Pour savoir ce que fait une mutation, traduis l'allèle normal et l'allèle muté, puis compare les deux protéines. Dans la drépanocytose, un codon GAG du gène de la bêta-globine devient GTG : l'acide glutamique est remplacé par une valine, et l'hémoglobine S qui en résulte peut déformer les globules rouges en faucille. En Terminale, cette lecture sert à suivre une mutation dans un clone de cellules, puis à comprendre comment deux allèles s'expriment chez un même individu.
Lire une mutation sur une séquence
Tu l'as vu en Première (programme officiel) : un gène est transcrit en ARN qui, après une éventuelle maturation, devient l'ARN messager (ARNm), où l'uracile (U) remplace la thymine (T). L'ARNm est ensuite traduit en protéine : chaque codon, groupe de trois nucléotides, correspond à un acide aminé d'après le code génétique.
Étape 1 : Repère le brin donné. Le brin non transcrit a la même séquence que l'ARNm, avec T à la place de U. Le brin transcrit lui est complémentaire : pour écrire l'ARNm, A donne U, T donne A, G donne C et C donne G.
Étape 2 : Découpe l'ARNm en codons à partir du codon d'initiation AUG.
Étape 3 : Traduis codon par codon jusqu'au premier codon stop (UAA, UAG ou UGA), qui ne code aucun acide aminé.
Étape 4 : Fais de même pour l'autre allèle, puis compare les deux chaînes d'acides aminés.
Inutile d'apprendre une liste de mutations : leur effet sort de la traduction. Une substitution (un nucléotide remplacé par un autre) peut ne rien changer, car plusieurs codons codent le même acide aminé : CUA et CUG donnent tous deux la leucine. Elle peut aussi changer un acide aminé, comme dans la drépanocytose, ou créer un codon stop qui raccourcit la protéine.
Une délétion (un nucléotide perdu) ou une insertion (un nucléotide ajouté) va plus loin. La lecture se fait trois par trois, sans séparation entre les codons : tous ceux qui suivent sont décalés. C'est un décalage du cadre de lecture, et un codon stop surgit souvent bien avant la fin normale.
Piège classique : prendre le complémentaire du brin non transcrit. Si l'énoncé donne ce brin, l'ARNm a la même séquence, avec U à la place de T, rien de plus. Vérifie de quel brin il s'agit avant d'écrire la moindre lettre.
Quand la mutation touche un site régulateur
Un gène ne se limite pas à la partie qui code la protéine. D'autres séquences, qui ne sont pas traduites, règlent sa transcription : elles décident quand, et en quelle quantité, le gène s'exprime. Une mutation dans l'une d'elles laisse la protéine intacte ; c'est sa production qui change. Le programme de Terminale propose d'étudier les mutations et leurs effets « notamment sur un site régulateur de l'expression d'un gène ».
La tolérance au lactose chez l'adulte en est un exemple. La lactase est l'enzyme qui digère le lactose, le sucre du lait. Environ 75 % de la population mondiale perd un jour la capacité de digérer le lactose, d'après une revue scientifique de 2012. Chez les personnes d'origine européenne, la persistance de la lactase à l'âge adulte est associée à une mutation située à près de 14 000 nucléotides du début du gène, dans une séquence qui agit sur sa transcription. L'enzyme produite reste la même ; elle continue simplement d'être fabriquée.
Mutations et clones de cellules
Tu viens d'une seule cellule, la cellule-œuf, qui s'est divisée un très grand nombre de fois par mitose. Avant chaque mitose, l'ADN est copié. De temps en temps, une erreur échappe aux systèmes de réparation : elle devient une mutation, transmise à toutes les cellules qui descendent de la cellule mutée.
Définition : un clone est un ensemble de cellules issues d'une même cellule par mitoses successives, génétiquement identiques aux mutations près. Un sous-clone est la lignée issue d'une cellule mutante : toutes ses cellules portent la mutation.
