Évolution et Diversité du Vivant (101-NYA-05) Cours 7 Chapitre 15 Campbell, 3 e édition LES TRAVAUX DE MORGAN, SUCCESSEUR DE MENDEL Source Bernadette Féry Automne 2007

1. Entre Mendel et Morgan (historique) Extrait Publiés en 1866, les travaux de Mendel passent à peu près inaperçus, n'étant cités qu'une douzaine de fois entre leur publication et leur redécouverte en 1900. Des progrès réalisés en microscopie permettent de préciser les connaissances. En 1875, HERTWIG observe la fécondation chez l'oursin. Vers 1880 des «bâtonnets» que l'on nommera chromosomes sont identifiés dans le noyau. En 1883, Van BENEDEN observe (4) chromosomes dans l'oeuf d'un Ascaris et seulement (2) dans ses gamètes. En 1889, de VRIES (Amsterdam) publie une théorie de l'hérédité impliquant des particules élémentaires qu'il baptise «pangènes», puis, en 1900, une note «Sur la loi de disjonction des hybrides» qui relate des résultats analogues à ceux de Mendel. À la même époque, deux autres botanistes arrivent, aussi, aux mêmes conclusions que Mendel (indépendamment) : Correns (Berlin), et Tschermack (Vienne). SUTTON publie en 1902 ses études cytologiques sur les chromosomes de sauterelle. Il conclut que lors de la gamétogénèse : les chromosomes ont une individualité, apparaissent sous forme de paires (avec un membre de chaque paire constitué par chaque parent) et que les chromosomes appariés se séparent l'un de l'autre pendant la méiose. Il conclut ainsi : "je peux finalement attirer l'attention sur la probabilité que l'association des chromosomes paternels et maternels dans les paires et leur séparation pendant la réduction chromatique [...] peut constituer la base physique des lois de l'hérédité mendélienne."

Théorie chromosomique (1902) (Sutton, Boveri et autres chercheurs) Une explication physique au modèle de l'hérédité de Mendel commence donc à pointer. On finit par établir la corrélation entre les chromosomes et les gènes. La théorie chromosomique de l'hérédité prend forme. Théorie chromosomique (1902) (Sutton, Boveri et autres chercheurs) Les gènes mendéliens sont organisés en série linéaire le long du chromosome et ce sont les chromosomes qui subissent la ségrégation et l’assortiment indépendant durant la méiose. Le scepticisme persiste encore malgré tout quant à la validité des lois de Mendel sur la ségrégation et l'assortiment indépendant des caractères. Morgan lui-même est un sceptique. (2) gènes sur les chromatides d’un chromosome (2) gènes sur les chromatides homologues Les facteurs héréditaires de Mendel se trouvent à des locus spécifiques sur les chromosomes. Nucléole Campbell : 297 (3eéd.) — Figure 15.1

2. Introduction à la génétique de Morgan : préambule L’homme Thomas Hunt Morgan (biographie) Généticien américain (1866 -1945) Pofesseur d’embryologie à l'Université de Columbia Basée sur des expériences menées sur des drosophiles (mouche du vinaigre), à partir de 1908 Élabore une théorie de l’hérédité liée au sexe et découvre aussi (avec l’aide de son équipe : Alfred Sturtevant, Hermann Muller et Calvin Bridges) le phénomène de gènes liés et de crossing-over (enjambements) Le premier à associer un gène spécifique à un chromosome spécifique Reçoit le prix Nobel de médecine et physiologie en 1933 Morgan Thomas Hunt Hermann Muller

On peut facilement identifier le sexe de la drosophile par l'abdomen. Le matériel de Morgan : des drosophiles : Drosophila melanogaster. Pourquoi des drosophiles ? La drosophile n’a que (8) chromosomes ce qui fait moins de matériel à étudier. La détermination du sexe ressemble à celle des humains (3) paires autosomes + (1) paire hétérosome XX : femelle ou XY : mâle Mouche peu nuisible Se nourrit des champignons qui se développent sur les fruits Source Source Source Ses chromosomes géants sont visibles au microscope optique. On peut donc suivre leur mouvement ainsi que celui des gènes qu'ils portent au microscope. Mouche prolifique Des centaines d’individus aux 15 jours Source Source

