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Mendel et le concept de gène
L' « hérédité particulaire » est un
modèle de l'hérédité qui mène au concept de gène. Selon ce modèle, les parents
transmettent des unités héréditaires discontinues, les gènes, qui restent
distincts chez leurs descendants. L'ensemble des gènes d'un organisme ressemble
plus à un seau de billes qu'à un pot de peinture. Tout comme des billes, les
gènes peuvent être triés et transmis d'une génération à une autre sans effet de
dilution.
La génétique moderne est née dans
le jardin d'une abbaye, lorsqu'un moine nommé Gregor Mendel a mis en évidence
une forme d'hérédité particulaire. Dans le présent chapitre, vous allez voir
comment Mendel a conçu sa théorie, et comment on peut appliquer son modèle aux
variations chez les humains.
Le modèle mendélien: la démarche scientifique à
l'oeuvre
Approche expérimentale de Mendel
Gregor Mendel découvrit les
principaux mécanismes de l'hérédité en reproduisant des pois dans le cadre
d'expériences soigneusement planifiées. Mendel a probablement choisi de
travailler sur les pois parce qu'il en existe de nombreuses variétés. En
travaillant sur les pois, Mendel était aussi en mesure de déterminer de façon
absolue l'identité des plantes qu'il croisait.
Mendel prit soin de délimiter son
étude à l'hérédité de variations discontinues, c'est-à-dire de caractères
s'exprimant sous l'une de deux formes. Les généticiens appellent caractère une propriété héréditaire, telle que la
couleur des fleurs, qui varie d'un individu à l'autre.
Mendel s'assura également que
chacune des variétés choisies pour commencer ses expériences appartenait à une lignée pure; en d'autres termes, une plante qui
n'engendre que des descendants de la même variété après une autofécondation.
D'ordinaire, dans une expérience de
croisement, Mendel effectuait une pollinisation croisée entre deux variétés de
pois de lignée pure ayant au moins un caractère qui se manifestait
différemment; parexemple, en ce qui concerne le caractère couleur des fleurs.
Ce croisement entre deux variétés est appelé hybridation.
Plus précisément, il s'agit ici d'un croisement
monohybride, qui permet de suivre l'hérédité d'un seul caractère, tel
que la couleur des fleurs. On nomme génération P
(parentale) les parents de lignée pure, et on appelle génération
F1
(première génération filiale) les hybrides qui en sont issus. En permettant
l'autofécondation des ces hybrides F1,
on obtient une génération F2 (deuxième génération
filiale). En règle générale, Mendel suivait les caractères pendant au moins ces
trois générations.
C'est principalement l'analyse des
plantes de la F2 qui lui
permit de découvrir les deux principes fondamentaux de l'hérédité, aujourd'hui
connus sous le nom de loi de ségrégation et loi d'assortiment indépendant des
caractères.
Loi
mendélienne de ségrégation
Après avoir fait un croisement
entre des pois à fleurs violettes et des pois à fleurs blanches, les
descendants de la F1 possèdent
des fleurs de la même couleur que celles de leurs parents à fleurs violettes.
Si le caractère fleur blanche avait disparu, les plantes de la F1 auraient produit uniquement des
descendants à fleurs violettes à la génération F2. Or, lorsque Mendel a procédé à l'autofécondation des
plantes de la F1, puis à semé
leurs graines, le caractère des fleurs blanches est réapparu à la génération F2 dans une proportion de trois plantes à
fleurs violettes pour une plante à fleurs blanches.
Les
fleurs violettes constituent un caractère dominant et les fleurs blanches représentent
un caractère récessif. L'apparition de plantes à fleurs blanches à la
génération F2 prouvait que le
facteur héréditaire causant ce caractère récessif n'avait aucunement été dilué
du fait de sa coexistence avec le facteur des fleurs violettes chez les
hybrides de la F1. Mendel
observa le même schéma d'hérédité pour six autres caractères, chacun offrant
deux variantes opposées.
