Mutations & Variabilité Génétique : Exercices Corrigés

Correction :

Pour identifier le type de mutation, il faut comparer les séquences nucléotidiques codon par codon (par groupe de trois bases).

Séquence normale : ATG GAT CGC TGA

Séquence mutée A : ATG GAT CCG TGA

En comparant, on voit que le troisième codon est passé de CGC à CCG. Cela correspond à une substitution de la base Guanine (G) par la base Cytosine (C) au niveau du troisième nucléotide de ce codon.

Mutation mutée A : Substitution

Séquence normale : ATG GAT CGC TGA

Séquence mutée B : ATG GAT CGA TGA

Ici, le troisième codon CGC est toujours présent, mais il est suivi d'un TGA. La séquence est raccourcie, un nucléotide a disparu. Si on compare, on voit que le G du codon CGC a disparu. La séquence est donc ATG GAT CGA TGA. La lettre A a été enlevée.

Vérification : La séquence normale est ATG GAT CGC TGA. La séquence mutée B est ATG GAT CGA TGA. Le nucléotide G qui était le 3ème du codon CGC a disparu.

Mutation mutée B : Délétion

Séquence normale : ATG GAT CGC TGA

Séquée mutée C : ATG GAT TCG TGA

On compare les codons : ATG, GAT, CGC, TGA. Pour la mutée C : ATG, GAT, TCG, TGA. Il semble qu'il y ait une délétion et une insertion, ou un décalage. Regardons le décalage.

Si on décale la séquence normale : ATG GAT CGC TGA. Si on insère un T au début du 3ème codon, on aurait : ATG GAT TCG TGA. Donc une insertion de T.

Mutation mutée C : Insertion (d'un T entre le GAT et le CGC, décalant le reste de la séquence)

Astuce : Pour les mutations par délétion ou insertion, il faut faire attention au décalage du cadre de lecture qui affecte tous les codons suivants.

Correction :

Pour résoudre cet exercice, tu as besoin d'une table de correspondance codon-acide aminé (code génétique).

a) Séquence d'ADN :

On cherche les codons pour Lys, Val, Arg, Stop.

Lys : AAA ou AAG

Val : GTT, GTC, GTA, GTG

Arg : CGT, CGC, CGA, CGG, AGA, AGG

Stop : TAA, TAG, TGA

Une séquence possible pour le brin codant (qui ressemble à l'ARNm sans le U remplacé par T) est donc : AAA GTT CGT TAA (par exemple).

Une séquence d'ADN possible : 5'- AAA GTT CGT TAA -3'

b) Mutation :

Le codon Arg (par exemple CGT) est transformé en codon Trp. Le codon pour Trp est TGG.

Donc, si on prend l'exemple CGT, la mutation serait une substitution de la 2ème base (G par G) et de la 3ème base (T par G). En fait, pour changer CGT en TGG, il faudrait plusieurs substitutions, ce qui n'est pas une mutation ponctuelle simple. Regardons le code génétique :

Arg : CGT, CGC, CGA, CGG, AGA, AGG

Trp : TGG

Il est plus simple de supposer que le codon d'origine code pour Arg et le nouveau code pour Trp. Par exemple, si le codon d'origine était CGA (Arg), et qu'il devient TGA (Stop), ce serait une mutation non-sens. Si le codon d'origine était AAA (Lys), et qu'il devient AAG (Lys), ce serait une mutation silencieuse. Ici, on passe de Arg à Trp. Il faut qu'il y ait une mutation qui transforme un codon Arg en codon Trp. Le seul codon pour Trp est TGG. Les codons pour Arg sont CGT, CGC, CGA, CGG, AGA, AGG. Il est impossible de passer d'un codon Arg à TGG par une seule substitution ou insertion/délétion simple sur une base. Il y a peut-être une erreur dans l'énoncé ou je dois choisir un exemple précis. Prenons un codon Arg qui peut muter vers Trp par une seule substitution.

Si le codon Arg est CGG, une substitution de G par T donne CTG (Leu). Ce n'est pas Trp.

Si le codon Arg est CGA, une substitution de C par T donne TGA (Stop). Non.

Si le codon Arg est CGT, une substitution de C par T donne TGT (Cys). Non.

Si le codon Arg est CGC, une substitution de C par T donne TGC (Cys). Non.

Si le codon Arg est AGA, une substitution de A par T donne ATG (Met). Non.

Si le codon Arg est AGG, une substitution de A par T donne ATG (Met). Non.

