Évolution et Diversité du Vivant (101-NYA-05) Cours 6 Chapitre 14 Campbell, 3 e édition MENDEL, SES TRAVAUX ET GÉNÉRALISATIONS Bernadette Féry Automne 2008 Source

Les travaux de génétique de Mendel : préambule Partie 1 : Les travaux de Mendel Introduction Les travaux de génétique de Mendel : préambule Le croisement monohybride de Mendel et ses déductions Notation de Mendel et vocabulaire génétique Le croisement dihybride de Mendel et sa déduction

1. Introduction Deux définitions Deux concepts de l'hérédité Transmission des caractères héréditaires (héritage génétique) Génétique Science qui étudie l'hérédité (étudie la transmission des caractères héréditaires) Deux définitions Deux concepts de l'hérédité HÉRÉDITÉ PAR MÉLANGE Avant l'époque de Mendel Les parents apportent du matériel génétique qui se mélange ; ceci donne des résultats intermédiaires qu’on ne peut plus séparer par la suite (comme deux pots de peinture qui se mélangent). HÉRÉDITÉ PARTICULAIRE À partir de Mendel Les parents transmettent des unités héréditaires distinctes qui restent distinctes chez les descendants (comme les billes que l'on retire de deux seaux et que l'on place dans un troisième seau). Mendel ne parlait pas de gènes mais d'unités héréditaires ou facteurs héréditaires.

2. Les travaux de génétique de Mendel : préambule L’homme : Johann Gregor Mendel (biographie) Botaniste autrichien (1822-1884) Élabore une théorie particulaire de l'hérédité. Basée sur des expériences menées sur des pois, à partir de 1857, sur une dizaine d’années. 1865 . Présente ses résultats à la Société d’histoire naturelle de Brno mais sans beaucoup de succès. Publie un article l’année suivante. Peu de gens le lise et encore moins le comprenne. (texte intégral de l'article) Cesse graduellement ses recherches. Devient occupé par ses fonctions administratives. Ses résultats seront redécouverts, quelques années plus tard, vers 1900, par 3 chercheurs de 3 pays différents. Campbell (3eéd.) — Figure 14.1 : 271

Le matériel de Mendel : des pois de lignées pures Pourquoi des pois ? Le pois a des caractères faciles à observer : couleur des fleurs, longueur de la tige, forme des graines … Chaque caractère n’a que deux formes «deux variations» : fleurs blanches ou violettes, tiges longues ou courtes … La fleur est fermée (à l’abri de la pollinisation extérieure) ce qui permet le contrôle possible de la fécondation Pourquoi des pois de lignée pure ? Afin d’évaluer le résultat des manipulations qu'il prévoyait faire sur ces lignées lors de leur reproduction. Comment a-t-il obtenu ses pois de lignées pures ? Il a cultivé des pois durant plusieurs générations et a sélectionné les lignées dont les pois produisaient toujours des plants semblables à eux-mêmes. (Fleurs violettes donnant toujours fleurs violettes, graines jaunes donnant toujours graines jaunes …)

Les sept caractères du pois Fleur violette ou blanche Gousse gonflée ou monoliforme Fleur axiale ou terminale Gousse verte ou jaune Graine jaune ou verte Tige longue ou naine Graine ronde ou ridée Campbell (3eéd.) — Tableau 14.1 : 271

La méthode de Mendel GÉNÉRATION PARENTALE (P1) Il pollinise, lui-même, deux variétés pures de pois différant par : (1) caractère : croisement monohybride (2)caractères : croisement dihybride Il récolte les graines puis les sème. Il observe la génération fille F1 et note les résultats. Campbell (3eéd.) — Figure 14.2 : 272

GÉNÉRATION PARENTALE (F1  P2) Il laisse les plants s’autopolliniser puis s’autoféconder (pas d’intervention). Il récolte les graines puis les sème. Il observe la génération fille F2 et note les résultats. A fait de nombreux croisements du même type afin d'obtenir un vaste échantillon.

