Dans cet article, nous faisons le point avec toi sur un élément clé de ton programme de spécialité SVT en classe de première : le brassage génétique intergénérationnel, et plus particulièrement, la reproduction sexuée des organismes eucaryotes.
La conservation des génomes : stabilité génétique et évolution clonale
La division cellulaire et la réplication de l’ADN
Comme nous l’avons vu au chapitre précédent, les processus de divisions cellulaires, comme la mitose ou la méiose, permettent la multiplication cellulaire et la stabilité de l’information génétique chez un individu, et au sein d’une espèce.
La méiose, division double donnant naissance aux gamètes, est porteuse de l’information génétique propre à une espèce : caryotype (nombre de chromosomes), gènes types. Une cellule mère, de 2n chromosomes à 2 chromatides, donne 4 gamètes, à n chromosomes à 1 chromatide.
La mitose, division intervenant tout au long de la vie d’un organisme dès le développement embryonnaire, permet à une cellule mère de 2n chromosomes à 2 chromatides de se diviser en deux cellules-filles de 2n chromosomes à 1 chromatide.
La division cellulaire se décompose en quatre phases (prophase, métaphase, anaphase, télophase), au cours desquelles les chromatides de chaque chromosome sont séparées et disposées dans chaque pôle opposé de la cellule, qui donneront deux cellules indépendantes après cytodiérèse. Les phases sont précédées par une interphase, au cours de laquelle les chromatides sont doublées grâce à l’ADN polymérase : c’est la réplication de l’ADN.
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Mutations génétiques et évolution clonale
Il peut arriver que la séquence nucléotidique d’un allèle, version d’un gène, subisse des modifications au cours de la réplication, du type substitution, délétion, ou addition d’un nucléotide. Certaines de ces variations génétiques peuvent être rétablies grâce à des enzymes. Sinon, elles seront transmises lors de la division cellulaire aux cellules descendantes, ou cellules clones, de la même lignée, soit une ligné somatique, soit une lignée germinale pour les gamètes. Dans ce second cas, les variations génétiques seront alors transmises de manière héréditaire aux individus descendants, si les gamètes concernés interviennent dans la fécondation.
Ces mutations accumulées peuvent également se coupler à celles apportées par les gamètes extérieurs, où elles pourront s’exprimer ou non, donnant parfois lieu à l’apparition de nouvelles caractéristiques au sein d’une espèce.
Reproduction sexuée et diversité génétique
La reproduction sexuée des eucaryotes
Un organisme eucaryote est caractérisé par des cellules contenant un noyau, porteur de l’ADN, et d’organites cellulaires. Il peut être unicellulaire comme pluricellulaire, et correspond aux animaux, champignons et plantes.
La fécondation correspond à l’union de deux cellules sexuelles mâle et femelle, les gamètes, respectivement le spermatozoïde et l’ovule. Les gamètes sont haploïdes, c’est-à-dire qu’ils ne contiennent que n chromosomes, et que leur union donnera naissance à une cellule-œuf diploïde, à 2n chromosomes, n dépendant du caryotype de l’espèce considérée.
Fécondation et diversité génétique
Lors de la fécondation, la cellule-œuf mère impliquée dans le développement de l’individu dès le stade embryonnaire, se compose de la combinaison du patrimoine génétique transmis par les gamètes père et mère.
Notamment, le gamète père détermine le sexe du futur individu, en fonction de s’il est porteur d’un gonosome X ou Y. La combinaison sera alors XY ou XX, respectivement garçon ou fille.
Les chromosomes non sexuels, appelés autosomes, sont porteurs des gènes partagés par une espèce voire d’une classe d’animaux, par exemple, le gène « couleurs d’yeux », « couleurs de cheveux ». Ces gènes s’expriment différemment chez les individus en fonction de leur patrimoine génétique : chaque gène se subdivise en versions, s’exprimant grâce aux allèles. Par exemple, l’allèle « bleus » du gène « couleurs d’yeux ».
