volution et Diversit du Vivant 101 NYA05 Cours

Évolution et Diversité du Vivant (101 -NYA-05) Cours 7 Chapitre 15 Campbell, 3 e édition LES TRAVAUX DE MORGAN, SUCCESSEUR DE MENDEL Bernadette Féry Automne 2007 Source

1. Entre Mendel et Morgan (historique) Extrait Publiés en 1866, les travaux de Mendel passent à peu près inaperçus, n'étant cités qu'une douzaine de fois entre leur publication et leur redécouverte en 1900. Des progrès réalisés en microscopie permettent de préciser les connaissances. En 1875, HERTWIG observe la fécondation chez l'oursin. Vers 1880 des «bâtonnets» que l'on nommera chromosomes sont identifiés dans le noyau. En 1883, Van BENEDEN observe (4) chromosomes dans l'oeuf d'un Ascaris et seulement (2) dans ses gamètes. En 1889, de VRIES (Amsterdam) publie une théorie de l'hérédité impliquant des particules élémentaires qu'il baptise «pangènes» , puis, en 1900, une note «Sur la loi de disjonction des hybrides» qui relate des résultats analogues à ceux de Mendel. À la même époque, deux autres botanistes arrivent, aussi, aux mêmes conclusions que Mendel (indépendamment) : Correns (Berlin), et Tschermack (Vienne). SUTTON publie en 1902 ses études cytologiques sur les chromosomes de sauterelle. Il conclut que lors de la gamétogénèse : les chromosomes ont une individualité, apparaissent sous forme de paires (avec un membre de chaque paire constitué par chaque parent) et que les chromosomes appariés se séparent l'un de l'autre pendant la méiose. Il conclut ainsi : "je peux finalement attirer l'attention sur la probabilité que l'association des chromosomes paternels et maternels dans les

Une explication physique au modèle de l'hérédité de Mendel commence donc à pointer. On finit par établir la corrélation entre les chromosomes et les gènes. La théorie chromosomique de l'hérédité prend forme. Théorie chromosomique (1902) (Sutton, Boveri et autres chercheurs) Les gènes mendéliens sont organisés en série linéaire le long du chromosome et ce sont les chromosomes qui subissent la ségrégation et l’assortiment indépendant durant la méiose. Le scepticisme persiste encore malgré tout quant à la validité des lois de Mendel sur la ségrégation et l'assortiment indépendant des caractères. Morgan luimême est un sceptique. Les facteurs héréditaires de Mendel se trouvent à des locus spécifiques sur les chromosomes. (2) gènes sur les chromatides d’un chromosome (2) gènes sur les chromatides homologues Nucléole Campbell : 297 (3 eéd. ) — Figure

2. Introduction à la génétique de Morgan : préambule L’homme Thomas Hunt Morgan (biographie) Généticien américain (1866 -1945) Pofesseur d’embryologie à l'Université de Columbia Basée sur des expériences menées sur des drosophiles (mouche du vinaigre), à partir de 1908 Élabore une théorie de l’hérédité liée au sexe et découvre aussi (avec l’aide de son équipe : Alfred Sturtevant, Hermann Muller et Calvin Bridges) le phénomène de gènes liés et de crossingover (enjambements) Le premier à associer un gène spécifique à un chromosome Morgan Thomas Hunt Hermann Muller

Le matériel de Morgan : des drosophiles : Drosophila melanogaster. Pourquoi des drosophiles ? La drosophile n’a que Mouche peu nuisible (8) chromosomes ce Se nourrit des champignons qui fait moins de qui se développent sur les matériel à étudier. fruits La détermination du sexe ressemble à celle des humains (3) paires autosomes + Source (1) paire hétérosome XX : femelle ou Mouche prolifique XY : mâle Des centaines d’individus aux 15 jours Source On peut donc suivre leur mouvemen t ainsi que celui des gènes qu'ils On peut facilement identifier le sexe de la drosophile par l'abdomen. Source Ses chromosomes géants sont visibles au microscope optique. Source