1-
Les variations des caractères héréditaires s'expliquent par les formes
différentes que peuvent avoir les gènes. Les deux formes possibles d'un
même gène sont appelées allèles. Les allèles
des fleurs violettes et des fleurs blanches représentent deux variantes
possibles de l'ADN situé sur le locus du gène de la couleur des fleurs, sur
l'un des chromosomes d'un pois.
2-
Pour chaque caractère, tout organisme hérite de deux gènes, un de chaque
parent. Il faut se rappeler ici que tout organisme diploïde possède des
paires de chromosomes homologues, et que chacun des deux chromosomes d'une
paire provient de chacun des deux parents. Par conséquent, chaque locus se
trouve en fait représenté deux fois dans une cellule diploïde. Les locus
homologues peuvent porter le même allèle, comme dans le cas des plantes de
lignée pure ou les deux allèles diffèrent, comme chez les hybrides de la
génération F1.
3-
Si les deux allèles diffèrent, l'un d'eux, l'allèle
dominant, s'exprime pleinement dans l'apparence de l'organisme; l'autre,
l'allèle récessif, n'a pas d'effet
notable sur l'apparence de l'organisme.
4-
Il y a ségrégation des deux gènes de chaque caractère au cours de la
formation des gamètes. Par conséquent, les gamètes mâle et femelle
reçoivent chacun, pour un gène, une seule des deux copies qui existaient dans
les cellules somatiques de l'organisme. Remarquez que si un organisme possède
deux fois le même allèle pour un caractère donné (il est de lignée pure pour ce
caractère), il n'y aura alors qu'une seule copie de cette allèle dans tous les
gamètes. Mais s'il possède deux allèles différents, comme dans le cas des
hybrides de la F1, alors 50%
des gamètes recevront l'allèle dominant et les autre recevront l'allèle
récessif. C'est de cette dernière hypothèse, le partage des allèles entre des
gamètes distincts, que vient le nom de la loi de
ségrégation de Mendel.
Quelques terme de génétique utiles
Si un organisme possède une paire
d'allèles identiques pour un caractère donné, on dit qu'il est homozygote pour ce caractère. Les organismes qui
possèdent deux allèles différents pour un caractère donné sont appelés hétérozygotes pour ce caractère. Contrairement aux
homozygotes, les hétérozygotes ne présentent pas une lignée pure, parce que
leurs gamètes possèdent soit l'un , soit l'autre de ces deux allèles.
Les phénomènes de dominance et de
récessivité font que l'apparence d'un organisme ne révèle pas toujours sa
combinaison allélique. Il est donc nécessaire d'établir la distinction entre
son apparence, que l'on nomme phénotype, et
sa constitution génétique, appelée génotype.
Croisement de contrôle
Supposons que nous ayons un pois
aux fleurs violettes. Comment pouvons-nous savoir s'il est homozygote ou
hétérozygote, puisque les génotypes VV et Vv produisent le même
phénotype ? Si nous croisons cette plante avec une autre aux fleurs blanches,
l'apparence de leurs descendants nous permettra de connaître le génotype du
parent à fleurs violettes. On appelle croisement de
contrôle (testcross) ce croisement d'un homozygote récessif et
d'un individu ayant un phénotype dominant, mais dont on ne connaît pas le
génotype.
Loi mendélienne d'assortiment indépendant des
caractères
Mendel
a découvert la loi de ségrégation en effectuant des croisements monohybrides,
c'est-à-dire à partir de variétés parentales qui différaient par un seul
caractère, comme la couleur des fleurs. Que se passerait-il si l'on croisait
des variétés parentales présentant deux caractères différents 
(croisement dihybride) ? Par exemple, la couleur et
la forme des graines constituaient deux des sept caractères étudiés par Mendel.