L’expression des gènes dépend de leur transmission héréditaire pendant la reproduction sexuée. L’expression d’un allèle dépend de son caractère dominant ou récessif ; un allèle peut donc être présent dans l’ADN d’un individu, mais ne pas s’exprimer à travers le phénotype, car un autre allèle dominant du même gène s’exprime à la place. À noter donc qu’il ne s’agit pas nécessairement d’allèles liés à des caractéristiques visibles des parents ; l’allèle « bleus » peut par exemple venir d’un grand-parent, mais ne pas s’exprimer chez les parents, car ils auront les yeux « marrons ».
Si les deux gamètes transmettent le même allèle d’un gène, on dit que les chromosomes porteurs du gène sont homozygotes, et hétérozygotes sinon.
Reproduction sexuée et brassage génétique intergénérationnel
Les combinaisons génétiques aléatoires lors de la méiose
Le brassage des génomes ou génétique correspond aux évolutions génotypiques résultant de l’ensemble des recombinaisons génétiques au sein d’une population.
Il intervient en premier lieu au niveau individuel, principalement au cours de la reproduction sexuée, et plus particulièrement de la méiose.
En effet, les deux divisions cellulaires de la méiose, méiose 1 et méiose 2, donnent lieu à un grand nombre de possibilités de combinaisons chromosomiques. Les deux brassages génétiques résultants des deux méioses sont donc propices à la diversité génétique grâce à celle des gamètes produits.
Plus particulièrement, avant la méiose, l’interphase permet la réplication de l’ADN : les 2n chromosomes à 1 chromatide obtiennent une deuxième chromatide. Lors de la première méiose, la cellule mère à 2n chromosomes à 2n chromatides donne deux cellules filles à n chromosomes à 2 chromatides. A ces deux possibilités de combinaisons s’ajoutent les deux suivantes de la méiose 2, où chacune des deux premières cellules-filles se subdivise elles-mêmes en deux cellules à n chromosomes à 1 chromatide. La méiose offre donc 4 combinaisons possibles de chromosomes, et ceci par gamète. Également, la répartition d’abord des chromatides, puis des chromosomes lors des phases est aléatoire, ce qui veut dire que l’information génétique de chaque cellule-fille de chaque gamète-mère est différente.
Le brassage intrachromosomique lors de la méiose
Outre ces combinaisons aléatoires, il arrive que des portions d’ADN soient échangées entre chromosomes : c’est le brassage intrachromosomique. Plus exactement, lors de la prophase 1, quand les 2n chromosomes à 2 chromatides sont visibles, les paires de chromosomes peuvent s’échanger entre elles des portions équivalentes de chromatides : c’est le crossing-over.
Ces échanges sont de même aléatoires, et s’ajoutent aux possibilités de combinaisons chromosomiques. Notons que les crossing-over n’ont pas d’impacts sur le fonctionnement cellulaire.
Le brassage des génomes à chaque génération
La sélection aléatoire de l’une des combinaisons génétiques aléatoires de chacun des gamètes mâle et femelle donne lieu à d’innombrables possibilités génétiques d’une génération à une autre, se traduisant par des phénotypes (ensemble des caractères visibles) différents, voire à des évolutions d’une espèce au long terme.
L’analyse génétique correspond par ailleurs à l’étude de l’ensemble des caractères visibles et observables transmis par voie héréditaire, et donc précisément les brassages ayant pu survenir entre individus descendants et ascendants.
Plus particulièrement, elle permet de mettre en lumière le patrimoine génétique transmis, et les fréquences de certaines combinaisons alléliques en considérant un gène. Par exemple, en considérant deux gènes, pour un chromosome hétérozygote, c’est-à-dire comportant deux allèles différents d’un même gène sur un chromosome, il y aura quatre possibilités de combinaisons, donc quatre gamètes à l’information génétique différente, de fréquence 25% si les deux gènes sont indépendants (sur deux chromosomes différents). Les gamètes sont donc équiprobables.
Au contraire, si les gènes sont liés, les 4 possibilités de gamètes ne sont pas équiprobables.
Enfin, plus il y a de gènes hétérozygotes, c’est-à-dire d’allèles différents présents dans l’ADN de l’individu, plus le nombre de possibilités génotypique est grand.
Ainsi, la reproduction sexuée contribue au brassage génétique et à l’évolution des génomes et des phénotypes, grâce à la méiose et à la fécondation.
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