Mendel a donc étudié les caractères génétiques sur trois générations ! Génération P Fécondation croisée (parents de lignée pure) Génération F1 (hybrides) Autofécondation Génération F2 Campbell (3eéd.) — Figure 14.3 : 273

Le cycle sexué des plantes à fleurs (un aperçu) LIRE Le sporophyte : la plante La méiose, dans le carpelle, produit les spores femelles. Zygote (2n) (n) Fécon- dation Une des quatre spores se développe (par mitose) en un gamétophyte femelle : le sac embryonnaire — n. Il contient le gamète femelle. Cellule des gamètes La méiose, dans l’étamine, produit les spores mâles. Source Chaque spore se développe (par mitose) en un gamétophyte mâle : le grain de pollen — n. Il contient la cellule qui donnera (2) gamètes mâles. (n)

3. Le croisement monohybride de Mendel et ses déductions A- Son croisement Génération P Croisement de 2 parents de lignée pure pour le caractère «couleur de la fleur». Fécondation croisée (parents de lignée pure) En F1, il observe la disparition d’un des deux caractères parentaux. Génération F1 (hybrides) Autofécondation En F2, il observe la réapparition du caractère parental disparu chez 25% des descendants. Génération F2 Proportion 3 : 1 Il obtient le même rapport pour tous ses croisements monohybrides. plants : 224 plants Campbell (3eéd.) — Figure 14.3 : 273

B- Les résultats des croisements monohybrides de Mendel Les proportions sont de 3 pour 1 dans tous les cas. 705 : 224 882 : 299 Les résultats ne sont jamais parfaits car il y a une erreur d’échantillonnage des gamètes lors de la reproduction. Il faut arrondir !!! 428 : 152 651: 207 6 022 : 2 001 787 : 277 5 474 : 1 850 Campbell (3eéd.) — Tableau 14.1 : 271

C- Ses (4) hypothèses explicatives de ces résultats Un caractère peut présenter deux formes différentes (deux variations). Les variations des caractères héréditaires s'expliquent par les formes différentes que peuvent avoir les facteurs héréditaires (par exemple, fleur violette ou fleur blanche). Les facteurs de Mendel sont les gènes. Les formes différentes de Mendel sont les allèles c’est-à-dire les gènes situés sur les chromosomes homologues. Un organisme hérite de deux facteurs pour chaque caractère. Pour chaque caractère, tout organisme hérite de deux facteurs (deux unités héréditaires), un de chaque parent ; un caractère particulier est donc contrôlé par deux facteurs. Aspect particulaire de l'hérédité. Le facteur dominant masque le facteur récessif. Si les deux facteurs diffèrent, le facteur dominant s'exprime pleinement dans l'apparence de l'organisme ; l'autre, le facteur récessif, n'a pas d'effet notable sur l'apparence. L'allèle dominant « notation majuscule » masque l'allèle récessif « notation minuscule ». Les deux facteurs se séparent durant la formation des gamètes. Il y a ségrégation des deux facteurs de chaque caractère au cours de la formation des gamètes. Ceci correspond à la séparation des paires de chromosomes homologues à la méiose ou LOI DE SÉGRÉGATION

D- Interprétation du croisement monohybride de Mendel à la lumière de ses hypothèses Génération P Phénotype : Génotype : Gamètes : Fleurs violettes VV Fleurs blanches VV V v Génotypes et rapport génotypique F1 100% VV Phénotypes et rapport phénotypique de la F1 100% de fleurs violettes Génération F1 Phénotype : Génotype : Fleurs violettes VV Gamètes mâles F1 Génération F2 1/2 V 1/2 v Génotypes et rapport génotypique F2 1 VV : 2 Vv : 1 vv Phénotypes et rapport phénotypique de la F2 3 violettes : 1 blanche 1/2 V VV Vv Gamètes femelles F1 v 1/2 vV vv Rapport phénotypique F2  3 : 1 3 4 1 4 Campbell (3eéd.) — Figure 14.5 : 275

