Thème 1A : Expression, stabilité, variation du patrimoine génétique

Thème 1A : Expression, stabilité,
variation du patrimoine génétique
Introduction:
Des cancérologues veulent stocker les
cellules souches des ouvriers de
Fukushima
Le Monde.fr avec AFP | 15.04.2011
Virginie Marquet-lycée français de Vienne
Problématique
- Toutes les cellules ont le même caryotype, mais ont-elles la même
information génétique ?
- Comment l’information génétique s’exprime-t-elle dans une cellule ?
- Quelle est l’origine des mutations ?
-Qu’est-ce que le cancer ?
I/ Reproduction conforme de la
cellule et réplication de l’ADN
A/ Les chromosomes au cours du cycle
cellulaire
TP1 : Le matériel génétique au cours du
cycle cellulaire.
Activités
• Réalisation de préparations microscopiques
(racines d’ail)  préparation aux ECE
• Observation de différentes phases du cycle
cellulaire chez des organismes variés.
Conclusion
La mitose est classiquement divisée en plusieurs phases permettant de
comprendre le phénomène :
• prophase (pro : en avant)
La chromatine du noyau se condense et les chromosomes à deux chromatides
deviennent visibles au microscope optique, l’enveloppe nucléaire se
déchire.
• métaphase (meta : transformation)
Les chromosomes à deux chromatides sont condensés au maximum et
alignés, centromères sur l’équateur de la cellule. L’ensemble des
chromosomes alignés forme une plaque équatoriale.
• anaphase (ana : en haut)
Clivage des centromères de chaque chromosome et séparation des
chromatides de chaque chromosome qui migrent chacune en un sens
opposé vers chaque pôle cellulaire.
• télophase (télos : fin)
Les chromosomes à une chromatide se décondensent, l’enveloppe nucléaire
se reforme dans chaque nouvelle cellule fille et le cytoplasme se sépare. La
cytodiérèse (séparation en deux du cytoplasme) sépare les deux nouvelles
cellules et marque la fin de la mitose.
B/ Le prélude nécessaire à la
mitose : la duplication de l’ADN
TP 2 : La duplication de l’ADN
Conclusion
Un cycle cellulaire est la succession d’une interphase et d’une
mitose.
• La mitose est la division d’une cellule (cellule mère) en deux
cellules filles identiques : les caractéristiques du caryotype (nombre
et morphologie des chromosomes) sont conservées.
• Au cours de ce cycle cellulaire, les chromosomes, supports de
l’information génétique, présentes des états de condensation
variable qui ne les rendent visibles qu’au moment de la mitose.
• L’interphase est constituée de plusieurs étapes : G1 (croissance
cellulaire), S (doublement des chromosomes) et G2 (préparation de
la mitose). Les chromosomes sont décondensés lors de l’interphase
et sont sous forme de chromatine, invisible au microscope optique.
II/ Variabilité génétique et mutation de l’ADN
Comment expliquer la variabilité génétique
entre les cellules et les individus?
TP3 : Les mutations de l’ADN, à l’origine de
la variabilité
A/ Les mutations sont des
modifications aléatoires de l’ADN
Activité 1 TP3
Tache complexe: Xeroderma Pigmentosum
Problématique
- Comment cette maladie se manifeste-t-elle ?
- Quels sont les effets du rayonnement ultra-violet sur
les cellules de la peau ?
- Quels sont les effets des UV sur l'ADN ?
- Pourquoi les protéines réparatrices sont-elles
efficaces chez la plupart des individus et peu (ou
pas) efficaces chez les individus xérodermiques ?
- Quelle relation y-a-t-il entre gène et protéine produite
dans la cellule ?
• Le phénotype macroscopique dépend du
phénotype cellulaire, lui-même induit par le
phénotype moléculaire.
• Le phénotype malade comporte des aspects
macroscopiques qui s’expliquent par la
modification d’une protéine.
• En général les modes de vie et le milieu
interviennent également, et le développement
d’une maladie dépend alors de l’interaction
complexe entre facteurs du milieu et génome.
• On limite les effets de la maladie en agissant sur
des paramètres du milieu.
Conclusion
Pendant ou en dehors de la réplication de l’ADN, des modifications
spontanées de nucléotides peuvent survenir.
L'unité de mutation d'un gène est le nucléotide (En moyenne 1 mutation
spontanée et aléatoire pour 1 milliard de nucléotides répliqués).
II existe trois types de mutations (voir séquence du gène xpc3):
-les substitutions d'un nucléotide par un autre,
-les additions ou ajouts d'un ou plusieurs nucléotides
-les délétions ou pertes d'un ou plusieurs nucléotides.
