Diversification génétique et diversification des êtres vivants

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Annales corrigées
Classe(s) : Tle S | Thème(s) : Génétique et évolution
Type : Restitution des connaissances | Année : 2014 | Académie : Afrique
Corpus Corpus 1
Diversification génétique et diversification des êtres vivants

Génétique et évolution

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Ens. spécifique

10

Afrique • Juin 2014

restitution des connaissances • 8 points

L’association des mutations et du brassage génétique au cours de la méiose et de la fécondation ne suffit pas à expliquer la totalité de la diversification des êtres vivants. D’autres mécanismes interviennent.

> Décrivez les mécanismes qui, en dehors de la méiose et de la fécondation, sont à l’origine d’une diversification des êtres vivants.

Montrez ensuite comment un de ces mécanismes permet d’expliquer des différences entre deux espèces proches génétiquement : l’homme et le chimpanzé.

L’exposé doit être structuré avec une introduction, un développement et une conclusion. Sont exclus de votre sujet les brassages génétiques intervenant au cours de la méiose et les mécanismes conduisant à des anomalies au cours de la méiose.

Les clés du sujet

Comprendre le sujet

  • Il s’agit d’un sujet très vaste, car demandant de faire une revue de tous les mécanismes de diversification du vivant autres que les mutations et les brassages génétiques de la reproduction sexuée. Il faut veiller à ne pas se perdre dans des détails en développant des exemples mais s’efforcer de dégager, pour chaque mécanisme, les points essentiels. Autrement dit, il faut bien mettre en évidence en quoi le mécanisme entraîne l’apparition de formes nouvelles et indiquer si cela aboutit à une nouvelle espèce.
  • La deuxième question implique de développer un de ces mécanismes : les changements dans l’expression des gènes de développement, en prenant un exemple précis relatif à l’évolution dans la lignée humaine. Il n’est pas nécessaire d’être exhaustif. Il faut s’appuyer sur deux ou trois caractères, dont on admet que le chimpanzé possède l’état ancestral, pour montrer comment le changement d’expression de gènes intervenant dans la réalisation de ces caractères a contribué à des phénotypes propres à l’homme.

Mobiliser ses connaissances

  • Des mécanismes de diversification des génomes existent : hybridations suivies de polyploïdisation ou transfert par voie virale.
  • S’agissant des gènes impliqués dans le développement, des formes vivantes différentes peuvent résulter de variations dans la chronologie et l’intensité d’expression de gènes.
  • Une diversification des êtres vivants est aussi possible sans modification des génomes : ce sont les associations, dont la symbiose.
  • Le développement de comportements nouveaux transmis d’une génération à l’autre par voie non génétique est aussi source de diversité.
  • D’un point de vue génétique, l’homme et le chimpanzé, très proches, se distinguent surtout par la position et la chronologie d’expression de certains gènes.
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Introduction

Le polymorphisme génétique des populations résulte de mutations ayant affecté les séquences codantes des gènes et de brassages intra- et interchromosomiques se produisant au cours de la reproduction sexuée. Ces divers mécanismes ont conduit et conduisent à la diversification du vivant.

Il existe d’autres mécanismes de diversification dont nous allons indiquer la nature et les caractéristiques. Nous verrons comment l’un d’entre eux peut être, au moins en partie, à l’origine des différences entre l’homme et le chimpanzé.

I. Divers mécanismes de diversification

1. Mécanismes liés à l’expression des gènes

  • Il s’agit de mécanismes qui ne touchent pas la séquence codante des gènes, et donc les polypeptides qu’ils codent, mais qui affectent leur expression, c’est-à-dire leur transcription en ARN messager et leur traduction en polypeptide.

Info

Ces changements sont dus, le plus souvent, à des mutations affectant les séquences régulatrices de l’expression des gènes.

  • Ces mécanismes peuvent agir sur :
  • la quantité de polypeptide synthétisé ;
  • le moment de la vie de l’organisme où le gène s’exprime ;
  • le territoire de l’organisme où il s’exprime.
  • Si ces mécanismes affectent des gènes intervenant dans le développement, ils peuvent conduire à des variations morphologiques et anatomiques importantes aboutissant à la diversification du vivant.

