Du génotype au phénotype, applications biotechnologiques

CHAPITRE 4 :   Relations entre gènes, phénotypes et environnement

Doc d'appel :

Pb : Un gène gouverne la synthèse d'une protéine qui joue un rôle majeur dans le phénotype de l'individu (cf ch3). Le phénotype dépend-il toujours d'un seul gène ? Quelle est la part de l'environnement dans l'établissement du phénotype ?

 I- La complexité des relations entre génotype et phénotype

1- L'albinisme : un phénotype, des génotypes

Activité : A partir de l'étude des documents, montrez que le phénotype [albinos] peut correspondre à des génotypes différents (travail en groupes avec individualisation : 3 niveaux d'aide)

Documents extraits du manuel Bordas SVT 1ereES 2001 p68 et du manuel Nathan SVT-1ereS- 2007 p64

Rappels importants :

Pour écrire un génotype, on place les allèles paternels et maternels entre parenthèses comme ceci :

Pour un même gène, si les deux allèles sont identiques, on dit que l’individu est homozygote (a = a’) et s’ils sont différents, on dit qu’il est hétérozygote (a différent de a’)
Un allèle est dit récessif lorsqu’il ne s’exprime pas en présence de l’autre allèle. On lui attribue habituellement une lettre minuscule pour le différencier de l’allèle dominant (en lettre majuscule).
Lorsque les deux allèles dominants sont présents, ils s’expriment tous les deux : on dit qu’il y a codominance.
Il n’y a que deux cas où un allèle récessif peut s’exprimer :
1er cas = lorsqu’il est présent en deux exemplaires (l’individu est dit « double récessif » pour ce gène)
2ème cas = lorsqu’il existe en un exemplaire mais en l’absence d’allèle dominant pour ce gène (allèle porté sur le chromosome X ou Y d’un homme)

L'albinisme est un phénotype qui dépend de l'expression de 2 gènes : l'un dirigeant la synthèse de la mélanine et l'autre celle d'une protéine permettant son transport vers la surface de la peau. Ainsi, il existe plusieurs génotypes correspondant au phénotype [albinos].

 

2- L'obésité : un déséquilibre de la prise alimentaire qui peut être génétique

Activité : A l'aide de schémas représentant les chromosomes, indiquez les différents génotypes qui peuvent conduire au phénotype [obèse]

Documents extraits du manuel Bordas SVT-1ereS 2007 p63

Il existe des gènes de prédisposition à l'obésité. Certains génotypes peuvent expliquer l'absence de sensation de satiété entraînant suralimentation.

Les individus (Ob-, Ob-) ne produisent pas l'hormone signalant l'état de satiété : la leptine.

Les individus (Obr, Obr) ne produisent pas de récepteurs fonctionnels pour cette hormone.

Un même phénotype peut résulter d'une variation sur l'un ou l'autre gène : on dit qu'il est multigénique.

Bilan 1

Pb : L'obésité est en partie génétique et en partie lié au mode d'alimentation, donc au mode de vie. A quel niveau l'environnement exerce t-il son influence ? Quelle est sa part dans la phénotype de l'individu?

II- Relation entre phénotype et environnement

1- Action de l'environnement sur l'expression génétique

Activité : étude de documents sur le bronzage et la maladie "xéroderma pigmentosum"

Source : http://www.cite-sciences.fr

Une étude publiée dans le journal Nature ouvre la voie pour bronzer sans UV et ainsi se protéger contre les cancers de la peau. Le bronzage est le resultat de l’activation d’une voie métabolique complexe initiée par les rayons ultraviolets. Jusqu’à maintenant, les chercheurs pensaient que la lumiere ultraviolette degradait l’ADN des melanocytes qui, en reponse, synthetisaient un pigment appelé melanine. Dans une nouvelle etude, l’équipe de Dr David Fisher du Dana Farber Institute de Boston démontre que les rayons ultraviolets touchent également les keratinocytes, cellules les plus abondantes de la peau. En reponse à la lumiere, ces cellules endommagées synthétisent l’hormone MSH (Melanocyte-stimulating hormone), qui va se fixer sur les recepteurs MC1R des mélanocytes et activer la production de mélanine pour assombrir la peau. En 1995, un article avait demontré qu’une mutation du recepteur MC1R etait la cause de l’absence de bronzage chez les personnes à peau claire.

