Biologie pour les Majors I

Expliquer les complications de l’expression phénotypique du génotype, y compris les mutations

Les expériences de Mendel sur les plantes de pois suggéraient ce qui suit:

  1. Deux  » unités  » ou allèles existent pour chaque gène.
  2. Les allèles conservent leur intégrité à chaque génération (pas de mélange).
  3. En présence de l’allèle dominant, l’allèle récessif est caché et n’apporte aucune contribution au phénotype.

Par conséquent, les allèles récessifs peuvent être « portés » et non exprimés par les individus. Ces individus hétérozygotes sont parfois appelés « porteurs. »D’autres études génétiques sur d’autres plantes et animaux ont montré qu’il existe beaucoup plus de complexité, mais que les principes fondamentaux de la génétique mendélienne sont toujours valables. Dans les sections qui suivent, nous examinons certaines des extensions du mendélisme. Si Mendel avait choisi un système expérimental qui présentait ces complexités génétiques, il est possible qu’il n’aurait pas compris ce que signifiaient ses résultats.

Objectifs d’apprentissage

  • Expliquer comment un trait avec dominance incomplète apparaîtra dans une population
  • Expliquer comment un trait avec héritage codominant apparaîtra dans une population
  • Expliquer comment un trait avec lien sexuel apparaîtra dans une population
  • Expliquer comment l’héritage mutli-allèle affectera un trait au sein d’une population
  • Décrire les impacts de la pénétrance et de l’expressivité sur l’expression d’un trait dans une population

Dominance incomplète

 La photo représente un muflier avec une fleur rose.

Figure 1. Ces fleurs roses d’un snapdragon hétérozygote résultent d’une dominance incomplète. (crédit: « storebukkebruse » / Flickr)

Les résultats de Mendel, selon lesquels les traits sont hérités comme des paires dominantes et récessives, contredisaient l’opinion à l’époque selon laquelle la progéniture présentait un mélange des traits de leurs parents. Cependant, le phénotype hétérozygote semble parfois être intermédiaire entre les deux parents. Par exemple, chez le snapdragon, Antirrhinum majus (Figure 1), un croisement entre un parent homozygote à fleurs blanches (CWCW) et un parent homozygote à fleurs rouges (CRCR) produira une progéniture à fleurs roses (CRCW). (Notez que différentes abréviations génotypiques sont utilisées pour les extensions mendéliennes pour distinguer ces modèles de la dominance simple et de la récessivité.) Ce modèle d’hérédité est décrit comme une dominance incomplète, désignant l’expression de deux allèles contrastés de sorte que l’individu présente un phénotype intermédiaire. L’allèle pour les fleurs rouges est incomplètement dominant sur l’allèle pour les fleurs blanches. Cependant, les résultats d’un auto-croisement hétérozygote peuvent encore être prédits, tout comme pour les croisements mendéliens dominants et récessifs. Dans ce cas, le rapport génotypique serait de 1 CRCR: 2 CRCW: 1 CWCW, et le rapport phénotypique serait de 1: 2: 1 pour le rouge: rose: blanc.

Une dominance incomplète peut être observée chez plusieurs types de fleurs, y compris les tulipes roses, les œillets et les roses — toutes les fleurs roses dans celles-ci sont dues au mélange d’allèles rouges et blancs. Une dominance incomplète peut également être observée chez certains animaux, tels que les lapins. Lorsqu’un Angora à fourrure longue se reproduit avec un Rex à fourrure courte, la progéniture a une fourrure de longueur moyenne. La longueur de la queue chez le chien est également affectée par les gènes qui présentent des modèles de dominance incomplets.

Héritage codominant

 Un cheval à coloration rouge roan.

Figure 2. Cheval Roan rouge

Une variation de la dominance incomplète est la codominance, dans laquelle les deux allèles pour la même caractéristique sont exprimés simultanément dans l’hétérozygote. Un exemple de codominance est les groupes sanguins MN des humains. Les allèles M et N sont exprimés sous la forme d’un antigène M ou N présent à la surface des globules rouges. Les homozygotes (LMLM et LNLN) expriment soit l’allèle M, soit l’allèle N, et les hétérozygotes (LMLN) expriment les deux allèles de manière égale. Dans un auto-croisement entre hétérozygotes exprimant un trait codominant, les trois génotypes de descendance possibles sont phénotypiquement distincts. Cependant, le rapport génotypique 1: 2:1 caractéristique d’un croisement monohybride mendélien s’applique toujours.