Les cellules d'une tumeur, les lymphocytes B qui produisent tous le même anticorps ou une colonie de bactéries sont des clones. Sans échange d'ADN avec l'extérieur, toute la diversité génétique d'un clone vient des mutations accumulées au fil des divisions. Une mutation irréversible, comme la perte d'un gène, reste dans tout son sous-clone.
Tout dépend de la cellule touchée. Dans une cellule somatique, une cellule du corps qui ne donnera pas de gamètes, la mutation reste dans son sous-clone, chez toi seulement. Dans la lignée germinale, qui produit les gamètes, elle peut passer à un enfant et devenir un nouvel allèle. Un allèle que porte un enfant et qu'aucun de ses deux parents ne possède révèle ainsi une mutation nouvelle.
Piège classique : croire qu'une mutation se transmet forcément aux enfants. Les mutations somatiques d'une tumeur ne passent pas à la descendance. Seuls les allèles présents dans la lignée germinale peuvent être transmis.
Deux allèles, un phénotype
Pour un gène porté par un autosome (un chromosome non sexuel), chaque cellule diploïde possède deux allèles, l'un venu du père, l'autre de la mère, et les deux s'expriment en général. Le phénotype dépend de ce qu'ils produisent ensemble.
Le système ABO le montre bien. L'allèle A code une enzyme qui fixe un sucre sur une molécule de la surface des globules rouges, ce qui forme l'antigène A. L'allèle B code une enzyme un peu différente, qui fixe un autre sucre et forme l'antigène B. L'allèle O le plus courant a perdu un nucléotide : le cadre de lecture est décalé et l'enzyme produite est inactive.
| Génotype | Antigènes sur les globules rouges | Groupe |
|---|---|---|
| (A//A) ou (A//O) | A | A |
| (B//B) ou (B//O) | B | B |
| (A//B) | A et B | AB |
| (O//O) | ni A ni B | O |
Chez une personne (A//O), l'enzyme A suffit à former l'antigène A : l'allèle A est dominant, l'allèle O récessif. Chez une personne (A//B), les deux enzymes travaillent et les deux antigènes sont présents : A et B sont codominants.
La dominance dépend aussi de l'échelle observée. Une personne hétérozygote pour la drépanocytose fabrique de l'hémoglobine A et de l'hémoglobine S : à l'échelle moléculaire, les deux allèles s'expriment. Pourtant, elle n'a pas la maladie, c'est un porteur sain : à l'échelle de l'organisme, l'allèle S est récessif.
Piège classique : « dominant » ne veut pas dire « plus fréquent ». La dominance décrit le phénotype d'un hétérozygote, à une échelle donnée. Elle ne dit rien de la fréquence d'un allèle dans une population.
Exercices corrigés
Du plus direct au plus proche d'un contrôle. Cherche chacun sur ta feuille avant d'ouvrir la correction.
Exercice 1 : Voici le début du brin non transcrit de trois allèles d'un gène, à partir du codon d'initiation (données fictives).
Allèle 1 : ATGGCTCTAAGCAATGGCTGA
Allèle 2 : ATGGCTCTGAGCAATGGCTGA
Allèle 3 : ATGGCTTAAGCAATGGCTGA
Extrait du code génétique (codons de l'ARNm) : AUG, méthionine ; GCU, alanine ; CUA et CUG, leucine ; AGC, sérine ; AAU, asparagine ; GGC, glycine ; UAA et UGA, codons stop.
Un élève affirme : « les allèles 2 et 3 ne diffèrent de l'allèle 1 que par un nucléotide, ils ont donc le même effet ». A-t-il raison ?
Correction :
L'ARNm a la séquence du brin non transcrit, avec U à la place de T. On le découpe en codons à partir de AUG.
Allèle 1 : AUG GCU CUA AGC AAU GGC UGA, soit méthionine, alanine, leucine, sérine, asparagine, glycine, puis stop. La protéine compte 6 acides aminés.
Allèle 2 : le A en 9e position est remplacé par un G, et CUA devient CUG, qui code aussi la leucine. La protéine est identique : cette substitution est sans effet sur elle.
