Gènes de développement et aile de la chauve-souris

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Annales corrigées
Classe(s) : Tle S | Thème(s) : Génétique et évolution
Type : Pratique du raisonnement scientifique 2 | Année : 2013 | Académie : Polynésie française
Unit 1 - | Corpus Sujets - 1 Sujet
 
Gènes de développement et aile de la chauve-souris

Génétique et évolution

Corrigé

10

Ens. spécifique

svtT_1306_13_01C

Polynésie française • Juin 2013

pratique du raisonnement scientifique Exercice 2 • 5 points

Les chauves-souris sont des mammifères appartenant au groupe des Chiroptères ; elles présentent des membres antérieurs spécialisés (ailes) adaptés au vol.

Les premiers Chiroptères fossiles apparaissent il y a une cinquantaine de millions d’années, avec d’emblée les caractéristiques des chauves-souris actuelles. Les spécialistes s’accordent pour dire que les Chiroptères proviennent de l’évolution de formes ancestrales ayant l’aspect de mammifères quadrupèdes aux membres non spécialisés comme ceux des rats et souris actuels. Des travaux récents ont eu pour objectif de déceler les innovations génétiques à l’origine de l’adaptation au vol des chauves-souris, notamment de la transformation des membres antérieurs en ailes. L’intérêt s’est porté sur les gènes PRX1 et BMP2 connus pour agir sur la croissance des os longs des membres au cours du développement embryonnaire.

> Exploitez les documents 1 à 4 ci-dessous et mobilisez vos connaissances sur le gène et les modalités de son expression pour dégager des arguments permettant de penser que des modifications de l’expression de certains gènes de développement peuvent être à l’origine du groupe des Chiroptères.

Document 1

Comparaison de l’organisation des membres antérieurs d’une souris (Mus musculus) et de chauve-souris (Carollia perspicillatta)

I, II, III, IV et V correspondent aux doigts. Le doigt I correspond au pouce.

s = segment correspondant au bras

z = segment correspondant à l’avant-bras

a = segment correspondant à la main


D’après Cretekos et al., Reproduction, Fertility and Development, CSIRO Publishing, 2005.

Document 2

Des résultats expérimentaux : effets de la protéine Bmp2 sur la croissance en longueur des métatarsiens

Le rôle du gène BMP2 (Bone Morphologic Protein) dans l’ossification étant connu, on a constaté qu’il s’exprimait dans les bourgeons des membres. On a donc émis l’hypothèse qu’il pouvait être impliqué dans la croissance des os de la main et du pied. Pour tester cette idée, les scientifiques ont prélevé des os métatarsiens1 de fœtus de rats et les ont mis en culture dans un milieu contenant des concentrations variées de la protéine Bmp2. Le graphique renseigne sur la croissance des métatarsiens durant les 3 jours qu’a duré l’expérience.


D’après Luca, F. et al., Endocrinology, 2001, n° 42, p. 430-436.

1. Les métatarsiens sont des os du pied.

Document 3

Comparaison de l’expression du gène PRX1 au cours du développement embryonnaire des membres antérieurs de la chauve-souris et de la souris

Par la méthode d’hybridation in situ, les chercheurs ont repéré les endroits du membre où est présent l’ARN messager du gène PRX1 à divers stades de développement chez la chauve-souris (photos de la première ligne) et la souris (photos de la deuxième ligne). Avec la technique utilisée, ces endroits sont colorés en bleu plus ou moins foncé (ici, les zones foncées correspondent aux zones colorées dans l’échantillon).


D’après Cretekos et al., Reproduction, Fertility and Development, CSIRO Publishing, 2005.

Document 4

Le gène PRX1 et l’allongement des membres

Le gène PRX1 est un gène qui s’exprime au cours du développement embryonnaire au niveau du crâne, de la face et des membres de la souris. On connaît des souris mutantes affectées par une mutation des deux allèles du gène PRX1. Ces mutations ayant pour effet de rendre non fonctionnelle la protéine codée par le gène. Les souriceaux mutants meurent à la naissance à cause d’anomalies de la face et du crâne. Ils possèdent par ailleurs un raccourcissement significatif des deux os de l’avant-bras.