Le matériel de Morgan n’était pas varié comme celui de Mendel • Morgan n’avait en main qu’une variété de • • drosophile aux yeux rouges, corps gris et ailes normales Dans la nature, presque toutes les drosophiles ont ces caractères. Caractère dit « sauvage » ou phénotype Caractère dit « sauvage. Phénotype le plus répandu dans une Phénotype le plus répandu population. Morgan a élevé des mouches Dû à l'abondance des allèles « sauvages » . durant un an avant de trouver son premier mutant • Il a élevé des mouches durant un an avant des de trouver son premier mutant (a utilisé des rayons X pour susciter les mutations). • Dans la nature, quelques drosophiles sont mutantes. • Caractère dit « mutant » ou phénotype Caractère dit « mutant. • Phénotype peu répandu dans une Phénotype peu répandu Les mouches de Morgan ont toutes les yeux rouges, le corps gris et les ailes normales. Phénotype sauvage Campbell : 282 (2 eéd. ) — Figure 15. 2 Le premier mutant de Morgan est un mâle aux yeux blancs. Phénotype mutant Campbell : 282 (2 eéd. ) — Figure 15. 2

La notation génétique de Morgan est basée sur l’allèle mutant Notation de l’allèle mutant • Par la première lettre du mot désignant l’allèle mutant. • En majuscule si l’allèle est dominant. • En minuscule s’il est récessif. Femelle Mâle Drosophiles aux ailes courbées (curly) — une mutation dominante Allèle ailes courbées = Cy Mâle Femelle Drosophiles aux ailes vestigiales (vestigial) — une mutation récessive Allèle ailes vestigiales = vg Notation de l’allèle sauvage • Par le même symbole que celui qui désigne l'allèle mutant. • Doté d'un signe plus en Images Femelle Mâle Drosophiles de type sauvage Allèle ailes droites = Cy+ Allèle ailes normales = vg+

3. Le croisement monohybride de Morgan — yeux rouges (w+ ) ou yeux blancs (w) — et sa principale déduction A- Son Morgan croise une femelle de croisement lignée pure aux yeux rouges « sauvage » avec un mâle « mutant» aux yeux blancs. En F 1, il observe : La disparition d’un caractère parental (comme pour Mendel) Déduction : les yeux blancs sont récessifs. Génération P Femelle de type sauvage aux yeux rouges Mâle mutant aux yeux blancs Génération F 1 P 2 Accouplements des individus de la F 1 100 % de mouches aux yeux rouges En F 2, il observe : La réapparition du caractère parental disparu chez 25% descendants (comme pour Mendel) Les mouches aux yeux blancs sont tous des mâles (pas comme Génération F 2 : 75 % de mouches aux yeux rouges Mendel) Campbell : 300 (3 eéd. ) — Figure 15. 4 25 % de mouches aux yeux blancs, des mâles

B- L’hypothèse que Morgan a émise pour expliquer ses résultats Le gène pour la couleur des yeux est porté par le chromosome X et n’a pas son équivalent sur le chromosome Y. Les gènes situés sur les chromosomes sexuels sont appelés gènes liés au sexe et on qualifie leur mode de transmission d’hérédité liée au sexe W ou W+ X Y Les gènes sont donc véritablement portés par les chromosomes, tel que le stipule la théorie chromosomique de l’hérédité, puisque l’on peut associer un gène précis à un chromosome précis. Le gène couleur des yeux est associé au chromosome X de façon

C- Reproduction du croisement monohybride de Morgan en tenant compte de son hypothèse Phénotypes et rapport Femelle de type sauvage aux yeux rouges Mâle mutant aux yeux blancs Génération P phénotypique de la F 1 100 % yeux rouges Génotypes et rapport génotypique de la F 1 Génération Ovules F 1 (Gamètes femelles) 50 % Xw. Xw+ : 50% Xw+ Y Phénotypes et rapport phénotypique de la F 2 50 % femelles yeux rouges : 25 % mâles yeux blancs F 1 P 2 Génération F 2 Génotypes et rapport génotypique de la F 2 25 % Xw+Xw+ : 25 % Xw+ Xw : 25 % Xw+Y : 25 % Xw Y Campbell : 300 (3 eéd. ) — Figure 15. 4 Spermatozoïdes (Gamètes mâles)