Le matériel de Morgan n’était pas varié comme celui de Mendel Les mouches de Morgan ont toutes les yeux rouges, le corps gris et les ailes normales. Phénotype sauvage Morgan n’avait en main qu’une variété de drosophile aux yeux rouges, corps gris et ailes normales. Dans la nature, presque toutes les drosophiles ont ces caractères. Caractère dit « sauvage » ou phénotype sauvage. Phénotype le plus répandu dans une population. Dû à l'abondance des allèles « sauvages ». Campbell : 282 (2eéd.) — Figure 15.2 Morgan a élevé des mouches durant un an avant de trouver son premier mutant Il a élevé des mouches durant un an avant de trouver son premier mutant (a utilisé des rayons X pour susciter les mutations). Dans la nature, quelques drosophiles sont mutantes. Caractère dit « mutant » ou phénotype mutant. Phénotype peu répandu dans une population. Dû à la rareté des allèles dits « mutants » apparus par mutation des allèles sauvages. Le premier mutant de Morgan est un mâle aux yeux blancs. Campbell : 282 (2eéd.) — Figure 15.2 Phénotype mutant

La notation génétique de Morgan est basée sur l’allèle mutant Femelle Mâle Femelle Mâle Par la première lettre du mot désignant l’allèle mutant. En majuscule si l’allèle est dominant. En minuscule s’il est récessif. Notation de l’allèle mutant Allèle ailes courbées = Cy Allèle ailes vestigiales = vg Drosophiles aux ailes courbées (curly) — une mutation dominante Drosophiles aux ailes vestigiales (vestigial) — une mutation récessive Notation de l’allèle sauvage Par le même symbole que celui qui désigne l'allèle mutant. Doté d'un signe plus en exposant. Allèle ailes droites = Cy+ Allèle ailes normales = vg+ Drosophiles de type sauvage Femelle Mâle Images

3. Le croisement monohybride de Morgan — yeux rouges (w+ ) ou yeux blancs (w) — et sa principale déduction A- Son croisement Génération P Morgan croise une femelle de lignée pure aux yeux rouges « sauvage » avec un mâle « mutant» aux yeux blancs. Femelle de type sauvage aux yeux rouges Mâle mutant aux yeux blancs En F1, il observe : La disparition d’un caractère parental (comme pour Mendel) Déduction : les yeux blancs sont récessifs. Génération F1  P2 100 % de mouches aux yeux rouges Accouplements des individus de la F1 En F2, il observe : La réapparition du caractère parental disparu chez 25% des descendants (comme pour Mendel) Les mouches aux yeux blancs sont tous des mâles (pas comme Mendel) Comment expliquer cela ? Génération F2 : 75 % de mouches aux yeux rouges 25 % de mouches aux yeux blancs, des mâles Campbell : 300 (3eéd.) — Figure 15.4

B- L’hypothèse que Morgan a émise pour expliquer ses résultats Le gène pour la couleur des yeux est porté par le chromosome X et n’a pas son équivalent sur le chromosome Y. Les gènes situés sur les chromosomes sexuels sont appelés gènes liés au sexe et on qualifie leur mode de transmission d’hérédité liée au sexe X Y W ou W+ Les gènes sont donc véritablement portés par les chromosomes, tel que le stipule la théorie chromosomique de l’hérédité, puisque l’on peut associer un gène précis à un chromosome précis. Le gène couleur des yeux est associé au chromosome X de façon particulière.

C- Reproduction du croisement monohybride de Morgan en tenant compte de son hypothèse Femelle de type sauvage aux yeux rouges Mâle mutant aux yeux blancs Génération P Phénotypes et rapport phénotypique de la F1 100 % yeux rouges Génotypes et rapport génotypique de la F1 50 % XwXw+ : 50% Xw+ Y Génération F1 Ovules (Gamètes femelles) Sperma-tozoïdes (Gamètes mâles) F1  P2 Phénotypes et rapport phénotypique de la F2 50 % femelles yeux rouges : 25 % mâles yeux rouges : 25 % mâles yeux blancs Génotypes et rapport génotypique de la F2 25 % Xw+Xw+ : 25 % Xw+ Xw : 25 % Xw+Y : 25 % Xw Y Génération F2 Campbell : 300 (3eéd.) — Figure 15.4