4. Notation de Mendel et vocabulaire génétique Notation de l'allèle dominant Par la première lettre désignant le caractère, en majuscule Violet domine blanc donc allèle violet = V (grand V) Notation de l'allèle récessif Par la même lettre désignant l'allèle dominant, en minuscule Blanc est récessif donc allèle blanc = v (petit v) Homozygote ou pur Individu ayant deux allèles identiques pour un caractère donné Homozygote dominant VV Homozygote récessif  vv Hétérozygote Individu ayant deux allèles différents pour un caractère donné Hétérozygote  Vv Grille de Punnett Méthode pour croiser les gamètes et prédire les résultat (tableau de fécondation) Phénotype Apparence de l'individu (fleurs violettes ou blanches) Génotype Constitution génétique de l'individu (VV, Vv ou vv) Phénotype et rapport phénotypique Proportion de chacun des des phénotypes ; en % ou en chiffre. 75% violettes : 25% blanches ou 3 violettes : 1 blanche Génotype et rapport génotypique Proportion de chacun des génotypes. 50% V v : 25% V V : 25% v v ou 2 V v : 1 V V : 1 v v

5. Le croisement dihybride de Mendel et sa déduction Graines jaunes et rondes Graines vertes et ridées A- Son croisement Génération P Fécondation croisée Croisement de 2 parents de lignée pure pour les caractères «couleur et forme de la graine». Génération F1 En F1, il observe la disparition de deux caractères parentaux. Toutes, jaunes et rondes Génération F2 En F2, il observe la réapparition «simultanée» des caractères disparus chez 6,25% des descendants. Autofécondation des plants de la F1 X 315 556 108 556 101 556 32 556 Il obtient le même rapport pour tous ses croisements dihybrides (ou presque). Proportion 9 : 3 : 3 : 1 Campbell (3eéd.) — Figure 14.8 : 277

Campbell (3eéd.) — Figure 14.8 : 273 B- Son hypothèse JJ RR j j r r Génération P Les paires de facteurs se séparent, indépendamment des autres paires, lors de la formation des gamètes. LOI DE SÉGRÉGATION INDÉPENDANTE JR jr Génération F1 JjRr C- Interprétation du croisement Génotypes et rapport génotypique F2 1JJRR : 2JJRr : … Phénotypes et rapport phénotypique de la F2 9/16 jaunes et rondes : 3/16 vertes et rondes : 3/16 jaunes et ridées : 3/16 vertes et ridées : Hypothèse de l’assortiment indépendant Gamètes mâles F1 Génération F2 J j R r Hypothèse de l’assortiment dépendant Gamètes femelles F1 JR Jr jR jr JR J j R r JR jr JJRR JJRr JjRR JjRr JJrR JJrr JjrR Jjrr jJRR jJRr jjRR jjRr jJrR jJrr jjrR jjrr Jr JR jR jr jr La loi de ségrégation indépendante correspond à l’assortiment indépendant des chromosomes homologues en métaphase1. Rapport phénotypique F2  9 : 3 : 3 : 1 9 16 3 16 3 16 1 16 Campbell (3eéd.) — Figure 14.8 : 273

Croisement de contrôle Complément sur les allèles Partie 2 : Généralisation des travaux de Mendel Croisement de contrôle Complément sur les allèles Relation entre les allèles et les phénotypes qu’ils déterminent Les allèles multiples ou polyallélie (polymorphisme génique) La pléiotropie (gène pléiotropique) La polygénie (gènes cumulatifs ou quantitatifs) L’épistasie (un cas de super-dominance) Notions minimales de statistiques Étude des lignages (arbres généalogiques)

6. Croisement de contrôle Violet  phénotype dominant Blanc  phénotype récessif Le croisement de contrôle est effectué lorsque l’on a besoin de savoir si un individu est pur ou non pour des besoins d’élevage ou autre. Génotype vv Génotype VV ou Vv ??? On croise un individu de phénotype dominant et au génotype inconnu avec un individu de génotype connu, un récessif pour le caractère. Si le mâle est hybride, la moitié des descendants montre le phénotype récessif. Si le mâle est pur, tous les descendants sont du phénotype dominant. v v v v Le phénotype récessif est nécessairement homozygote pour le gène étudié (sinon il serait du phénotype dominant puisqu’il aurait un allèle dominant). V V Vv Vv Vv Vv V v Vv Vv vv vv Campbell (3eéd.) — Figure 14.7 : 276

