DU GENOTYPE AU PHENOTYPE: APPLICATIONS BIOTECHNOLOGIQUES REVIONS C. CLAUDEL 2011 MR PETIT

Des phénotypes à différents niveaux d'organisation du vivant Tous les individus d'une même espèce possèdent des caractères communs (cheveux, yeux, groupe sanguin, lèvre, deux bras...) : ce sont les caractères spécifiques. Chaque individu exprime les caractères spécifiques selon une certaine plasticité (couleur des cheveux, des yeux, lobe de l'oreille...) : ce sont les variations individuelles L'ensemble de ces caractères participant directement à la construction d'un individu constitue le phénotype

Le phénotype peut se définir à différentes échelles : macroscopique, cellulaire et moléculaire Le phénotype moléculaire : ensemble des caractéristiques biochimiques d’un individu = séquences en acides aminés donc Protéines Le phénotype cellulaire : ensemble des caractéristiques des cellules d’un organisme Le phénotype macroscopique : ensemble des caractères morphologiques d’un individu (couleur de la peau, des yeux, des cheveux....)

Généralement les différentes échelles du phénotype sont liées. Le phénotype moléculaire détermine le phénotype cellulaire qui détermine le phénotype macroscopique. Exemple de la drépanocytose: Trois niveaux de phénotype ✔ Au niveau moléculaire : L'hémoglobine drépanocytaire (HbS) ne se distingue de l'hémoglobine normale (HbA) que par le changement d'un seul acide aminé. Le sixième acide aminé des chaînes bêta de l'hémoglobine est une valine chez les malades, alors que les individus sains présentent à cet endroit de la chaîne un acide glutamique. ✔ Au niveau cellulaire : Les globules rouges présentent un aspect caractéristique en forme de faucille, alors que le sujet sain possède des globules rouges en forme de disque biconcave. ✔ Au niveau de l'organisme: Extérieurement rien ne distingue un individu sain et un individu malade, ce dernier présentant une anémie chronique et des douleurs articulaires survenant sous formes de crises.

La relation entre ADN et protéines L’information génétique se trouve dans le noyau, portée par les chromosomes et contenue dans la molécule d’ADN. La molécule d’ADN est formée de deux chaines complémentaire de nucléotides. Un gène est une portion de la molécule d’ADN déterminant un caractère héréditaires de l’individu. Les allèles représentent les différentes versions du gène.

1 CHROMATIDE 1 CHROMATIDE 1 CHROMATIDE

Les gènes sont des segments de la molécule d’ADN codants pour des protéines. La séquence des nucléotides : Adénine (A), Thymine (T), Cytosine (C), Guanine (G) gouverne la séquence en acides aminés de la protéine selon un système de correspondance, le code génétique. •Il existe 20 acides aminés sur Terre entrant dans la constitution des protéines. •3 nucléotides (un triplet ou codon) correspondent à un acide aminé. •Au fur et à mesure de la lecture des codons, les acides aminés sont incorporés les uns à la suite des autres pour former la protéine.

Le système de correspondance (code génétique) est qualifié : •D’universel : c’est le même pour l’ensemble du vivant •Non ambigu : 1 codon met en place 1 acide aminé et un seul •Redondant : plusieurs codons désignent le même acide aminés

Un chromosome L’ADN ,des gènes Un gène Séquence de nucléotides Lecture du gène Correspondance le code génétique Triplet de nucléotide/ acide aminé 1 triplet = acide aminé Protéine = Association d’acides aminés = Association = séquence Séquence = structure et donc propriétés de la protéine = Phénotype moléculaire probablement Phénotype macroscopique(caractère)

mutation ponctuelle ou plus étendue) est à l’origine • Une modification de la séquence en nucléotides (une mutation ponctuelle ou plus étendue) est à l’origine des allèles d’un gène et est responsable ou non d’une séquence en acides aminés différentes. • La modification de la séquence primaire d’une protéines (la suite des acides aminés de la protéine)est modifiée et peut engendrer une protéine non fonctionnelle (phénotype moléculaire), qui elle-même détermine des caractéristiques cellulaires différentes (phénotype cellulaire), qui entraine un dysfonctionnement au niveau de l’organisme (phénotype macroscopique)

Donc en résumé une modification de la séquence de nucléotides peut entrainer une modification de la séquence en acide aminé de la protéine , donc modifier sa forme , donc modifier ses propriétés , voire la rendre inactive. Ces variations de la séquence d’A.A. est une modification du phénotype moléculaire Ce qui peut entrainer des modifications des phénotypes cellulaires et macroscopiques.

SAVOIR: – Notions de génotype ; gène (un segment de la molécule d’ADN codant un polypeptide); allèle; phénotype; caractère. – Effets d’une mutation aux différents niveaux d’organisation (de l’organisme à la molécule). – Le code génétique : principe et utilisation du tableau des correspondances codon-acide aminé.