5. Le croisement dihybride de Morgan — corps gris (b+) ou corps noir (b) et ailes normales (vg+ ) ou ailes vestigiales (vg) — et ses déductions Génération P A- Son croisement Morgan croise une femelle de type sauvage (corps gris /ailes normales) de lignée pure avec un mâle mutant pour les deux caractères (corps noir /ailes vestigiales). En F 1, il observe : 100% de mouches hybrides de phénotype sauvage, autant des mâles que des femelles. Déduction : corps gris et ailes normales sont dominants Morgan laisse les femelles hybrides s’accoupler avec des mâles mutants pour les deux caractères. (Équivalent d’un croisement de contrôle) Femelle «pure» de type sauvage «corps gris / ailes normales» b+b+vg+vg+ F 1 P 2 Femelle «hybride» de type sauvage «corps gris / ailes normales» b+b vg+vg Croisement de contrôle Ovules (Gamètes femelles) 965 / 2300 944 / 2300 comme la mère comme le père Spermatozoïdes 206 / 2300 185 / 2300 Corps comme la mère mais ailes comme le père Corps comme le père mais ailes comme la mère (Gamètes mâles) Individus de types parentaux Campbell : 302 (3 eéd. ) — Figure 155 Mâle double mutant «corps noir / ailes vestigiales» bb vgvg F 2 En F 2, il observe : Quatre types de mouches (conforme à la loi de ségrégation mendélienne) Les mouches ne sont pas en proportion égale : 5 : 1 au lieu de 1 : 1 : 1 (non conforme à la loi de ségrégation mendélienne) Mâle double mutant «corps noir / ailes vestigiales» bb vgvg Individus de types recombinants (recombinaison des allèles parentaux)

B- Ce que Morgan aurait obtenu, lors de son croisement de contrôle, si la loi de ségrégation indépendante s’était appliquée RAPPEL La loi de ségrégation indépendante prévoit que les différentes paires de facteurs se séparent sans s’occuper des autres paires de facteurs lors de la formation des gamètes. On peut donc s’attendre à ce que tous les allèles se retrouvent dans les gamètes dans les mêmes proportions engendrant ainsi descendants, également, dans les mêmes proportions. Croisement de contrôle Femelle «hybride» «corps gris / ailes normales» Vg+ vg b+ b vg+ vg b vg x vg+ vg Mâle mutant «corps noir / ailes vestigiales» vg b+ b vg b b b vg+ vg b+ b b+ vg b b vg vg b+ b vg vg b b Environ 575 / 230 Environ 575 /2300 Environ 575 / 2300 Morgan n’a pas obtenu descendants selon les mêmes proportions. En conséquence, on peut conclure que les facteurs héréditaires n’ont pas suivi la loi de la ségrégation indépendante (n’ont pas subi l’assortiment indépendant).

C- Les hypothèses de Morgan pour expliquer les résultats de son croisement de contrôle Caryotype parental 1 er Les gènes «corps/ ailes» sont portés par le même chromosome et se transmettent ensemble dans un gamète. Découverte des gènes liés 2 e Parfois les gènes liés «se délient» lorsqu’il se produit des enjambements entre les chromosomes. Découverte des enjambements (crossing-over) Caryotype des gamètes «standards» vg b+ b vg+ vg b+ b Caryotype parental Caryotype des gamètes «recombinants » vg+ vg b+ b vg+ vg b b+

C- Reproduction du croisement de contrôle de Morgan en tenant compte de son hypothèse Croisement de contrôle Femelle «hybride» «corps gris / ailes normales» vg+ vg b+ b GAMÈTES DE TYPE STANDARD x vg GAMÈTES DE TYPE RECOMBINANTS vg vg b b b+ vg+ b+ b Mâle mutant «corps noir / ailes vestigiales» vg vg b b vg vg b+ b vg+ vg b+ b vg vg b b vg b 944 / 2300 comme le mâle (type parental) 206 / 2300 gris comme la mère et ailes comme le père (type recombinant) 185 / 2300 ailes normales comme la mère et noir comme le père (type recombinant) 965 / 2300 comme la mère (type parental)

6. Vocabulaire Recombina nts génétiques Descendants qui ont hérité des caractères parentaux, selon des combinaisons alléliques différentes de celles des parents. Les recombinants sont un mélange des parents. Fréquence de recombinais on = Nombre de recombinants * 100 = 206 + 185 = 17 % Nombre total de descendants 2300 La fréquence de recombinaison dans le croisement dihybride de Morgan est de 17 %. Unité cartographi que 1. 2. 3. 4. Valeur du 1. centimorgan 2. Une unité de distance relative sur un chromosome. Équivalente à une fréquence de recombinaison de 1%. Égale à 1 c. M (en l'honneur de Morgan). Dans le croisement dihybride de Morgan il y a 17 % individus recombinants donc, il y a donc 17 c. M entre les deux gènes b et vg. Les centimorgans n'ont pas de dimension absolue, en nm par exemple parce que la fréquence des enjambements (recombinaison entre les gènes homologues) n'est pas la même partout le long du chromosome. Plus la distance physique entre deux gènes est grande sur