2. Mécanismes liés au nombre de chromosomes

  • Il peut y avoir hybridation entre deux espèces 1 et 2 plus ou moins proches. Cette hybridation peut conduire à des individus hybrides 3 (figure).

Notez bien

Les gamètes de l’espèce 3 à l’origine de l’espèce 4 sont issues de la méiose de cellule AABB.

  • Généralement ces hybrides 3 sont stériles car leurs chromosomes s’apparient difficilement à la méiose. Cependant, surtout chez les végétaux, des mécanismes de doublement du nombre de chromosomes au cours de mitoses (polyploïdisation) peuvent se produire à un moment de la vie d’un organisme. Si les organes reproducteurs sont issus de cellules ayant subi cette polyploïdisation, cela peut conduire à l’apparition d’une espèce polyploïde 4. 

 

Figure Hybridation et polyploïdisation

Notez bien

Toutes les cellules des individus de l’espèce 4 ont un caryotype AABB. 

  • Ces individus tétraploïdes constituent une nouvelle espèce dans la mesure où ils sont fertiles. Le nombre tétraploïde de chromosomes fait que cette nouvelle espèce a des caractères phénotypiques différents de ceux des espèces parentales et se traduisant par des caractéristiques nouvelles, comme une plus grande vigueur, par exemple.

3. Transfert horizontal de gènes (transfert viral)

  • À la suite d’infections virales, en particulier par des rétrovirus, il peut y avoir intégration de gènes viraux dans le génome de l’espèce infectée.

Attention !

Ce transfert viral ne peut donner naissance à un nouveau phénotype transmissible que s’il affecte les cellules germinales de son hôte et peut être ainsi transmis de génération en génération (transfert vertical).

  • Certains des gènes viraux intégrés peuvent continuer à s’exprimer au sein des individus de l’espèce hôte et les polypeptides qui résultent de leur expression peuvent conférer à ceux-ci des caractéristiques phénotypiques nouvelles.
  • L’espèce hôte est donc modifiée par le transfert de cet ADN viral. Il s’agit d’un exemple de diversification par transfert horizontal, c’est-à-dire par intégration dans le génome d’une espèce de gènes appartenant à une autre espèce.

4. Diversification par association

  • Au cours de l’histoire de la vie, des associations entre organismes appartenant à des espèces différentes se sont formées.
  • Si chaque partenaire reçoit un bénéfice de l’autre espèce, cette association est une symbiose.

Info

On donne le nom de symbiote à chacun des deux organismes qui participent à une symbiose.

  • Un cas particulier de symbiose est l’endosymbiose, où l’un des organismes est inclus à l’intérieur de l’autre.
  • L’organisme résultant de la symbiose bénéficiant des caractéristiques des deux espèces associées possède donc des propriétés différentes de chacune d’elles.
  • Il y a environ deux milliards d’années, l’association entre des unicellulaires eucaryotes anaérobies et des bactéries aérobies a donné naissance à un organisme symbiotique capable de respirer.

Les mitochondries présentes dans les cellules eucaryotes résultent de cette symbiose car elles descendent des bactéries aérobies originelles.

5. Diversification par mécanismes culturels

  • Les diverses populations d’une espèce peuvent être physiquement séparées les unes des autres et acquérir des comportements différents. Par exemple, des modifications du chant qui est naturellement impliqué dans le rapprochement et la reproduction des oiseaux.
  • Au cours de l’évolution de ces populations séparées, ce chant peut lui-même évoluer de manière originale dans chacune des populations, et ces changements se transmettre de génération en génération par apprentissage.
  • Il se peut que, si les descendants des populations d’origine se rencontrent, leurs chants soient devenus si différents qu’ils ne permettent plus le rapprochement et la reproduction naturelle entre ces populations : elles forment alors deux espèces différentes.