RAPPELS: Mutations des gènes et modifications du phénotype. Une mutation est une modification accidentelle de la séquence en nucléotides au niveau de la molécule d’ADN. Il peut s’agir de modifications ponctuelles (remplacement d’un nucléotide par un autre, perte ou ajout d’un nucléotide) ou des modifications plus étendues. Ces mutations sont aussi l’origine des allèles des gènes.

SAVOIR: – Effets d’une mutation aux différents niveaux d’organisation (de l’organisme à la molécule).

Les applications biotechnologiques La transgénèse, une application de l’universalité du code génétique La modification du génotype d'un organisme par transgénèse, qui permet de produire de nouvelles protéines, repose sur l'universalité du code génétique.

•La transgénèse désigne l’ensemble des techniques de transfert expérimentales d’une information génétique étrangère dans une cellule. •Elle permet de former des êtres vivants dont l’information génétique et phénotypique est modifiée. •La transgénèse consiste à introduire un gène étranger (gène d’intérêt) provenant d’une espèce donneuse dans le matériel génétique d’une autre espèce dite espèce receveuse.

Les applications de la transgénèse sont nombreuses : •Transgénèse végétale : créer des espèces résistante à un herbicide, à un champignon, ayant une meilleure conservation, besoins de moins d’eau.... •Transgénèse bactérienne : bactérie produisant l’insuline humaine,.... Pour ces organismes ayant un nouveau caractère on parle d’OGM

La Thérapie génique Les maladies héréditaires sont transmises de génération en génération. Elle sont déterminées par les allèles que porte l'individu malade. Un allèle "anormal’’ , dont la séquence de nucléotides est différente de celle d'un individu en bonne santé, est donc responsable de la maladie. Le but de la thérapie génique est d'essayer de remplacer l’allèle responsable de la maladie par l’allèle sain. Il faut agir au sein de chaque cellule malade sans altérer le fonctionnement des cellules saines.

allèle

SAVOIR: – Universalité du code génétique et possibilité de modification du phénotype par transgénèse.

Relations entre génotype et phénotype On appelle génotype l’ensemble des allèles des gènes d’un individu. Dans notre cas le génotype se réduira aux allèles que possède un individu pour le ou les (rarement plus que deux) caractères étudiés dans les exercices. Ex pour un individu du phénotype macroscopique groupe sanguin [A], le génotype sera (A/A) ou (A/O)

Chaque être humain possède deux allèles différents pour chaque gène. Soit les sujets possèdent le même allèle en deux exemplaires, ils sont alors homozygotes, ex (A/A) soit ils possèdent deux allèles différents, ils sont alors hétérozygotes ex (A/O)

Différents génotypes peuvent correspondre à un même phénotype. Avec m- pour individu malade et m+ pour individu sain

L’un ou l’autre des gènes G2 ou G4 est muté,conséquence soit E2 soit E4 est inactive (2 génotypes différents) conséquence pas de fabrication de mélanine = même phénotype

D'une façon générale, quand un phénotype est déterminé par l'expression de plusieurs gènes, la mutation de chacun de ces gènes conduit au même phénotype donc plusieurs génotypes différents correspondent au même phénotype

Phénotype et environnement Les variations de l’environnement peuvent entraîner une variation du phénotype macroscopique, exemples: -changement de la couleur de la peau au soleil (bronzage) - changement de l’activité de la tyrosinase et donc de la quantité de mélanine formée en fonction de la température (ex chat siamois) - changement du poids en fonction de l’alimentation…

Un phénotype est donc le résultat d'interactions complexes entre gènes et facteurs de l'environnement

SAVOIR: – Il peut y avoir différents génotypes pour un même phénotype – Les notions de dominance, récessivité (écriture de génotypes). – Il y a généralement l’implication de plusieurs gènes dans la détermination d’un caractère. – Le rôle des interactions génétiques (interaction de plusieurs gènes entre eux) ainsi que des facteurs de l’environnement dans la réalisation d’un phénotype macroscopique.

Médecine préventive et diagnostic prénatal Médecine prédictive et diagnostic prénatal ont pour but de détecter la présence de certains allèles chez un individu. Les techniques actuelles permettent de détecter la présence de certains allèles chez un sujet après sa naissance. Il est donc possible de rechercher les allèles responsables de maladies génétiques pour prévenir ces maladies : c'est la médecine prédictive. Cette recherche peut-être pratiquée au cours de la grossesse, il 'agit alors d'un diagnostic prénatal.

Pour un diagnostic prénatal. Le prélèvement cellulaire peut-être réalisé au cours d'une amniocentèse (on recueille par ponction une petite quantité de liquide amniotique dans lequel l'embryon se développe et qui contient des cellules embryonnaires) ou par choriocentèse (prélèvement, grâce à une pince de tissus embryonnaires au niveau des annexes embryonnaires).

SAVOIR: – Utilisation de la détection de la présence de certains allèles chez un individu pour le diagnostic prénatal et en médecine prédictive.