Génétique : Hérédité et Mutations - Exercices Approfondis

Correction Exercice 1 :

Maîtriser ces définitions est la première étape en génétique.

1. Génotype :

   Définition : C'est l'ensemble des allèles (formes d'un gène) possédés par un individu pour un ou plusieurs gènes donnés. Il représente la constitution génétique d'un individu. Ex: $AA$, $Aa$, $aa$.

   Résultat : Le génotype est la constitution allélique d'un individu pour un ou plusieurs gènes.

2. Phénotype :

   Définition : C'est l'ensemble des caractères observables d'un individu (structurels, fonctionnels, comportementaux). C'est l'expression du génotype en interaction avec l'environnement. Ex: Yeux bleus, groupe sanguin A.

   Résultat : Le phénotype est l'ensemble des caractères observables d'un individu.

3. Allèle dominant :

   Définition : C'est un allèle qui s'exprime phénotypiquement aussi bien à l'état homozygote (deux copies de l'allèle) qu'à l'état hétérozygote (une seule copie de l'allèle). Il masque l'expression de l'allèle récessif.

   Résultat : Un allèle dominant s'exprime phénotypiquement même s'il est présent en une seule copie (hétérozygote).

4. Allèle récessif :

   Définition : C'est un allèle qui ne s'exprime phénotypiquement qu'à l'état homozygote (deux copies de l'allèle). Son expression est masquée par un allèle dominant à l'état hétérozygote.

   Résultat : Un allèle récessif ne s'exprime phénotypiquement qu'à l'état homozygote.

5. Homozygote :

   Définition : Se dit d'un individu qui possède deux allèles identiques pour un gène donné (par exemple, $AA$ ou $aa$).

   Résultat : Un individu homozygote possède deux allèles identiques pour un gène.

6. Hétérozygote :

   Définition : Se dit d'un individu qui possède deux allèles différents pour un gène donné (par exemple, $Aa$).

   Résultat : Un individu hétérozygote possède deux allèles différents pour un gène.

Correction Exercice 2 :

Appliquons les lois de Mendel !

1. Génotypes et phénotypes des parents :
   • Les deux parents sont hétérozygotes, donc leur génotype est $Ll$.
   • Puisque l'allèle L (lisse) est dominant, leur phénotype sera [Graines lisses].

   Résultat a : Parents : Génotype $Ll$, Phénotype [Graines lisses].

2. Types de gamètes produits par chaque parent :
   • Chaque parent $Ll$ produira deux types de gamètes en proportions égales : 50% de gamètes portant l'allèle L et 50% de gamètes portant l'allèle l.

   Résultat b : Chaque parent produit 50% de gamètes L et 50% de gamètes l.

3. Tableau de Punnett et descendance F1 :

   Construction du tableau de Punnett :

   Gamètes Père	L (1/2)	l (1/2)
   Gamètes Mère L (1/2)	LL (1/4)	Ll (1/4)
   Gamètes Mère l (1/2)	Ll (1/4)	ll (1/4)

   Génotypes attendus en F1 et leurs proportions :

   • $LL$ : 1/4
   • $Ll$ : 2/4 (ou 1/2)
   • $ll$ : 1/4

   Phénotypes attendus en F1 et leurs proportions :

   • [Graines lisses] ($LL$ et $Ll$) : 3/4
   • [Graines ridées] ($ll$) : 1/4

   Résultat c : Génotypes F1 : 1/4 $LL$, 1/2 $Ll$, 1/4 $ll$. Phénotypes F1 : 3/4 [Graines lisses], 1/4 [Graines ridées].

Correction Exercice 3 :

Un problème de dihybridisme, mais avec un croisement test !

1. Génotypes et phénotypes des parents :
   • Parent 1 : Hétérozygote pour les deux caractères. Génotype : $LlVv$. Phénotype : [Graines lisses, Gousses vertes].
   • Parent 2 : Graines ridées et gousses jaunes (récessif homozygote). Génotype : $llvv$. Phénotype : [Graines ridées, Gousses jaunes].

   Résultat a : Parent 1 : $LlVv$, [Lisses, Vertes]. Parent 2 : $llvv$, [Ridées, Jaunes].