Les graines peuvent être soit jaunes, soit vertes. Elle peuvent aussi présenter
une forme ronde ou ridée. Les croisements monohybrides avaient montré à Mendel
que l'allèle des graines jaunes est dominant, et que celui des graines vertes
est récessif. En ce qui concerne la forme des graines, l'allèle pour les graines
rondes est dominant et l'allèle pour les graines ridées est récessif.
Mais que se passe-t-il si nous
croisons deux variétés de pois qui diffèrent par ces deux caractères, soit un
parent à graines jaunes-rondes (JJRR) et un parent à graines vertes-ridées (jjrr)
? Ces deux caractères (couleur et forme des graines) sont-ils transmis des
parents aux descendants comme une unité ?
À la génération F1 de ce croisement dihybride, le génotype
est JjRr, et la plante présente des deux phénotypes dominants,
soit des graines jaunes et rondes. L'étape clé de cette expérience consiste à
observer ce qui se passe lorsque les plantes de la F1 s'autofécondent et produisent la
génération F2.
Les résultats expérimentaux
confirmaient l'hypothèse selon laquelle chaque caractère est transmis de façon
indépendante; en effet, chez les dihybrides (JjRr), la
ségrégation des deux allèles de la couleur des graines ne dépendait pas de
celle des allèles de la forme des graines. On appelle loi
d'assortiment indépendant des caractères ce comportement des allèles
pendant la formation des gamètes.
Généralisation des lois de la génétique
mendélienne
Mendel a eu l'idée géniale (ou la
chance) de choisir des caractères du pois dont les bases génétiques se
révélèrent relativement simples: chaque caractère était déterminé par un gène,
pour lequel il n'existait que deux allèles, l'un complètement dominant par
rapport à l'autre. Mais tel n'est pas le cas de tous les caractères
héréditaires, pas même chez le pois.
Dominance incomplète
En
ce qui concerne certains caractères, il y a dominance
incomplète , et les hybrides de la F1
ont un phénotype intermédiaire entre ceux des deux variétés parentales. Par
exemple, si l'on croise des Gueules-de-loup rouges avec des Gueules-de-loup
blanches, tous les hybrides de la F1
présentent des fleurs roses. Les fleurs hétérozygotes possèdent moins de
pigment rouge que les homozygotes rouges, ce qui produit ce troisième
phénotype. En fait, un croisement effectué entre les hybrides de la F1 donne des individus F2 avec une proportion phénotypique de 1
individu rouge pour 2 roses et 1 blanc.
La ségrégation des allèles rouges
et blancs dans les gamètes issus des plantes à fleurs roses confirme le fait
que les gènes pour la couleur des fleurs sont des facteurs héréditaires qui
gardent leur identité chez les hybrides; en d'autre termes, l'hérédité est de
nature particulaire.
Qu'est-ce qu'un allèle dominant ?
Dans le cas de la dominance complète, il est possible de distinguer
le phénotype d'un hétérozygote de celui d'un homozygote dominant. La codominance, dans laquelle les deux allèles se
manifestent entièrement et de manière indépendante dans le phénotype,
représente l'autre extrême. Prenons l'exemple des trois groupes sanguins
humains appelés M, N et MN.
Les individus du groupe M sont
homozygotes pour un allèle (IMIM), ceux du groupe N sont
homozygote pour l'autre allèle (ININ). Les hétérozygotes
(IMIN) ont un groupe sanguin MN. Remarquez que le
phénotype MN n'est pas intermédiaire entre les phénotypes M et N, mais
que ces deux derniers s'expriment individuellement grâce à la présence des deux
molécules sur les globules rouges. Par contre, la dominance incomplète se
reconnaît à un phénotype intermédiaire, comme dans le cas des fleurs roses des
Gueules-de-loup hybrides. La gamme des relations possibles entre les allèles
compte par conséquent la dominance complète, la codominance et divers degrés de
dominance incomplète. Ces variations se reflètent dans les phénotypes
d'hétérozygotes.
Allèles multiples
La
plupart des gènes présentent en fait plus de deux formes alléliques. Chez les
humains, les groupes sanguins du système ABO constituent un exemple d'allèles
multiples. Il existe quatre phénotypes pour le groupe sanguin: un individu peut
être A, B, AB ou O.
