Biologie de Campbell #15 - Les bases chromosomiques de l'hérédité

Encore une fois, c'est plus clair en schéma. Un résumé des chapitres précédents. Les métaphases et anaphases ne sont pas limpides sur le schéma, mais en gros, la métaphase et l'anaphase sont des phases de division et répartition du matériel génétique lors de la mitose et de la méiose.

La mitose conserve le même nombre de chromosomes dans les cellules filles, tandis que la méiose est spécifique à la création des gamètes, qui n'ont que la moitié du matériel génétique du parent. Pendant la méiose, ces étapes fonctionnent de manière particulière pour réduire de moitié le nombre de chromosomes. Chaque cellule fille reçoit un chromosome de chaque paire, de manière aléatoire en termes d'origine parentale, grâce à l'assortiment indépendant des chromosomes homologues. Attention : ce schéma n'inclut pas l'enjambement;

Après Mendel, Morgan ; après le pois, la mouche du vinaigre, ou drosophile, qui se nourrit des moisissures poussant sur les fruits. Un accouplement fait des centaines de descendants et il est possible d'obtenir une nouvelle génération tous les 15 jours : pratique. Cette mouche a aussi l'avantage de ne posséder que 4 paires de chromosomes.

Le phénotype le plus commun d'un caractère donné dans les populations sauvages sera appelé le phénotype sauvage. Après expérimentations, Morgan découvre une drosophile mutante, aux yeux blancs. Le symbole de l'allèle des yeux blancs est w pour white ; l'allèle sauvage est w⁺. 

Morgan a fait avec les drosophiles un peu les mêmes expériences que Mendel avec les pois : il retrouvait les mêmes proportions des caractères en génération F₂. Un point était différent : le caractère des yeux blancs n'était présent que chez les mâles. Donc, le caractère se trouvait certainement sur le chromosome Y. Les femelles ont deux chromosomes X, les hommes un X et un Y ; nous sommes vers 1910 et ce fait était découvert depuis quelques années. Le chromosome Y est beaucoup plus petit que le X.

Pour les mâles, comme il n'y a qu'un chromosome X, il n'y a pas deux allèles ; il n'y a qu'un gène pour chaque locus. Donc il suffit qu'il y ait un gène récessif sur le chromosome X pour qu'il s'exprime : il n'y a pas de chromosome homologue qui pourrait avoir un gène dominant.

LES GÈNES LIÉS AU SEXE ONT UN MODE DE TRANSMISSION HÉRÉDITAIRE QUI LEUR EST PROPRE

De courts segments à l'extrémité du chromosome Y fonctionnent comme des régions homologues au chromosome X ; ainsi, dans un testicule, pendant la méiose, ces régions homologues permettent aux deux chromosomes de s'associer et de se comporter comme une paire d'homologues.

Différentes espèces peuvent avoir différents systèmes de détermination chromosomique du sexe. Chez les humains les hommes ont 50% de chances de donner 22 chromosomes + X et 50% de chances de donner 22 chromosomes + Y, alors que les femelles ont 100% de chances de de donner 22 chromosomes + X. Chez les oiseaux, par exemple, le sexe est déterminé par le chromosome présent dans l'ovule avant sa fécondation ; c'est la femelle qui est hétérogamétique. Autre exemple : la plupart des espèces d'abeille et de fourmis n'ont pas de chromosome sexuel. Les femelles se développent à partir d'ovules fécondés et sont donc diploïdes ; les mâles se développent à partir d'ovules non fécondés, ils n'ont pas de père.

Le chromosome Y est transmis presque intact par le père à tous ses fils. Comme il y a très peu de gènes liés au chromosome Y, le père transmet très peu d'anomalies par ce chromosome.

Le sexe est déterminé par des interactions au sein d'un réseau de produits génétiques : des gènes présents sur d'autres chromosomes que X et Y sont impliqués.

Comme les hommes n'ont qu'un seul chromosome X, ils sont beaucoup plus nombreux que les femmes à souffrir de maladies héréditaires récessives liées au chromosome X, comme le daltonisme (Schéma des probabilités de transmission en fonction du génome des parents p.327) ou d'autres maladies plus graves.

LES GÈNES LIES SONT SOUVENT TRANSMIS ENSEMBLE CAR ILS SE TROUVENT PROCHES LES UNS DES AUTRES SUR LE MÊME CHROMOSOME

Chaque chromosome porte des centaines ou des milliers de gènes (sauf le Y qui en a environ 78). Les gènes liés, gènes proches des autres sur le même chromosome, ne semblent pas obéir à la loi mendélienne de l'assortiment aléatoire des caractères : certains gènes, et donc caractères, ont tendance à être transmis ensemble.