5. Le croisement dihybride de Morgan — corps gris (b+) ou corps noir (b) et ailes normales (vg+ ) ou ailes vestigiales (vg) — et ses déductions Génération P Femelle «pure» de type sauvage «corps gris / ailes normales» b+b+vg+vg+ A- Son croisement Mâle double mutant «corps noir / ailes vestigiales» bb vgvg Morgan croise une femelle de type sauvage (corps gris /ailes normales) de lignée pure avec un mâle mutant pour les deux caractères (corps noir /ailes vestigiales). En F1, il observe : 100% de mouches hybrides de phénotype sauvage, autant des mâles que des femelles. Déduction : corps gris et ailes normales sont dominants F1  P2 Femelle «hybride» de type sauvage «corps gris / ailes normales» b+b vg+vg Croisement de contrôle Mâle double mutant «corps noir / ailes vestigiales» bb vgvg Morgan laisse les femelles hybrides s’accoupler avec des mâles mutants pour les deux caractères. (Équivalent d’un croisement de contrôle) F2 Ovules (Gamètes femelles) 965 / 2300 comme la mère 944 / 2300 comme le père 206 / 2300 Corps comme la mère mais ailes comme le père 185 / 2300 Quatre types de mouches (conforme à la loi de ségrégation mendélienne) Les mouches ne sont pas en proportion égale : 5 : 5 : 1 : 1 au lieu de 1 : 1 : 1 : 1 (non conforme à la loi de ségrégation mendélienne) En F2, il observe : Sperma-tozoïdes (Gamètes mâles) Corps comme le père mais ailes comme la mère Individus de types parentaux Individus de types recombinants (recombinaison des allèles parentaux) Campbell : 302 (3eéd.) — Figure 155

vg+ vg b+ b vg+ b vg+ vg b+ b vg b+ vg+ vg b b vg b vg vg b+ b B- Ce que Morgan aurait obtenu, lors de son croisement de contrôle, si la loi de ségrégation indépendante s’était appliquée Croisement de contrôle Femelle «hybride» «corps gris / ailes normales» Mâle mutant «corps noir / ailes vestigiales» x vg vg b b Vg+ vg b b+ RAPPEL La loi de ségrégation indépendante prévoit que les différentes paires de facteurs se séparent sans s’occuper des autres paires de facteurs lors de la formation des gamètes. On peut donc s’attendre à ce que tous les allèles se retrouvent dans les gamètes dans les mêmes proportions engendrant ainsi des descendants, également, dans les mêmes proportions. vg+ vg b+ b vg+ b vg+ vg b+ b vg b+ vg+ vg b b vg b vg vg b+ b Environ 575 / 2300 vg vg b b Environ 575 /2300 Environ 575 / 2300 Environ 575 / 2300 Morgan n’a pas obtenu des descendants selon les mêmes proportions. En conséquence, on peut conclure que les facteurs héréditaires n’ont pas suivi la loi de la ségrégation indépendante (n’ont pas subi l’assortiment indépendant). Qu’est-il arrivé au juste ?

C- Les hypothèses de Morgan pour expliquer les résultats de son croisement de contrôle 1er Les gènes «corps/ ailes» sont portés par le même chromosome et se transmettent ensemble dans un gamète. Découverte des gènes liés vg+ b+ vg b Caryotype parental Caryotype des gamètes «standards» 2e Parfois les gènes liés «se délient» lorsqu’il se produit des enjambements entre les chromosomes. Découverte des enjambements (crossing-over) vg+ b+ vg b Caryotype parental Caryotype des gamètes «recombinants»

vg+ b+ vg b vg b vg b vg vg b b vg vg b+ b vg+ vg b b vg+ vg b+ b vg b C- Reproduction du croisement de contrôle de Morgan en tenant compte de son hypothèse Croisement de contrôle Femelle «hybride» «corps gris / ailes normales» Mâle mutant «corps noir / ailes vestigiales» vg+ b+ vg b x vg b vg b GAMÈTES DE TYPE STANDARD vg b vg b vg b vg b vg b+ vg b GAMÈTES DE TYPE RECOMBINANTS vg vg b b vg+ b vg vg b+ b 944 / 2300 comme le mâle (type parental) vg+ b+ GAMÈTES DE TYPE STANDARD vg+ vg b b 206 / 2300 gris comme la mère et ailes comme le père (type recombinant) vg+ vg b+ b 185 / 2300 ailes normales comme la mère et noir comme le père (type recombinant) 965 / 2300 comme la mère (type parental)

6. Vocabulaire Recombinants génétiques Descendants qui ont hérité des caractères parentaux, selon des combinaisons alléliques différentes de celles des parents. Les recombinants sont un mélange des parents. Fréquence de recombinaison = Nombre de recombinants * 100 = 206 + 185 = 17 % Nombre total de descendants 2300 La fréquence de recombinaison dans le croisement dihybride de Morgan est de 17 %. Unité cartographique Une unité de distance relative sur un chromosome. Équivalente à une fréquence de recombinaison de 1%. Égale à 1 cM (en l'honneur de Morgan). Dans le croisement dihybride de Morgan il y a 17 % individus recombinants donc, il y a donc 17 cM entre les deux gènes b et vg. Valeur du centimorgan Les centimorgans n'ont pas de dimension absolue, en nm par exemple parce que la fréquence des enjambements (recombinaison entre les gènes homologues) n'est pas la même partout le long du chromosome. Plus la distance physique entre deux gènes est grande sur un chromosome, plus les enjambements sont faciles et donc, plus la fréquence de recombinaison augmente.