Les mutations peuvent affecter un gène :
•
d’une cellule somatique (mutation non héréditaire non transmise à la
descendance qui disparaît à la mort de l’individu)
•
D’une cellule germinale qui se différencie en gamète (mutation
héréditaire transmise à la descendance). Les mutations germinales sont
la source de l’apparition des différents allèles des gènes et donc à l’origine
de la biodiversité génétique des espèces (biodiversité individuelle), l’un
des trois niveaux de biodiversité du monde vivant.
B/ Des agents mutagènes de l’environnement augmentent
les probabilités de mutations
Activité 2 TP3
•
Saccharomyces cerevisiae,
souche ade2 (incapacité à
synthétiser l'adénine)
Photo et texte d’après www.didier-pol.net/4MUT-LEV.html
Les colonies blanches observées
correspondent à une mutation dont
l'effet phénotypique est la disparition
du pigment rouge.
Colonie blanche – colonie rouge
La chaîne de biosynthèse de l'adénine et les mutations ade
La mutation ade 2
Lorsqu’une levure possède la mutation ade 2, l’interruption de la chaîne de
biosynthèse au niveau de l’enzyme 6 a pour conséquence que l’AIR n’est pas
transformé en CAIR et qu’il s’accumule dans les cellules: cette substance
conduit à un pigment rouge.
Sous UV, le gène ade2 subit une mutation (mutation réversion) qui restaure
l’activité de l’enzyme 6, ce qui rétablit la couleur crème.
Résultats obtenus
Temps
d’exposition
Nombres
de clones
blancs
0
% de blanc
15 secondes 1700
13
0,7
30 secondes 520
7
1,34
60 secondes 40
3
7,5
120
secondes
1
14
0 seconde
Nombre
total de
clones
3100
7
0
Des facteurs de l’environnement comme les
ultraviolets, les rayonnements radioactifs,
des produits chimiques (benzène…)
augmentent les fréquences des mutations.
• Pendant la réplication de l’ADN
surviennent des erreurs spontanées et
rares, dont la fréquence est augmentée
par l’action d’agents mutagènes. L’ADN
peut aussi être endommagé en dehors de
la réplication.
C/ Réparation de l’ADN
Activté 3 TP3
Des allèles mutés pour le gène Xpa, ou pour le gène Xpc chez les
individus atteints de Xeroderma pigmentosum
Un système de réparation qui fait intervenir des protéines
spécifiques
Exemple : protéine de réparation codée par le gène Xpa localisé
sur le chromosome 9, ou par le gène Xpc localisé sur le
chromosome 3.
Un système de réparation normalement très efficace : 80 %
de l’ADN réparé en 15 mn)
Un système de réparation défaillant
chez les personnes atteintes de
Xeroderma pigmentosum  le taux
de réparation n'est que de 10%.
Le plus souvent, les modifications sont
réparées par des systèmes
enzymatiques. Certaines modifications
échappent au système de réparation et
deviennent des mutations. Si la mutation
n’est pas létale, elle sera transmise aux
cellules issues des divisions de la cellule
mutée (clône)
Les U.V. peuvent provoquer des mutations
dans l’ADN (erreurs lors de la réplication
de l’ADN)
 Il existe dans la cellule une protéine
capable de réparer les erreurs de l’ADN
 Des mutations qui surviennent dans la
cellule et qui ne sont pas réparées peuvent
être à l’origine de cancers
 Y a-t-il d’autres agents mutagènes responsables de
cancers ?
 Comment des mutations peuvent aboutir à des cancers ?
 Ces nouvelles mutations peuvent-elles se transmettre ?
III/L’expression du patrimoine génétique
A/ Les protéines sont le support des phénotypes
moléculaires
Les acides aminés sont des petites molécules organiques (C, H, O =vivant)
azotée (N) constitutives des protéines possédant :
une fonction acide : COOH;
une fonction amine : NH2;
une chaîne latérale ou radical dont la nature (acide, soufrée basique…)
détermine les propriétés de chaque acide aminé.
Il existe 20 acides aminés nécessaires pour fabriquer les protéines qui diffèrent
par leur radical R. Chez l'Homme 8 acides aminés sont indispensables et
doivent être amenés par l’alimentation.
Valine
Une protéine est caractérisée par :
• le nombre d’acides aminés qu’elle contient (ex:
séquence protéique de la protéine de
reconaissance),
• la séquence de ces acides aminés qui
détermine sa structure primaire (multitude de
combinaisons possibles entre les 20 acides
aminés ce qui explique la diversité des
protéines) Une protéine peut être constituée de
plusieurs chaînes peptidiques.
• une configuration spatiale tridimensionnelle
qui résulte du repliement de la structure primaire
et dépend donc de l’ordre d’enchaînement des
acides aminés.
Conclusion:
La fonction d’une protéine dépend de sa
structure spatiale tridimensionnelle,
elle-même déterminée par sa séquence
en acides aminés. Des modifications de
la séquence des acides aminés peuvent
avoir des répercussions sur l’activité
de la protéine, ce qui peut entraîner des
modifications du phénotype au niveau
cellulaire et donc macroscopique.