Dans le cas de deux gènes situés sur des chromosomes différents, on a bien une fréquence de recombinaison de 50% en cas de croisement. Dans le cas de deux gènes sur le même chromosome, la fréquence de recombinaison passe à environ 17%.  C'est l'enjambement qui est responsable de cette recombinaison occasionnelle (voir chapitre 13).

L'enjambement a donc rôle capital sur le plan évolutionnaire : s'assurer de la variabilité des chromosomes.

Plus les gènes sont éloignés les uns des autres sur un chromosome, plus il y a de chances qu'un enjambement survienne entre eux et par conséquence plus la probabilité qu'une recombinaison se produise est élevée. Il est donc possible de créer une carte de liaison génétique à partir des fréquences de recombinaison. Certains gènes peuvent être si éloignés l'un de l'autre sur le même chromosome que leur fréquence de recombinaison est de 50%, comme s'ils étaient sur des chromosomes différents. De plus, la fréquence des enjambements n'est pas la même tout le long du chromosome ; une carte de liaison génétique n'est pas similaire à une carte physique. L'ordre des gènes reste le même, mais pas leur distance.

LES ANOMALIES DU NOMBRE OU DE LA STRUCTURE DES CHROMOSOMES CAUSENT CERTAINES MALADIES GÉNÉTIQUES

Chez l'humain, les aberrations chromosomiques importantes provoquent souvent, mais pas toujours, l'avortement du fœtus. Les végétaux semblent mieux tolérer de telles anomalies que les animaux.

Un premier type d'aberration est le nombre anormal de chromosomes, par exemple la monosomie ou la trisomie. Ces problèmes surviennent pendant la méiose. On estime que ce sont les principales causes de fausses couches.

Chez les végétaux, l'apparition spontanée d'individus polyploïde (qui possèdent plus de deux jeux complets de chromosomes dans toutes leurs cellules somatiques) joue un rôle important, là où ce serait très handicapant pour les animaux. Par exemple, le pommier Reinette du Canada est triploïde : il a 3 copies de chaque gène au lieu de 2. La présence de gènes supplémentaires réduit la fertilité de son pollen mais contribue à créer de très gros fruits.

Un autre problème potentiel est la rupture des chromosomes, causée par exemple par les radiations. La délétion suppose la perte d'un fragment ainsi cassé ; il y a duplication si ce fragment se rattache ; et inversion s'il se rattache à son chromosome d'origine mais à l'envers ; ou translocation s'il se rattache à un chromosome non homologue. C'est pendant la méiose, lors d'un enjambement, que ces problèmes ont le plus de probabilité de se produire.

CERTAINS MODES DE TRANSMISSION HÉRÉDITAIRE FONT EXCEPTION A LA THÉORIE CLASSIQUE DE L'HÉRÉDITÉ MENDÉLIENNE 

Les exemples qui précèdent sont des exceptions anormales, mais il y en a aussi qui sont normales.

Parfois, chez les mammifères, l'expression de certains caractères dépend du sexe du parent qui transmet l'allèle : c'est l'empreinte génomique.

Les gènes des cellules eucaryotes ne sont pas tous situés sur les chromosomes du noyau ni même dans le noyau : il y a des gènes dans les organites contenus dans le cytoplasme. Ce sont des gènes extranucléaires ou cytoplasmiques. C'est le cas des mitochondries (ADNmt) et, chez les végétaux, des chloroplastes (ADNcp) et d'autres plastes. Ces organites se reproduisent et transmettent leurs gènes. La mitochondrie n'a que 37 gènes ; ils ne suivent pas le modèles mendélien de l'hérédité car ils ne sont pas transmis aux descendants selon les mêmes lois que les chromosomes nucléaires pendant la méiose. Dans la plupart des cas, ces gènes sont transmis par hérédité maternelle.

Incandescence - Greg Egan

Incandescence, roman non traduit en français, m'apparait comme un moment de transition dans la bibliographie de Greg Egan. Il me semble que commence là une obsession pour la description et l'exploration de situations physiques étonnantes, voire d'univers aux lois physiques différentes, au détriment de l'accessibilité narrative. Incandescence est ainsi très proche de The Clockwork Rocket, l'un des romans suivants d'Egan, qui n'avait pas su me captiver malgré de nombreuses qualités.

Incandescence est divisé en deux trames parallèles qui se croisent assez peu. Dans les deux cas, on est dans un futur extrêmement lointain où quasiment toute la galaxie est colonisée par deux civilisations, notamment l'Amalgame, dont les membres descendent de nombreuses espèces différentes, chacune issues parfois de l'ADN, mais aussi d'autres réplicateurs répandus par panspermie. Peu importe les différences évolutives entre ces êtres : au final, ils sont réunis par l'intelligence, et comme ils existent et se déplacent avant tout sous forme de données, ils peuvent être ce qu'ils veulent. Plus proche du centre galactique se trouvent les Aloofs, qui refusent tout contact. Plus tard dans le roman, après que ce même thème est exploré plus longuement, on suppose que les Aloofs sont simplement vieux, terriblement vieux, et qu'ils ne vivent plus guère que dans une sorte de dormance, en attendant qu'il se passe quelque chose de neuf. Tout ça, ça me botte.