Re-vérification : Le code génétique est universel. Trp est codé UNIQUEMENT par TGG. Les codons pour Arg incluent CGT, CGC, CGA, CGG, AGA, AGG. Pour passer d'un codon Arg à TGG par une mutation ponctuelle, il faudrait transformer le premier C en T, et le dernier G en G. C'est impossible par une seule substitution. Il est probable que l'énoncé suppose une mutation qui change un Arginine en Tryptophane sans spécifier le mécanisme exact, ou il y a une erreur. Nous allons supposer qu'un codon pour Arg a été remplacé par TGG.

Hypothèse : Un codon pour Arg, par exemple CGA, est muté en TGG.

Pour passer de CGA à TGG, il faudrait remplacer C par T, et A par G. Ce n'est pas une mutation ponctuelle simple.

Reformulation de la question : Imaginons qu'une mutation change la séquence d'ADN de telle sorte qu'un codon qui codait pour Arg code maintenant pour Trp.

c) Nouvelle séquence d'acides aminés :

Si le codon qui codait pour Arg code maintenant pour Trp, et que les autres acides aminés restent inchangés.

Ancienne séquence : Lys-Val-Arg-Stop

Nouvelle séquence : Lys-Val-Trp-Stop

Nouvelle séquence d'acides aminés : Lys-Val-Trp-Stop

d) Type de mutation :

Une mutation qui change un acide aminé par un autre est appelée une mutation de sens (ou missense mutation).

Type de mutation : Mutation de sens

Point méthode : Toujours utiliser la table de code génétique. S'assurer que le changement de nucléotide est compatible avec le changement de codon et d'acide aminé. En cas de doute, supposer le changement d'acide aminé demandé et identifier le type de mutation associé.

Correction :

a) Type de mutation chromosomique :

La présence d'un exemplaire supplémentaire d'un chromosome entier est appelée une aneuploïdie, plus spécifiquement une trisomie (pour trois exemplaires).

Type de mutation : Aneuploïdie (Trisomie)

b) Maladie associée :

La trisomie 21 est responsable de la syndrome de Down (ou mongolisme, terme ancien et péjoratif).

Maladie associée : Syndrome de Down (Trisomie 21)

c) Mécanisme de formation des gamètes :

Lors de la méiose, les chromosomes homologues se séparent. Si, lors de l'anaphase I, les deux chromosomes homologues de la paire 21 ne se séparent pas (non-disjonction), alors un gamète recevra les deux chromosomes 21 et l'autre gamète n'en recevra aucun. Si, lors de l'anaphase II, les chromatides d'un chromosome 21 ne se séparent pas, alors un gamète aura deux chromatides (donc deux chromosomes 21) et l'autre n'en aura aucune.

Dans le cas d'une trisomie 21, cela signifie qu'un gamète (ovule ou spermatozoïde) contient deux chromosomes 21. Lors de la fécondation, ce gamète fusionne avec un gamète normal (qui contient un chromosome 21), résultant en un zygote avec trois chromosomes 21.

Exemple : Si la non-disjonction a lieu lors de la méiose I pour la paire 21 :

• Cellule mère : 2 chromosomes 21
• Après méiose I : une cellule avec 2 chromosomes 21, l'autre avec 0 chromosome 21.
• Après méiose II : les gamètes formés à partir de la cellule avec 2 chromosomes 21 contiendront chacun 1 chromosome 21 (pas de problème ici si la méiose II est normale). Il y a eu une erreur lors de la méiose I qui a donné un gamète avec 2 chromosomes 21.

Correction plus précise :

La non-disjonction des chromosomes homologues lors de la méiose I :

Une paire de chromosomes 21 ne se sépare pas.

Résultat : Deux gamètes avec 2 chromosomes 21 et deux gamètes avec 0 chromosome 21.

La non-disjonction des chromatides sœurs lors de la méiose II :

Les chromosomes 21 se sont séparés normalement en méiose I (un de chaque côté).

Mais en méiose II, les deux chromatides d'un chromosome 21 ne se séparent pas.

Résultat : Un gamète avec 2 chromosomes 21, un gamète avec 0 chromosome 21, et deux gamètes normaux avec 1 chromosome 21.

Dans les deux cas, si un gamète avec 2 chromosomes 21 fécond'un gamète normal (avec 1 chromosome 21), le zygote aura 3 chromosomes 21.

Ce phénomène est appelé non-disjonction méiotique.

Correction :

Les mutations sont des changements aléatoires dans la séquence d'ADN. Elles peuvent être neutres, délétères ou bénéfiques. La fréquence des mutations dans une population est généralement faible.

1. Génération de diversité : Les mutations introduisent de nouvelles versions de gènes (allèles) dans la population. Cette nouveauté génétique augmente la variabilité génétique existante.