La codominance peut également être observée dans les groupes sanguins humains: le groupe sanguin AB est le résultat de la codominance de l’allèle IA et de l’allèle IB. La couleur de la robe roan chez les chevaux est également un exemple de codominance. Un roan  » rouge » résulte de l’accouplement d’un parent châtaignier et d’un parent blanc (figure 2). Nous savons qu’il s’agit d’une codominance car les poils individuels sont soit châtains, soit blancs, ce qui conduit à l’apparence générale du roan rouge.

Question pratique

Alors, quelle est la différence entre la dominance incomplète et l’héritage codominant? Bien qu’ils soient très similaires, la principale différence est la suivante: en dominance incomplète, les deux traits sont mélangés, alors qu’en codominance, les deux traits sont exprimés.

Nous avons déjà discuté de la dominance incomplète des fleurs (figure 1). À quoi ressemblerait une fleur si les phénotypes rouge et blanc étaient codominants à la place?

Montrer la réponse

La fleur aurait des pétales rouges et blancs, comme ce Rhododendron:

 Une fleur qui a une division uniforme de pétales blancs et rouges.

Traits liés au sexe

Chez l’homme, ainsi que chez de nombreux autres animaux et certaines plantes, le sexe de l’individu est déterminé par les chromosomes sexuels. Les chromosomes sexuels sont une paire de chromosomes non homologues. Jusqu’à présent, nous n’avons considéré que les modèles d’hérédité parmi les chromosomes non sexuels, ou autosomes. En plus de 22 paires homologues d’autosomes, les femelles humaines ont une paire homologue de chromosomes X, tandis que les mâles humains ont une paire de chromosomes XY. Bien que le chromosome Y contienne une petite région de similitude avec le chromosome X afin qu’ils puissent s’apparier pendant la méiose, le chromosome Y est beaucoup plus court et contient beaucoup moins de gènes. Lorsqu’un gène examiné est présent sur le chromosome X, mais pas sur le chromosome Y, on dit qu’il est lié à l’X.

 La photo montre six mouches des fruits, chacune avec une couleur d'œil différente.

Figure 3. Chez la Drosophile, le gène de la couleur des yeux est situé sur le chromosome X. Dans le sens des aiguilles d’une montre en haut à gauche sont brun, cinabre, sépia, vermillon, blanc et rouge. La couleur des yeux rouges est de type sauvage et domine la couleur des yeux blancs.

La couleur des yeux chez la Drosophile a été l’un des premiers traits liés à l’X à être identifiés. Thomas Hunt Morgan a cartographié ce trait sur le chromosome X en 1910. Comme les humains, les mâles Drosophiles ont une paire de chromosomes XY et les femelles sont XX. Chez les mouches, la couleur des yeux de type sauvage est rouge (XW) et elle domine la couleur des yeux blancs (Xw) (Figure 3). En raison de l’emplacement du gène de la couleur des yeux, les croisements réciproques ne produisent pas les mêmes rapports de descendance. On dit que les mâles sont hémizygotes, car ils n’ont qu’un seul allèle pour toute caractéristique liée à l’X. L’hémizygosité rend les descriptions de dominance et de récessivité non pertinentes pour les mâles XY. Les mâles Drosophiles n’ont pas de deuxième copie d’allèle sur le chromosome Y; c’est-à-dire que leur génotype ne peut être que XWY ou XwY. En revanche, les femelles ont deux copies d’allèles de ce gène et peuvent être XWXW, XWXw ou XwXw.

Dans un croisement lié à l’X, les génotypes des descendants F1 et F2 dépendent du fait que le trait récessif a été exprimé par le mâle ou la femelle de la génération P0. En ce qui concerne la couleur des yeux de la Drosophile, lorsque le mâle P0 exprime le phénotype des yeux blancs et que la femelle est homozygote aux yeux rouges, tous les membres de la génération F1 présentent des yeux rouges. Les femelles F1 sont hétérozygotes (XWXw), et les mâles sont tous XWY, ayant reçu leur chromosome X de la femelle P0 dominante homozygote et leur chromosome Y du mâle P0. Un croisement ultérieur entre la femelle XWXw et le mâle XWY ne produirait que des femelles aux yeux rouges (avec des génotypes XWXW ou XWXw) et des mâles aux yeux rouges et blancs (avec des génotypes XWY ou XwY). Considérons maintenant un croisement entre une femelle homozygote aux yeux blancs et un mâle aux yeux rouges (Figure 4). La génération F1 ne présenterait que des femelles hétérozygotes aux yeux rouges (XWXw) et que des mâles aux yeux blancs (XwY). La moitié des femelles F2 aurait les yeux rouges (XWXw) et la moitié aurait les yeux blancs (XwXw). De même, la moitié des mâles F2 aurait les yeux rouges (XWY) et la moitié aurait les yeux blancs (XwY).

