effets des mutations sur la constitution genetique d` une population

Mutation
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Atlas of Genetics and Cytogenetics in Oncology and Haematology
EFFETS DES MUTATIONS SUR LA CONSTITUTION GENETIQUE D' UNE POPULATION
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I- Taux de Mutation
II- Loi de Récurrence
II-1. Exemple
II- 1.1. Déterminisme génétique et fréquences allèliques
II- 1.2. Deux hypothèses
III- Etat d'Equilibre
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LOI DE RECURRENCE
I- TAUX DE MUTATION
Soit un couple d’allèles A1 et A2 de fréquences respectives pt et qt à la génération t ; soit u le taux de mutation directe de A1
vers A2 à chaque génération et v le taux de mutation reverse de A2 vers A1 .
On définie le taux de mutation comme la probabilité pour qu’une mutation particulière apparaisse par gamète et par génération.
Supposons par exemple qu’une population soit constituée uniquement d’individus de génotypes A1 A1 qui contribuent à la
production de 2 N gamètes à la génération suivante.
Si u représente le taux de mutation au locus A1 vers tous les autres allèles possibles dans une population diploïde de N
individus, comme il y a 2N gènes concernés, le nombre de nouveaux mutants est de 2 N x u à une génération donnée. Sur les
2N gènes de la population, un seul d’entre eux (soit 1/2 N) sera fixé. La probabilité que ce soit un allèle mutant apparu à cette
génération qui se fixe est donc de 2N x u x 1/2N = u
Donc la probabilité de substitution d’un allèle par un allèle muté est égale au taux de mutation par gamète et par génération au
locus considéré.
II- LOI DE RECURRENCE.
En présence de mutations l’évolution des fréquences alléliques dépendent d’une part des fréquences pi et qià la génération i,
mais aussi des taux u et v de mutations.
la fréquence d’un allèle A1, une génération après mutation (pi + 1) correspond à la fréquence d’un allèle A1 de la génération
précédente ( fréquence pi ) qui n’aurait pas muté ( probabilité égale à 1-u) ou à un allèle A2 ( de fréquence qi ) qui aurait muté en
A1 ( probabilité v).
pi + 1 = (1-u) pi + v qi
qi + 1 = (1-v) qi + u pi
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Exemple : La phalène du bouleau.(avec l’aimable autorisation du Pr. Georges Périquet, Université de Tours)
La phalène du bouleau (Biston betularia) est un papillon (famille des Lépidoptères) fréquent en Europe du
nord .Les individus volent de nuit et se reposent le jour dans les bouleaux. Cette espèce a été très étudiée depuis
le XIXème siècle, elle présente deux morphes (formes) principales, l'une claire (typica) et l'autre sombre, ou
mélanique (carbonaria).
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Déterminisme génétique et fréquences allèliques
Le déterminisme génétique de cette coloration est monogénique et autosomique, l'allèle carbonaria (C) étant
dominant sur l'allèle typica (c). Les fréquences alléliques de C et c seront dénommées respectivement p et q.
Phénotypes
[Forme mélanique]
[Forme claire]
Génotypes
CC ou Cc
cc
Au milieu du XIXème siècle, la forme typica était largement majoritaire dans les populations anglaises. C'est en
1848 que l'on a rapporté la première capture d'un individu carbonaria dans la région de Manchester. La fréquence
de cette forme a fortement progressée et les individus mélaniques ont ensuite été capturés dans les autres régions
industrielles de l’Angleterre.
L'augmentation de la fréquence de la forme carbonaria a été très rapide puisqu'en 1895 elle atteignait 98% autour
de Manchester. En moins de 50 ans cette forme était devenue largement majoritaire dans cette région.
Les variations s'étant toujours produites dans le sens de l'augmentation de la fréquence de la forme carbonaria, il
ne peut s'agir d'un phénomène dû au hasard.
z
Deux hypothèses sont possibles, soit l'effet de mutations récurrentes, soit l'action de la sélection.