Les quatre groupes sanguins
représentent différentes combinaisons de trois allèles différents, représentés
par IA (pour le glucide A), IB (pour B) et i (ne
produisant ni A ni B). Six génotypes sont possibles. Les deux allèles IA
et IB sont dominants par rapport à l'allèle i. Les individus
de génotype IAIA ou IAi ont le groupe
sanguin A et les individus de génotype IBIB et IBi
sont du groupe B. Le sang des homozygotes récessifs ii appartient au
groupe O parce que ni la substance A ni la substance B ne sont produites. Les
allèle IA et IB sont codominants, chacun s'exprimant dans
le phénotype de l'hétérozygote IAIB, dont le sang
appartient au groupe AB.
Pléiotropie
La plupart des gènes produisent des
effets phénotypiques multiples. Cette faculté est nommée pléiotropie. Compte tenu de la complexité des
interactions moléculaires et cellulaires nécessaires au développement d'un
organisme, il n'est pas surprenant qu'un seul gène puisse influer sur un grand
nombre de caractéristiques de cet organisme.
Épistasie
Dans certains cas, un gène situé
sur un locus donné agit sur l'expression phénotypique d'un autre gène; cette
interaction se nomme épistasie. Un exemple
permettra de mieux expliquer ce concept. Chez les souris, comme chez de
nombreux autre mammifères, le pelage noir est dominant par rapport au pelage
brun. On désigne les deux allèles pour ce caractère par B et b. Pour
qu'une souris ait un pelage brun, il faut que son génotype soit bb. En
outre, un second gène situé sur un autre locus détermine si le pigment se
déposera dans le poil ou non. L'allèle dominant de ce second gène, C, permet au
pigment de se déposer. C'est ainsi que la couleur du pelage est soit noire,
soit brune, suivant le génotype de premier locus. Mais si la souris est
homozygote récessive pour le second locus (cc), alors le pelage est
blanc (albinos), quel que soit le génotype du locus brun-noir.
Hérédité polygénique
Mendel a étudié des caractères que
l'on pourrait qualifier de dichromatiques, parce qu'ils revêtent des formes
distinctes, telles des fleurs violettes ou blanches, Cependant, il existe de
nombreux caractères, comme la couleur de la peau ou la taille chez l'humain,
qui ne répondent pas à cette définition parce que la population présente une
variation continue. Ce sont des caractéristiques
quantitatives. Habituellement, les variations quantitatives suggèrent
une hérédité polygénique, soit l'effet
cumulatif de deux gènes ou plus sur un même caractère phénotypique.
Les facteurs environnementaux tels
que l'exposition au soleil influent sur le phénotype de la couleur de la peau.
Hérédité et environnement: l'influence du milieu
sur le phénotype
Le phénotype dépend du milieu et
des gènes. Cependant, nous sommes en mesure d'affirmer que le résultat d'un
génotype n'est généralement pas un phénotype absolument fixe, mais plutôt une
gamme de phénotypes possibles sur laquelle le milieu peut exercer des
variations. On appelle cette gamme de phénotypes norme
de réaction du génotype. Il existe des cas où la norme de réaction n'a
aucune étendue, c'est-à-dire qu'un certain génotype commande un phénotype
précis. Le locus du gène qui détermine le groupe sanguin ABO chez les humains
en constitue un exemple. Par contre, le nombre de globules blancs et rouges
varie en fonction de facteurs tels que l'altitude où l'on vit, l'activité
physique habituelle et la présence d'agents infectieux dans l'organisme.
Maladies héréditaires récessives
On connaît plusieurs centaines de
troubles génétiques transmis sous forme de caractères récessifs. La gravité de
ces affections va de caractères habituellement non létaux comme l'albinisme aux
maladies mortelles telles que la fibrose kystique. Une maladie héréditaire
récessive ne se manifeste que chez les individus homozygotes qui ont reçu un
allèle récessif de chacun de leurs parents. L'immense majorité des gens
atteints d'une maladie récessive sont nés de parents normaux qui sont tous deux
des transmetteurs. Un enfant normal issu d'un tel croisement a deux chances sur
trois d'être un transmetteur.
