Les processus de l’évolution, la vie grâce aux mutations








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date de publication18.11.2017
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Monsieur DURET

Les processus de l’évolution, la vie grâce aux mutations

L’unicité du vivant et sa diversité
Il est parfois difficile de différencier le vivant et le non vivant. La vie est capable d’auto-entretien, capable de se reproduire avec des phases de croissance et de développement, mais cette description est incomplète : la reproduction n’est pas fidèle, elle se fait avec de constantes modifications. Si ce n’était pas le cas, la vie en serait encore à la soupe primitive. Une espèce qui reproduirait son génome sans changement serait dans une impasse évolutive car l’environnement change.

La diversité du vivant est constatée tous les jours, à toutes les échelles, même si la plus grande diversité constatée se trouve chez les micro-organismes. Cependant la cellule et les acides nucléiques lui donnent une grande unité (ADN ARN Protéines). Le code génétique est presque universel (certains Ciliés présentent des différences et les codons stop mitochondrial sont différents mais ce sont des apparitions secondaires).

Ayant maintenant séquencé un grand nombre de génomes, on peut comparer nos 20000 gènes aux autres : 19000 sont commun à l’ensemble des mammifères, 10000 gènes sont homologues avec les insectes, 5000 avec les champignons, 6000 avec les plantes,…3800 avec les bactéries ou les archées. Le dernier ancêtre commun du monde vivant actuel, LUCA (Last Universal Common Ancestor) en est l’expression.
1- Nature et causes des mutations
Un pas marquant a été fait au milieu du XX siècle avec la découverte du support de l’information génétique par Avery (1944) puis de son organisation en double hélice (Watson et Crick 1953), ce qui permit de comprendre comment se réplique l’information génétique.

On connaît différents types de mutations de la mutation ponctuelle (locale) à la mutation large qui va jusqu’aux réarrangements chromosomiques. Des agents mutagènes non biotiques (UV, radiation, agents chimiques…) ou biotiques (parasites intra-génomiques) provoquent des erreurs de la machinerie réplicative. La taille du génome humain fonctionnel est de 3.109 pb dont 20000 gènes ce qui correspond à 1% du génome.


  1. les mutations ponctuelles 

Le taux de mutation est de 2 à 3 pour 100 millions de pb et par génération. Elles sont dues à des erreurs de réplication. On peut donc évaluer à 60 à 90 le nombre de mutations par gamète et donc pour un individu de 120 à 180 mutations (2n chromosomes) par rapport à ses parents.

La plupart des maladies génétiques connues correspondent à des mutations ponctuelles. On constate que les Vertébrés mutent beaucoup.

  • Si on compare le taux de mutation par paire de bases (pb) et par an, l’Homme mute 100 fois plus que la bactérie ; le taux de mutation/pb et par an est cependant bien plus faible chez l’Homme car sa génération est bien plus longue (20 ans contre 1 à 2h). D’autre part, le temps de génération étant corrélé à la taille, la vitesse de mutation varie selon la taille (les rongeurs par exemple mutent plus vite que les primates ou les éléphants), malgré un taux unitaire de mutation plus fort chez les grands organismes. Chez le HIV, le taux de mutation est très élevé (100 fois plus élevé que chez les mammifère) par la rapidité de reproduction (on sait que tous les virus sortant d’une cellule sont différents de celui qui est entré : on peut ainsi observer l’évolution en temps réel, au niveau d’un virus).

  • Le nombre de mutations dépend du nombre de générations dans la lignée germinale : 33 chez la femme entre le zygote et l’ovocyte (à comparer à 200 chez l’homme pour produire un spermatozoïde). Ainsi le chromosome X passe plus de temps chez la femme : il évolue moins rapidement que les autosomes alors que le chromosome Y évolue plus rapidement que les autosomes.

Donc sur 150 mutations, 20 viennent de la mère, 120 du père.