7. Cartes génétique et cytologique Carte génétique Séquence relative des gènes le long d'un chromosome. Carte établie à partir des données d'enjambements. Carte cytologique 1. Emplacement exact des gènes le long d'un chromosome donné. 2. Carte établie par des techniques de coloration, de marquage, de microscopie …

Construction de la carte génétique des allèles b, vg et cn (étudiés par Morgan et son équipe) b = couleur du corps vg = longueur des ailes cn = couleur des yeux Un croisement entre (2) drosophiles pour les caractères b et vg produit 17% individus recombinants. Un autre croisement pour les caractères b et cn produit 9% individus recombinants. Quelle est la carte génétique des trois gènes ? Carte A ou carte B ? cn 9 c. M b 17 c. M Carte A On ne peut le déterminer car il faudrait faire un autre croisement pour connaître la distance entre les gènes vg et b 9 c. M cn vg Carte B vg 17 c. M Sturtevant, un étudiant de Morgan, a fait ce croisement supplémentaire et a trouvé 9, 5% de recombinants entre les Donc, c’est B. gènes vg et cn.

Carte génétique partielle du chromosome no 2 de la drosophile Campbell : 297 (2 eéd. ) — Figure 15. 7

8. Comparaison des gènes indépendants de Mendel et des gènes liés de Morgan GÈNES INDÉPENDANTS GÈNES LIÉS Tous les gènes qui sont sur les autres chromosomes, par rapport aux gènes d’un chromosome donné, sont indépendants. Soit (3) paires de chromosomes Gène s liés Gènes indépendants Les gènes indépendants se retrouvent en proportion égale dans les gamètes. (À cause des assortiments indépendants des chromosomes homologues à la métaphase 1 de la méiose. ) A a B b 25% AB, 25% Ab, 25% a. B, 25% ab Tous les gènes qui sont sur un même chromosome sont liés. Gène s liés Gènes indépendants Les gènes liés se retrouvent en proportion inégale dans les gamètes. (À cause du fait que les gènes liés se séparent habituellement ensemble mais aussi par le fait qu'il se produit quelques enjambements au cours de la prophase 1 de la méiose. ) A a B b Une majorité : AB et ab Une minorité :

GÈNES INDÉPENDANTS Si on croise un hétérozygote avec un double récessif, il y a 50% individus recombinants et 50% individus parentaux dans la progéniture. GÈNES LIÉS Si on croise un hétérozygote avec un double récessif, il y a quelques individus recombinants (entre 0 et 50%) et une majorité parentale (entre 50 et 100%). Pour une raison physique, il est plus facile aux gènes de se recombiner lorsqu’ils sont plus distancés l’un de l’autre. Ainsi, plus la distance qui sépare les gènes est grande, plus il y a de recombinants. Cependant, le nombre maximum de recombinants est de 50% car après, les données se confondent avec celles issues des gènes indépendants. 50% 84 % 16%

9. Les gènes de Mendel n’étaient pas tous indépendants Mendel a travaillé, sans le savoir, sur des gènes liés dans deux cas. Les gènes « couleur des graines » et « couleur de la fleur » sont liés. Ces gènes sont si éloignés sur le chromosome qu'ils se comportent comme des gènes indépendants. Ils se recombinent fréquemment au cours de la méiose. Mendel n'a pas vu la différence. Les gènes « hauteur de la plante » et « forme de la gousse » sont liés. Ces gènes sont plus étroitement liés que ceux ci-dessus. Mendel a obtenu des résultats inhabituels qu’il a tus.

10. Un problème simple en rapport avec les gènes liés (question du lab) 36. Une navette d'exploration spatiale découvre une planète habitée par des créatures se reproduisant de la même manière que l'être humain. Trois expériences de reproduction sont effectuées pour les caractères suivants : Aspect boursouflé B domine Aspect malingre b Présence d'antennes A domine Absence d'antennes a Nez en trompette T domine Nez crochu t Premier croisement Femelle hétérozygote boursouflée avec antennes X Mâle ré Fréquence de recombinaison entre les

Boursouflé (B) domine malingre (b), antennes (A) domine sans antennes (a) et nez en trompette (T) domine nez crochu (t) Deuxième croisement Femelle hétérozygote nez en trompette avec antennes X Mâle réce Fréquence de recombinaison entre les gènes t et a ? Deuxième croisement Femelle hétérozygote boursouflée au nez en trompette X Mâle récess Fréquence de recombinaison entre les b et t ? nez crochu Carte génétique des trois gènes ? Caryotype de la femelle ?

