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.