D'un côté, on suit deux membres de l'Amalgame qui plongent en plein territoire Aloof pour essayer de trouver une race perdue issue de l'ADN. Ils vont la trouver : isolée en orbite autour d'une étoile à neutron, ou d'un trou noir, je ne sais plus. Une question morale se pose : les visiteurs ont-ils le droit de déranger cette race au fort potentiel d'intelligence mais si adaptée et satisfaite par la platitude répétitive du quotidien ? Twist évolutionnaire : le stress déclenche chez cette race une réaction qui active l'intelligence, disons, afin de faire face aux défis existentiels. Pas besoin de curiosité si tout va bien !

La trame parallèle se déroule de la perspective de cette même race perdue, dans un autre refuge. A moins que ce soit le même dans le futur ? J'aime beaucoup la xénobiologie que développe Egan, ici comme dans The Clockwork Rocket d'ailleurs. C'est d'autant plus impressionnant que ce n'est pas le sujet du roman, ce n'est qu'un à côté. Mention spéciale au système de reproduction de ces aliens. J'admire également la façon dont Egan parvient à créer des personnages pertinents et attachants, alors même que ces personnages sont avant tout des véhicules pour les idées. En revanche, c'est très, très difficile à suivre. L'essentiel de la trame voit ces aliens essayant de comprendre la physique de leur petit monde bizarre. Au début, ça va, notamment grâce à deux schémas très utiles pour comprendre les bases. J'aurais juste voulu qu'Egan continue à utiliser les schémas, parce que j'ai rapidement été largué. Il s'agit d'expériences assez sèches sur la gravitation, la dynamique orbitale, la relativité générale, etc., le tout dans un contexte pas évident avec des aliens qui n'utilisent pas le vocabulaire familier de notre physique. Ce qui est frustrant, c'est l'impression que si Egan avait essayé juste un peu plus, il aurait pu m'entrainer : des schémas pour illustrer chaque expérience et chaque idée aurait suffi pour que je saisisse le plus gros.

Comment souvent avec Greg Egan, on fait face à un roman qui déborde de bonnes idées stimulantes, mais les idées sont planquées dans une narration parfois impénétrable. Le roman est aussi affaibli par ces deux trames parallèles, qui pour moi ne se sont pas entremêlées d'une façon satisfaisante, et au contraire semblent chacune manquer de chair — ou alors j'étais simplement trop las à la fin pour saisir toutes les nuances.

Biologie de Campbell #14 - Mendel et le concept de gène

MENDEL A DÉCOUVERT LES DEUX LOIS DE L'HÉRÉDITÉ EN UTILISANT L'APPROCHE SCIENTIFIQUE 

Mendel, le moine qui a percé les mystères de l'hérédité avec des plants de pois ! Les pois étaient idéals pour l'expérimentation car il en existait de nombreuses variétés avec des caractères différents, un cycle de reproduction court et un nombre élevé d'individus à chaque croisement. De plus, Mendel pouvait contrôler de façon absolue l'identité des plantes qu'il croisait en coupant les étamines de certaines fleurs avant leur maturité puis en fécondant l'oosphère de la fleur mutilée avec les étamines d'une fleur choisie.

Il a utilisé une variété aux fleurs blanches et une autre aux fleurs mauves. De plus, il s'est assuré qu'il s'agissait de lignées pures, stables, dont les fleurs avaient toujours la même couleur après autofécondation.

Mendel croisait donc deux variétés : c'est une hybridation. On nomme génération P (parentale) la génération des parents de lignée pure et génération F₁ (première génération filiale) celle des hybrides qui en sont issus. En permettant l'autofécondation des hybrides F₁ on obtient une génération F₂ (deuxième génération filiale).

En général, Mendel suivait les caractères sur 3 générations au moins (P, F₁, F₂). C'est justement l'analyse des générations F₂ qui a été la clé de ses découvertes.

        La loi de la ségrégation 

Après hybridation entre variété à fleur blanche et variété à fleur violette, la génération F₁ possède exclusivement des fleurs violettes, mais le caractère des fleurs blanches réapparait en génération F₂, ce qui prouvait que le facteur héréditaire n'avait pas été détruit en génération F₁ mais plutôt caché.

Mendel travaillait sur de grands échantillons : il pouvait donc avoir des données de valeur sur les proportions. Ainsi, en génération F₂, il obtenait environ 3 plantes à fleur violette pour 1 plante à fleur blanche. Selon la terminologie de Mendel, la couleur violette des fleurs est un caractère dominant, et la couleur blanche un caractère récessif. 