  1. les mutations dues à des parasites intra-génomiques 

Ils intègrent leur génome dans le génome de l’hôte (cf cycle du rétrovirus). Les rétrotransposons ressemblent à des rétrovirus mais ont perdus des gènes (ex le gène GAG, le gène ENV) et ne sont plus capables d’infection. Par contre ils conservent le gène codant une transcriptase inverse. Le rétrovirus est transmis d’un individu à l’autre et le rétrotransposon  est transmis par la lignée germinale. Cependant la frontière est floue car un rétrotransposon peut récupérer un gène type ENV et peut redevenir infectieux. Le génome est ainsi « farci » de parasites intragénomiques (44% du génome humain ! les LINE et les SINE) reflétant des processus d’infection, la plupart venant de moins de 60 millions d’années : il s’agit de véritables fossiles moléculaires. Ces éléments sont partout aussi bien dans les exons que dans les introns. Certains de ces parasites (80 à 100 LINE sur 1 million), récemment insérés, sont cependant encore actifs et donc capables de transposer (copies actives pouvant se déplacer). A chaque génération une personne sur vingt est porteuse d’une nouvelle insertion :

  • ils peuvent s’insérer à l’intérieur d’un gène qu’ils détruisent en le rendant infonctionnel mais ils peuvent, en s’insérant à proximité, perturber le fonctionnement du gène proche. (perturbation du moment, de la durée ou du lieu de son expression),

  • on connaît 50 cas de maladies humaines liées à des insertions,

  • les primates (par exemple) sont moins concernés que les drosophiles (80% de mutations chez la drosophile sont dues à ces transpositions).




  1. les mutations par duplication ou délétion génomiques

Le motif de nucléotides GT, souvent répété dans le génome, provoque des dérapages de lecture de l’ADN par l’ADN-polymérase et provoque alors une réassociation du brin copié en amont ou en aval : l’effet est une délétion ou une insertion. On connaît une vingtaine de maladies génétiques humaines qui proviennent de ce genre d’accident. La Chorée d’Huntington qui s’exprime à partir d’un certain âge chez les personnes qui portent l’allèle morbide (mutation du gène JPH3 avec répétition de l’élément CAG dont le nombre de copie peut augmenter avec le temps si le nombre de copies dépasse 36, la personne développe la maladie) est un exemple de ce type.


  1. les mutations par duplication ou délétion de fragments génomiques à grand échelle 

Un crossing-over, en méiose, si les séquences des deux chromosomes ne sont pas alignées, va provoquer l’augmentation du nombre de séquences sur un chromosome et une diminution sur l’autre. On obtient alors la duplication (à l’origine des familles multigéniques) ou la perte de gène. Ces mécanismes sont des opportunités d’évolution vers de nouvelles fonctions et constituent un processus majeur d’innovation génique. Les conséquences sont à court terme, l’accroissement du niveau (ou la diminution) de l’expression du gène et à long terme des innovations fonctionnelles. Ces phénomènes sont fréquents (deux individus pris au hasard sont différents de 24 à 70 Mb soit 200 à 600 gènes de différence).





Gamète avec duplication




  1. les mutations par inversions, translocations, fusion ou fission chromosomique 

Une translocation réciproque pose problème à la méiose : c’est une cause de stérilité car les homologues ne peuvent pas s’apparier. Ces réarrangements sont favorisés par des éléments transposables.


  1. Les mutations par polyploïdisation (duplication globale du génome)

Elles sont rares mais arrivent au cours de l’évolution (plantes, champignons, animaux comme les protistes,..). Elles peuvent être dues à une erreur de ségrégation lors de la méiose ou à des hybridations entre les espèces proches qui conduisent à la conservation des deux génomes (exemple choux/navet à l’origine du colza). On constate qu’à long terme (millions d’années) ces organismes reperdent des gènes = rediploïdisation). Nous, humains, sommes des paléo-octoploïdes (il y a eu deux duplications du génome à la base des Vertébrés) ce qui se voit car la majorité des 20000 gènes sont présents en plusieurs copies. C’est le cas des gènes hox : pour un cluster au départ, on en a maintenant quatre copies.