Question pratique

 Cette illustration montre une analyse carrée de Punnett de la couleur des yeux de la mouche des fruits, qui est un trait lié au sexe. Une mouche des fruits mâle aux yeux rouges avec le génotype X^{w}Y est croisée avec une mouche des fruits femelle aux yeux blancs avec le génotype X^{w}X^{w}. Tous les descendants femelles acquièrent un allèle W dominant du père et un allèle w récessif de la mère, et sont donc dominants hétérozygotes avec la couleur des yeux rouges. Tous les descendants mâles acquièrent un allèle w récessif de la mère et un chromosome Y du père et sont donc récessifs hémizygotes avec des yeux blancs.

Figure 4. L’analyse du carré de Punnett est utilisée pour déterminer le rapport de la progéniture d’un croisement entre une mouche des fruits mâle aux yeux rouges et une mouche des fruits femelle aux yeux blancs.

Quel rapport de descendance résulterait d’un croisement entre un mâle aux yeux blancs et une femelle hétérozygote pour la couleur des yeux rouges?

Montrer la réponse

La moitié de la progéniture femelle serait hétérozygote (XWXw) aux yeux rouges, et la moitié serait homozygote récessif (XwXw) aux yeux blancs. La moitié de la progéniture mâle serait dominante hémizygote (XWY) avec le oui rouge, et la moitié serait récessive hémizygote (XwY) avec les yeux blancs.

Les découvertes en génétique de la mouche des fruits peuvent être appliquées à la génétique humaine. Lorsqu’un parent femelle est homozygote pour un trait récessif lié à l’X, il transmet le trait à 100% de sa progéniture. Sa progéniture mâle est donc destinée à exprimer le trait, car elle héritera du chromosome Y de son père. Chez l’homme, les allèles de certaines conditions (certaines formes de daltonisme, d’hémophilie et de dystrophie musculaire) sont liés à l’X. Les femelles hétérozygotes pour ces maladies seraient porteuses et pourraient ne pas présenter d’effets phénotypiques. Ces femelles transmettront la maladie à la moitié de leurs fils et transmettront le statut de porteur à la moitié de leurs filles; par conséquent, les traits récessifs liés à l’X apparaissent plus fréquemment chez les mâles que chez les femelles.

Dans certains groupes d’organismes dotés de chromosomes sexuels, le sexe avec les chromosomes sexuels non homologues est la femelle plutôt que le mâle. C’est le cas pour tous les oiseaux. Dans ce cas, les traits liés au sexe seront plus susceptibles d’apparaître chez la femelle, chez laquelle ils sont hémizygotes.

Carrés de Punnett non mendéliens

Cette activité de pratique vous aidera à vous souvenir de la différence entre les types d’héritage non mendéliens et à vous souvenir de leur fonctionnement.

Cliquez ici pour une version textuelle de l’activité.

Revue vidéo

Regardez cette vidéo pour un résumé des trois cas « spéciaux » d’héritage non mendélien que vous venez de pratiquer.

Les allèles multiples

Mendel impliquaient que seuls deux allèles, un dominant et un récessif, pouvaient exister pour un gène donné. Nous savons maintenant qu’il s’agit d’une simplification excessive. Bien que les humains individuels (et tous les organismes diploïdes) ne puissent avoir que deux allèles pour un gène donné, plusieurs allèles peuvent exister au niveau de la population, de sorte que de nombreuses combinaisons de deux allèles sont observées. Notez que lorsque de nombreux allèles existent pour le même gène, la convention est de désigner le phénotype ou génotype le plus courant chez les animaux sauvages comme le type sauvage (souvent abrégé en « + »); ceci est considéré comme la norme ou la norme. Tous les autres phénotypes ou génotypes sont considérés comme des variantes de cette norme, ce qui signifie qu’ils s’écartent du type sauvage. La variante peut être récessive ou dominante à l’allèle de type sauvage.

Un exemple d’allèles multiples est la couleur du pelage chez le lapin (figure 5). Ici, quatre allèles existent pour le gène c. La version sauvage, C + C +, est exprimée en fourrure brune. Le phénotype du chinchilla, cchcch, est exprimé sous forme de fourrure blanche à pointe noire. Le phénotype himalayen, chch, a une fourrure noire aux extrémités et une fourrure blanche ailleurs. Enfin, le phénotype albinos, ou « incolore », cc, s’exprime sous forme de fourrure blanche. En cas d’allèles multiples, des hiérarchies de dominance peuvent exister. Dans ce cas, l’allèle de type sauvage est dominant sur tous les autres, le chinchilla est incomplètement dominant sur l’Himalaya et l’albinos, et l’Himalaya est dominant sur l’albinos. Cette hiérarchie, ou série allélique, a été révélée en observant les phénotypes de chaque progéniture hétérozygote possible.