Consanguinité
Bien qu'il soit assez peu
vraisemblable que deux transmetteurs sains du même allèle rare et nocif se
rencontrent et s'unissent, cette probabilité augmente fortement si le couple
est formé de deux parents proches. On qualifie ces unions de consanguines.
Étant donné qu'il est plus probable de retrouver les même allèles récessifs
chez des individus qui partagent des ancêtres récents que chez ceux qui n'ont
aucun lien de parenté, les enfants issus d'une union entre proches parents ont
plus de chance d'être homozygotes pour un caractère récessif nocif. Certains
généticiens prétendent que la consanguinité a autant de chances de concentrer
des allèles favorables que des allèles nocifs.
Maladies héréditaires dominantes
De nombreuses maladies humaines
sont dues à des allèles dominants. L'achondroplasie, une forme de nanisme ayant
une incidence d'un cas sur 10 000 naissances, en constitue un exemple. Les
individus hétérozygotes présentent un phénotype de nain. Toutes les personnes
qui ne sont pas des nains achondroplasiques sont donc homozygotes pour l'allèle
récessif. Les allèle dominants létaux sont beaucoup moins répandus que les
allèles récessifs létaux.
Chromosomes sexuels et hérédité liée au sexe
Gènes liés
Le nombre de gènes présents dans
une cellule est bien plus élevé que celui des chromosomes; en fait, chaque
chromosome porte des centaines ou des milliers de gènes. Au cours des
croisements génétiques, les gènes sont le plus souvent transmis ensemble
lorsqu'ils sont localisés sur le même chromosome, parce que ce dernier se
comporte comme une seul unité. De tels gènes sont appelés gènes liés.
Les gènes situés sur un chromosome
sexuel sont appelés gènes liés au sexe; nous
connaissons davantage de gènes liés au chromosome X que de gènes liés au
chromosome Y.
Bases chromosomiques du sexe chez l'humain
Notre sexe constitue l'un de nos
caractères phénotypiques les plus évidents. Bien qu'il existe de nombreuses
différences anatomiques et physiologiques entre la femme et l'homme, les bases
chromosomiques de notre identité sexuelle sont relativement simples. L'humain
et les autres mammifères présentent deux types de chromosomes sexuels, appelés
X et Y (voir chapitre 12).
Lorsque le spermatozoïde et l'ovule fusionnent pour former un zygote, chaque
individu hérite de l'une des deux combinaisons possibles des chromosomes
sexuels. Si l'enfant à naître reçoit un chromosome X de chacun de ses parents,
il sera généralement du sexe féminin. Les individus de sexe masculin sont
habituellement issus d'un zygote possédant un chromosome X et un chromosome Y.
Chaque ovule contient un chromosome
X. Par contre, les hommes produisent des spermatozoïdes ayant deux types de
chromosomes sexuels: la moitié des spermatozoïdes renferment un chromosome X,
et les autres un chromosome Y. Le sexe de chaque individu est donc déterminé au
moment de sa conception: si le spermatozoïde qui fusionne avec l'ovule est
pourvu d'un chromosome X, le zygote sera XX; si le spermatozoïde possède un
chromosome Y, le zygote sera XY. Notre identité sexuelle relève donc du hasard.
Maladies liées au sexe chez l'humain
Outre le rôle qu'ils jouent dans la
détermination du sexe, les chromosomes sexuels, et en particulier les
chromosomes X, portent les gènes de nombreux caractères totalement indépendants
du sexe. Chez l'humain, le terme lié au sexe désigne habituellement des
caractères portés par le chromosome X. Les pères transmettent les allèles liés
au chromosome X à toutes leurs filles, mais à aucun de leurs fils. Par contre,
les mères peuvent transmettre les allèles liés au sexe aussi bien à leurs fils
qu'à leurs filles.