Xeroderma pigmentosum : une maladie génétique rare (fréquence : 1/1000000 en France)

Extrait du manuel Hachette 1èreES 2007 p59

Des facteurs environnementaux peuvent agir sur l'expression des gènes : UV, certaines molécules chimiques mutagènes.

Le bronzage par exemple est le résultat de l'activation de la synthèse de mélanine suite à une exposition des cellules de l'épiderme (mélanocytes et kératinocytes) aux UV du soleil : c'est donc le résultat d'une mutation des cellules somatiques (= non reproductrices)

Chez les personnes atteintes de Xeroderma pigmentosum, les cellules de la peau ne parviennent pas à réparer l'ADN muté par les UV car la protéine chargée de cette réparation n'est pas fonctionnelle. La mutation du gène qui commande cette protéine réparatrice touche les cellules germinales (reproductrices) : c'est donc une maladie génétique qui a pour conséquence une augmentation anormale des mutations somatiques à l'origine de cancers très précoces.

Remarque : Tout le monde peut développer un cancer de la peau mais pour chacun d'entre nous, le pourcentage de risque est différent...Il dépend de l'environnement (exposition aux UV..) mais aussi des gènes de prédisposition : l'âge moyen de survenue des cancers de la peau est inférieur à 10 ans pour les "enfants de la lune" (= touchés par Xeroderma pigmentosum)

2- Action de l'environnement sur l'activité des protéines

Activité : étude de documents sur la couleur de la fourrure des lapins himalayens

Extrait du manuel Hachette 1èreES 2007 p60

L'activité des protéines est la plupart du temps dépendante des facteurs physiques de l'environnement (pH et température surtout).

Ex : chez le lapin himalayen, la synthèse de la mélanine n'est possible qu'à une température plus basse que la température corporelle moyenne, donc aux extrémités...

Bilan 2

Pb : Le génome humain est chaque jour mieux connu (le séquençage de l'ADN a été achevé en 2000 et environ 25000 gènes ont été identifiés) et nous pouvons prélever des cellules bien avant la naissance. Comment peut-on dépister les maladies génétiques ?

III- Médecine prédictive et diagnostic prénatal

1- Les tests génétiques

Activité : lecture de document + jeu sur le test de paternité de la Cité des Sciences

 

Le Diagnostic anténatal de Xeroderma Pigmentosum

Pour affirmer le diagnostic de Xeroderma (XP), la méthode biologique la plus couramment utilisée est l'UDS (unscheduled DNA synthesis) qui repose sur la mesure autoradiographique de l'incorporation d'un précurseur radioactif de l'ADN (la thymidine tritiée) par des celules préalablement irradiées aux rayons UV. Une cellule normale incorporera d'autant plus de précursseur radioactif au cours de la réparation que la dose de rayons UV qu'elle a reçue est plus importante, alors qu'une cellule XP, incapable de réparer correctement les dommages photo-induits, n'incorporera que peu de précurseurs marqués. Cette technique est la méthode de choix pour l'application au diagnostic prénatal du syndrome XP.
Des cellules foetales sont cultivées in vitro à partir de biopsies de trophoblastes prélevées entre la 8è et la 10è semaine ou de liquide amniotique, prélevé vers la 16è semaine de grossesse. Après une irradiation à différentes doses de rayons UV, les cellules sont incubées en présence de thymidine tritiée et la réparation par excision-resynthèse est quantifiée en comptant le nombre de grains d'argent par noyau après autoradiographie. Le résultat est alors comparé à l'efficacité de réparation de l'ADN des cellules provenant des biopsies de peau des parents normaux pour la réparation et des enfants XP de la même famille.

Extrait de : "Mise au point : le Xeroderma Pigmentosum" (A. Stary et A. Sarasin)
La Presse Médicale n° 40 du 20 Décembre 1997 p 192 à 197.

Lien vers un jeu sur les empreintes génétiques sur le site de la Cité des Sciences

Documents extraits du site de la Cité des Sciences (consultation vivement conseillée)

Dans cet exemple, on s'intéresse au nombre de séquences répétées ATC sur les chromosomes 3, 11, 15 et 18 : Sophie est bien la fille de Paul et Caroline!