2. Types de gamètes produits par chaque parent :
   • Parent 1 ($LlVv$) : Puisque les gènes sont indépendants, il y a un brassage interchromosomique. Les gamètes sont produits en proportions égales :
     • $LV$ (1/4)
     • $Lv$ (1/4)
     • $lV$ (1/4)
     • $lv$ (1/4)
   • Parent 2 ($llvv$) : Étant doublement homozygote récessif, il ne produit qu'un seul type de gamète :
     • $lv$ (1/1)

   Résultat b : Parent 1 : 1/4 $LV$, 1/4 $Lv$, 1/4 $lV$, 1/4 $lv$. Parent 2 : 1/1 $lv$.

3. Phénotypes attendus en F1 et leurs proportions :

   On peut utiliser un tableau de Punnett simplifié car un parent ne produit qu'un seul type de gamète :

   Gamètes Parent 2	lv (1/1)
   Gamètes Parent 1 LV (1/4)	LlVv (1/4)
   Gamètes Parent 1 Lv (1/4)	Llvv (1/4)
   Gamètes Parent 1 lV (1/4)	llVv (1/4)
   Gamètes Parent 1 lv (1/4)	llvv (1/4)

   Phénotypes de la descendance F1 :

   • $LlVv$ : [Graines lisses, Gousses vertes] (1/4)
   • $Llvv$ : [Graines lisses, Gousses jaunes] (1/4)
   • $llVv$ : [Graines ridées, Gousses vertes] (1/4)
   • $llvv$ : [Graines ridées, Gousses jaunes] (1/4)

   Résultat c : Les phénotypes attendus en F1 sont : 1/4 [Lisses, Vertes], 1/4 [Lisses, Jaunes], 1/4 [Ridées, Vertes], 1/4 [Ridées, Jaunes].

Correction Exercice 4 :

Analysons l'arbre généalogique pour déterminer le mode de transmission.

1. Mode de transmission (dominant ou récessif) :

   Justification : Le mode de transmission est récessif. L'indice clé est la naissance d'un enfant atteint (III-2) issu de deux parents non atteints (II-4 et II-5). Si la maladie était dominante, au moins un des parents devrait être atteint pour transmettre la maladie. Puisque des parents sains peuvent avoir un enfant malade, cela signifie que les parents sont hétérozygotes porteurs de l'allèle malade récessif.

   Résultat a : Récessif, car des parents non atteints (II-4 et II-5) ont un enfant atteint (III-2).

2. Localisation du gène (autosome ou chromosome sexuel) :

   Justification : Le gène est situé sur un autosome.

   • Il ne peut pas être lié au chromosome Y car les femmes peuvent être atteintes (par exemple II-7).
   • Il ne semble pas lié au chromosome X récessif car si c'était le cas, toutes les filles d'un père atteint seraient porteuses et tous les fils d'une mère porteuse auraient de fortes chances d'être atteints. Ici, l'individu II-7 (femme atteinte) a un père sain (I-1). Si c'était lié à l'X récessif, elle devrait avoir hérité un allèle X malade de son père, or il est sain. De plus, un père sain (II-4) et une mère non atteinte (II-5) ont un fils atteint (III-2). Si c'était lié à l'X récessif, le fils (XY) devrait avoir hérité son X malade de sa mère. La mère serait donc porteuse, mais elle n'est pas atteinte. C'est cohérent, mais l'argument de la femme atteinte avec père sain est plus direct.

   Résultat b : Autosomique, car l'individu atteint II-7 (femme) a un père sain (I-1).

3. Génotype de l'individu I-1 :

   Puisque la maladie est autosomique récessive, l'allèle malade est 'a' et l'allèle sain est 'A'. Un individu atteint a le génotype $aa$. Un individu sain peut être $AA$ ou $Aa$. L'individu II-7 est atteint ($aa$). Elle a hérité un allèle 'a' de son père I-1 et un allèle 'a' de sa mère I-2. Puisque I-1 est sain, son génotype ne peut pas être $aa$. Il doit donc être $Aa$ (hétérozygote porteur).

   Résultat c : Le génotype de l'individu I-1 est $Aa$.

Correction Exercice 5 :

C'est un exercice classique d'application du code génétique et de compréhension des mutations.

1. Séquence ARNm et Protéine originale :

   ADN brin codant : $5'-ATG\ GGC\ TTA\ CCC\ TAG-3'$
   ARNm (remplace T par U) : $5'-AUG\ GGC\ UUA\ CCC\ UAG-3'$
   Protéine : Met - Gly - Leu - Pro - STOP

   Résultat a : ARNm : $5'-AUG\ GGC\ UUA\ CCC\ UAG-3'$. Protéine : Met - Gly - Leu - Pro - STOP.