  1. L’origine des nouveaux gènes

Plusieurs mécanismes sont à l’origine des nouveaux gènes :

- la duplication, par recombinaison inégale (ex : Gènes Hox) ou par rétrotransposition (un rétrotranscrit peut s’insérer ailleurs dans le génome, un gène peut en faire de même, on parle alors de rétrogènes),

- la formation de gènes chimères où il s’agit du réarrangement de gènes préexistants,

- l’acquisition de gènes par transfert horizontal d’un organisme à l’autre, fréquent chez les bactéries qui peuvent récupérer des gènes de leur environnement, plus rares chez les mammifères avec cependant le cas d’un gène dérivé d’un virus : le gène HERVWI qui intervient dans la placentation, provient d’un virus !

- le recrutement de gènes intra génomiques : exemple des immunoglobulines et de leur réarrangement somatique.


2- Les conséquences phénotypiques des mutations

Les mutations sont source de diversité phénotypique (les races de chien par exemple, sont dues à des mutations dans un gène de facteur de croissance). Certaines sont délétères, d’autres sont avantageuses et contribuent à l’adaptation ou d’autres, encore, sont neutres et concernent une région non codante (99% des régions sont non codantes!) ou simplement, par suite du code redondant, n’altérant pas la fonction de la protéine. Ainsi sur les 120 mutations par gamètes 1 ou 2 sont dans une région codante mais peut être aussi neutre.

Une mutation crée un nouveau variant d’un gène mais comment conduit-elle à l’évolution de l’espèce ?

Le plus souvent l’erreur est réparée, sinon une mutation somatique peut donner naissance à un cancer. Si elle a lieu dans la lignée germinale alors elle peut éventuellement être transmise (si le chromosome est transmis) et le nouvel allèle apparaît chez le descendant.

Dans la population de taille N, la 1fallèle est très faible (1/2N) et l’allèle peut soit diminuer et disparaître, soit aboutir à la fixation de l’allèle dans la population en remplaçant l’allèle sauvage.
3- Les processus qui font varier la fréquence allélique.
31- La sélection naturelle

Comment expliquer que les fréquences alléliques changent au cours du temps ?

  • Sélection positive : c’est la sélection naturelle qui augmente le succès reproducteur (fitness en Anglais). Le succès reproducteur dépend de la survie de l’organisme, du fait qu’il trouve un partenaire et que sa progéniture survive. Ainsi, dans la lignée humaine, l’adaptation au mode alimentaire (agriculture et domestication) vient du gène de l’amylase nécessaire à la digestion de l’amidon (actuellement 3 à 11 copies chez l’Homme, contre 2 chez le Chimpanzé). La production d’amylase est proportionnelle au nombre de copies du gène possédé : plus on produit d’amylase et ce nombre est corrélé à l’alimentation (les populations de chasseurs en ont moins). Pour le gène permettant la digestion du lactose, on constate une diminution de capacité de digestion après le sevrage : beaucoup d’adultes ont des intolérances au lactose mais, chez les populations pastorales, la tolérance au lactose est due à une mutation d’un gène promoteur du lactose (cette mutation n’est pas fixée, elle est en cours d’installation dans les populations). Plusieurs variantes à la sélection naturelle positive existent comme la sélection de parentèle qui favorise la transmission des gènes des individus apparentés (ex organismes sociaux tels que les fourmis). On parle d’altruisme quand c’est au détriment de sa propre vie. La sélection sexuelle favorise la fixation d’un caractère améliorant les chances de s’accoupler (ex queue du paon) même si ce caractère est désavantageux pour (vis à vis des prédateurs par exemple) : ce qui n’en fait pas une lutte pour la survie mais pour la reproduction.

  • Sélection négative (dite purificatrice) : elle diminue le succès reproducteur donc la descendance et l’allèle disparaît.

  • Sélection balancée : l’exemple bien connu est celui de la drépanocytose, l’hétérozygotie favorise la résistance au paludisme.


32- La théorie neutraliste.