Les tests génétiques reposent sur des comparaisons de fragments d'ADN. Leur champ d'application ne cesse de s'élargir :

- Diagnostic prénatal de certaines maladies graves et incurables, laissant la possibilité d'envisager une interruption de la grossesse.

- Test de paternité en médecine légale.

- Identification de criminels par la police scientifique.

 

Pb : Quels problèmes éthiques ces techniques posent-elles à notre société ?

2- Problèmes éthiques

Activité : lecture de documents et discussion

Tests génétiques : quels sont les enjeux du libre accès ?

L'offre de tests génétiques sur Internet, en dehors de tout cadre médical, place les usagers face à des situations difficiles. En France, sur les 12 000 maladies héréditaires d'origine génétique recensées, près de 1 000 peuvent aujourd'hui faire l'objet d'un test de dépistage. Ces tests ne sont accessibles que sur prescription médicale et dans les seuls cas prévus par le Code de la santé publique : diagnostic, y compris prénatal, d'une pathologie génétique ; mise en évidence d'un ou plusieurs gènes de prédisposition (ou susceptibilité) à une maladie ; et adaptation de la prise en charge médicale en fonction des caractéristiques génétiques d'une personne.

Dans ce contexte, la réalisation de tests visant à détecter des prédispositions génétiques à diverses maladies multifactorielles pose de nombreux problèmes humains et éthiques. En effet, dans ces pathologies – maladies cardio-vasculaires, diabète, obésité, la plupart des cancers, maladies neurodégénératives telles celles d'Alzheimer et de Parkinson, maladies psychiatriques, etc. – , les facteurs génétiques ne sont qu'un élément parmi de nombreux autres impliqués dans le déclenchement de la maladie et dans son évolution.

C'est pourquoi un récent rapport d'expertise collective de l'Inserm, publié en janvier 2009, demande notamment que les tests génétiques restent des actes de biologie effectués sur prescription médicale. Leur utilité clinique et sociale doit être évaluée : on doit examiner, pour chaque test, ce qu'il apporte précisément à la prise en charge des patients et en quoi il est bénéfique pour les individus et pour la société.

Toutefois, ce vœu se heurte à la multiplication des tests génétiques proposés directement au public par des entreprises, essentiellement nord-américaines. Réalisables souvent à partir d'un simple prélèvement de salive ou de cellules de la muqueuse buccale, cette offre commerciale connaît un succès mondial grâce à Internet : toute personne peut commander son test en ligne, envoyer un prélèvement biologique par la poste et recevoir le résultat par le même canal. L'offre diagnostique par Internet échappe de facto au cadre juridique national et au système de santé.

Imaginons ainsi une personne prenant connaissance du résultat d'un test de prédiction de la maladie d'Alzheimer – une société d'Honolulu propose un tel test pour 280 dollars. En cas de résultat « positif », elle se trouve brutalement confrontée à une information complexe : le gène testé (ici ApoE) n'étant qu'un facteur de risque parmi d'autres, le résultat lui indique une certaine probabilité d'être atteinte dans un futur plus ou moins éloigné. Psychologiquement, la nouvelle peut être difficile à assumer.

Dans le cas d'une maladie due à l'anomalie d'un seul gène et susceptible de se déclarer plus tard, comme l'hémochromatose héréditaire (caractérisée par une surcharge des tissus en fer), la prédiction peut être profitable parce qu'elle permet une prévention efficace – ce qui ne signifie pas que tous les tests de maladies monogéniques proposés sur Internet soient fiables. Lorsqu'il s'agit de maladies multifactorielles, la prédiction du risque varie d'un test à un autre, et d'une personne à une autre. Si la personne recherche une certitude qui lui permettrait de prendre des mesures de prévention ou de traitement, ce type de test se révèle dépourvu de pertinence.

Anne CAMBON-THOMSEN, Emmanuelle RIAL-SEBBAG et Pascal DUCOURNAU - Pour la Science 27/04/2009

Article intéressant sur le site de la Cité des Sciences

Lien vers le site http://www.genethique.org

En france, le dépistage génétique est encadré par la loi de bioéthique : il n'est réalisé qu'à des fins médicales ou de recherche scientifique et recquiert le consentement libre et éclairé de la personne.