7. Cartes génétique et cytologique Carte génétique Séquence relative des gènes le long d'un chromosome. Carte établie à partir des données d'enjambements. Emplacement exact des gènes le long d'un chromosome donné. Carte établie par des techniques de coloration, de marquage, de microscopie … Carte cytologique

Quelle est la carte génétique des trois gènes ? Carte A ou carte B ? Construction de la carte génétique des allèles b, vg et cn (étudiés par Morgan et son équipe) b = couleur du corps vg = longueur des ailes cn = couleur des yeux Un croisement entre (2) drosophiles pour les caractères b et vg produit 17% individus recombinants. Un autre croisement pour les caractères b et cn produit 9% individus recombinants. Quelle est la carte génétique des trois gènes ? Carte A ou carte B ? b cn vg 9 cM 17cM Carte A Carte B Donc, c’est B. On ne peut le déterminer car il faudrait faire un autre croisement pour connaître la distance entre les gènes vg et cn. Sturtevant, un étudiant de Morgan, a fait ce croisement supplémentaire et a trouvé 9,5% de recombinants entre les gènes vg et cn.

Carte génétique partielle du chromosome no 2 de la drosophile Campbell : 297 (2eéd. ) — Figure 15.7

8. Comparaison des gènes indépendants de Mendel et des gènes liés de Morgan Tous les gènes qui sont sur les autres chromosomes, par rapport aux gènes d’un chromosome donné, sont indépendants. Tous les gènes qui sont sur un même chromosome sont liés. Gènes liés Soit (3) paires de chromosomes Gènes indépendants Les gènes indépendants se retrouvent en proportion égale dans les gamètes. (À cause des assortiments indépendants des chromosomes homologues à la métaphase 1 de la méiose.) A a B b 25% AB, 25% Ab, 25% aB, 25% ab Les gènes liés se retrouvent en proportion inégale dans les gamètes. (À cause du fait que les gènes liés se séparent habituellement ensemble mais aussi par le fait qu'il se produit quelques enjambements au cours de la prophase 1 de la méiose.) A B a b Une majorité : AB et ab Une minorité : Ab et aB

Si on croise un hétérozygote avec un double récessif, GÈNES LIÉS Si on croise un hétérozygote avec un double récessif, il y a quelques individus recombinants (entre 0 et 50%) et une majorité parentale (entre 50 et 100%). Pour une raison physique, il est plus facile aux gènes de se recombiner lorsqu’ils sont plus distancés l’un de l’autre. Ainsi, plus la distance qui sépare les gènes est grande, plus il y a de recombinants. Cependant, le nombre maximum de recombinants est de 50% car après, les données se confondent avec celles issues des gènes indépendants. 16% 84 % GÈNES INDÉPENDANTS Si on croise un hétérozygote avec un double récessif, il y a 50% individus recombinants et 50% individus parentaux dans la progéniture. 50%

9. Les gènes de Mendel n’étaient pas tous indépendants Mendel a travaillé, sans le savoir, sur des gènes liés dans deux cas. Les gènes « couleur des graines » et « couleur de la fleur » sont liés. Ces gènes sont si éloignés sur le chromosome qu'ils se comportent comme des gènes indépendants. Ils se recombinent fréquemment au cours de la méiose. Mendel n'a pas vu la différence. Les gènes « hauteur de la plante » et « forme de la gousse » sont liés. Ces gènes sont plus étroitement liés que ceux ci-dessus. Mendel a obtenu des résultats inhabituels qu’il a tus.

Fréquence de recombinaison entre les gènes b et a ? 10. Un problème simple en rapport avec les gènes liés (question du lab) 36. Une navette d'exploration spatiale découvre une planète habitée par des créatures se reproduisant de la même manière que l'être humain. Trois expériences de reproduction sont effectuées pour les caractères suivants : Aspect boursouflé B domine Aspect malingre b Présence d'antennes A domine Absence d'antennes a Nez en trompette T domine Nez crochu t Premier croisement Femelle hétérozygote boursouflée avec antennes X Mâle récessif Fréquence de recombinaison entre les gènes b et a ?

