phénotype qui en découlera dépendra de la dominance et récessivité de chacun des deux allèles.
Comment sont brassés les allèles lors de la méiose et lors de la fécondation ?
Les études de résultats de croisements en F1 et par test cross permettent de déterminer la position relative de deux gènes sur les chromosomes : liés (portés par le même chromosome) ou indépendants (portés par deux chromosomes différents). Les croisements de Drosophiles dans le cas du dihybridisme révèlent, à l’issu du test-cross, l’apparition de deux nouveaux phénotypes, qualifiés de phénotypes recombinés : ces nouveaux phénotypes représentent de la diversité génétique. Leur création est due aux brassages génétiques qui se sont produits durant la méiose.
Lors de la métaphase 1, les paires de chromosomes se répartissent indépendamment les unes des autres, ce qui en anaphase peut entrainer une répartition différente des chromosomes homologues et des combinaisons alléliques différentes à chaque pôle et dans les gamètes fils. Ce phénomène se produisant au hasard dans toutes les cellules en cours de méiose, on considère que la probabilité est la même pour les deux répartitions, d’où 50% de chaque type de gamètes.
Lorsque les deux gènes sont liés, le brassage interchromosomique n’intervient donc plus. Donc, les recombinaisons sont dues cette fois à un échange d'ADN entre les chromosomes homologues de la paire portant les deux gènes. Lors de la prophase 1, les chromosomes homologues s’apparient et forment une tétrade. Le résultat aboutit à des chromosomes particuliers dont les deux chromatides du chromosome ne possèdent pas les mêmes combinaisons alléliques.
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Lors de la fécondation, ces gamètes fusionnent au hasard et indépendamment de leur contenu génétique. Chaque gamète a autant de chance de féconder ou d'être fécondé par un autre gamète pour former un nouvel individu diploïde. La reconstitution des paires de chromosomes conduit à de nouvelles associations d'allèles, responsables de nouveaux génotypes et phénotypes recombinés.
L’état hétérozygote des gènes chez les parents va augmenter le nombre de combinaisons génétiques possibles dans les gamètes grâce à ces brassages génétiques. 2^23 possibilités = 8 400 000 gamètes grâce au brassage interchromosomique. La fécondation réunit au hasard un gamète mâle et un gamète femelle parmi les plus de 8 millions de gamètes mâles et les plus de 8 millions de gamètes femelles possibles = 2^23 x 2^23 = 2^46.
Méiose : Le Processus de Division Cellulaire Réductionnelle
La méiose est la succession de deux divisions cellulaires, précédées comme toute division d'un doublement de la quantité d'ADN, lors de la phase S de l'interphase. Elle permet chez l'Homme l'obtention de gamètes haploïdes : les ovocytes et les spermatozoïdes. Elle précède alors la fécondation.
Les Étapes de la Méiose
La prophase I : les chromosomes se condensent et deviennent visibles en microscopie. À ce stade, il y a 23 paires de chromosomes à 2 chromatides qui vont s'apparier. La structure formée pour ces chromosomes se nomme un bivalent ou une tétrade. La membrane nucléaire disparaît.
La métaphase I : les centromères de chromosomes se disposent de part et d'autre de la plaque équatoriale qui divise la cellule en deux.
L'anaphase I : les paires de chromosomes homologues se séparent et migrent indépendamment vers les pôles opposés de la cellule.
La télophase I : les chromosomes sont maintenant aux pôles de la cellule et l'enveloppe nucléaire se reforme chez certaines espèces. Ensuite, la cellule se divise au niveau de la plaque équatoriale, c'est la cytodiérèse ou cytocinèse. On obtient deux cellules filles haploïdes. La première division de méiose est une division dite réductionnelle. À la fin de cette division, on aboutit à deux cellules à n chromosomes.
La prophase II : les chromosomes se recondensent. Cette phase est très rapide car les chromosomes se sont peu décondensés à la fin de la première division. À ce stade, on a deux cellules à n chromosomes à 2 chromatides.
La métaphase II : les centromères des chromosomes s'alignent sur la plaque équatoriale.
L'anaphase II : les chromatides des chromosomes se séparent et migrent aux pôles opposés de la cellule.
La télophase II : la cellule subit la cytodiérèse ou cytocinèse. On obtient quatre cellules à n chromosomes à 1 chromatide. La deuxième division de méiose est une division dite équationnelle car on part de deux cellules-mères (issues de la première division de méiose) à n chromosomes à 2 chromatides, pour obtenir 4 cellules-filles à n chromosomes à 1 chromatide, les cellules-mères et les cellules-filles sont donc toutes haploïdes.