Mendel a effectué le même genre d'expérience sur d'autres caractères du pois : couleur des graines, forme des graines, couleur des gousses, forme des gousses... Il retrouvait toujours les mêmes proportions : en F₁ un caractère dominait à 100%, en F₂ l'autre caractère réémergeait à hauteur de 25%.

Pour le vocabulaire moderne, allèle sera utilisé au lieu de caractère et gène au lieu de facteur héréditaire.

1. Les variations des caractères génétiques s'expliquent par les versions différentes que les gènes peuvent avoir. Ces deux versions possibles d'un même gène sont nommées allèles. Chaque gène est une séquence de nucléotides qui occupent un endroit précis (locus) sur un chromosome donné, les allèles en sont des variations. Dans un individu, il y a 2 allèles d'un même gène, un pour chaque chromosome homologue ; on peut aussi parler d'allèles au niveau de la population, dans ce cas il y a bien plus.
2. Tout organisme hérite de 2 copies (allèles) d'un gène, identiques ou différentes, de chaque caractère, l'une venant du "père" et l'autre de la "mère". Mendel est arrivé à cette conclusion sans connaitre l'existence des chromosomes.
3. Si 2 allèles d'un locus sont différents, l'un d'eux, l'allèle dominant, détermine l'apparence de l'organisme, alors que l'autre, l'allèle récessif, n'a pas d'effet notable.
4. La quatrième partie du modèle de Mendel est celle qui porte le nom de loi mendélienne de la ségrégation. Il y a ségrégation (séparation) des 2 allèles de chaque caractère héréditaire au cours de la formation des gamètes et les 2 allèles se retrouvent dans des gamètes différents. Si un organisme possède deux allèles identiques d'un caractère donné, tous les gamètes qu'il produira posséderont l'allèle pour ce caractère ; dans ce cas, il y a donc un seul allèle pouvait être transmis aux descendants, ce qui garantit la similitude du caractère entre parents et descendant. C'est pourquoi on parle de lignée pure. Si l'organisme a deux allèles différents du caractère en question (comme c'est le cas pour les hybrides F₁, alors 50% des gamètes recevront l'allèle dominant et 50% l'allèle récessif.
   

Une grille de Punnett est un tableau qui permet de prédire facilement la constitution allélique (ou génotype) de la génération issue de croisements génétiques entre individus de génotype connu. Les lettres majuscules indiquent les allèles dominants et les lettres minuscules les allèles récessifs.

Point vocabulaire.

• Homozygote : si un organisme possède une paire d'allèles identiques d'un gène encodant un caractère donné, on dit qu'il est homozygote pour le gène déterminant ce caractère. Tous leurs gamètes contiennent donc le même allèle. Si on croise des homozygotes dominants avec des homozygotes récessifs, tous les individus de la génération suivante auront deux allèles différents, mais seul le dominant sera exprimé.
• Hétérozygote : se dit des organismes qui possèdent deux allèles (gènes) différents d'un allèle donné. Ils produisent des gamètes avec des allèles différents, ils ne représentent donc pas une lignée pure. 

Un allèle récessif peut donc être présent sans présenter d'effet : les caractères d'un organisme ne permettent pas de révéler ses combinaisons alléliques.

• Le phénotype est l'apparence d'un organisme, ses caractères observables
• Le génotype est sa constitution allélique
  

Un croisement de contrôle sert à découvrir le génotype d'un organisme (comme un plant de pois). En le croisant avec un individu avec un homozygote récessif et en observant le comportement du caractère étudié chez la descendance, on peut déduire la constitution allélique du parent au génotype inconnu (p.299).

    La loi de l'assortiment indépendant

Mendel a découvert la loi de la ségrégation à partir d'expériences portant sur un seul caractère. Tous les descendants de la génération F₁ obtenus par ses croisements de parents de lignée pure sont dits monohybrides, ce qui signifie qu'ils sont tous hétérozygotes pour ce caractère particulier. C'est un croisement monohybride : les parents ne diffèrent que par un trait, ou du moins on ne s'intéresse qu'à un trait.

Mendel a développé sa seconde loi de l'hérédité en étudiant 2 traits à la fois : la couleur et la forme des graines. On sait que les plantes de la génération F₁ seront dihybrides, hétérozygotes pour les deux caractères suivis dans le croisement.

C'est passionnant et il me faudrait tout recopier pour l'expliquer, voici donc l'expérience schématisée :

Cette loi permet donc la création de nouveaux phénotypes par recombinaison génétique. Les gènes peuvent se retrouver groupés dans les gamètes selon n'importe quelle combinaison allélique, tant que chaque gamète reçoit un allèle de chaque gène.