Dans le cas d'un caractère lié au
sexe et dû à un allèle récessif, une femme ne manifestera le phénotype que si
elle est homozygote. Tout homme qui reçoit de sa mère l'allèle récessif
exprimera le caractère correspondant. C'est la raison pour laquelle un nombre
bien plus élevé d'hommes que de femmes présentent des maladies transmises selon
des caractères récessifs liés au sexe. Il arrive pourtant que des femmes soient
touchées par des maladies liées au sexe, bien que la probabilité qu'une femme
hérite d'un gène mutant en double exemplaire soit beaucoup plus faible que la
probabilité qu'un homme hérite d'un seul exemplaire. Par exemple le daltonisme
(cécité au rouge et au vert) est une affection bénigne à transmission liée au
sexe. Un père daltonien et une mère saine transmettrice du caractère peuvent
donner naissance à une fille daltonienne. L'hémophilie est aussi causée par un
caractère récessif lié au sexe.
Inactivation d'un chromosome X chez les femelles
Bien que les mammifères femelles, y
compris chez les humains, reçoivent deux chromosomes X, un chromosome X de
chaque cellule devient presque complètement inactivé au cours du développement
embryonnaire. Le chromosome X inactif se condense alors et se transforme en une
masse compacte appeléecorpuscule de Barr,
qui se place contre la face interne de la membrane nucléaire. La plupart des
gènes du chromosome X qui forme le corpuscule de Barr ne s'expriment pas, même
si de petites régions du chromosome restent actives. Les corpuscules de Barr
sont « réactivés » dans les cellules des gonades qui subissent la méiose pour
former les gamètes.
La généticienne britannique Mary
Lyon a démontré que le choix du chromosome X à inactiver se produit au hasard
et de façon indépendante dans chacune des cellules embryonnaires. Par
conséquent, les femelles représentent une mosaïque de deux types de cellules:
celles dont le chromosome X actif provient du père, et celles dont le
chromosome X provient de la mère.
Aberrations chromosomiques
Des perturbations physiques et
chimiques ainsi que des erreurs pendant la méiose peuvent endommager les
chromosomes ou modifier leur nombre dans une cellule.
Modifications du nombre de chromosomes
Idéalement, au cours de la méiose,
le fuseau de division distribue les chromosomes aux cellules filles sans
commettre d'erreur. Mais il se produit de temps à autre un accident appelé non-disjonction: les membres d'une paire de
chromosomes homologues ne s'éloignent pas l'un de l'autre comme ils le
devraient pendant la méiose I, ou bien les chromatides soeurs ne se séparent
pas durant la méiose II. Dans ces cas-là, un gamète reçoit deux exemplaires du
même chromosome, et un autre gamète n'en reçoit aucun. Habituellement, les
autres chromosomes sont distribués de façon normale. Si l'un de ces gamètes
anormaux s'unit à un gamète normal, l'individu qui en sera issu portera un
nombre anormal de chromosomes; cet état est appelé aneuploïde.
S'il existe trois copies du même chromosome dans le zygote (soit 2n + 1
chromosomes au total), on dit que la cellule aneuploïde est trisomiquepour ce chromosome. S'il manque un
chromosome (la cellule a 2n - 1 chromosome), l'aneuploïde est dite monosomique pour ce chromosome. L'anomalie sera
ensuite transmise à toutes les cellules de l'embryon par l'intermédiaire de la
mitose. Si l'organisme survit, il manifeste le plus souvent un ensemble de
symptômes, parce que les gènes se trouvent en nombre anormal. La
non-disjonction peut aussi survenir pendant la mitose. Si l'accident a lieu au
début du développement embryonnaire, l'état aneuploïde est alors transmis par
mitose à un grand nombre de cellules, ce qui provoquera probablement des effets
importants sur l'organisme.
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