11. Le sexe mâle est déterminé par la présence d'un gène SRY sur le chromosome Y Emplaceme nt approximati f du gène SRY Source Un cas d’inversion sexuelle Homme de caryotype XX avec présence du gène SRY sur l’un d’eux. (1/ 20 000)

12. Les chromosomes X et Y (hétérosomes, chromosomes sexuels) ont des portions semblables et des portions différentes Portions homologues des hétérosomes Portions qui portent le même type de gènes et qui permettent aux deux homologues de se reconnaître et de s’apparier à la méiose. Par 1 Par 2 X Source Portions différentielles des hétérosomes 1. Portions qui ne portent pas les mêmes gènes. Le chromosome X porte des gènes n’existant Y pas sur le chromosome Y et le chromosome Y porte des gènes n’existant Maladies liées au chromosome Y pas sur le Palmure des orteils, fusion de deux chromosome X. ou trois dents, oreilles et corps couverts de poils, peau craquelée et écailleuse Maladies liées au chromosome X Hémophilie, daltonisme,

13. Différences dans l’expression des gènes entre hommes et femmes Femme Une maladie due à un gène récessif requiert deux gènes récessifs pour déclencher la maladie. S’il n’y a qu’un seul gène malade, l’autre gène «normal» masque le gène malade. Femme Une maladie due à un gène dominant ne requiert qu’un seul gène pour déclencher la maladie. Homme Une maladie causé par un gène porté par X, peu importe qu’il soit récessif ou dominant, déclenchera toujours la maladie, bien qu’il soit en un seul exemplaire sur «l’unique X» . Il n’y a pas de gène homologue sur le «Y» qui pourrait éventuellement masquer le gène déficient sur le «X» .

14. Deux cas d’inversion sexuelle par translocation (source) Chromosome X Chromosome Y À la prophase 1, il se produit des enjambements grâce à l'appariement des régions Par 1 et Par 2. PAR 1 Gène SRY 1 PAR 2 Le gène Sry est situé à proximité de la région Par 1 du chromosome Y. X Un mauvais enjambement survient. Le gène SRY est transféré sur le chromosome X. 2 Après fécondation des gamètes par un chromosome X normal, on a : 4 X + SRY Y - SRY Y X X La suite de la méiose permet la séparation des chromatides. 3 Femm e X X+SRY Mâle XX stérile (1/ 20 000 X Y-SRY Femme XY stérile (1/ 10 000 X Y Homme normal

15. Le corpuscule de Barr : un chromosome «X» condensé (donc inactif) Les femmes ont deux X. Au début de leur développement embryonnaire, ils sont actifs et ils le demeurent dans les cellules germinales (ovogonies). Mais, dans les autres cellules, un des deux X se condense : c’est le corpuscule de Barr. Les hommes n’ont habituellement pas de corpuscule de Barr car ils n’ont qu’un X et il est vital qu’il demeure fonctionnel. Corpuscule de Barr Femme normale (XX) Homme (XXY) Corpuscule de Barr C’est le hasard qui détermine lequel se condense. Parfois c’est l’un et parfois c’est l’autre. Ainsi, un seul X est nécessaire pour Femme ( XXX X ) Homm ( XXX XY) e Homme normal (XY) Femme turner (X 0) Femme ( XX X ) Homme (XX XY) Trouvez les caryotypes

X actif Fourrure orange Division cellulaire Allèle orange et inactivation des X X inactifs Allèle noir Jeune embryon X actif Fourrure Noire Campbell : 300 (2 eéd. ) — Figure 15. 10

16. La détermination du sexe est variable dans la nature Purves : 235 Figure 10. 24

FIN Lectures obligatoires et exercices à faire (édition no 3) Révision du chapitre, pp. 314 et 315 Retour sur les concepts : 15. 1, 15. 2 (1 et 3) et 15. 3 Problèmes de génétique du laboratoire : 36 à la fin