Autrement dit, la transmission d'un allèle pour un gène n'influence pas la transmission des allèles d'un autre gène. Cette loi s'applique aux gènes non liés, c'est-à-dire ceux qui se trouvent sur des chromosomes différents ou loin l'un de l'autre sur le même chromosome.

LES RÈGLES DES PROBABILITÉS RÉGISSENT LES LOIS DE L'HÉRÉDITÉ DE MENDEL

Passons sur les considérations statistiques à peu près logiques pour voir comment on peut calculer la probabilité que des génotypes spécifiques apparaissent à la génération F₂ d'un croisement dihybride, en prenant pour exemple la situation décrite par la grille de Punnett à 4 côtés ci-dessus.

Probabilité de JJRR = 1/4 (probabilité de JJ) x 1/4 (probabilité de RR) = 1/16

Probabilité de JjRR = 1/2 (Jj) x 1/4 (RR) = 1/8

A cause de la ségrégation des allèles lors de la formation des gamètes, il est deux fois plus probable que l'on se retrouve avec deux allèles différents plutôt que deux mêmes allèles : si les parents sont Jj et Jj, on a 2chances sur 4 d'avoir les deux allèles différents (Jj ou jJ), 1 chance sur 4 d'avoir JJ et 1 chance sur 4 d'avoir jj, le tableau des probabilités ressemblant à ça :

JJ    Jj

jJ    jj

Voyons si on suit l'hérédité sur 3 caractères, par exemple avec le croisement VvJjRr x Vvjjrr. La première variété est hétérozygote sur les 3 gènes, alors que la seconde est hétérozygote pour le premier trait mais homozygote récessive pour les 2 autres caractères.

Quelle fraction des descendants aura des phénotypes récessifs dans le cas d'au moins 2 caractères sur les 3 ? On fait la liste des génotypes satisfaisant à cette condition et on calcule. Important : dans un croisement mettant en jeu des paires d'allèles hétérozygotes (Jj) et homozygotes récessifs (jj), soit Jj x jj, la probabilité que la génération suivante soit hétérozygote est de 1/2 et cette qu'elle soit homozygote est de 1/2.

C'est de la probabilité : les résultats en réalité ont une marge de flou mais respecteront globalement ces proportions.

CERTAINS MODÈLES D'HÉRÉDITÉ SONT PLUS COMPLEXES QUE CE QUE PRÉDIT LA GÉNÉTIQUE DE MENDEL

Les caractères des pois auxquels s'intéressait Mendel sont assez simples : chacun des caractères est déterminé par un seul gène dont il n'existe que deux allèles, l'un dominant et l'autre récessif. Dans les faits, c'est plus compliqué.

• La gamme des relations de dominance et de récessivité 

Les allèles peuvent présenter divers degrés de dominance et de récessivité en relation les uns avec les autres. Ce qu'on a vu auparavant dans les lois mendéliennes impliquait une dominance complète ; il existe aussi la dominance incomplète. Dans ce cas, il y a probabilité de phénotype intermédiaire situé entre les phénotypes des deux variétés parentales. Par exemple, croiser fleurs rouges + fleurs blanches donnera dans un tel cas 100% de fleurs roses en génération F₁, puis en génération F₂ 50% de chance de faire des fleurs roses, 25% des rouges, 25% des blanches. Attention : ce n'est donc pas de l'hérédité par mélange ; les caractères originaux ne sont pas perdus.

Il existe aussi la codominance, situation dans laquelle les deux allèles s'expriment pleinement dans le phénotype. 

• Les allèles multiples

La plupart des gènes présentent plus de deux formes alléliques.

• La pléiotropie

La plupart des gènes n'ont pas qu'un seul effet phénotypique, mais des effets phénotypiques multiples, propriété appelée pléiotropie.

• L'épistasie

Dans l'épistasie, l'expression phénotypique d'un gène occupant un locus donné peut agir sur celle d'un autre gène situé sur un autre locus.

• L'hérédité polygénique

Mendel a étudié des caractères qui ont deux possibilités distinctes, mais de nombreux traits (couleur de peau, taille, etc.) présentent de nombreuses variations qui forment un continuum dans la population. Il s'agit de caractères quantitatifs. Les variations quantitatives sont généralement le signe d'une hérédité polygénique, où deux gènes ou plus exercent un effet cumulatif sur un même phénotype. En ce sens, c'est un peu le miroir de la pléiotropie. Par exemple, pour la taille humaine, on a pu observer qu'elle était influencée par plus de 700 variations génétiques associées à plus de 180 gènes. Voir p. 307 pour un exemple détaillé sur la couleur de peau.

•  L'environnement
  

Le phénotype dépend du génotype mais aussi du milieu, qui va changer les façons dont va pouvoir se manifester le génotype.