2. Analyse des mutations :

   Pour chaque mutation, on transcrit le nouveau codon et on le traduit.

   • Mutation 1 : $5'-ATG\ GGC\ TTA\ CC\textbf{G}\ TAG-3'$
     • Ancien codon ARNm : CCC (Pro)
     • Nouveau codon ARNm : CCG (Pro)
     • Nature et conséquence : Substitution d'une base (T en G). Le nouvel codon code pour le même acide aminé (Pro). C'est une mutation silencieuse.
     • Nouvelle séquence protéique : Met - Gly - Leu - Pro - STOP
   • Mutation 2 : $5'-ATG\ GGC\ TTA\ C\textbf{TC}\ TAG-3'$
     • Ancien codon ARNm : CCC (Pro)
     • Nouveau codon ARNm : CUC (Leu)
     • Nature et conséquence : Substitution d'une base (C en T). Le nouvel codon code pour un acide aminé différent (Leu au lieu de Pro). C'est une mutation faux-sens.
     • Nouvelle séquence protéique : Met - Gly - Leu - Leu - STOP
   • Mutation 3 : $5'-ATG\ GGC\ TTA\ C\textbf{TG}\ TAG-3'$
     • Ancien codon ARNm : CCC (Pro)
     • Nouveau codon ARNm : CUG (Leu)
     • Nature et conséquence : Insertion d'une base (G). Cela décale le cadre de lecture. Le 4ème codon devient CUG (Leu) et le codon STOP initial (UAG) est décalé et lu différemment. Cela entraînera une protéine plus longue avec une séquence d'acides aminés modifiée après l'insertion, jusqu'à l'apparition d'un nouveau codon STOP. C'est une mutation par décalage du cadre de lecture (frameshift). (Note : l'énoncé du 3 est ambigu, il dit C en T, mais le 5ème nucléotide du brin codant est C, si on change C en T on aurait TCG, en ARNm UCG, ce qui code pour Ser. Si c'est une insertion de G, c'est frameshift. Je vais interpréter comme une substitution mal formulée, en supposant que le C du 4ème codon est remplacé par T, ce qui donne CTG sur l'ADN. Donc CUG sur ARNm.) Correction de mon interprétation : L'énoncé est "C en T au 4ème codon". Le 4ème codon est CCC. Si le C du brin codant est remplacé par un T, le codon devient CTC. En ARNm, cela donne CUC. Donc Leu. C'est faux-sens, comme le 2. L'énoncé 3 est $5'-ATG\ GGC\ TTA\ C\textbf{TG}\ TAG-3'$. C'est une erreur de ma part dans le prompt. Le 4ème codon était CCC. Maintenant, il est CTG. Sur ARNm, c'est CUG. CUG est Leu. Donc c'est faux-sens. Je vais considérer l'énoncé tel qu'il est écrit, même s'il est un peu étrange dans sa formulation "C en T au 4ème codon" pour donner CTG. Admettons que le 3ème C du 4ème codon soit remplacé par un G, ou que le codon entier change de CCC à CTG. Re-lecture : "Mutation 3 : $5'-ATG\ GGC\ TTA\ C\textbf{TG}\ TAG-3'$ (C en T au 4ème codon)". C'est une substitution du deuxième C du CCC par un T, donnant CTC. Et le troisième C du CCC par un G, donnant CTG. Si le 4ème codon passe de CCC à CTG :
       • Ancien codon ARNm : CCC (Pro)
       • Nouveau codon ARNm : CUG (Leu)
       • Nature et conséquence : Substitution d'une base (le 2ème C du codon CCC par un T, et le 3ème C par un G, ce qui est deux substitutions ou une modification directe du codon). Cela change l'acide aminé. C'est une mutation faux-sens.
       • Nouvelle séquence protéique : Met - Gly - Leu - Leu - STOP
       (La formulation est un peu bancale, mais l'impact est clair : un changement d'acide aminé.)
     • Mutation 4 : $5'-ATG\ GGC\ T\textbf{G}A\ CCC\ TAG-3'$
       • Ancien codon ARNm : UUA (Leu)
       • Nouveau codon ARNm : UGA (STOP)
       • Nature et conséquence : Substitution d'une base (T en G). Le nouvel codon est un codon STOP. C'est une mutation non-sens. Elle entraîne une terminaison prématurée de la traduction, produisant une protéine tronquée.
       • Nouvelle séquence protéique : Met - Gly - STOP