Fréquence de recombinaison entre les gènes t et a ? Boursouflé (B) domine malingre (b), antennes (A) domine sans antennes (a) et nez en trompette (T) domine nez crochu (t) Deuxième croisement Femelle hétérozygote nez en trompette avec antennes X Mâle récessif Fréquence de recombinaison entre les gènes t et a ? Deuxième croisement Femelle hétérozygote boursouflée au nez en trompette X Mâle récessif Fréquence de recombinaison entre les b et t ? nez crochu Carte génétique des trois gènes ? Caryotype de la femelle ?

Un cas d’inversion sexuelle Emplacement approximatif du gène SRY 11. Le sexe mâle est déterminé par la présence d'un gène SRY sur le chromosome Y Un cas d’inversion sexuelle Emplacement approximatif du gène SRY Source Homme de caryotype XX avec présence du gène SRY sur l’un d’eux. (1/ 20 000)

12. Les chromosomes X et Y (hétérosomes, chromosomes sexuels) ont des portions semblables et des portions différentes Portions homologues des hétérosomes Portions qui portent le même type de gènes et qui permettent aux deux homologues de se reconnaître et de s’apparier à la méiose. Portions différentielles des hétérosomes Portions qui ne portent pas les mêmes gènes. Le chromosome X porte des gènes n’existant pas sur le chromosome Y et le chromosome Y porte des gènes n’existant pas sur le chromosome X. Par 1 Y Par 2 X Maladies liées au chromosome Y Palmure des orteils, fusion de deux ou trois dents, oreilles et corps couverts de poils, peau craquelée et écailleuse Maladies liées au chromosome X Hémophilie, daltonisme, absence d'incisives, myopathie de Duchenne Source

13. Différences dans l’expression des gènes entre hommes et femmes Une maladie due à un gène récessif requiert deux gènes récessifs pour déclencher la maladie. S’il n’y a qu’un seul gène malade, l’autre gène «normal» masque le gène malade. Femme Une maladie due à un gène dominant ne requiert qu’un seul gène pour déclencher la maladie. Homme Une maladie causé par un gène porté par X, peu importe qu’il soit récessif ou dominant, déclenchera toujours la maladie, bien qu’il soit en un seul exemplaire sur «l’unique X». Il n’y a pas de gène homologue sur le «Y» qui pourrait éventuellement masquer le gène déficient sur le «X».

14. Deux cas d’inversion sexuelle par translocation (source) Chromosome X Chromosome Y À la prophase 1, il se produit des enjambements grâce à l'appariement des régions Par 1 et Par 2. PAR 1 Gène SRY 2 1 Un mauvais enjambement survient. Le gène SRY est transféré sur le chromosome X. PAR 2 Le gène Sry est situé à proximité de la région Par 1 du chromosome Y. Après fécondation des gamètes par un chromosome X normal, on a : 4 X X + SRY Femme XY stérile (1/ 10 000 naissances) X Y-SRY Femme normale X X Mâle XX stérile (1/ 20 000 naissances) X X+SRY Homme normal X Y Y - SRY Y La suite de la méiose permet la séparation des chromatides. 3

15. Le corpuscule de Barr : un chromosome «X» condensé (donc inactif) Les femmes ont deux X. Au début de leur développement embryonnaire, ils sont actifs et ils le demeurent dans les cellules germinales (ovogonies). Mais, dans les autres cellules, un des deux X se condense : c’est le corpuscule de Barr. Les hommes n’ont habituellement pas de corpuscule de Barr car ils n’ont qu’un X et il est vital qu’il demeure fonctionnel. Homme normal (XY) Femme turner (X0) Femme normale (XX) Homme (XXY) Corpuscule de Barr Corpuscule de Barr Trouvez les caryotypes Femme Homme ( XXX X ) ( XX X ) C’est le hasard qui détermine lequel se condense. Parfois c’est l’un et parfois c’est l’autre. Ainsi, un seul X est nécessaire pour assurer le développement normal. ( XXX XY) (XX XY)

Jeune embryon Division cellulaire et inactivation des X X actif Fourrure orange Allèle orange X inactifs Allèle noir Fourrure Noire X actif Jeune embryon Campbell : 300 (2eéd.) — Figure 15.10

16. La détermination du sexe est variable dans la nature Purves : 235  Figure 10.24

FIN Lectures obligatoires et exercices à faire (édition no 3) Révision du chapitre, pp. 314 et 315 Retour sur les concepts : 15.1, 15.2 (1 et 3) et 15.3 Problèmes de génétique du laboratoire : 36 à la fin