7. Complément sur les allèles Les allèles sont les gènes homologues, des versions alternatives d’un gène, situés aux mêmes locus. Allèle «fleur blanche» Paire de chromosomes homologues Locus du gène de la couleur des fleurs Allèle «fleur violette» Locus (petit lieu)= Lieu précis où se situe un gène sur son chromosome Campbell (3eéd.) — Figure 14.4 : 275

8. Relation entre les allèles et les phénotypes qu’ils déterminent Dominance complète d’un allèle sur l’autre (chez la fleur du pois) L'allèle normal code la version fonctionnelle de la protéine en quantité suffisante pour assurer le phénotype normal. Vv Vv La présence des deux allèles produit un phénotype normal. V v V Vv VV L'allèle récessif est un allèle mutant qui ne code pas de protéine ou qui code une protéine inactive. v vV vv La dominance complète se manifeste par deux phénotypes !

Dominance incomplète d’un allèle sur l’autre L'allèle récessif est un allèle mutant qui ne code pas de protéine ou qui code une protéine inactive. Dominance incomplète d’un allèle sur l’autre (Gueule-de-loup) La présence des deux allèles produit un phénotype inter-médiaire. R R r r R r R r R r L'allèle normal code la version fonctionnelle de la protéine en quantité insuffisante pour assurer le phénotype normal. R r La dominance incomplète se manifeste par trois phénotypes ! R R r R R r r R r r Campbell (3eéd.) — Figure 14.10 : 281

Codominance de deux allèles (chez les groupes sanguins A et B ) Les deux allèles codent pour une version fonctionnelle de la protéine. L’allèle B code pour un enzyme qui permet au glucide B de s’attacher à la membrane. Le sucre B est un antigène. L’allèle A code pour un enzyme qui permet au glucide A de s’attacher à la membrane. Le sucre A est un antigène. Une personne de génotype AA est du groupe A. Une personne de génotype BB est du groupe B. La codominance se manifeste par trois phénotypes ! La présence des deux allèles produit un phénotype intermédiaire. Une personne de génotype AB est du groupe AB. Campbell (3eéd.) — Figure 14.12 : 282

9. Les allèles multiples ou polyallélie (polymorphisme génique) C’est le fait qu’il existe plus que deux allèles pour un gène donné dans une population. Une personne n'a jamais plus que de (2) allèles à la fois car elle n'a que (2) locus homologues pour les porter. Exemple des (4) allèles qui gouvernent la pigmentation de la robe du chinchilla C domine ch domine h domine a GÉNOTYPES PHÉNOTYPES C C pigmentation normale C ch pigmentation normale ch h type chinchilla h a type himalayen a a albinos ch ch type chinchilla h h type himalayen ch a type chinchilla etc. Exemple des (3) allèles du système ABO des groupes sanguins A et B sont codominants et dominent tous deux O qui est un gène récessif, en fait, un gène absent. GÉNOTYPES PHÉNOTYPES A A groupe A A O groupe A A B groupe AB B B groupe B B O groupe B O O groupe O Ce sont les mutations (modifications de l’ADN) qui font apparaître les nouveaux allèles d’un gène. On estime qu’un tiers des gènes chez l’homme serait polymorphe.

10. La pléiotropie (gène pléiotropique) C’est le fait qu’un gène, situé à un locus donné, influence plusieurs aspects du phénotype (plusieurs caractères). De tels gènes impliquent une voie biochimique commune dans plusieurs organes. La drosophile possède un gène provoquant une tête aplatie, des petits yeux, le thorax et l’abdomen tordus ainsi que des ailes chiffonnées. Gène de la fibrilline 1 La fibrilline est une protéine qui fait partie de la matrice des tissus de soutien, les tissus les plus abondants de l’organisme. Le gène de la fibrilline subit parfois des mutations qui ont pour conséquence d’affaiblir le tissu conjonctif (syndrome de Marfan). Le chat possède un gène qui influence la couleur de sa robe, de ses yeux et son appareil auditif. Cette mutation d’un seul gène entraîne de graves conséquences pour le squelette, le cœur et les vaisseaux sanguins, les poumons, les yeux et la peau. Par exemple, l’aorte peut se rompre suite à une activité physique exigeante. Avant des récents progrès, les gens mourraient avant l’âge de 50 ans. De nombreux gènes sont pléiotropiques !

