Des mécanismes de diversification génétique

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Annales corrigées
Classe(s) : Tle Générale | Thème(s) : L’origine du génotype des individus
Année : 2020 | Académie : Inédit

L’origine du génotype des individus

LE VIVANT

5

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Exercice 1

Des mécanismes de diversification génétique

1 h 30

7 points

Intérêt du sujet • Expliquez, en vous appuyant sur des schémas, les conséquences du brassage intrachromosomique au cours d’une méiose normale et lors d’une anomalie survenant pendant la méiose.

La diversification génétique des êtres vivants s’explique notamment par la diversité des gamètes produits lors de la méiose. Au cours de celle-ci, des accidents peuvent survenir contribuant aussi à cette diversité.

En vous appuyant sur l’exemple d’une méiose normale d’une cellule à 2n = 2 chromosomes et d’un accident de méiose conduisant à une duplication d’un gène, montrez que ces mécanismes sont à l’origine de la diversité génétique des gamètes.

Remarque : la paire de chromosomes homologues sera porteuse d’un gène A (avec les allèles a1 et a2) et d’un gène B (avec les allèles b1 et b2).

Votre exposé sera structuré avec une introduction et une conclusion. Il sera accompagné de schémas.

 

DOCUMENT D’AIDE

La paire de chromosomes homologues concernée par la méiose

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Les clés du sujet

Étape 1. Comprendre le sujet

On considère la méiose dans des cellules où 2n = 2, c’est-à-dire qui ne possèdent qu’une seule paire de chromosomes homologues. En conséquence, le brassage interchromosomique n’est pas en jeu au cours de la méiose de ces cellules.

Il s’agit de montrer comment le brassage intrachromosomique affectant une cellule hétérozygote pour deux gènes conduit à quatre types de gamètes pour les gènes considérés. Il faut ensuite montrer comment une anomalie dans ce brassage amplifie la diversité des gamètes en étant à l’origine d’une duplication de gènes.

La nature des conséquences de l’accident de la méiose (la duplication de gènes) vous indique qu’il faut schématiser une méiose avec un crossing-over inégal.

Étape 2. Exploiter le document

Le document d’aide doit vous servir à schématiser, dans votre introduction, la localisation chromosomique des allèles des gènes considérés dans la cellule.

Étape 3. Construire la réponse

Tableau de 4 lignes, 2 colonnes ;Corps du tableau de 4 lignes ;Ligne 1 : Introduction; Schématisez la localisation des allèles des deux gènes sur les chromosomes homologues d’une cellule qui entre en méiose.; Ligne 2 : I. Mécanismes du brassage allélique au cours de la méiose; Expliquez et schématisez le remaniement des chro­mosomes par crossing-over au cours de la prophase I.Expliquez et illustrez la localisation des allèles à la fin de la première division de la méiose.Expliquez et schématisez le brassage intrachro­mosomique obtenu à la fin de la méiose, en concluant sur la création de diversité génétique.; Ligne 3 : II. Mécanismes à l’origine de la duplication d’un gène; Expliquez et schématisez une méiose avec un crossing-over inégal tel qu’une chromatide devienne porteuse de deux allèles d’un gène.; Ligne 4 : Bilan; Insistez sur les deux phénomènes fondamentaux créateurs de diversité des gamètes : l’appariement des chromosomes homologues suivi du crossing-over.Évoquez la grande diversité des gamètes produits si on considère de nombreuses méioses affectant des cellules hétérozygotes pour de nombreux gènes.Évoquez la notion de famille multigénique.;
Corrigé

Introduction

C’est dans les gonades d’un mammifère (testicules et ovaires) que les cellules-mères diploïdes des gamètes (spermatocytes I et ovocytes I) subissent la méiose. Celle-ci est caractérisée par deux divisions cellulaires successives aboutissant à la formation de quatre cellules haploïdes (n chromosomes) qui se différencient en gamètes.

