Introduction
La reproduction sexuée joue un rôle essentiel dans la création de diversité génétique au sein des populations. Chez la drosophile, une petite mouche couramment utilisée en génétique, la fécondation, en combinaison avec le brassage chromosomique, est un mécanisme clé de cette diversité. Cet article explore comment la fécondation et le brassage chromosomique, à la fois interchromosomique et intrachromosomique, contribuent à la variabilité génétique observée chez la drosophile.
La Reproduction Sexuée et la Diversité Génétique
La reproduction sexuée permet d'obtenir des individus différents grâce à deux mécanismes principaux : la méiose, qui permet d'obtenir des gamètes, et la fécondation, qui est l'union d'un gamète mâle avec un gamète femelle. La diversité génétique observée chez les descendants est le résultat de ces deux processus.
La Drosophile : Un Modèle d'Étude en Génétique
Pour comprendre la diversité génétique, on étudie souvent les résultats de croisements de drosophiles, une petite mouche, une espèce dite diploïde, c'est-à-dire qui possède 2n chromosomes, donc les chromosomes sont par paires. La drosophile est une espèce facile à élever en laboratoire et dont le caryotype n’est constitué que de quatre paires de chromosomes, ce qui en fait un organisme modèle idéal pour les études génétiques.
Les Lois de Mendel et l'Indépendance des Caractères
Dans le cadre d’une étude d’individus présentant 2 caractères d’intérêt, Mendel a montré que les caractères étaient transmis de manière indépendante. C’est la 3ème loi, la loi d’indépendance de la transmission des caractères. Selon lui, la ségrégation d'un couple d'allèles est indépendante de celle d'un autre couple d'allèles. À l’époque, Mendel n’avait pas connaissance des chromosomes et des gènes. Aujourd’hui, on connaît la structure des chromosomes et la répartition des gènes sur ceux-ci pour bon nombre d’espèces.
Gènes Liés et Brassage Intra-Chromosomique
Quand deux gènes sont liés, c’est qu’ils sont présents sur le même chromosome comme par exemple les gènes alpha et bêta sur le document précédent. Dans le cas où les gènes d’intérêt sont des gènes liés, c’est-à-dire dont les loci sont proches sur un même chromosome, ces derniers sont normalement transmis systématiquement ensemble et l’on ne devrait pas observer de phénotypes recombinés dans la descendance.
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Crossing-over et Recombinaison Génétique
Il ne faut cependant pas oublier le brassage intra-chromosomique qui permet de produire des gamètes recombinés à l’origine de phénotypes recombinés. Si l’on observe 10 % de représentativité pour chacun des phénotypes recombinés (et donc 40% de représentativité pour chacun des phénotypes parentaux), alors il y a eu un évènement de crossing-over, c'est-à-dire un brassage intra-chromosomique entre les gènes d’intérêt, les séparant, ce qui créé des gamètes recombinés à l’origine des phénotypes recombinés. Les gènes sont donc liés.
Le Brassage Inter-Chromosomique
Si l’on observe 25 % de chaque sorte de phénotype de type parental (P1 ou P2), 25 % de phénotype recombiné de type R1 et 25 % de phénotype recombinés de type R2, alors les deux gènes n’étaient pas liés et les résultats obtenus correspondent à une distribution équiprobable des chromosomes de part et d’autre de l’équateur de la cellule en méiose, c'est-à-dire à un simple brassage inter-chromosomique.
Analyse des Croisements et Détermination des Génotypes
Retrouver le génotype d’un individu présentant des caractères dominants, c’est à dire l’identifier comme un P1 ou un F1. En effet, s’il possède des allèles récessifs, couplés à ceux du parent P2, on observera une descendance avec des caractères récessifs. Ainsi si la descendance F2bc possède uniquement des individus identiques à l’individu dont on recherche génotype alors ce dernier était un parent de type P1 homozygote dominant. Retrouver le caractère lié ou indépendant des gènes étudiés chez l’individu F1 afin d’identifier l’origine d’un caractère exprimé.
Application Pratique : Déterminer l'Origine d'une Mutation
Le défi ? Déterminer si cette couleur noire vient d'une mutation du gène ebony ou du gène black. Les étapes sont simples : identifier les différents phénotypes (apparences) des mouches, les compter soigneusement, puis calculer les pourcentages. Voici la clé du mystère ! Si les gènes sont liés (même chromosome), tu observeras beaucoup plus de phénotypes parentaux que de phénotypes recombinés. La carte génétique te montre que le gène black est sur le chromosome 2, tandis que le gène ebony est sur le chromosome 3. Les relations de dominance sont claires : les allèles b+ et eb+ corpsgris−jaunecorps gris-jaune dominent sur b et eb (corps noir). Maintenant tu maîtrises la logique ! Le brassage génétique peut être intrachromosomique (gènes liés) ou interchromosomique (gènes indépendants). Si tes pourcentages montrent des phénotypes parentaux dominants, les gènes sont liés et la mutation vient du gène black. Cette méthode d'analyse des croisements est un outil puissant en génétique.