La sélection naturelle n’est pas l’unique mécanisme de l’évolution. Même en l’absence de pression de sélection, il y a évolution des fréquences alléliques : Kimura2 a publié la théorie neutre de l’évolution due à la dérive génétique (perte aléatoire de la diversité génétique). Plus les populations sont petites, plus les effets aléatoires sont importants. L’exemple des arbres d’évolution des patronymes peut servir de modèle pour comprendre : ils se transmettent de père en fils, si on attend suffisamment longtemps, il n’y aura qu’un seul nom.

Cette dérive génétique a pour effet de diminuer la possibilité de fixation d’une mutation même avantageuse, par contre, des mutations délétères peuvent se fixer du fait de la dérive génétique, quand les populations sont de faible effectif.
4- Analyse comparative de séquences génomiques
On cherche maintenant à comprendre quelle fraction du génome est fonctionnelle. Le séquençage du génome demande actuellement 8 semaines (pour séquencer un génome humain) alors que le premier séquençage avait pris 15 ans.
On recherche alors ce qui évolue plus ou moins lentement (exemple de la comparaison des gènes de la carpe et de l’Homme : (en noir les introns, non codant) on constate la conservation des séquences des exons : 95% sont conservées entre le génome de la souris et de l’Homme. On peut aligner facilement 40 % du génome humain et celui de la souris montrant l’existence d’un génome ancestral.

On compare le taux de substitution dans les éléments transposables et dans le reste du génome…les séquences non répétées sont mieux conservées. Environ 5% du génome est sous pression de sélection négative. On regarde les vitesses d’évolution des séquences dépendant du taux de mutation et de la probabilité de la fixation d’une mutation dans la population (paramètre s). La probabilité qu’un allèle neutre se fixe est de 1/N (N taille de la pop) : le taux de substitution = taux de mutation. Par contre si la sélection est négative, le taux d’évolution est plus faible que le taux de mutation.

Des questions sur l’exposé de Monsieur DURET :

Quel génome a été séquencé pour obtenir le génome humain ?

5 individus hommes et femmes d’origine différentes ont été employés : le génome produit est le patchwork de ces 5 individus. L’axe de recherche est maintenant de séquencer 1000 génomes entiers pour avoir une idée de la variabilité génétique sur un échantillonnage de la population.

Question sur le rôle des gènes :

On élimine les gènes un à un pour voir leur fonction et l’impact sur l’évolution de la culture de cellules (levures) : dans beaucoup de cas, cela n’a rien changé. Par contre si on met les levures en compétition, on voit des changements pour les populations à qui on a enlevé un gène (ou rendu non fonctionnel) : on obtient un coefficient de sélection du à la présence ou non du gène (dans la probabilité d’avoir une descendance). Pour démontrer qu’un gène est fonctionnel, il faut des manipulations de compétition (possible chez la levure, la drosophile mais impossible chez d’autres organismes car trop long) et on mesure le fitness3 c’est à dire la probabilité d’avoir une descendance.

Il y a un équilibre entre la dérive qui élimine et les mutations qui redonnent de la diversité : on est au cœur de l’explication darwinienne de l’évolution.

La dérive génétique contribue fortement à l'évolution des gènes: chez les drosophiles, la dérive génétique est à l'origine de 50% des substitutions qui se sont fixées au cours de l'évolution (tandis que 50% des substitutions se sont fixées du fait de la sélection positive). Chez les primates, plus de 95% des substitutions résultent de la dérive génétique. Ce fort effet de la dérive génétique chez les primates est dû aux faibles tailles de populations (faibles tailles de populations => effets stochastiques plus importants => dérive génétique plus forte). Chez les drosophiles, où les tailles de populations sont bien plus grandes, les effets stochastiques de la dérive sont bien moindres.
Les pseudogènes :

Il existe chez l’Homme des pseudo-gènes (presque autant que les 20000 gènes protéiques) : ce sont des séquences dérivant d’un gène mais qui ont subi des mutations qui les ont inactivés. Ils représentent 1 % du génome (i.e. environ autant que les gènes).

1 f: fréquence

2 Motoo Kimura (1924-1994) produit une équation permettant de déterminer la probabilité de fixation des allèles dans la population, il est le père de la théorie neutraliste de l’évolution.

3 Fitness : aptitude reproductive globale

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