Allèle 3 : le C en 7e position a disparu. L'ARNm se lit alors AUG GCU UAA : méthionine, alanine, puis stop. La protéine s'arrête à 2 acides aminés au lieu de 6.
L'élève a tort : la substitution ne touche qu'un codon, alors que la délétion décale tous les codons qui la suivent.
Exercice 2 : Un organisme se forme à partir d'une cellule-œuf, par mitoses successives, et compte 10¹³ cellules à l'âge adulte. On néglige les cellules mortes en route, et on admet qu'à chaque division apparaissent en moyenne 3 mutations nouvelles (données fictives).
a) Combien de divisions ont eu lieu ? b) Combien de mutations nouvelles sont apparues en tout ? c) Une mutation apparaît dans l'une des deux cellules issues de la première division. Si les deux lignées se multiplient autant, quelle part des cellules adultes la porte ?
Correction :
a) Chaque division transforme une cellule en deux : elle ajoute une cellule. Pour passer de 1 à 10¹³ cellules, il faut donc une division de moins que le nombre final de cellules, soit environ 10¹³ divisions.
Ne confonds pas avec le nombre de doublements : 2⁴³ ≈ 8,8 × 10¹² et 2⁴⁴ ≈ 1,8 × 10¹³, donc environ 44 doublements suffisent. Mais chaque doublement fait diviser toutes les cellules présentes.
b) 3 mutations par division × 10¹³ divisions, soit environ 3 × 10¹³ mutations nouvelles, dispersées dans tout l'organisme.
c) La cellule mutée donne la moitié de l'organisme : environ 50 % des cellules adultes, soit 5 × 10¹² cellules, forment le sous-clone qui porte la mutation. Une mutation apparue lors des dernières divisions ne se trouve, elle, que dans très peu de cellules.
Exercice 3 : Un homme de génotype (A//O) et une femme de génotype (B//O) attendent un enfant. a) Quels gamètes chacun produit-il, et avec quelle probabilité ? b) Quels groupes sanguins l'enfant peut-il avoir, et avec quelles probabilités ?
Correction :
a) À la méiose, chaque gamète reçoit un seul des deux allèles, avec la même probabilité. L'homme produit des spermatozoïdes portant A ou O, la femme des ovocytes portant B ou O, chacun avec une probabilité de 1/2.
b) Chaque rencontre de gamètes a une probabilité de 1/2 × 1/2 = 1/4 : (A//B), groupe AB ; (A//O), groupe A ; (B//O), groupe B ; (O//O), groupe O. Chacun des quatre groupes a donc une probabilité de 1/4, soit 25 %. Des parents des groupes A et B peuvent ainsi avoir un enfant du groupe O.
À retenir
À retenir :
- Effet d'une mutation : ARNm (séquence du brin non transcrit, U à la place de T), codons à partir de AUG, traduction, comparaison des protéines.
- Une substitution peut ne rien changer, changer un acide aminé ou créer un codon stop ; une délétion ou une insertion décale le cadre de lecture.
- Une mutation dans un site régulateur garde la protéine mais change sa production.
- Un clone réunit des cellules identiques aux mutations près ; une mutation somatique reste dans son sous-clone, une mutation germinale peut passer aux enfants.
- Dominance et codominance décrivent le phénotype d'un hétérozygote, à une échelle donnée.
Sources
- Programme de SVT de terminale générale, enseignement de spécialité, fixé par l'arrêté du 19 juillet 2019 et entré en vigueur à la rentrée 2020 : texte sur eduscol.
- Programme de SVT de première générale, enseignement de spécialité, fixé par l'arrêté du 17 janvier 2019 et entré en vigueur à la rentrée 2019 : texte sur eduscol.
- R. Mattar, D. F. C. Mazo et F. J. Carrilho, « Lactose intolerance: diagnosis, genetic, and clinical factors », Clinical and Experimental Gastroenterology, 2012 : article sur PubMed Central, en anglais.