Pb : Le phénotype peut se définir comme l'ensemble des caractères visibles d'un organisme. Le génotype correspond à la composition allélique de tous les gènes d'un individu.

Rappel important : chez l'homme, les gènes sont présents en deux exemplaires sur les paires de chromosomes homologues : l'un venant du père et l'autre de la mère. Pour un même gène, il peut exister des allèles (=versions) identiques ou différents.

Comment expliquer les relations entre les gènes et les caractères des individus ?

CHAPITRE 3 :    De l'information génétique au phénotype

I- Des caractères définis à différentes échelles

Activité : Etude avec documents d'une maladie génétique très fréquente, la drépanocytose

1- Au niveau de l'organisme

La drépanocytose est la plus fréquente des maladies de l'hémoglobine. Elle touche des millions d'individus dans le monde(notamment en Afrique équatoriale et au sein de la population noire des Etats Unis) et des milliers en France.

Extérieurement, rien ne distingue un sujet malade d'un individu sain. Les principales manifestations sont :

- Une grave anémie chronique, liée à une diminution du taux d'hémoglobine, entrecoupée de crises d'anémie aiguë avec brusque augmentation du volume de la rate.

- Des crises douloureuses en particulier au niveau des articulations.

La mortalité est élevée dans l'enfance par atteinte des fonctions de la rate (hémorragies) et à l'âge adulte à cause de complications vasculaires (thrombose). Cependant, l'infection pulmonaire représente l'énnemi n°1 pour le drépanocytaire et demeure, malgré les progrès des traitements antibiotiques, la première cause de mortalité.

2- Au niveau cellulaire

L'examen au microscope révèle que les globules rouges sont en nombre normal, mais qu'ils présentent une allure aplatie en forme de faucille. Ils sont également plus rigides. De ce fait, ils ont tendance à bloquer les vaisseaux sanguins et gênent la circulation sanguine. Un globule rouge normal est au contraire rond et d'une grande plasticité pour pouvoir circuler sans encombre dans les capillaires les plus fins.

3- Au niveau moléculaire

L'hémoglobine est une protéine dont la principale fonction est le transport du dioxygène dans l'organisme humain et chez les autres vertébrés. L'hémoglobine se trouve essentiellement à l'intérieur des globules rouges du sang ce qui leur confère leur couleur rouge. L'hémoglobine est un tétramère, c'est-à-dire qu'elle est formée de quatre chaines peptidiques, deux chaines dites alpha (identiques l'une à l'autre) et deux chaines dites bêta (également identiques). On trouve aussi quatre groupements organiques, appelés hèmes, contenant chacun un atome de fer. C'est à ce niveau que se lie l'oxygène.

Comme toute protéine, l'hémoglobine résulte de l'enchaînement d'acides aminés dans un ordre précis :

L'HbS résulte donc de la substitution en surface d'un glutamate, très hydrophile, par une valine, nettement plus hydrophobe :

Les hémoglobines S ont ainsi tendance à s'agréger entre elles en déformant le globule rouge qui devient falciforme :

Schéma d'une fibre : on distingue l'assemblage de polymères de HbS, chaque couleur représentant un polymère de HbS et sa structure caractéristique de double-brin

L'hémoglobine drépanocytaire (Hb S) fixe moins bien l'O2 que la normale (Hb A). Ceci est démontré par les mesures des valeurs de P50 de ces molécules (la P50 est la pression partielle en O2 pour laquelle 50% de l'hémoglobine est sous la forme d'oxyhémoglobine; cette valeur est inverse à l'affinité de l'hémoglohbine pour l'O2 : plus cette valeur est faible, plus l'hémoglobine présente de l'affinité pour l'O2).
(mesures données en millimètres de mercure)
P50 (Hb A) = 26,5 mm Hg
P50 (Hb S) = 34 mm Hg
Pour information, ces mesures montrent aussi que l'hémoglobine foetale (Hb F) présente plus d'affinité pour l'O2 que la maternelle, ce qui permet le passage de l'O2 du sang de la mère vers celui du foetus :
P50 (Hb F) = 20 mm Hg

Pb : Comment l'information génétique contenue dans le gène s'exprime t-elle pour donner la protéine ?

II- La relation entre ADN et protéine

1- L'origine génétique de la maladie

Rappel de 2nde (poly)

+ docs présentant les séquences d'ADN des brins non transcrits du gène de l'hémoglobine normale HbA et de l'hémoglobine responsable de la drépanocytose HbS

Brins non transcrits des gènes codant pour les chaînes bêta de l'hémoglobine humaine :
Chaine normale (brin non transcrit) ATGGTGCACCTGACTCCTGAGGAGAAGTCTGCCGTTACTGCCCTGTGGGGCAAGGTGAACGTGGATGAAGTTGGTGGTGAGGCCCTGGGCAGGCTGCTGGTGGTCTACCCTTGGACCCAGAGGTTCTTTGAGTCCTTTGGGGATCTGTCCACTCCTGATGCTGTTATGGGCAACCCTAAGGTGAAGGCTCATGGCAAGAAAGTGCTCGGTGCCTTTAGTGATGGCCTGGCTCACCTGGACAACCTCAAGGGCACCTTTGCCACACTGAGTGAGCTGCACTGTGACAAGCTGCACGTGGATCCTGAGAACTTCAGGCTCCTGGGCAACGTGCTGGTCTGTGTGCTGGCCCATCACTTTGGCAAAGAATTCACCCCACCAGTGCAGGCTGCCTATCAGAAAGTGGTGGCTGGTGTGGCTAATGCCCTGGCCCACAAGTATCACTAA ATGGTGCACCTGACTCCTGTGGAGAAGTCTGCCGTTACTGCCCTGTGGGGCAAGGTGAACGTGGATGAAGTTGGTGGTGAGGCCCTGGGCAGGCTGCTGGTGGTCTACCCTTGGACCCAGAGGTTCTTTGAGTCCTTTGGGGATCTGTCCACTCCTGATGCTGTTATGGGCAACCCTAAGGTGAAGGCTCATGGCAAGAAAGTGCTCGGTGCCTTTAGTGATGGCCTGGCTCACCTGGACAACCTCAAGGGCACCTTTGCCACACTGAGTGAGCTGCACTGTGACAAGCTGCACGTGGATCCTGAGAACTTCAGGCTCCTGGGCAACGTGCTGGTCTGTGTGCTGGCCCATCACTTTGGCAAAGAATTCACCCCACCAGTGCAGGCTGCCTATCAGAAAGTGGTGGCTGGTGTGGCTAATGCCCTGGCCCACAAGTATCACTAA Chaine mutée (brin non transcrit)

