THEME 1 – A EXPRESSION, STABILITE ET VARIATION DU PATRIMOINE GENETIQUE Le patrimoine génétique joue un rôle important dans le fonctionnement cellulaire. Comment l'information génétique s'exprime au niveau du phénotype ?

Chapitre 4 du genotype au phenotype

On appelle génotype l'information génétique portée par un individu (c'est à dire la nature des allèles qu'il porte pour chacun des gènes de l'espèce).

Le génotype se note entre parenthèses (…//…) Le génotype se note entre parenthèses (…//…). Les deux // figurent les deux chromosomes

Le génotype déterminant la forme des graines est : (sphérique // ridé)

Le phénotype est l'état d'un caractère observable (anatomique, morphologique, moléculaire, physiologique) chez un organisme vivant

Le phénotype se note entre crochets […].

Petits pois sphériques Petits pois ridés [ridé]

Toutes les cellules d'un organisme pluricellulaire possèdent la même information génétique car elles sont issues d'une même cellule œuf par reproduction conforme.

Elles ont pourtant un aspect différent et ont des fonctions différentes.

Neurone Cellules musculaires

De plus, le phénotype d'un individu peut varier au cours du temps alors que son information génétique est assez stable. Donner un exemple.

La couleur de la peau est modulée par les rayons UV. La couleur des cheveux change avec l’âge chez certains individus. La couleur de la peau est modulée par les rayons UV.

Comment les protéines interviennent- elles dans le phénotype ?

I / du genome au proteome

Le génome humain compte entre 20 000 et 30 000 gènes Le génome humain compte entre 20 000 et 30 000 gènes. Le protéome correspond à l’ensemble des protéines codées par l’ensemble des gènes. Le protéome humain est estimé de 100 000 à 1 000 000 protéines, selon les auteurs.

Quel problème soulève l’affirmation précédente ?

Le modèle présenté précédemment ne permet pas d’expliquer la différence entre le nombre de gènes ( 25 000) et le nombre de protéines (entre 100 000 et 1 000 000).

En effet ce modèle fait correspondre un fragment d’ADN à un fragment d’ARN et donc à une protéine.

Certaines cellules des follicules thyroïdiens sécrètent deux protéines : la calcitonine et la CGRP (Calcitonine Gene Regulated Peptide). Ces deux protéines sont déterminées par le même gène (Calc-1).

Il est formé de 5 700 nucléotides. L’ARN pré-messager résultant de la transcription du gène calc-1 est constitué de 6 exons et de 5 introns. Exon 1 Exon 2 Exon 3 Exon 4 Exon 5 Exon 6 I 1 I 5 I 4 I 3 I 2 Il est formé de 5 700 nucléotides.

L’utilisation de sondes spécifiques de chaque intron et exon permet de connaître la constitution des ARN messagers de la calcitonine et de la CGRP. Exon 1 Exon 2 Exon 3 Exon 4 Exon 5 Exon 6 I 1 I 5 I 4 I 3 I 2

Le tableau ci-dessous regroupe les résultats obtenus. ARN pm + ARNm Calcitonine - ARNm CGRP + Présence de la sonde - Absence de la sonde

L’ARNm de la calcitonine possède les exons 1, 2, 3 et 4. ARN pm + ARNm Calcitonine - ARNm CGRP L’ARNm de la calcitonine possède les exons 1, 2, 3 et 4. L’ARNm de la CGRP possède les exons 1, 2, 3, 5 et 6.

Il y a eu un épissage alternatif. A partir du même ARN pré-messager il y a eu deux ARN messagers différents. ARN pré-messager ARN messager Calcitonine ARN messager CGRP Il y a eu un épissage alternatif.

Ces deux ARN messagers différents seront à l’origine de deux protéines différentes. Un même gène peut être à l’origine de protéines différentes.

BILAN EPISSAGE ALTERNATIF GENE TRANSCRIPTION ARN pré-messager ARNm 1 TRADUCTION PROTEINE 1 PROTEINE 2 PROTEINE 3

Ii / la variabilite des proteines chez des individus de phenotypes differents

Exemple : les groupes sanguins

Qu’est-ce qui détermine les groupes sanguins ?

Les groupes sanguins sont déterminés par des molécules situées sur la membrane des hématies.

Quels sont les points communs et les différences entre les différents marqueurs ?

Ils possèdent tous une base commune sur laquelle se fixent des molécules différentes pour les groupes A et B et rien pour le groupe O.

La synthèse de ces marqueurs est contrôlée par des enzymes résultant de l’expression d’un gène.

Quels sont les allèles présents sur la paire de chromosomes 9 pour les différents groupes sanguins ?

Les différents génotypes et les phénotypes correspondant.

