Rappels
Relation entre le génotype et le phénotype
Un organisme peut être décrit par un certain nombre de caractères (son phénotype) qui permettent de le définir au sein de son espèce mais aussi de le distinguer entre individus de la même espèce.
De nombreux caractères dépendent de l'information portée par les gènes (le génotype) mais d'autres sont sous l'influence de l'environnement.
Le génotype est l'ensemble des informations génétiques portées par les gènes d'un individu.
Le phénotype est l'ensemble des caractéristiques, physiques et physiologiques, d'un individu.
un exemple chez les végétaux : une orchidée l'Orchis pourpre
au sein d’une même espèce d’Orchis pourpre, chaque individu diffère des autres par de nombreux détails morphologiques, comme la forme et la distribution des taches pourpres sur le labelle de la fleur.
un exemple chez les animaux : les lions
Parfois dans une population animale de la même espèce on observe un individu albinos, il possède toutes les caractéristiques de son espèce mais son pelage est dépigmenté, l'absence de mélanine est d'origine génétique.
Comment définir un phénotype aux différentes échelles du vivant ?
Les maladies génétiques sont souvent utilisées pour comprendre les relations entre le génotype et le phénotype.
La drépanocytose, la mucoviscidose, les myopathies, l'hémophilie ... Autant d'exemples qui ont permis aux généticiens de mieux connaître les processus qui permettent la fabrication des protéines nécessaires au métabolisme.
La drépanocytose, un exemple de maladie génétique
En 2010, l'équipe de France de Football s'apprête à disputer la 19ème coupe du monde de la FIFA, hélas, l'un de ses joueurs n'a pas pu y participer pour des raisons ... génétiques ?!
Les 2 articles suivants permettent de comprendre les symptômes qui ont alerté les médecins et les ont mis sur la piste de la drépanocytose ...
A la lecture des ces 2 articles on comprend que Lassana Diarra souffre d'anémie (diminution de la concentration en hémoglobine du sang) liée à une forme anormale de ses globules rouges (hématies) "anémie à hématies falciformes"
ce qui affecte le transport du dioxygène dans son sang.
Observons le sang d'un individu atteint de drépanocytose
Observation microscopique d'un frottis sanguin (x 900)
hématie de forme circulaire
= normale
hématie en forme de faucille
= falciforme = anormale
Observons les hématies d'un individu atteint de drépanocytose
Comparaison de la circulation des hématies en fonction de leur forme
Analyse du contenu des hématies falciformes
La forme des hématies dépend des molécules d'hémoglobine qu'elle contient. Chez un individu sain, l'hémoglobine dite "HbA" est soluble dans le cytoplasme, tandis que chez un individu drépanocytaire les molécules d'hémoglobine "HbS" sont condensées sous forme de fibres réunissant plusieurs molécules d'hémoglobine S, provoquant une forme de faucille du globule rouge.
Nous savons que la synthèse des protéines dépend de l'information génétique portée sur les chromosomes sous la forme de gènes.
Les protéines d'hémoglobines A et S seraient-elles différentes ?
L'information génétique déterminant les hémoglobines A et S serait-elle différente ?
Electrophorèse des hémoglobines des membres d'une famille dont un fils est atteint de drépanocytose
Documents issus du site : http://www.snv.jussieu.fr/bmedia/ATP/bioch5.htm
En analysant ces documents on constate que dans cette famille l'individu N°4 est atteint de drépanocytose, ainsi que l'individu N°7. Ils sont homozygotes HbS//HbS
Les parents (N°1 et N°2) sont porteurs d'un allèle HbS mais ne sont pas atteints, on dit qu'ils sont "hétérozygotes" HbA//HbS.
On en déduit que la drépanocytose est bien une maladie génétique, mais que l'allèle HbS est récessif tandis que HbA est l'allèle dominant.
De plus les hémoglobines A et S ne migrent pas de la même façon en électrophorèse, on peut donc confirmer que ces 2 protéines ne sont pas identiques.
Une étude moléculaire des 2 hémoglobines s'impose.
Représentation d'une hémoglobine A humaine montrant les quatre hèmes en vert, avec le cation de fer en orange, et la porphyrine en bleu
L'hémoglobine est une "métalloprotéine", contenant du Fer, dont la fonction est de transporter le dioxygène dans le sang.
Chez l'humain, l'hémoglobine est une protéine hétérotétramérique formée de chaînes peptidiques identiques deux à deux.
L'hémoglobine A (HbA) représente environ 95 % des molécules d'hémoglobines chez l'adulte, constituée de deux chaînes α et de deux chaînes β.
Chacune des quatre chaînes est associée à un groupe prosthétique appelé hème et constitué d'un cation de fer complexé avec une porphyrine.
L'hémoglobine est donc une hémoprotéine.
Lors de la fixation du O2 au Fer de l'Hème la molécule change de forme, ce changement est réversible et instable, ce qui facilite les échanges de dioxygène au niveau des cellules qui en ont besoin.
Etude comparative des séquences nucléotidiques et protéiques
Le logiciel Anagène nous permet de comparer les séquences de nucléotides et de protéines associées.
On observe que les allèles des chaines β A et β S ont des séquences très proches à l'exception d'un nucléotide (Thymine remplace Adénine), il s'agit d'une mutation.
En conséquence on observe que les protéines β A et β S ont des séquences d'acides aminés très proches à l'exception d'un acide aminé Valine remplace Glutamine.
NB : sur Anagène le changement d'acide aminé apparaît en 7ème position, mais il faut considérer le codon initiateur ATG qui code pour une Methionine, (laquelle sera excisée au moment de la synthèse protéique). C'est pourquoi l'image suivante montre Val au lieu de Glu en position 6.
Les hémoglobines HbS composées de 2 chaînes α et de deux chaînes βS, vont former des "dimères" lorsque le dioxygène est peu disponible.
C'est la présence de Valine à la surface de l'hémoglobine qui permet la formation de liaisons chimiques avec d'autres hémoglobines.
Ces dimères peuvent alors s'associer en "polymères", formant des fibres intracytoplasmiques, déformant les hématies en faucille.
Tableau comparatif de 3 individus aux différentes échelles de phénotype
Le phénotype moléculaire se répercute à d'autres échelles : cellule, organe, organisme.
En général, toute modification du phénotype à une échelle modifie le phénotype aux échelles supérieures