11. La polygénie (gènes cumulatifs ou quantitatifs) C’est le fait que plusieurs gènes «situés à des locus différents» influencent un seul aspect du phénotype (un seul caractère). Les effets de ces gènes s'additionnent et produisent différents résultats intermédiaires (variation continue d'un caractère). La couleur de la peau dépend de (3) paires de gènes. Albinos Très noir La taille des individus d’une population est aussi déterminée par plusieurs paires de gènes. Campbell (3eéd.) — Figure 14.12 : 284

12. L’épistasie (un cas de super-dominance) C’est le fait qu’un gène «situé à un locus donné» masque l’expression d’un autre gène situé à un autre locus. Épistasie récessive Nn Cc Nn Cc Deux gènes épistasiques sont requis pour produire l’épistasie dans le cas d’une épistasie récessive. Le gène épistasique est noté en minuscule. NC nC Nc nc NC NNCC NnCC NNCc NnCc nC Soit les gènes : N = noir N = brun C = dépôt du pigment c = pas de dépôt de pigment nNCC nnCC nNCc nnCc Nc NNcC NncC NNcc Nncc nc nNcC nncC nNcc nncc 9 16 3 16 4 16 Ne pas se fier au volume. La figure est erronée ! Campbell (3eéd.) — Figure 14.11 : 283

Épistasie dominante Un seul gène épistasique est requis pour produire l’effet épistasique dans le cas d’une épistasie dominante. Le gène est noté en majuscule. Nn Cc Nn Cc Si on analysait le problème des souris en supposant une épistasie dominante, alors toutes les souris ayant un ou deux gènes «grand C» seraient albinos et celles ayant deux gènes «petits c» seraient colorées. Combien y aurait-il : De souris albinos ? ……….. De souris brunes ? ……… De souris noires ? ………….. NC nC Nc nc NC NNCC NnCC NNCc NnCc nC nNCC nnCC nNCc nnCc Nc NNcC NncC NNcc Nncc nc nNcC nncC nNcc nncc

Escargots albinos Cheval albinos Tigre albinos Boa albinos Source Kangourous albinos

Un cas d’épistasie «récessive» complexe Copyright ©The McGraw-Hill Companies, Inc. Un cas d’épistasie «récessive» complexe Deux gènes épistasiques différents peuvent masquer la couleur de la peau. AABb AAbb AAB_ Cas 1 Parents pigmentés (2) enfants albinos aaBB AAbb Cas 2 Parents albinos Enfants pigmentés AaBb

Rr x Rr 13. Notions minimales de statistiques Chaque allèle a une chance sur deux d’être tiré lors de la formation des gamètes. Ségrégation des allèles lors de la méiose. Rr x Rr Règle de la multiplication La probabilité d’un événement génétique se trouve en multipliant la probabilité des gamètes de cet événement. 1/2 R 1/2 r Un événement génétique 1/2 x 1/2 = 1/4 R R r 1/2 R r 1/4 1/4 Règle de l’addition Si un événement génétique peut se produire de plusieurs manières, il faut additionner la probabilité de chacune des manières. L’événement Rr peut se produire de deux manières. 1/4 + 1/4 = 1/2 r r R r 1/2 r 1/4 1/4 Campbell (3eéd.) — Figure 14.9 : 279

14. Étude des lignages (arbres généalogiques) Regroupement, dans un arbre généalogique, de l'histoire d'un caractère particulier d'une famille Symboles utilisés pour l’établissement d’un arbre généalogique Individus présentant le caractère étudié Homme Femme Sexe non précisé Union Générations I, II, III, IV, … Enfants de l’union, en ordre de naissance 1 2 3 4

Utilité de faire un arbre généalogique ? Il permet : d’étudier la génétique humaine sans faire les nombreux accouplements que l’on fait parfois pour d’autres espèces de déceler les porteurs d'une maladie dans une famille de prédire la probabilité d'apparition de cette maladie chez les futurs enfants de déduire si le caractère étudié est dominant ou récessif et s’il est lié aux autosomes (chromosomes ordinaires) ou aux hétérosomes (chromosomes sexuels)