Toutes les cellules-mères des gamètes d’un individu ont le même caryotype et le même génotype. En revanche, les cellules haploïdes issues d’une méiose, même unique, sont génétiquement différentes. Cette diversité est due au brassage des allèles des gènes au cours de la méiose.

En outre, des anomalies peuvent survenir au cours des méioses, et notamment celles qui conduisent à une autre forme de diversité génétique consistant en la duplication d’un allèle d’un gène.

Pour décrire les mécanismes à l’origine de ces diversités génétiques, nous allons considérer une espèce dont le caryotype ne comprend que deux chromosomes, ces chromosomes homologues portant en particulier les allèles de deux gènes A et B. La figure 1 ci-après schématise la garniture chromosomique d’une cellule-mère des gamètes au début (a) et à la fin (b) de l’interphase qui précède la méiose.

à noter

La disposition des allèles indique que les allèles a1 et b1 proviennent d’un gamète de l’un des parents et a2 et b2 du gamète de l’autre parent.

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Figure 1. Cellule-mère des gamètes (2n = 2) à l’interphase

I. Mécanisme du brassage allélique au cours de la méiose

Le piège à éviter

Ne décrivez pas une méiose sans crossing-over ni une méiose où le crossing-over est situé en dehors des locus des deux gènes, car elles ne créent pas de diversité pour les gènes considérés.

A. Le remaniement des chromosomes homologues au cours de la prophase I

Cette prophase est caractérisée, dans un premier temps, par l’appariement étroit des chromosomes homologues ; puis, dans un deuxième temps, les chromosomes d’une même paire tendent à se séparer sauf au niveau de chiasmas, dont la position et le nombre sont variables d’une méiose à l’autre.

C’est au niveau de ces chiasmas que se produit le crossing-over (figure 2) qui consiste en l’échange de fragments entre chromatides non sœurs de chromosomes homologues.

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Figure 2. Prophase I et métaphase I de la méiose

Cet échange entraîne un brassage intrachromosomique qui s’accompagne d’un brassage génétique pour les deux gènes considérés uniquement si le crossing-over est situé entre les loci des deux gènes.

Ce type de brassage conduit à deux chromosomes homologues possédant chacun une nouvelle association d’allèles portée par l’une de leurs chromatides : a1 et b2 pour l’un, a2 et b1 pour l’autre.

B. La fin de la première division de la méiose dans une cellule 2= 2

Pendant la métaphase, les deux chromosomes homologues encore appariés se placent de part et d’autre de la plaque équatoriale.

À l’anaphase, un chromosome (toujours formé de deux chromatides) se dirige vers l’un des pôles de la cellule et son homologue vers l’autre pôle. Chacune des deux cellules-filles n’hérite donc que d’un chromosome, et chaque chromosome est toujours formé de deux chromatides, qui diffèrent par les deux associations d’allèles qu’elles portent (figure 3).

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Figure 3. Fin de la première division de la méiose

C. La deuxième division de la méiose

La deuxième division se déroule comme au cours d’une mitose normale dans chacune des deux cellules issues de la première division, cellules haploïdes avec un seul chromosome dans l’exemple envisagé.

À l’anaphase, dans chaque cellule, les deux chromatides du chromosome se séparent et migrent chacune vers un pôle.

On aboutit à quatre cellules haploïdes (figure 4) :

deux cellules dites parentales, possédant la combinaison initiale des allèles des deux gènes (a1b1 pour l’une, a2b2 pour l’autre) ;

mots-clés

Un gamète produit par un individu est dit parental lorsqu’il possède l’association d’allèles de gènes identique à celle du gamète qu’il a reçu de l’un de ses parents. Il est dit recombiné s’il possède une association d’allèles autre.

deux cellules dites recombinées, possédant de nouvelles associations des allèles (a1b2 pour l’une et a2b1 pour l’autre).

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Figure 4. Fin de la méiose

Les cellules recombinées témoignent du brassage allélique réalisé par la méiose, lequel brassage accroît la diversité génétique des gamètes.