La Fécondation : Rencontre Aléatoire des Gamètes et Diversité Génétique
D’après le document-ressource, on sait que les gènes AP et SE sont indépendants. Les connaissances sur le brassage interchromosomique pour deux gènes indépendants conduisent aux génotypes et fréquences des différents gamètes produits par chaque parent hétérozygote F1 impliqué dans le deuxième croisement. Par "rencontre au hasard " des gamètes, on entend que chaque type de gamète mâle est susceptible de s’unir à chacun des différents types de gamètes femelles. En posant cette hypothèse d’une rencontre aléatoire de gamètes, la probabilité d’obtention de tel ou tel zygote s’obtient en multipliant la fréquence des gamètes correspondants.
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Apparition de Nouveaux Phénotypes
Bien entendu, l’apparition de nouveaux phénotypes en F2 permettra de montrer que la fécondation crée de la diversité génétique. Si les prédictions de l’échiquier sont corroborées par le réel, on pourra s’appuyer sur l’échiquier pour mettre en valeur les nouveaux génotypes.
Analyse Statistique et Validation des Prédictions Théoriques
On obtient par cette construction théorique 9/16 soit 56% de drosophiles [ap+, se+] ; 3/16 soit 19% de drosophiles [ap, se+] ; 3/16 soit 19% de drosophiles [ap+, se] ; 1/16 soit 6% de drosophiles [ap, se]. On voit que les résultats théoriques (prédictions de l’échiquier de croisement simulant une rencontre aléatoire des gamètes) sont très semblables aux résultats effectifs (inventaire statistique de la génération F2).
Mise en Évidence de Nouveaux Génotypes
Dans l’échiquier de croisement qui vient d’être validé, on peut mettre en relief les génotypes nouveaux. Nous mettons en évidence pléthore de génotypes nouveaux. Notre étude illustre donc bien la citation de François Jacob : "la sexualité peut être considérée comme une machine à faire du différent". Pour mettre en valeur les conséquences génétiques de la fécondation, on peut remarquer que le nombre de génotypes possibles pour le zygote (neuf génotypes différents dont huit génotypes nouveaux) est supérieur au nombre de génotypes possibles pour les gamètes (quatre génotypes différents).
Cartographie Génétique et Analyse des Mutations
La cartographie permet de positionner des gènes sur les chromosomes. A l'issue de mutagenèse, cette méthode permet d'analyser le contenu en mutation(s) des souches obtenues (en effet, à l'issue de la mutagenèse, il n'est pas rare qu'un mutant contiennent plusieurs mutations). Elle permet aussi de ranger les différentes mutations dans des locus (ou loci) sur les chromosomes et donc d'estimer le nombre de ces locus et par extension donc le nombre de gènes.
Limites de la Cartographie Génétique
Contrairement à la complémentation, cette méthode fonctionne avec les allèles récessifs ou dominants. Toutefois, elle a aussi ses limites en particulier, elle ne permet pas de différencier si des mutations proches sont effectivement dans un même gène ou deux gènes proches. De même, deux mutations situées aux deux extrémités d'un grand gène peuvent recombiner. Pour la mettre en œuvre, il faut croiser les mutants par la souche sauvage puis croiser les mutants entre eux et analyser la descendance.
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Analyse de la Recombinaison Génétique chez Différents Organismes
La plupart des analyses cartographiques chez les eucaryotes utilisent la méiose. L'analyse diffère bien évidemment entre les organismes haplobiontiques, où l'on observe principalement les résultats de la méiose, diplobiontiques, où l'on observe les résultats du réassortiment des gamètes au cours des fécondations, et les haplodiplobiontiques chez qui il est possible d'observer à la fois les résultats des méioses et des fécondations.
Le Brassage Chromosomique : Ségrégation Indépendante des Chromosomes
Chez tous les organismes, nous avons vu que l'on définit deux grands phénomènes de recombinaison génétique qui permettent de réassortir différents allèles. Le premier phénomène provient de la ségrégation indépendante des chromosomes homologues et des chromatides au moment des deux divisions de la méiose, il s'agit du brassage chromosomique. Dans ses expériences Mendel n'a utilisé que des gènes localisés sur des chromosomes différents; ce qui l'a conduit à énoncer sa deuxième loi d'indépendance de ségrégations des caractères. Cependant, rapidement, on s'est aperçu que certains gènes ne ségrégeaient pas indépendamment les uns des autres (et donc que la deuxième loi de Mendel était fausse dans certains cas).