 Cette illustration montre les quatre variantes différentes pour la couleur du pelage chez le lapin au niveau de l'allèle c. Le génotype CC produit le phénotype de type sauvage, qui est brun. Le génotype c^{ch} c ^{ch} produit le phénotype de chinchilla, qui est une fourrure blanche à pointe noire. Le génotype c^{h} c^{h} produit le phénotype himalayen, qui est blanc sur le corps et noir sur les extrémités. Le génotype cc produit le phénotype récessif, qui est blanc

Figure 5. Il existe quatre allèles différents pour le gène de la couleur du pelage du lapin (C).

 Cette photo montre une Drosophile qui a des antennes normales sur la tête et un mutant qui a des pattes sur la tête.

Figure 6. Comme on le voit en comparant la Drosophile sauvage (à gauche) et le mutant Antennapedia (à droite), le mutant Antennapedia a des pattes sur la tête à la place des antennes.

La domination complète d’un phénotype de type sauvage sur tous les autres mutants se produit souvent comme un effet de « dosage » d’un produit génétique spécifique, de sorte que l’allèle de type sauvage fournit la quantité correcte de produit génétique alors que les allèles mutants ne le peuvent pas. Pour la série allélique chez le lapin, l’allèle de type sauvage peut fournir une dose donnée de pigment de fourrure, alors que les mutants fournissent une dose moindre ou aucune du tout. Fait intéressant, le phénotype himalayen est le résultat d’un allèle qui produit un produit génétique sensible à la température qui ne produit de pigment que dans les extrémités plus froides du corps du lapin.

Alternativement, un allèle mutant peut être dominant sur tous les autres phénotypes, y compris le type sauvage. Cela peut se produire lorsque l’allèle mutant interfère d’une manière ou d’une autre avec le message génétique de sorte que même un hétérozygote avec une copie d’allèle de type sauvage exprime le phénotype mutant. L’une des façons dont l’allèle mutant peut interférer est d’améliorer la fonction du produit génétique de type sauvage ou de modifier sa distribution dans le corps.

Un exemple de ceci est la mutation d’Antennapedia chez la Drosophile (Figure 6). Dans ce cas, l’allèle mutant élargit la distribution du produit génétique et, par conséquent, l’hétérozygote Antennapédia développe des pattes sur sa tête là où ses antennes devraient se trouver.

Des allèles multiples Confèrent une résistance aux médicaments au Parasite du paludisme

Le paludisme est une maladie parasitaire chez l’homme qui est transmise par des moustiques femelles infectées, y compris Anopheles gambiae (Figure 7a), et se caractérise par des fièvres élevées cycliques, des frissons, des symptômes pseudo-grippaux et une anémie sévère. Plasmodium falciparum et P. vivax sont les agents responsables les plus courants du paludisme, et P. falciparum est le plus mortel (figure 7b). Lorsqu’il est traité rapidement et correctement, P. falciparummalaria a un taux de mortalité de 0,1%. Cependant, dans certaines parties du monde, le parasite a développé une résistance aux traitements antipaludiques couramment utilisés, de sorte que les traitements antipaludiques les plus efficaces peuvent varier selon la région géographique.

 La photo a montre le moustique Anopheles gambiae, porteur du paludisme. La photo b montre une micrographie de Plasmodium falciparum en forme de faucille, le parasite responsable du paludisme. Le plasmodium mesure environ 0,75 micron de diamètre.

Figure 7. Le (a) Anopheles gambiae, ou moustique du paludisme africain, agit comme vecteur dans la transmission à l’homme du parasite responsable du paludisme (b) Plasmodium falciparum, ici visualisé en microscopie électronique à transmission en fausse couleur. (crédit a: James D. Gathany; crédit b: Fre Frevert; fausse couleur par Margaret Shear; données sur les barres d’échelle de Matt Russell)

En Asie du Sud-Est, en Afrique et en Amérique du Sud, P. falciparum a développé une résistance aux médicaments antipaludiques chloroquine, méfloquine et sulfadoxine-pyriméthamine. P. le falciparum, qui est haploïde au stade de la vie où il est infectieux pour l’homme, a développé de multiples allèles mutants résistants aux médicaments du gène dhps. Différents degrés de résistance à la sulfadoxine sont associés à chacun de ces allèles. Étant haploïde, P. falciparum n’a besoin que d’un seul allèle résistant aux médicaments pour exprimer ce trait.