L'hypothèse des mutations récurrentes
On pourrait penser que l'allèle carbonaria soit obtenu assez fréquemment par mutation et qu'il ait ainsi
remplacé l'allèle typica. On peut alors calculer le taux v de mutation de c vers C qui correspondrait à une
évolution aussi rapide que celle observée dans la nature.
Sous l'effet des mutations seules, la relation de récurrence des fréquences alléliques de c entre deux
générations successives s'écrit :
q1 = q0 - vq0
La fréquence des allèles c sera celle de la génération précédente (q0) diminuée de la fréquence des allèles
mutés (vq0). On considère ici que l'allèle C ne mute pas vers c, ce qui correspond à l'évolution la plus rapide
possible sous l'effet de la mutation.
Le processus se répétant au cours de générations, on en déduit :
qt = q 0 (1-v)n
et
v = 1 - (qt/q0)1/n
ou n représente le nombre de générations.
Si on considère que la fréquence de la forme mélanique était de 0,01 dans la région de Manchester en 1848
et de 0,98 en 1895, et sachant que la phalène du bouleau présente une génération par an dans cette région,
on peut calculer la valeur de v qui rend le mieux compte de la vitesse de l'évolution observée
En 47 générations, on obtient
v = 1 - (0,141/0,995)1/47 = 0,041.
Soit une valeur calculée de l'ordre de 4%. Ceci signifie qu'environ 4 gamètes sur 100 devraient muter de la
forme typica vers carbonaria, à chaque génération, pour que l'on puisse obtenir une évolution aussi rapide
que dans la nature. En fait il s'agit là d'un taux de mutation incompatible avec les taux réellement observés
(de l'ordre de 10-5 à 10-6) pour des taux de mutations spontanées. De plus, il faudrait expliquer le brutal
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changement du taux de mutation à partir de 1848 !
Si le taux de 4 5.10-2 existe réellement, il pourrait s’expliquer par l’existence d’éléments transposables (peu
probable) ou par l’effet d’autres facteurs d’évolutions telle que la sélection.
III- ETAT D’EQUILIBRE
Etat d’équilibre dans lequel existe des mutations directes et des mutations reverses.
q 1 = (1-v) q0 + u p0
q1 = q0 - v q0 + u p 0
∆q = la différence entre 2 générations successives.
∆q = qn+1 - q n
Suivant le signe de ∆ q on voit si :
∆q > 0 ----> qn+1> q n ----> A2 croît
∆q < 0 ----> qn+1< qn ----> A2 décroît
∆q = 0 ----> q n+1 = qn = qe équilibre état d’équilibre
Si on pose à ce niveau d’état d’équilibre
qe = q e - v q e + u p e
u pe = v qe
u pe = v ( 1 – pe)
u pe + v pe = v
pe = v / (u + v)
et
qe= u / (u + v)
L’état d’équilibre est fonction du taux de mutation u et v.
qe ε ] 0 , 1 [
Exemple.
Si u = v ---> qe = 1/2
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Si u = 10-5 et v = 10-6 ---> qe = 0.91
Quelque soit les taux de mutations on peut avoir n’importe quel état d’équilibre.
Pour passer de q0 = 0.51 à qn = 0.71 et qe = 0. 91
Les mutations peuvent produire des états d’équilibres, mais ceux ci ne seront atteints que très lentement au cours
du temps.
Les mutations peuvent produire des états d’équilibres, mais ceux ci ne seront atteints que très lentement au cours
du temps. Le processus de mutation n’a pas d’effet majeur sur la structure génétique des populations ; la variation
des fréquences allèliques est très faible au cours du temps. Cette évolution des fréquences allèliques varie suivant
l’équation :
pn+1 = pe + ( p0 - pe ) ( 1-u-v)n
qn+1 = qe + ( q0 - qe ) ( 1-u-v)n
Etude par simulation .
Le programme proposé vous permet de simuler l'évolution de la fréquence q au cours des générations, de q0 à qe et ceci pour
différentes valeurs des paramètres des taux de mutations u et v, et de q0.
Contributeur: R. Kalmès
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