     Résultat b : Mutation 1 (CCG) : Silencieuse (Pro), protéine Met-Gly-Leu-Pro-STOP. Mutation 2 (CUC) : Faux-sens (Leu), protéine Met-Gly-Leu-Leu-STOP. Mutation 3 (CUG) : Faux-sens (Leu), protéine Met-Gly-Leu-Leu-STOP. Mutation 4 (UGA) : Non-sens (STOP), protéine Met-Gly-STOP.

Correction Exercice 6 :

1. Principe de la réparation par excision :

   Explication : Les mécanismes de réparation par excision (BER pour les bases, NER pour les nucléotides) suivent un principe similaire en plusieurs étapes :

   1. Reconnaissance du dommage : Des protéines spécialisées détectent une base anormale (BER) ou une distorsion plus large de l'hélice d'ADN (NER).
   2. Excision : L'enzyme endonucléase coupe le brin d'ADN endommagé de part et d'autre de la lésion. Pour BER, une glycosylase retire d'abord la base, puis une AP endonucléase coupe le squelette.
   3. Synthèse de remplacement : Une ADN polymérase utilise le brin d'ADN intact comme matrice pour synthétiser un nouveau segment d'ADN correct.
   4. Ligation : L'ADN ligase scelle la nouvelle portion d'ADN au brin existant, restaurant l'intégrité de la double hélice.

   Résultat a : La réparation par excision implique la reconnaissance du dommage, l'excision du segment défectueux, la resynthèse d'un nouveau segment par l'ADN polymérase en utilisant le brin complémentaire comme matrice, puis la ligation.

2. Importance et conséquences d'une défaillance :

   Importance : Une haute fidélité de la réplication et une efficacité des systèmes de réparation sont cruciales pour maintenir l'intégrité du génome et prévenir l'accumulation de mutations. L'ADN est le support de l'information génétique, toute altération peut avoir des conséquences graves.

   Conséquences d'une défaillance :

   • Accumulation de mutations : Les erreurs non corrigées s'accumulent.
   • Maladies génétiques : Si les mutations affectent des gènes fonctionnels, cela peut entraîner des maladies héréditaires.
   • Cancer : Des mutations dans des gènes clés régulant le cycle cellulaire ou l'apoptose (oncogènes, gènes suppresseurs de tumeurs) peuvent conduire à une prolifération cellulaire incontrôlée et au développement de cancers. Des syndromes de prédisposition au cancer sont souvent associés à des défauts de réparation de l'ADN (ex: Xeroderma pigmentosum, cancers du sein liés à BRCA1/2).
   • Vieillissement prématuré : L'accumulation de dommages à l'ADN contribue aux processus de vieillissement.

   Résultat b : Une haute fidélité est cruciale pour maintenir l'intégrité génomique. Une défaillance entraîne l'accumulation de mutations, provoquant des maladies génétiques, le cancer et un vieillissement prématuré.

Correction Exercice 7 :

L'hérédité liée à l'X est un cas particulier des lois de Mendel.

1. Génotypes de A et B :
   • Femme A : Son père est daltonien. Puisque le daltonisme est lié à l'X et récessif, le père a le génotype X^dY. Il transmet forcément son chromosome X à sa fille. La femme A reçoit donc un X^d de son père. Comme elle n'est pas daltonienne (son phénotype est "vision normale"), elle doit avoir reçu un X^D de sa mère. Son génotype est donc X^DX^d (hétérozygote porteuse).
   • Homme B : Sa mère est daltonienne. Sa mère a le génotype X^dX^d. Elle transmet forcément un X^d à son fils. L'homme B est donc daltonien. Son génotype est X^dY.

   Résultat a : Femme A : X^DX^d (porteuse). Homme B : X^dY (daltonien).

2. Probabilité d'avoir un enfant daltonien :

   Réalisons le tableau de Punnett pour le croisement X^DX^d (Femme A) x X^dY (Homme B) :

   Gamètes Père B	Xd (1/2)	Y (1/2)
   Gamètes Mère A XD (1/2)	XDXd (1/4)	XDY (1/4)
   Gamètes Mère A Xd (1/2)	XdXd (1/4)	XdY (1/4)

   Descendance :

   • X^DX^d : Fille non daltonienne (porteuse) - 1/4
   • X^DY : Garçon non daltonien - 1/4
   • X^dX^d : Fille daltonienne - 1/4
   • X^dY : Garçon daltonien - 1/4

   Les enfants daltoniens sont X^dX^d et X^dY.