2. Effets variés : La plupart des mutations n'ont pas d'effet observable (mutations silencieuses) ou sont délétères (réduisent la survie ou la reproduction). Cependant, il arrive que certaines mutations soient bénéfiques dans un environnement donné.

3. Sélection naturelle : Si une mutation confère un avantage à un individu (par exemple, meilleure résistance à une maladie, capacité à mieux exploiter une ressource, meilleure camouflage), cet individu aura plus de chances de survivre et de se reproduire. Il transmettra alors cet allèle bénéfique à sa descendance.

4. Adaptation : Au fil des générations, la fréquence de l'allèle bénéfique augmente dans la population. La population devient ainsi mieux adaptée à son environnement. Ce processus, répété sur de longues périodes, peut conduire à l'évolution des espèces.

Les mutations fournissent la matière première aléatoire, et la sélection naturelle agit sur cette diversité pour favoriser les allèles avantageux dans un environnement donné, conduisant à l'adaptation.

Correction :

Cet exercice demande d'analyser des documents pour comprendre un phénomène évolutif.

a) Domination des bactéries résistantes :

Avant l'exposition à l'antibiotique, il existe déjà un petit nombre de bactéries résistantes (10 sur 10^8). Ces bactéries ne sont pas avantagées, elles vivent et se reproduisent à un rythme similaire aux bactéries sensibles, voire un peu moins bien à cause du coût énergétique de la résistance.

Cependant, lorsque l'antibiotique est introduit, il agit comme un agent sélectif. Les bactéries sensibles, qui ne possèdent pas le gène de résistance, sont tuées par l'antibiotique. Les rares bactéries résistantes, elles, survivent et peuvent continuer à se reproduire.

Les descendants des bactéries résistantes héritent du caractère de résistance. Comme la compétition avec les bactéries sensibles a disparu, les bactéries résistantes ont accès à toutes les ressources et se multiplient rapidement. Au fil des générations, la proportion de bactéries résistantes dans la population augmente considérablement, jusqu'à ce qu'elles deviennent majoritaires.

L'antibiotique élimine les individus sensibles, laissant le champ libre à la reproduction des individus résistants qui étaient déjà présents dans la population.

b) Rôle de l'antibiotique :

L'antibiotique n'induit pas la mutation de résistance ; il n'est pas un agent mutagène pour cette mutation spécifique. Son rôle est celui d'un agent de sélection. Il crée une pression environnementale qui élimine les individus non adaptés (les bactéries sensibles) et favorise la survie et la reproduction des individus adaptés (les bactéries résistantes).

L'antibiotique est un agent de sélection, pas un agent mutagène pour la résistance.

c) Mutation spontanée :

Le fait que des bactéries résistantes soient présentes avant l'exposition à l'antibiotique montre que la mutation de résistance apparaît spontanément et de manière aléatoire, indépendamment de la présence de l'antibiotique. La mutation n'est pas une réponse à l'antibiotique, mais un événement génétique qui se produit au hasard dans la population. L'antibiotique ne fait que sélectionner les individus qui portent déjà cette mutation bénéfique.

La présence de résistance avant exposition prouve que la mutation est aléatoire et spontanée, et non induite par l'antibiotique.

Correction :

a) Séquence de l'ARNm :

Pour obtenir l'ARNm à partir du brin transcrit d'ADN, on remplace chaque T par un U, et on garde le sens 5' vers 3'.

ADN : 5'- ATG CCT AGT GTC TCA GAG CCG -3'

ARNm : 5'- AUG CCU AGU GUC UCA GAG CCG -3'

ARNm : 5'- AUG CCU AGU GUC UCA GAG CCG -3'

b) Séquence des acides aminés :

On découpe l'ARNm en codons et on utilise le code génétique.

AUG → Met (ou AUG, codon d'initiation)

CCU → Pro

AGU → Ser

GUC → Val

UCA → Ser

GAG → Glu

CCG → Pro

Séquence d'acides aminés : Met - Pro - Ser - Val - Ser - Glu - Pro

c) Mutation : Remplacement du 5ème nucléotide (T) par un A.

d) Nouvelle séquence d'ADN :

ADN normal : 5'- ATG CCT AGT GTC TCA GAG CCG -3'

Le 5ème nucléotide est le T du codon CCT.

Nouveau ADN : 5'- ATG CAT AGT GTC TCA GAG CCG -3'

Nouvelle ADN : 5'- ATG CAT AGT GTC TCA GAG CCG -3'

e) Nouvelle séquence d'ARNm :

On remplace T par U dans le nouveau brin d'ADN.