Crossing-over et Mesure de la Distance Génétique
La fréquence de ces crossing-over peut servir à mesurer la distance entre deux régions de l'ADN située sur un même chromosome. En effet, plus ces régions sont éloignées, plus la fréquence des crossing-over entre ces régions sera élevée. Par convention, on définit 1 unité de distance génétique (que l'on mesure en centimorgan, cM) comme la distance entre deux régions pour lesquelles en moyenne 1 produit de la méiose sur 100 est recombiné. Pour calculer la distance entre deux gènes, il faut donc déterminer le nombre de chromatides ayant une des deux combinaisons parentales (P1 et P2) et le nombre de celles ayant une des deux combinaisons recombinées (R1 et R2). La distante génétique en cM sera alors égale à 100 x (R1+R2)/(P1+P2+R1+R2). Notez que si les allèles ségrègent indépendamment les effectifs de chacune des combinaisons sont identiques (P1= P2 = R1 = R2). En appliquant la formule ci-dessus, on voit donc que la "distance génétique" calculable culmine à 50 cM. Notez le cas où on observe une indépendance génétique entre deux gènes, cela ne veut pas forcémment dire que les gènes sont sur des chromosomes différents.
Correction de la Distance Génétique et Interférences
Dans les calculs ci-dessus, on ne tient compte que des recombinants détectables. Dans ces conditions, on voit que la distance sera sous-estimée car il faudrait compter deux fois les doubles crossing-over, alors que ceci ne seront seront pas comptés. Ce biais est de plus en plus important quand la distance entre les deux régions augmente. Deux approches sont possibles pour contourner ce problème. On peut essayer de cartographier à l'aide de marqueurs intermédiaires de façon à ne prendre en compte que des petites distances. Les distances ainsi calculées peuvent être additionnées pour donner la distance réelle entre les deux marqueurs les plus éloignés (dit les marqueurs distaux). Cette addition peut conduire à une distance supérieure à 50 cM qui indique donc que plusieurs crossing-over par méiose se produisent entre les marqueurs distaux. On peut aussi extrapoler la distance en supposant que l'apparition des crossing-over est aléatoire.
Analyse des Asques Ordonnés et Non Ordonnés chez les Champignons
Nous avons vu dans l'introduction Générale, que chez les champignons du type de Neurospora crassa, la structure de l'asque donne directement accès aux phénomènes de ségrégation qui se sont produits au cours de la méiose car ces asques ont une mémoire de l'orientation des fuseaux aux cours de la méiose : on parle d'asques ordonnés. Chez ce champignon, il est donc possible de faire trois types d'analyse, l'analyse de spores en vrac, l'analyse d'asques non ordonnés et l'analyse d'asques ordonnés. Après la méiose chez ce champignon, il se produit une mitose qui conduit à des asques contenant huit spores. Nous allons détailler uniquement ce qu'il se passe dans le cas de l'analyse des asques ordonnés car nous verrons l'analyse de tétrades désordonnées et les spores en vrac dans le cas des levures. Pour simplifier l'explication et les dessins, nous ne considérerons donc que les produits avant la mitose postméiotique.
Asques Pré-réduits et Post-réduits
On voit qu'il est possible de définir deux types d'asques: les préréduits et les postréduits. - Dans ce cas, on obtient un mélange d'asques préréduits et postréduits dans une proportion respectivement de 1/3 et 2/3. et donc lorsque n est très grand la proportion d'asques postréduits converge vers 2/3 qui est la limite à l'infinie de cette suite. Donc si le pourcentage d'asques postréduits est de 66%, cela veut dire que le gène est éloigné de son centromère est qu'il ségrège indépendamment du centromère ! En résumé : pour analyser ces asques, on recherche les asques pré- et post-réduits. Puis on calcule le pourcentage de post-réduction qui représente le double de la distance (après la correction par 100 pour avoir des cM !). Lorsque plusieurs gènes sont en jeu (ségrégation de type 3:1 ou 4:0), je vous conseille de traiter les données pour chaque gène par rapport à son centromère indépendamment des autres.
Analyse des Tétrades chez les Levures
Nous avons vu dans l'introduction que chez les levures du type de Saccharomyces cerevisiae, il est possible d'observer les résultats de la méiose dans des asques non ordonnés. Ceux-ci contiennent 4 spores d'où leur nom de tétrades. Comme, elles ne sont pas ordonnées, l'information de position par rapport au centromère est perdue. Comme pour Neurospora crassa, si un gène est en jeu dans le croisement, toutes les tétrades ségrègent 2:2 pour les deux allèles du gène. Si deux gènes sont mis en jeu (comme dans le cas d'un croisement mutant par mutant) alors, l'analyse de tétrades fournit des informations sur la position de ces deux gènes l'un par rapport à l'autre.