Fécondation : La Restauration de la Diploïdie
La fécondation correspond à la réunion des gamètes, elle marque la fin de la phase haploïde. Elle correspond à la réunion des gamètes de deux individus, de la même espèce, de sexe opposé. Elle se fait par fusion des gamètes (plasmogamie). Les noyaux haploïdes de chaque gamète, appelés pronuclei, fusionnent : c'est la caryogamie, ce qui forme le zygote diploïde, aussi appelé cellule-œuf. La fécondation permet au zygote de retrouver la diploïdie caractéristique de son espèce. Ainsi, l'espèce conserve son nombre de chromosomes au cours des reproductions sexuées : il y a conservation de la formule chromosomique de génération en génération.
La Diversité Génétique Potentielle des Zygotes
Les brassages inter et intrachromosomiques au cours de la méiose 1.
Le brassage intrachromosomique
Le brassage intrachromosomique est un échange de fragments chromosomiques entre les chromosomes d'une même paire. Ce brassage aboutit à des combinaisons alléliques nouvelles lors de la formation des gamètes. Au cours de la prophase I, les chromosomes se condensent et s'apparient. Les chromosomes homologues s'enjambent et parfois ils cassent. Les fragments sont alors "recollés", soit à leur chromosome d'origine, soit à l'autre chromosome de la paire. C'est ce qu'on appelle le crossing-over ou enjambement. Ce crossing-over permet d'aboutir à des chromosomes recombinés. Ces combinaisons alléliques sont différentes des combinaisons parentales. C'est pour cela que l'on parle de brassage intrachromosomique.
Le brassage interchromosomique
Le brassage interchromosomique correspond à la migration aléatoire des chromosomes homologues aux pôles opposés de la cellule au cours de l'anaphase I de la méiose. Il aboutit à une grande diversité de gamètes. Cette grande diversité, est le fruit de la disposition aléatoire des chromosomes des paires homologues lors de la métaphase I. Au cours de l'anaphase I de la méiose, les chromosomes homologues se séparent aléatoirement et migrent indépendamment les uns des autres vers les pôles opposés de la cellule. Il y a ainsi pour chaque paire d'homologues deux possibilités de migration en fonction de la disposition des homologues lors de la métaphase I. Chaque homologue porte les mêmes gènes mais une combinaison allélique différente. Chaque être humain possédant 23 paires de chromosomes, il y a donc une quantité presque infinie de gamètes possibles.
La diversité génétique augmentée au cours de la fécondation
Les brassages inter et intrachromosomiques aboutissent à une grande diversité de gamètes chez l'homme et chez la femme. La réunion des deux gamètes au cours de la fécondation multiplie la diversité des zygotes, donc la diversité des individus. Il est possible de former 2n gamètes différents, chez l'Homme, cela permet de fabriquer 2^23 gamètes différents. Pour avoir un enfant, il faut deux parents, qui produisent des cellules reproductrices avec la même probabilité (\dfrac{1}{2^{23}}). La probabilité d'avoir un enfant identique à un premier enfant, pris comme référence, est donc de \dfrac{1}{2^{23}} x \dfrac{1}{2^{23}} = \dfrac{1}{2^{46}}.
Anomalies de la Méiose
Crossing-over inégaux
Au cours du crossing-over, les fragments de chromosomes homologues ne sont pas toujours de la même taille ; on parle alors de crossing-over inégaux. Les duplications de gènes associées aux mutations de ces derniers sont le mécanisme à l'origine de l'apparition des familles multigéniques.
Non-disjonction des chromosomes
Au cours de l'anaphase I, il peut arriver que les chromosomes homologues d'une même paire ne se disjoignent pas. Au cours de l'anaphase II, il peut arriver que les chromatides d'un même chromosome ne se séparent pas. La fécondation entre un gamète normal et un gamète portant un chromosome supplémentaire aboutit à un zygote porteur d'une trisomie. S'il y a fécondation entre un gamète normal et un gamète anormal (n'apportant que 22 chromosomes, il manque un représentant d'une paire d'origine), cela aboutit à un zygote porteur d'une monosomie.
Conséquences des anomalies de la méiose
Des anomalies peuvent survenir au cours de la méiose : crossing-over inégal ; migrations anormales de chromatides au cours des divisions de méiose… Ces accidents, souvent létaux, engendrent parfois une diversification importante des génomes et jouent un rôle essentiel dans l’évolution biologique (familles multigéniques, barrières entre populations…).
Progrès en Génétique et Informatique
Le séquençage des gènes a permis de révéler l’existence d’une diversité importante d’allèles d’un même gène responsables d’un même phénotype malade ; ex la mucoviscidose. Ces connaissances sont le résultat des séquençages réalisés depuis plus de 15 ans et répertoriés dans une grande banque de données informatisée. Le développement des techniques de séquençage de l’ADN et les progrès de la bio-informatique donnent directement accès au génotype de chaque individu comme à ceux de ces ascendants et descendants. L’utilisation de bases de données informatisées permet d’identifier des associations entre certains gènes mutés et certains phénotypes.
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