Lignage d’un caractère dominant lié aux autosomes : pousse en pointe Lignage d’un caractère récessif lié aux autosomes : lobe attaché Les parents n’ont pas les lobes attachés mais ils ont un enfant montrant ce caractère. Les parents cachent donc, chacun, un gène lobe attaché qu’ils transmettent à cet enfant. Si le gène «attaché» avait été dominant, au moins un des parents montrerait ce caractère. Aa aa A_ Lobe libre Lobe attaché Pp Pp Cheveu en rond Cheveu en pointe P_ pp Les parents de ces deux filles ont tous deux les cheveux en pointe mais l’une ne montre pas ce caractère. Les parents ont donc un gène «cheveu non en pointe» masqué, par leur gène dominant, qu’ils transmettent à leur fille. Si le gène «cheveu en pointe» avait été récessif, les deux filles auraient eu ce caractère. Campbell (3eéd.) — Figure 14.14 : 286

FIN Lectures obligatoires et exercices à faire (édition no 3) Révision du chapitre, p. 292 Retour sur les concepts : 14.1 et 14.3 Problèmes de génétique du laboratoire : 1 à 35

5. Trois problèmes simples de monohybridisme (extraits du cahier de lab) 1a)- Quels gamètes produit l’individu de génotype AA et dans quelle proportion ? 100% de gamètes A Un rappel de la méiose, le processus cellulaire qui produit les gamètes A•A A 1b)- Quels gamètes produit l’individu de génotype Aa et dans quelle proportion ? 50% de gamètes A et 50% de gamètes a Un rappel de la méiose, le processus cellulaire qui produit les gamètes A•A a•a A a

2a)- Mendel découvrit que l’allèle tige géante G domine l’allèle tige naine g chez le pois. Quels phénotypes et rapports phénotypiques devrait-on observer à la suite du croisement de deux hétérozygotes ? Gg G g Gg G GG Gg tiges géantes tige naine g gG gg 2b)- Quels phénotypes et rapports phénotypiques devrait-on observer à la suite du croisement d’un homozygote à tige géante avec un hétérozygote ? Gg Parent hétérozygote GG G g Réponse : Parent homozygote géant G Gg GG Tous géants G

Oui. Normale domine trapu. 4- On croise deux drosophiles aux ailes normales. Parmi les 123 mouches de leur progéniture, 94 ont des ailes normales et 35 ont des ailes trapues. 4a) Quel rapport phénotypique correspond à ce résultat ? 3 : 1 Oui. Normale domine trapu. Les parents (ailes normales) cachaient chacun un gène trapu. 4b) Y a-t-il de la dominance entre les gènes ? 4c) Quel est le mode de transmission du caractère de la couleur du corps ? ( dominant vs récessif ou codominant ) Dominant / récessif 4d) Par quelle lettre représentez-vous le gène : ailes normales ? ailes trapues ? Nn N n NN nN nn 88 35 N n 4e) Reproduire le croisement. 4f) Quels sont les génotypes des parents ? Nn

A a B b 7. Trucs pour trouver les gamètes ! Gamètes ABC (1/ 8) C c B b En plus, faire un tableau si trois paires de chromosomes ou plus. Séparez les paires de chromosomes et gardez un membre de chaque paire. Caryotype AaBbCc Gamètes ABC (1/ 8) Chaque gène B peut aller avec C ou c. C c Caryotype AaBb B b Chaque gène A peut aller avec B ou b. ABc (1/ 8) Ab (1/4) A a B b AB (1/4) A a On sépare la paire A pour commencer. AbC (1/ 8) Abc (1/ 8) aBC (1/ 8) aBc (1/ 8) abC (1/ 8) abc (1/ 8) aB (1/4) ab (1/4) Gamètes

A A B B A a B B 8. Deux problèmes simples de dihybridisme (extraits du cahier de lab) 26a) Quels gamètes produit l’individu de génotype AA BB et dans quelle proportion ? AB (100%) A A B B 26b) Quels gamètes produit l’individu de génotype Aa BB et dans quelle proportion ? AB (50%) et aB (50%) A a B B