Tous les individus d’une espèce donnée possèdent les mêmes gènes mais pas forcément les mêmes allèles ni les mêmes protéines.

Iii / la variabilite des proteines chez un même individu

Toutes les cellules d’un même individu possèdent la même information génétique.

Possèdent-elles les mêmes protéines ?

Les hémoglobines : variabilité dans le temps

Synthèse des différentes chaînes composant la molécule d’hémoglobine en fonction du temps.

Que constatez-vous ?

En fonction de l’âge, et donc de facteurs internes, ce ne sont pas toujours les mêmes gènes qui s’expriment.

L’expression de certains gènes et les facteurs externes

Variation de la concentration plasmatique de l’EPO en fonction de l’altitude

Interpréter ces résultats

24 à 48 heures après l’arrivée en altitude la production d’EPO (érythropoïétine atteint son maximum) puis retourne au niveau initial au bout d’une semaine.

Variation de la quantité d’hémoglobine et du nombre de globules rouges en altitude en fonction du temps

Interpréter ces résultats

La quantité d’hémoglobine et le nombre de globules rouges augmentent à partir d’une à deux semaines après l’arrivée en altitude, pour atteindre son maximum 2 à 3 mois après.

Existe-t-il une relation entre l’EPO et la quantité d’hémoglobine ?

Proposer un protocole pour répondre à cette question.

On injecte des doses différentes d’EPO et on mesure la quantité d’hémoglobine.

Interpréter ces résultats

Plus la quantité d’EPO est importante plus la production d’hémoglobine est élevée.

Un facteur externe (le manque d’oxygène) a déclenché une augmentation de la production d’hémoglobine par l’intermédiaire d’une surproduction d’EPO.

Mode d’action cellulaire de l’EPO

Iv / du phenotype moleculaire au phenotype macroscopique Les différentes échelles du phénotype

Un exemple de phénotype : la drépanocytose

Comment se manifeste le phénotype de la drépanocytose à l’échelle de l’individu ?

Ce phénotype se caractérise par une mauvaise oxygénation de tous les organes entraînant : un essoufflement une nécrose des tissus des troubles articulaires.

Comment se manifeste le phénotype de la drépanocytose à l’échelle cellulaire ?

Quelles cellules étudieriez-vous ?

On va étudier les hématies qui assurent l’oxygénation des tissus grâce à l’hémoglobine qu’elles contiennent.

Hématies d’un individu sain

Hématies d’un individu drépanocytaire.

Comparer les deux types d’hématies.

Les hématies d’un individu drépanocytaire sont déformées.

Pourquoi les hématies d’un individu drépanocytaire sont déformées ?

Structure d’une hématie d’un individu sain

Les hématies sont des cellules énuclées dont le cytoplasme contient essentiellement de l’hémoglobine, protéine soluble assurant le transport du dioxygène.

Une hématie d’un individu drépanocytaire

Comment se présente l’hémoglobine dans les hématies drépanocytaire ?

Dans les hématies drépanocytaires l’hémoglobine se présente sous forme de fibres insolubles.

Comment expliquer l’aspect différent de l’hémoglobine ?

Avec le logiciel Rastop on peut afficher les molécules HbA (hémoglobine d’un individu sain), HbS et HbSHbS (hémoglobines d’un individu drépanocytaire).

HbA HbS Il n’y a pas de différences visibles à cette échelle.

Deux molécules HbS

Deux molécules d’hémoglobine drépanocytaire s’agglutinent.

Pour essayer de comprendre les raisons de cette agglutination, examinons la séquence d’acides aminés des hémoglobines HbA et HbS et la séquence de nucléotides des allèles à l’origine de leur synthèse.

Avec le logiciel Anagène on peut comparer les séquences de nucléotides des gènes HbA (individu sain) et HbS (individu drépanocytaire) ainsi que celles des hémoglobines correspondantes d’acides aminés.

Dans l’hémoglobine drépanocytaire la valine (hydrophobe) a remplacé l’acide glutamique (hydrophile).

Cette substitution entraîne la formation de liaisons hydrophobes entre les molécules d’hémoglobine drépanocytaire (HbS).

La valine s’insère dans un creux formé par des acides aminés hydrophobes (leucine et phénylalanine).

VAL6 PHE85 LEU88

Ces liaisons hydrophobes induisent la formation de fibres d’hémoglobine insoluble.

Fibres constituées par des molécules d’HbS agglutinées.

La présence de fibre d’hémoglobine déforme les hématies ce qui perturbe leur passage dans les capillaires et entraîne les symptômes observables chez un individu drépanocytaire.

Le phénotype moléculaire induit le phénotype cellulaire qui induit le phénotype macroscopique.