II. Un mécanisme expliquant des différences entre l’homme et le chimpanzé

  • Quand on compare les séquences codantes des gènes du chimpanzé et de l’homme, on constate que le pourcentage de similitude globale est proche de 99 %, ce qui contraste avec les différences morphologiques et anatomiques évidentes entre les deux espèces.
  • Cela pose le problème du déterminisme génétique de ces différences phénotypiques. Pour résoudre ce problème, les chercheurs s’intéressent aux caractéristiques du développement de ces deux espèces.
  • Chez le chimpanzé comme chez l’homme, on reconnaît les mêmes phases du développement :
  • la phase embryonnaire, au terme de laquelle l’organogenèse globale est réalisée,
  • la phase fœtale, qui s’achève à la naissance,
  • la phase lactéale, qui va de la naissance à l’apparition de la première molaire supérieure,
  • la phase de substitution, qui se termine à la puberté.
  • La phase embryonnaire est plus courte chez le chimpanzé que chez l’homme (2 semaines contre 8 semaines). Or, c’est durant cette phase qu’a lieu la multiplication des cellules neuronales au sein du tube neural embryonnaire. ­L’allongement de cette période de multiplication cellulaire chez l’homme est un élément expliquant la forte croissance cérébrale de l’homme par rapport au chimpanzé.

Info

Le chimpanzé présente l’état ancestral de ce caractère, l’homme l’état dérivé.

  • On a identifié un gène, le gène ASPM, dont on a montré qu’il s’exprime uniquement dans le cerveau embryonnaire et dont la protéine intervient au cours de la mitose. On peut penser qu’un allongement de la période d’expression de ce gène dans la lignée humaine a contribué à l’acquisition du phénotype cérébral humain.

Attention !

Le gène ASPM n’est certainement pas le seul gène en cause.

  • Le fait qu’il existe une maladie héréditaire humaine, la microcéphalie, se traduisant par une diminution considérable du volume cérébral et qui est due à des mutations de ce gène, est un argument en faveur de l’idée qu’il a pu jouer un rôle important au cours de l’évolution humaine.
  • La position du trou occipital et la forme générale du crâne du jeune chimpanzé (jusqu’à l’âge d’1 an et demi environ) sont proches de celles du jeune humain et de l’homme adulte. Ensuite, après la naissance, au cours de la phase lactéale du chimpanzé, il y a un basculement du trou occipital vers l’arrière, la forme générale du crâne change et la face devient nettement projetée vers l’avant. Cela fait que le chimpanzé adulte est beaucoup moins bipède que le jeune chimpanzé.
  • L’homme adulte a donc conservé des caractéristiques crâniennes du jeune chimpanzé qui lui permettent d’avoir une bipédie permanente.
  • Tout se passe comme si les gènes qui, au cours de la phase lactéale, entraînent le changement de forme du crâne de chimpanzé cessaient de s’exprimer chez l’homme. Ce maintien des caractères juvéniles crâniens, provoqué par l’arrêt de l’expression de gènes est un exemple inverse de l’allongement de l’expression du gène ASPM.

Attention !

Cela ne veut pas dire que le gène FoxP2 est le gène du langage.

  • C’est durant la phase lactéale que se développe le langage chez l’homme. On a identifié un gène, le gène FoxP2, dont une mutation dans une famille humaine entraîne un déficit très important de l’expression orale. Ce gène s’exprime dans le cortex cérébral.
  • L’étude comparative de ce gène chez divers primates a montré que le gène humain avait des caractéristiques spéciales alors qu’il est identique chez les autres primates. On peut penser que c’est l’acquisition de ces caractéristiques au cours de l’évolution de la lignée humaine qui a pu jouer un rôle dans l’acquisition du langage.
  • Ce gène code pour une protéine qui est un facteur de transcription, c’est-à-dire une protéine qui régule l’expression d’autres gènes. Le gène FoxP2 humain, en régulant différemment l’expression de gènes situés en aval et qui sont impliqués dans le langage, a pu modifier le phénotype « langagier » au cours de l’évolution humaine. Cet exemple attire l’attention sur l’importance des mécanismes qui modifient l’expression des gènes dans la réalisation de changements phénotypiques.

Conclusion

Chez tous les êtres vivants, y compris l’espèce humaine, les processus de diversification par mutations et brassages génétiques sont fondamentalement les mêmes. Il en est de même pour d’autres processus de diversification, comme ceux dus à des changements dans l’expression de gènes et notamment ceux impliqués dans le développement. Une originalité de l’évolution dans l’espèce humaine est l’importance des innovations dans les processus culturels transmis de génération en génération par apprentissage et source de diversification des populations humaines. Ces changements culturels, en modifiant l’environnement, ont pu avoir des conséquences sur l’évolution biologique des populations humaines.