Nouveau ARNm : 5'- AUG CAU AGU GUC UCA GAG CCG -3'

Nouveau ARNm : 5'- AUG CAU AGU GUC UCA GAG CCG -3'

f) Nouvelle séquence d'acides aminés :

AUG → Met

CAU → His

AGU → Ser

GUC → Val

UCA → Ser

GAG → Glu

CCG → Pro

Nouvelle séquence d'acides aminés : Met - His - Ser - Val - Ser - Glu - Pro

g) Type de mutation de sens :

La mutation a changé le deuxième acide aminé, passant de Proline (Pro) à Histidine (His). Il s'agit donc d'une mutation de sens (ou missense mutation).

Mutation de sens

Astuce : Il est essentiel de bien distinguer le brin codant de l'ADN, le brin transcrit de l'ADN, et l'ARNm. Pour l'ARNm, on remplace systématiquement T par U par rapport à l'équivalent sur le brin codant.

Correction :

a) Séquence des acides aminés :

D'abord, trouvons l'ARNm à partir du brin codant (en remplaçant T par U). Puis, décodons les codons.

Brin codant ADN : 5'- ATG GCC CTA GGT ACG CTA GAC -3'

ARNm : 5'- AUG GCC CUA GGU ACG CUA GAC -3'

AUG → Met

GCC → Ala

CUA → Leu

GGU → Gly

ACG → Thr

CUA → Leu

GAC → Asp

Séquence d'acides aminés : Met - Ala - Leu - Gly - Thr - Leu - Asp

b) Mutation par délétion : Le 4ème nucléotide (G de GCC) est supprimé.

c) Nouvelle séquence d'ADN :

ADN : 5'- ATG GCC CTA GGT ACG CTA GAC -3'

Le 4ème nucléotide (G de GCC) est supprimé.

Nouveau ADN : 5'- ATG CCA TAG GTA CGC TAG AC -3'

Nouvelle ADN : 5'- ATG CCA TAG GTA CGC TAG AC -3'

d) Nouvelle séquence d'ARNm :

On remplace T par U dans la nouvelle séquence d'ADN.

Nouveau ARNm : 5'- AUG CCA UAG GUA CGC UAG AC -3'

Nouveau ARNm : 5'- AUG CCA UAG GUA CGC UAG AC -3'

e) Nouvelle séquence d'acides aminés :

Découpons en codons :

AUG → Met

CCA → Pro

UAG → Stop

A partir de là, la traduction s'arrête.

Nouvelle séquence d'acides aminés : Met - Pro - Stop

f) Effet de la délétion :

La délétion d'un seul nucléotide a provoqué un décalage du cadre de lecture (frameshift mutation). Les codons suivants le point de mutation ne sont plus lus correctement. La séquence d'acides aminés est complètement modifiée à partir du codon affecté. De plus, dans cet exemple, la mutation a créé un codon Stop prématuré (UAG), ce qui a entraîné l'arrêt de la traduction très tôt, produisant une protéine tronquée et très probablement non fonctionnelle.

La délétion a causé un décalage du cadre de lecture et la création d'un codon stop prématuré, produisant une protéine tronquée et non fonctionnelle.

Point méthode : Les mutations par insertion ou délétion de nucléotides (sauf si elles sont des multiples de 3) entraînent systématiquement un décalage du cadre de lecture et modifient toute la protéine en aval du point de mutation.

Correction :

Chez les organismes à reproduction sexuée, la variabilité génétique est générée par deux mécanismes principaux au cours de la méiose, et par les mutations qui peuvent survenir à tout moment.

1. Brassage interchromosomique (ou indépendant) :

Lors de l'anaphase I de la méiose, les chromosomes homologues de chaque paire s'orientent indépendamment les uns des autres avant d'être séparés. Cela signifie que la combinaison des chromosomes maternels et paternels dans les gamètes produits est aléatoire. Pour un organisme diploïde avec n paires de chromosomes, il y a 2^n combinaisons possibles de chromosomes dans les gamètes, sans même considérer le brassage intrachromosomique.

2. Brassage intrachromosomique (ou crossing-over) :

Pendant la prophase I de la méiose, les chromosomes homologues s'apparient et peuvent échanger des segments de chromatides. Ce phénomène, appelé crossing-over, crée de nouvelles combinaisons d'allèles sur un même chromosome. Les chromosomes qui en résultent sont recombinés.

3. Fécondation aléatoire :

La fusion de gamètes (un ovule et un spermatozoïde) est également aléatoire. Chaque gamète peut provenir de différentes combinaisons issues du brassage inter- et intrachromosomique. L'union d'un ovule et d'un spermatozoïde au hasard génère une nouvelle combinaison génétique unique chez le zygote.