   Résultat b : La probabilité d'avoir un enfant daltonien est de 1/4 (fille) + 1/4 (garçon) = 1/2 (50%).

3. Probabilité d'avoir une fille daltonienne et un garçon daltonien :
   • Fille daltonienne : Seules les filles de génotype X^dX^d sont daltoniennes. La probabilité est de 1/4.
   • Garçon daltonien : Seuls les garçons de génotype X^dY sont daltoniens. La probabilité est de 1/4.

   Résultat c : Probabilité d'une fille daltonienne : 1/4 (25%). Probabilité d'un garçon daltonien : 1/4 (25%).

Correction Exercice 8 :

La drépanocytose est un excellent exemple des conséquences des mutations.

1. Mutation spécifique et son type :

   Mutation ADN : La drépanocytose est causée par une substitution d'une seule base dans le gène de la bêta-globine. Au niveau du sixième codon du gène, l'adénine (A) est remplacée par la thymine (T).

   Conséquence protéique : Cette mutation entraîne le remplacement de l'acide aminé Glutamate (Glu) par la Valine (Val) à la sixième position de la chaîne de bêta-globine. Le codon GAG (pour Glu) devient GTG (pour Val) sur l'ADN brin codant, ce qui donne GUG sur l'ARNm.

   Type de mutation : C'est une mutation faux-sens, car un acide aminé est remplacé par un autre.

   Résultat a : Substitution A → T au sixième codon du gène de la bêta-globine, remplaçant Glutamate par Valine dans la protéine. C'est une mutation faux-sens.

2. Effet sur les globules rouges et physiopathologie :

   Structure des globules rouges : La substitution du Glutamate par la Valine rend l'hémoglobine (HbS) moins soluble et sujette à la polymérisation (aggrégation) en conditions de faible concentration en oxygène. Ces polymères d'HbS déforment les globules rouges, leur donnant une forme de faucille (d'où le nom "falciforme") ou de croissant.

   Conséquences physiopathologiques :

   • Anémie : Les globules rouges falciformes sont rigides, fragiles et ont une durée de vie réduite, entraînant une anémie chronique.
   • Crises vaso-occlusives : Leur forme anormale les rend moins flexibles et ils peuvent s'accumuler et bloquer les petits vaisseaux sanguins. Cela provoque des douleurs intenses, des lésions tissulaires et une ischémie.
   • Susceptibilité aux infections : Les dommages aux organes (rate notamment) augmentent le risque d'infections.

   Résultat b : La mutation déforme les globules rouges en faucille (HbS s'agrège), causant anémie chronique (destruction précoce), crises vaso-occlusives (blocage vaisseaux) et sensibilité aux infections.

3. Maintien de l'allèle drépanocytaire :

   Explication : L'allèle drépanocytaire s'est maintenu et propagé dans des régions où le paludisme est endémique (Afrique subsaharienne, Asie du Sud, Moyen-Orient) en raison d'un avantage sélectif conféré aux individus hétérozygotes (X^AX^S ou X^AY, où A est l'allèle normal et S l'allèle muté).

   • Homozygotes normaux (X^AX^A) : Sensibles au paludisme.
   • Homozygotes drépanocytaires (X^SX^S) : Souffrent gravement de la drépanocytose, avec une espérance de vie réduite.
   • Hétérozygotes (X^AX^S) : Ne développent pas la forme grave de la drépanocytose mais sont partiellement protégés contre le paludisme. Les parasites du paludisme ont du mal à se développer dans leurs globules rouges et ces cellules sont éliminées plus rapidement.

   Cet avantage sélectif des hétérozygotes (appelé hétérosis ou avantage hétérozygote) maintient la fréquence de l'allèle muté dans la population, malgré la mortalité des homozygotes.

   Résultat c : L'allèle drépanocytaire s'est maintenu dans les régions endémiques du paludisme car les individus hétérozygotes sont protégés contre cette maladie, conférant un avantage sélectif (hétérosis) malgré la sévérité de la drépanocytose chez les homozygotes.