Soient A l'allèle normal et S l'allèle responsable de la maladie.

Voici l'arbre généalogique d'une famille touchée par la maladie :

1) Montrez que cette maladie est récessive.

2) Montrez que le gène ne peut pas se trouver sur la paire de chromosome déterminant le sexe (Xou Y).

3) Donnez le génotype des individus III-9, III-10, IV-4 et IV-5.

4) Quelle était la probabilité pour que l'individu IV-3 ne soit pas touché ?

5) D'après la carte ci-dessouset du document qui l'accompagne, expliquez le lien entre la drépanocytose et le paludisme.

Il est peu probable que l'anémie falciforme soit causée directement par le paludisme, puisque c'est une maladie génétique qui atteint systématiquement les individus SS. Au contraire, en 1946, le docteur E.A. Beet en poste en Rhodésie du Nord (à l'époque un protectorat britannique - actuellement la Zambie et le Zimbabwee) notait que parmi les patients de son hopital, 15.3% des individus AA étaient touchés par le paludisme, tandis que seuls 9.8% des individus AS ou SS étaient atteints. La corrélation entre la fréquence d'occurrence du paludisme et de l'anmémie falciforme pourrait donc plutot s'expliquer comme le résultat d'une adaptation évolutive. L'hypothèse est que l'allèle muté S s'est maintenu à un taux élevé dans le pool génique des populations exposées au paludisme en raison de l'avantage sélectif qu'il confère. En effet, le parasite responsable du paludisme, le plasmodium, se révèle moins pathogène chez les porteurs de l'allèle muté. Le plasmodium infecte les globules rouges, et ne survit pas dans les cellules déformées et rigides. Les porteurs sains AS sont donc plus résistants au paludisme, tout en ne développant pas d'anémie falciforme, puisque la forme S est récessive. En revanche, les individus de type SS sont affligés de handicaps sévères. Ce sont les grandes victimes de cette évolution.

Pb : Comment passe t-on du gène (séquence de nucléotides) à la protéine (séquence d'acides aminés) ?

2- Du gène à la protéine

Activité : TD avec Anagène

Il existe 20 acides aminés et seulement 4 types de nucléotides sur l'ARN : combien de nucléotides faut-il associer pour obtenir au moins 20 acides aminés ? remplir le tableau ci-dessous :

Hypothèse 1 : à 1 nucléotide correspond un acide aminé

Hypothèse 2 : à 2 nucléotides associés correspond 1 acide aminé

Hypothèse 3 : à 3nucléotides associés correspond 1 acide aminé

Vérification à partir d'exemples :

NB : pour simplifier, seul un brin de l'ADN est écrit

- Observez la séquence de nucléotides du gène de l'hémoglobine normale et de l'hémoglobine drépanocytaire : notez la position de la mutation.

- Observez la séquence d'acides aminés de l'hémoglobine normale et de l'hémoglobine drépanocytaire : notez la position de l'acide aminé changé.

- En quoi cette comparaison confirme t-elle l'hypothèse de "mots" de 3 lettres ?

- Déterminez les codes ADN des différents acides aminés et complétez le tableau ci-dessous (tous les codes ne pourront pas être déterminés) :

- Dans le cas de la mucoviscidose, la chaîne d'acides aminés est-elle le résultat de une ou de plusieurs mutations ? expliquez.

Auteur : Alain Gallien

Remarque : L'assemblage des acides aminés se déroule dans le cytoplasme et ne se fait pas directement à partir de l'ADN (qui ne quitte jamais le noyau) mais à partir d'une molécule proche de l'ADN appelée ARN (Acide RiboNucléique). La fabrication de ces ARN messagers se déroule dans le noyau : c'est la transcription. L'ARNm est le brin complémentaire du brin transcrit de l'ADN. Il est identique à une base azotée près (Uracile au lieu d'adénine) au brin "non transcrit", parfois appelé brin "codant". avec le logiciel Anagène, seul le brin non transcrit figure à l'écran. La correspondance directe avec le code génétique est donc erronée sur le principe. Mais si l'on ne s'intéresse qu'à l'enchaînement des nucléotides, il est vrai que ce brin non transcrit correspond à une base azotée près à l'ARNm qui sera traduit séquences d'acides aminés...

Pour en savoir plus : lien vers le chapitre 7 de 1èreS

III- Des applications biotechnologiques

1- Une application de l'universalité du code génétique : la transgénèse

Activité : livre p56

2- les OGM : enjeux et risques...

Acitivité : livre p57 + video et dresser un tableau avantages/inconvénients des OGM