4. Mutations :

Bien que les mutations soient des événements aléatoires qui peuvent survenir dans tous les organismes, elles sont la source ultime de toute nouvelle variation génétique. Les mutations peuvent apparaître dans les cellules germinales et être transmises à la descendance, ajoutant ainsi de nouveaux allèles à la diversité génétique.

Les sources de variabilité génétique sont le brassage interchromosomique, le brassage intrachromosomique (crossing-over), la fécondation aléatoire, et les mutations.

Correction :

a) Nom de la mutation de sens :

La mutation qui change un acide aminé par un autre est une mutation de sens (ou missense mutation).

Mutation de sens

b) Identification du codon muté :

Codon normal pour le glutamate : GAA (ou GAG).

Codons pour la valine : GUA, GUG, GUU, GUC.

On cherche une substitution simple qui transforme GAA en l'un des codons de la valine.

Si on prend GAA et qu'on change la 3ème base :

GAA → GAA (Glutamate)

GAA → GAG (Glutamate)

Si on change la 2ème base :

GAA → GUA (Valine)

Si on change la 1ère base :

GAA → AAA (Lysine) ou GAA → TAA (Stop)

La seule substitution simple qui transforme un codon pour le glutamate (GAA) en un codon pour la valine est le remplacement du 2ème A par un U, ce qui donne le codon GUA. C'est une substitution du 2ème nucléotide.

Si le codon normal est GAA, le codon muté pourrait être GUA.

c) Conséquences de la mutation :

La bêta-globine est une protéine dont la structure tridimensionnelle est cruciale pour sa fonction. Le glutamate est un acide aminé chargé négativement et hydrophile, tandis que la valine est un acide aminé neutre et hydrophobe.

Le remplacement d'un glutamate par une valine au 6ème poste de la bêta-globine modifie la polarité et l'hydrophobicité de cette région de la protéine. Dans des conditions de faible concentration d'oxygène, cette valine hydrophobe a tendance à s'associer avec d'autres molécules d'hémoglobine mutées, formant des polymères rigides et allongés. Ces polymères déforment les globules rouges en forme de faucille ("drépanocytose").

Les globules rouges en forme de faucille sont moins flexibles, obstruent les petits vaisseaux sanguins (créant des crises douloureuses, des dommages aux organes), et sont détruits plus rapidement (entraînant une anémie sévère).

Un changement d'une seule base, entraînant le remplacement d'un acide aminé polaire par un acide aminé hydrophobe, peut altérer radicalement la structure tridimensionnelle de la protéine, son comportement dans le sang et ses conséquences physiologiques.

Correction :

Le cancer est une maladie de la division cellulaire incontrôlée. La cellule perd ses mécanismes de régulation normaux, ce qui conduit à une prolifération anarchique.

1. Gènes suppresseurs de tumeurs :

Ces gènes agissent comme des "freins" à la division cellulaire. Ils sont impliqués dans la réparation de l'ADN, le contrôle du cycle cellulaire, ou l'induction de l'apoptose (mort cellulaire programmée) si la cellule est trop endommagée.

Pour que ces gènes perdent leur fonction protectrice, il faut généralement que les deux copies (une héritée du père, une de la mère) soient inactivées par mutation. C'est souvent l'accumulation de mutations sur les deux allèles qui conduit à la perte de fonction.

2. Oncogènes :

Les oncogènes sont issus de gènes normaux appelés "proto-oncogènes". Les proto-oncogènes jouent un rôle dans la croissance et la division cellulaires (par exemple, en stimulant la division). Ils agissent comme des "accélérateurs" contrôlés.

Lorsqu'un proto-oncogène mute pour devenir un oncogène, il devient hyperactif. Il est constamment activé, stimulant la division cellulaire de manière excessive et incontrôlée, même en l'absence de signaux appropriés.

Une seule mutation sur l'un des deux allèles d'un proto-oncogène peut suffire à le transformer en oncogène et à dérégler la croissance cellulaire.

Processus multi-étapes :

Le développement d'un cancer typique nécessite l'accumulation de plusieurs mutations.

Premièrement, une mutation peut inactiver un gène suppresseur de tumeur, levant un frein à la division.

Puis, une autre mutation peut activer un proto-oncogène en oncogène, créant un signal d'accélération.

D'autres mutations peuvent ensuite s'accumuler, affectant la réparation de l'ADN, l'adhésion cellulaire, la capacité d'invasion, etc., menant finalement à une tumeur maligne.

L'accumulation de mutations qui désactivent les gènes suppresseurs de tumeurs (freins) et activent les oncogènes (accélérateurs) conduit à la perte de contrôle de la division cellulaire et au développement du cancer.