DE NOMBREUX CARACTÈRES HUMAINS SUIVENT LES MODÈLES MENDÉLIENS DE L'HÉRÉDITÉ

La visualisation schématique des lignages est très évocatrice de la façon dont les traits sont transmis :

Dans le cas des maladies génétiques dites récessives, on comprend pourquoi on peut être un porteur sain : si on a un allèle dominant "normal" et un allèle récessif "malade", alors on est porteur sain, mais si on a un enfant avec quelqu'un qui a aussi ces deux allèles, les enfants ont les probabilités génétiques suivantes : 1/4 d'avoir deux allèles "normal" (AA), 2/4 d'être "porteur sain" (Aa) et 1/4 d'avoir les deux allèles récessifs malades (aa) et donc d'activer la maladie.

On comprend qu'il est plus probable que deux parents possèdent les mêmes gènes "malades" récessifs s'ils sont proches génétiquement : c'est la consanguinité.

Dans certains cas, par exemple avec l'anémie à hématies falciformes, très présente en Afrique, la présence d'un allèle peu avoir des effets bénéfiques (résistance au paludisme), ce qui explique sa fréquence d'un point de vue évolutionnaire, bien que la présence de deux allèles cause l'anémie. Cet allèle est donc avantageux pour les homozygotes et désavantageux pour les hétérozygotes.

Il y a aussi de nombreuses maladies humaines causées par des allèles dominants. Elles peuvent être néanmoins rares car l'allèle récessif peut être beaucoup plus fréquent que le dominant.

Ces exemples sont des maladies mendéliennes simples, car elles sont causées par un ou deux allèles sur un seul locus. La plupart des afflictions ont cependant des causes multifactorielles. Dans de tels cas, l'influence héréditaire est polygénique.

Biologie de Campbell #13 - La méiose et les cycles de développement sexués

Les enfants reçoivent de leurs parents une information codée contenue dans des unités héréditaires appelés gènes. Chez les animaux, les gènes sont transmis d'une génération à l'autre par des cellules reproductrices appelées gamètes. Dans une cellule eucaryote, l'ADN est presque entièrement contenu à l'intérieur du noyau, à l'exception de petites quantités d'ADN dans les mitochondries et les chloroplastes. L'emplacement exact d'un gène sur un chromosome est appelé locus.

Certains organismes qui pratiquent la reproduction asexuée peuvent se reproduire par simple mitose. C'est le cas d'organismes unicellulaires mais aussi des végétaux qui se reproduisent par stolons ou rhizomes. Des changements dans l'ADN peuvent néanmoins se produire par mutation.

LA FÉCONDATION, LA MITOSE ET LA MÉIOSE SE COMPLÈTENT DANS LE CYCLE DE REPRODUCTION SEXUÉE

La suite d'étapes entre la conception d'un organisme et la conception de ses descendants est nommée le cycle de développement.

Pour chaque chromosome il existe en fait une paire de chromosomes homologues : l'un vient de la mère, l'autre du père. (Ce sont les cellules diploïdes : qui ont des paires de chromosomes.) Ils ont la même taille, la même forme, mais pas forcément les mêmes versions de chaque gène. Une exception concerne la paire de chromosomes sexuels : chez les femmes, les chromosomes sexuels sont homologues (XX), tandis que chez les hommes, ils sont légèrement différents (XY), donc pas totalement homologues.

On représente souvent les chromosomes, sous forme de caryotype, comme deux barres plus ou moins parallèles : | | ou ) (. Ces deux barres sont les deux chromosomes homologues : l'un d'origine mâle, l'autre d'origine femelle. En réalité, dans la cellule, ils ne se présentent pas parallèles. Lors de la réplication de l'ADN, chacun de ces deux chromosomes forme deux chromatides sœurs, ce qui pourrait ressembler à ça : || || ou )) ((.

• Les chromosomes homologues sont deux chromosomes distincts, un de chaque parent : ) (
  
• Les chromatides sœurs sont les deux copies identiques d'un même chromosome après la réplication de l'ADN : )) et (( sont deux paires de chromatides sœurs
  

Les chromatides sœurs sont les deux copies identiques d'un chromosome, formées par la réplication de l'ADN, qui sont reliées entre elles par une région appelée centromère. Chaque chromosome se réplique avant la division cellulaire, produisant ainsi deux chromatides sœurs. Elles contiennent une séquence d'ADN identique, étant des copies exactes l'une de l'autre.

Contrairement aux cellules somatiques, les gamètes n'ont qu'un jeu de chromosomes : ce sont des cellules haploïdes. Le jeu de 23 chromosomes comprend 22 autosomes (chromosomes non sexuels) et 1 chromosome sexuel. Dans un ovule non fécondé, ce chromosome sexuel est un chromosome X, mais dans un spermatozoïde, il peut s'agir d'un chromosome X ou Y.