Ditypes Parentaux, Ditypes Recombinés et Tétratypes
On voit qu'il est possible de définir trois types de tétrades; les ditypes parentaux (DP) pour lesquels uniquement les associations parentales sont présentes dans les spores, les ditypes recombinés (DR) pour lesquels uniquement les associations recombinées sont présentes dans les spores et les tétratypes (T) pour lesquels deux spores ont une association parentale et les deux autres une association recombinée. Par contre, la fréquence des tétratypes dépend des crossing-over qui se produisent entre les gènes et leur centromère. Dans ces conditions, le pourcentage maximum de tétratypes plafonne à 2/3.
Analyse des Croisements Mutants et des Crossing-over
Un premier cas à considérer, est celui où les "deux gènes" sont en fait un seul et même gène (ce qui peut arriver à l'issue de la mutagenèse et que l'on croise les mutants entre eux) ! Dans ce cas, la descendance est en théorie uniformément mutante ! Mais attention, si les différences entre les deux allèles et l'allèle sauvage ne sont pas localisées au même endroit, il est possible d'obtenir de rares recombinants sauvages après un crossing-over en méiose. Si les deux gènes sont bien différents, ils ne ségrègent pas indépendamment et il peut se produire des crossing-over entre les deux gènes. On voit que dans ce cas les DP sont beaucoup plus fréquents que les DR (DP > DR) car ils sont obtenus soit en absence de crossing-over, soit lorsque deux crossing-over qui engagent les mêmes chromatides se produisent.
Analyse des Spores en Vrac et Liaison Génétique
Dans certains cas, il n'est pas possible d'effectuer des analyses en asques ordonnés ou même en tétrades, par exemple chez certains champignons comme Aspergillus nidulans pour lesquels les asques sont trop fragiles pour être récoltés individuellement (voir dans l'Introduction Générale le cycle de cette espèce). Il est évident que l'on peut faire de même pour Neurospora crassa et Saccharomyces cerevisiae. Mais, le fait de ne pas considérer les asques fait que de l'information est perdue (en particulier, on ne peut pas évaluer les doubles crossing-over entre deux gènes). Ce type d'analyse fourni donc moins d'information que l'analyse de tétrades ordonnées ou non. Si deux gènes sont en jeu au cours du croisement (a- b+ x a+ b-) et s'ils sont indépendants, on récupère un quart de chacune des catégories. Par contre un excès de catégories parentales sera indicatif d'une liaison entre les gènes.
Analyse du Réassortiment des Gamètes chez Caenorhabditis Elegans
Chez le ver Caenorhabditis elegans, comme chez les tous les animaux et les plantes supérieures, il n'est possible d'observer que le réassortiment des gamètes après fécondations. Les lois de Mendel vues dans l'Introduction Générale, nous disent que, chez les diplobiontiques, la ségrégation d'un gène ne peut se voir qu'en F2 si l'on part d'un croisement entre lignées pures. En effet, en F1, il est seulement possible de déterminer la dominance/récessivité des allèles. En F2, un couple d'allèle va ségréger avec 3/4 de descendants ayant le phénotype dominant et un quart ayant le phénotype récessif.
Ségrégation des Gènes Autosomaux et Liaison Génétique
Si deux gènes autosomaux sont en jeu, il est possible de voir comment ils vont ségréger en analysant un tableau de gamètes et de résultats de fécondation. Si les deux souches initiales ont les génotypes a-/a- b+/b+ (souche mutée sur a) et a+/a+ b-/b- (souche mutée sur b), en F1, tous les descendants auront le génotype a-/a+ b+/b-. L'analyse de la F1 permet donc de déterminer la dominance récessivité et pour notre exemple nous choisirons que les allèles a- et b- sont des allèles mutants récessifs. Nous voyons dans le tableau que si les gènes sont indépendants, c'est à dire si les catégories parentales et recombinées sont obtenues en quantités égales, on obtient 1/16 de doubles-homozygotes récessifs (case rose) qui auront donc les deux phénotypes mutants, 3/16 de souches homozygotes uniquement pour a- (cases vertes) et qui auront donc seulement le phénotype mutant de a-, 3/16 de souches homozygotes uniquement pour b- (case bleue) et qui auront donc seulement le phénotype mutants de b- et les autres (cases violettes et orange) ont au moins un allèle sauvage pour a et un allèle sauvage pour b et auront donc un phénotype sauvage; seul 1/16. On voit donc la ségrégation de type "9:3:3:1" observées par Mendel typique de gènes indépendants. Nous voyons que si les gènes sont liés, les doubles-homozygotes récessifs vont diminuer car dans ce cas les proportions de gamètes recombinés diminuent alors que les parentaux augmentent. S'ils ont en proportion inférieure à 1/16 de l'effectif total de la descendance alors les gènes sont liés. Notez que si les deux mutations sont dominantes, la case diagnostique sera celle des sauvages (case orange qui dans ce cas est celle des doubles-homozygotes récessifs) et les mêmes observations s'appliqueront.
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