Comprendre le sujet

  • L’expression d’un gène correspond à sa transcription en ARN messager suivie de la traduction de cet ARNm en polypeptide. On peut donc détecter l’expression d’un gène, dans une région donnée d’un organisme, soit en mettant en évidence l’ARNm, soit le polypeptide codé par le gène.
  • Les variations de l’expression d’un gène ne portent pas sur des changements de la protéine codée par le gène (donc de la séquence codante du gène) mais par des changements dans le territoire de l’organisme où il s’exprime, de l’intensité de son expression ou du moment où il s’exprime au cours du développement.
  • La comparaison de la morphologie du membre antérieur de la souris et de la chauve-souris permet de préciser les transformations de ce membre qui ont dû avoir lieu dans la lignée évolutive des Chiroptères. Les autres documents permettent d’argumenter en faveur de l’idée que des variations dans l’expression de deux gènes du développement ont pu contribuer à ces transformations.

Mobiliser ses connaissances

  • S’agissant des gènes impliqués dans le développement, des formes vivantes très différentes peuvent résulter de variations dans la chronologie et l’intensité d’expression de gènes communs.
Corrigé

Les Chiroptères adaptés au vol ont pour ancêtre commun des mammifères quadrupèdes aux membres non spécialisés. Au cours de l’évolution conduisant aux chauves-souris, il y a eu une transformation du membre antérieur en aile. Les documents proposés vont nous permettre d’envisager les mécanismes génétiques à l’origine de cette transformation.

I. Les caractéristiques de l’aile de la chauve-souris (document 1)

  • L’aile de la chauve-souris comprend les mêmes segments (s, z et a) que le membre antérieur de la souris, mais il est considérablement allongé par rapport à la longueur du corps.
  • Ce sont les os de l’avant-bras (z) et de la main (métacarpes = os de la paume et phalanges = os des doigts) qui sont particulièrement allongés. Ce sont les métacarpes et les doigts II, III, IV et V qui, ainsi allongés, soutiennent la membrane alaire.

II. Action du gène BMP2 sur la croissance des membres

Info

Pour vérifier la réalité de différences dans l’intensité de l’expression de BMP2, il faudrait une étude comparative de son expression chez la chauve-souris et la souris.

  • La culture in vitro dans un milieu plus ou moins enrichi en protéine BMP2 (expression du gène BMP2) de métatarsiens fœtaux montre, dans le document 2, qu’au bout de 3 jours, la croissance des métatarsiens dans les milieux de culture où la concentration de BMP2 est de 100 ng et de 1 000 ng est respectivement de 2 à 4 fois supérieure à la croissance des témoins. Non seulement BMP2 agit sur la croissance, mais son action est fonction de sa concentration.
  • Cela confirme que le gène BMP2 peut avoir contribué à l’allongement de la main de l’ancêtre des Chiroptères à condition qu’il s’exprime davantage chez ces derniers que chez la souris, où il existe également.

III. Action du gène PRX1 sur la croissance des membres

  • Le document 4 nous apprend que le gène PRX1 s’exprime au niveau des membres chez la souris. En effet, si ce gène n’est pas fonctionnel, les souriceaux présentent un raccourcissement significatif des deux os de l’avant-bras. Cela signifie que le gène PRX1 intervient chez les mammifères dans la croissance des os de l’avant-bras. Il s’exprime donc dans ces os en formation durant le développement embryonnaire.
  • Le document 3 permet de comparer l’expression de ce gène durant le développement embryonnaire du membre antérieur de la chauve-souris et de la souris. L’ARN messager (ARNm) résultant de la transcription du gène est un indicateur de la localisation et de l’intensité de l’expression du gène.
  • Ce document montre que le gène PRX1 s’exprime au niveau des membres de la même façon chez la chauve-souris et la souris durant les deux premiers stades embryonnaires. Puis, à partir du 3e stade, on constate que le territoire d’expression du gène est plus étenduchez la chauve-souris (CS16 comparé à E12.0). Cela est également net au 4e stade embryonnaire, où l’ébauche de la main de la chauve-souris (CS16L) est plus grande que celle de la souris (E12.5).
  • Il existe donc une corrélation entre les différences dans l’expression du gène dans les membres antérieurs embryonnaires et la croissance différentielle de ces membres chez la chauve-souris et la souris. Cette corrélation laisse à penser qu’au cours de l’évolution des chauves-souris, une extension du territoire d’expression et une plus forte expression du gène PRX1 ont pu contribuer à l’allongement des membres antérieurs.

Conclusion

L’ancêtre commun à la chauve-souris et à la souris possédait les gènes BMP2 et PRX1. Au cours de l’histoire évolutive menant aux Chiroptères, il y a eu un changement au cours du développement dans l’expression de ces gènes (territoire d’expression et intensité de cette expression) qui a conduit à l’aile qui les caractérise.