Le nombre diploïde est abrégé en 2n, et le nombre haploïde est n. Ainsi, chez les humains, 2n=46 et n=23.

Le nombre de chromosomes chez une espèce n'est globalement pas lié à la taille ou à la complexité du génome ; il reflète uniquement le nombre de fragments linéaires d'ADN composant le génome, ce qui dépend de l'histoire évolutive de l'espèce.

Le cycle de développement humain commence quand un spermatozoïde (haploïde) venant du père fusionne avec un ovule (haploïde) de la mère. Cette union des gamètes, qui aboutit à la fusion des noyaux, se nomme fécondation. L'ovule fécondé qui en résulte, le zygote, est diploïde parce qu'il contient deux jeux haploïdes de chromosomes.

Chez l'être humain, les gamètes sont les seules cellules qui ne sont pas produites par mitose. Elles se développent à partir de cellules spécialisées, les cellules germinales, qui se trouvent dans les gonades (ovaires) et les testicules, via la méiose, processus qui réduit de 2 à 1 le nombre de jeux de chromosomes des gamètes, ce qui compense le doublement qui a lieu à la fécondation. La méiose et la fécondation caractérisent la reproduction sexuée des animaux, des végétaux, des eumycètes et des protistes.

Il y a des variations dans les étapes de ces processus selon les organismes, notamment les végétaux, décrites pages 281-282. Tous ces processus ont néanmoins une même conséquence : une variation génétique à la génération suivante.

La méiose est décrite précisément pages 283-285. Je passe sur ces détails et sur la comparaison avec la mitose. Le schéma ci-dessous évoque clairement l'essentiel, les couleurs différentes représentant l'origine paternelle ou maternelle d'un chromosome :

L'ÉVOLUTION RÉSULTE DE LA VARIATION GÉNÉTIQUE QUI PREND SA SOURCE DANS LA REPRODUCTION SEXUÉE

La mutation constitue la source première de la diversité génétique. Ces modifications de l'ADN d'un organisme créent différentes versions des gènes appelées allèles. Une fois ces différences apparues, la redistribution des allèles pendant la reproduction sexuée produit la variation qui permet des combinaisons uniques de caractères pour chaque membre d'une population à reproduction sexuée.

Trois phénomènes contribuent à la diversité génétique des organismes sexués :

• L'assortiment indépendant des chromosomes. En gros, chaque cellule fille de la méiose contient une combinaison particulière et aléatoire des différents chromosomes maternels et paternels. C'est dû à l'orientation aléatoire des chromosomes au début de la méiose. Chez l'humain, les gamètes ont 23 chromosomes, et chaque chromosome a 2 orientations possibles, le nombre de combinaisons possible est donc d'environ 2²³, soit 8,4 millions.

• L'enjambement. Ce mécanisme produit des chromosomes recombinés, c'est-à-dire qu'ils portent des gènes provenant de chacun des deux parents. Chez l'humain, à la méiose, on compte en moyenne un à trois enjambements par paire de chromosomes. L'enjambement produit des chromosomes nouveaux, contenant de nouvelles combinaisons d'allèles maternels et paternels.
  

• La fécondation aléatoire. Ce point-là, c'est facile à comprendre.

Le lien avec l'évolution est évident : il arrive que des combinaisons d'allèles récentes et différentes s'avèrent plus avantageuses que celles qui existaient auparavant. La reproduction sexuée est presque universelle chez les animaux car la diversité est avantageuse pour s'adapter à un environnement changeant. A noter que c'est la diversité génétique qui est avantageuse et que la reproduction sexuée est un moyen vers cette diversité.

Biologie de Campbell #12 - Le cycle cellulaire

La division cellulaire peut avoir des fonctions diverses :

• Reproduction asexuée, comme pour les organismes eucaryotes unicellulaires
• Croissance et développement, comme pour un embryon
• Régénération des tissus, comme pour la moelle osseuse

Le cycle cellulaire est la suite ordonnée d'évènements qui marquent la vie d'une cellule depuis le moment où elle est formée à partir de la cellule mère jusqu'à sa propre division en deux cellules filles. Une des fonctions capitales de la division cellulaire est de transmettre un matériel génétique identique aux cellules filles.

La division cellulaire par mitose distribue un matériel génétique identique aux deux cellules filles. (A l'inverse de la méiose, le type de division cellulaire qui sert à produire spermatozoïdes et ovules.)

L'ADN d'une cellule humaine typique mesure environ 2 mètres, et tout cet ADN doit être copié. C'est possible car les molécules d'ADN forment des chromosomes. Chaque chromosome eucaryote consiste en une très longue molécule d'ADN associée à de nombreuses protéines et divisée en des centaines ou des milliers de gènes, le gène étant l'unité d'information qui détermine un caractère d'un organisme. On appelle chromatine le complexe d'ADN et de protéines régulent et structurent l'ADN.