II. Mécanismes à l’origine de la duplication d’un gène

A. La duplication de gènes

Dans le cas d’une méiose normale durant la prophase I, l’appariement des chromosomes homologues s’effectue gène à gène, d’une façon étroite et très précise.

La duplication peut avoir pour origine une anomalie de cette prophase de la première division de la méiose appelée crossing-over inégal. Celui-ci est dû à un défaut dans l’appariement des chromosomes.

Le conseil de méthode

« Crossing-over inégal » signifie que les échanges entre les deux chromatides homologues ne sont pas équilibrés par suite d’un léger décalage dans l’appariement. Cela aboutit à une duplication d’un gène si ce crossing-over anormal a lieu très près du locus d’un des gènes.

Il faut exagérer le décalage dans le schéma pour le rendre lisible.

Considérons un crossing-over inégal aboutissant à la duplication du gène B (figure 5, page suivante). Tout d’abord, le crossing-over a lieu près du locus du gène B, mais il y a un décalage dans sa position sur les deux chromatides homologues impliquées (figure 5a).

Le crossing-over a alors lieu en arrière de l’allèle b2 sur l’une des chromatides et en avant de l’allèle b1 sur l’autre chromatide.

À la fin de ce type de prophase I, l’une des chromatides considérées possède deux allèles b1 et b2 du gène alors que l’autre chromatide ne possède plus d’allèle de ce gène (figure 5b).

B. Les gamètes obtenus

à noter

Ici les deux allèles b1 et b2 du gène B sont différents, mais la duplication génique peut concerner deux allèles identiques d’un gène.

À la fin d’une telle méiose, les gamètes sont de trois types (figure 5c) :

deux gamètes normaux possédant chacun un allèle des gènes A et B ;

un gamète sans allèle du gène B ;

un gamète porteur de deux allèles du gène B.

Ce gamète est ainsi porteur de deux allèles du même gène occupant des loci différents sur un même chromosome. Puisque ces allèles occupent deux loci différents, on peut alors parler de deux gènes. Il y a eu une duplication génique.

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Figure 5. Méiose présentant un crossing-over inégal

Bilan

Des faits essentiels qui contribuent à la diversité génétique des gamètes lors d’une méiose normale sont :

l’appariement des chromosomes homologues ;

le crossing-over affectant les chromatides non sœurs.

Il y a toujours une recombinaison chromosomique qui s’accompagne, si l’on considère deux gènes avec des allèles différents, d’un brassage allélique uniquement si le crossing-over se produit entre les loci des deux gènes.

Les chromosomes homologues des cellules qui subissent la méiose possèdent en réalité de nombreux gènes avec des allèles différents. Comme la localisation du crossing-over varie d’une méiose à l’autre, il en résulte des brassages alléliques différents, d’où une très grande diversité de gamètes.

Le crossing-over joue également un rôle fondamental dans la duplication génique, mais il doit être inégal pour réunir deux allèles d’un même gène sur le même chromosome.

Si ce mécanisme de duplication d’un gène se répète au cours de l’histoire évolutive d’une espèce, on aboutit à une famille multigénique.

Si ces gènes d’une même famille conservent la même fonction, la quantité de protéine résultant de leur expression augmente, ce qui peut conférer un avantage évolutif. S’ils subissent des mutations indépendantes, cela peut conduire à l’apparition de nouvelles fonctions (par exemple la famille multigénique des opsines qui permet la vision des couleurs). Ainsi, les anomalies de la méiose peuvent être créatrices de diversité et avoir un impact évolutif.

à noter

Dans la conclusion, on peut généraliser et dépasser l’exemple envisagé.

Le crossing-over normal est à l’origine de nouvelles combinaisons d’allèles préexistants, alors que le crossing-over inégal conduit à une diversité différente caractérisée par la réunion, sur un même chromosome, de deux allèles d’un même gène. Les allèles sont souvent identiques, mais ils peuvent parfois être différents, comme dans l’exemple étudié.