En Asie du Sud-Est, différents allèles résistants à la sulfadoxine du gène dhps sont localisés dans différentes régions géographiques. Il s’agit d’un phénomène évolutif courant qui se produit parce que des mutants résistants aux médicaments apparaissent dans une population et se croisent avec d’autres P. falciparum isole à proximité. Les parasites résistants à la sulfadoxine causent des difficultés humaines considérables dans les régions où ce médicament est largement utilisé comme remède contre le paludisme en vente libre. Comme il est courant avec les agents pathogènes qui se multiplient en grand nombre au cours d’un cycle d’infection, P. falciparum évolue relativement rapidement (sur une dizaine d’années) en réponse à la pression sélective des médicaments antipaludiques couramment utilisés. Pour cette raison, les scientifiques doivent constamment travailler à la mise au point de nouveaux médicaments ou combinaisons de médicaments pour lutter contre le fardeau mondial du paludisme.

Allèles multiples (Groupes sanguins ABO) et Carrés de Punnett

Pénétrance et expressivité

La pénétrance fait référence à la probabilité qu’un gène ou un trait soit exprimé. Dans certains cas, malgré la présence d’un allèle dominant, un phénotype peut ne pas être présent. Un exemple de ceci est la polydactylie chez l’homme (doigts et / ou orteils supplémentaires). Un allèle dominant produit une polydactylie chez l’homme, mais tous les humains avec l’allèle n’affichent pas les chiffres supplémentaires. La pénétrance « complète » signifie que le ou les gènes d’un trait sont exprimés dans toute la population qui possède les gènes. Une pénétrance  » incomplète » ou  » réduite » signifie que le trait génétique n’est exprimé que dans une partie de la population. La pénétrance d’expression peut également changer dans différents groupes d’âge d’une population. La pénétrance réduite résulte probablement d’une combinaison de facteurs génétiques, environnementaux et de style de vie, dont beaucoup sont inconnus. Ce phénomène peut rendre difficile pour les professionnels de la génétique d’interpréter les antécédents médicaux familiaux d’une personne et de prédire le risque de transmettre une maladie génétique aux générations futures.

 Pénétrance complète : les six carrés sont vert foncé. Pénétrance incomplète: trois des carrés sont vert foncé et trois des carrés sont blancs. Les carrés de chaque exemple sont destinés à représenter des individus du même génotype pour le gène d'intérêt.

Figure 8. Illustration calquée sur une image similaire de Steven M. Carr, Pénétrance contre expressivité.

L’expressivité, d’autre part, fait référence à la variation de l’expression phénotypique lorsqu’un allèle est pénétrant. Revenons à l’exemple de polydactylie, un chiffre supplémentaire peut apparaître sur un ou plusieurs appendices. Le chiffre peut être en taille réelle ou simplement un talon. Par conséquent, cet allèle a une pénétrance réduite ainsi qu’une expressivité variable. L’expressivité variable fait référence à la gamme de signes et de symptômes pouvant survenir chez différentes personnes atteintes de la même maladie génétique. Comme pour la pénétrance réduite, l’expressivité variable est probablement causée par une combinaison de facteurs génétiques, environnementaux et de style de vie, dont la plupart n’ont pas été identifiés. Si une maladie génétique présente des signes et des symptômes très variables, le diagnostic peut être difficile.

 Expressivité étroite: les six carrés sont vert foncé. Expressivité variable: les six carrés sont de différentes nuances de vert. Les carrés de chaque exemple sont destinés à représenter des individus du même génotype pour le gène d'intérêt.

Figure 9. Illustration calquée sur une image similaire de Steven M. Carr, Pénétrance contre expressivité.

Pour plus d’informations sur la pénétrance réduite et l’expressivité variable, consultez le tutoriel interactif sur la pénétrance proposé par la Fondation PHG. Le tutoriel explique les différences entre pénétrance réduite et expressivité variable.

Expressivité variable et Pénétrance incomplète

Vérifiez votre compréhension

Répondez aux questions ci-dessous pour voir dans quelle mesure vous comprenez les sujets abordés dans la section précédente. Ce court quiz ne compte pas pour votre note dans la classe, et vous pouvez le reprendre un nombre illimité de fois.

Utilisez ce quiz pour vérifier votre compréhension et décider s’il faut (1) étudier plus avant la section précédente ou (2) passer à la section suivante.

  1. Sumiti Vinayak, et al., « Origin and Evolution of Sulfadoxine Resistant Plasmodium falciparum, » Public Library of Science Pathogens 6, no. 3 (2010): e1000830, doi:10.1371/journal.ppat.1000830. ↵

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