Toute espèce eucaryote possède dans le noyau de ses cellules un nombre caractéristique de chromosomes. Ainsi, chez l'humain, les cellules somatiques (toutes les cellules sauf les cellules reproductrices) ont 46 chromosomes répartis en 2 jeux de 23, chacun provenant d'un des deux parents. Le nombre de chromosomes dans les cellules varie fortement en fonction des espèces.

En somme, dans la cellule, l'ADN n'est pas un long filament ininterrompu : c'est au contraire un filament découpé, chaque morceau étant plus ou moins enroulé sur lui-même pour former des chromosomes. Cette division du matériel génétique permet une gestion et une lecture plus efficace de l'ADN. La forme chromosomique est plus pratique pour la copie du matériel génétique avant la division ; alors que la forme non enroulée est plus pratique pour la lecture.

Les phases de la mitose dans une cellule animale sont décrites en détail pages 260-261. Je ne vais pas évoquer ici tous les détails de cette complexe danse microscopique, bien que ce soit le cœur de ce chapitre. Je saute aussi quelques pages qui rentrent encore plus dans les détails de certaines phases de la mitose.

Dans le cycle cellulaire, la mitose elle-même ne présente qu'une petite partie du temps et du travail : la plus grande partie du temps est consacré à la croissance de la cellule, puis à la synthèse de l'ADN à copier, puis à nouveau une phase de croissance. Puis vient la mitose elle-même, c'est-à-dire la division cellulaire à proprement parler.

Notons que la division cellulaire se déroule différemment selon les règnes ou groupes d'organismes. Par exemple, là où la cellule animale se "tranche" en deux, chez les végétaux, après la copie du matériel génétique, celui-ci se répartit de chaque côté de la cellule, et c'est l'apparition par sécrétion intérieure d'une nouvelle paroi cellulaire qui vient diviser la cellule.

UN MÉCANISME DE RÉGULATION CELLULAIRE GOUVERNE LE CYCLE CELLULAIRE DES EUCARYOTES

Il va de soi que la fréquence de division des cellules varie au sein d'un même organisme. Par exemple, chez un arbre, les cellules à l'extrémité d'un rameau se divisent plus. Ou chez l'humain, les cellules de la peau. D'ailleurs, chez l'humain 25 millions de cellules se diviseraient chaque seconde.

En effet, le cycle cellulaire est contrôlé par diverses protéines qui activent ou non le processus à certains "points de contrôle". Par exemple, le point de contrôle G₁ : il est capital puisque c'est là que, si des anomalies sont détectées, la cellule n'est pas autorisée à poursuivre son cycle. Lorsque l'ADN est endommagé, une protéine, la p53 (codée par un gène dont l'altération est souvent mise en cause dans la formation des tumeurs), peut déclencher des processus de réparation ou d'autodestruction. Si la cellule n'a pas le feu vert, elle reste en "état de repos", état dans lequel se trouvent la plupart des cellules du corps. Chez certaines cellules, des stimulus extérieurs peuvent enclencher la division, par exemple pour réparer une lésion.

Il existe par exemple une inhibition de contact : la liaison d'une protéine de surface avec sa contrepartie sur une cellule adjacente transmet aux deux cellules un message inhibiteur, dont le but est de stopper la division quand la place libre manque, ou quand une membrane est inaltérée. Les cellules d'une membrane n'ont pas besoin de se multiplier plus une fois que la membrane est complète ; elles se multiplient quand la membrane est altérée.

La plupart des cellules animales en division ont aussi besoin d'un point d'ancrage : pour se diviser, elles doivent adhérer à un substrat, comme la matrice extracellulaire d'un tissu.

Les cellules tumorales échappent à ces régulations du cycle cellulaire. De plus, quand elles arrêtent leur division, les cellules tumorales le font à n'importe quel moment du cycle, et pas juste aux points de contrôle normaux.

Une tumeur bénigne concerne des cellules cancéreuses qui restent dans leur lieu d'origine, faute d'être adaptées à d'autres zones ou capable de les envahir. Les tumeurs malignes concernent des cellules cancéreuses envahissantes. Quand les cellules cancéreuses se déplacent via les vaisseaux sanguins pour former un nouveau foyer ailleurs, c'est une métastase.

La radiothérapie endommage l'ADN des cellules cancéreuses beaucoup plus que celle des cellules normales, probablement parce que les cellules cancéreuses ont perdu leur capacité de réparer ce genre de dégâts. La chimiothérapie est l'introduction dans le système circulatoire de médicaments toxiques pour les cellules en division active. D'où les effets secondaires sur les cellules non cancéreuses.