Hérédité

Deux parents aux yeux bruns peuvent avoir un enfant aux yeux bleus. La daltonisme est beaucoup plus fréquent chez les garçons que chez les filles. Deux gènes sur le même chromosome sont hérités ensemble, sauf lorsqu'ils ne le sont pas. Chacun de ces phénomènes découle du comportement des chromosomes en méiose et peut être traduit en une probabilité calculable.

Chez les animaux, la méiose produit des cellules haploïdes servant à former les gamètes (ovules et spermatozoïdes), avec la moitié du nombre diploïde de chromosomes, afin que la fécondation rétablisse l'ensemble complet. Tous les quatre produits méiotiques ne deviennent pas nécessairement des gamètes fonctionnels. Une cellule diploïde se divise deux fois pour donner quatre cellules haploïdes. La méiose I sépare les chromosomes homologues (réduction du nombre) ; la méiose II sépare les chromatides sœurs (comme en mitose).

Ce qui se produit à chaque division :

• Prophase I : les chromosomes homologues s'apparient côte à côte (synapse), et des chromatides non sœurs peuvent échanger des segments aux points appelés chiasmes. Le fuseau se forme et l'enveloppe nucléaire se désintègre.
• Métaphase I : les paires de chromosomes homologues s'alignent au milieu de la cellule.
• Anaphase I : les homologues se séparent ; les chromatides sœurs restent jointes.
• Télophase I et cytokinèse : deux cellules haploïdes se forment, chaque chromosome étant encore composé de deux chromatides.
• La méiose II est similaire à la mitose : les chromosomes s'alignent individuellement (métaphase II), les centromères se scindent et les chromatides sœurs sont séparées (anaphase II), donnant quatre cellules haploïdes.

Le fuseau s'attache à chaque chromosome au niveau de son kinétochore, une structure protéique située au centromère. En métaphase I, les deux kinétochores d'un homologue s'attachent aux microtubules issus du même pôle, et ceux de l'autre homologue au pôle opposé ; les homologues entiers se séparent donc en anaphase I. En métaphase II, le kinétochore de chaque chromatide s'attache à un microtubule issu d'un pôle différent ; les chromatides sœurs sont donc séparées en anaphase II.

Les deux utilisent un fuseau pour déplacer les chromosomes, et toutes deux copient l'ADN une seule fois, lors de la phase S avant la division. Les deux dépendent d'une séparation correcte des chromatides ou des homologues.

La nondisjonction est un échec de séparation. Si une paire d'homologues ne se sépare pas en méiose I, les quatre gamètes sont anormaux : deux ont un chromosome supplémentaire (n+1) et deux en manquent un (n−1). Si les chromatides sœurs ne se séparent pas en méiose II, seuls les deux gamètes provenant de cette cellule sont affectés. Un zygote formé à partir d'un gamète anormal possède le mauvais nombre de chromosomes (aneuploïdie) ; la trisomie 21, cause du syndrome de Down, en est l'exemple le plus connu.

Un organisme triploïde (trois jeux de chromosomes) est généralement stérile : en méiose I, les trois copies de chaque chromosome ne peuvent pas s'apparier uniformément, si bien que presque tous les gamètes reçoivent un jeu déséquilibré. Les bananes sans graines et les melons d'eau sont triploïdes.

La méiose et la fécondation produisent de la diversité de trois façons, de sorte que les descendants diffèrent de leurs parents et les uns des autres :

• Enchaînement croisé : les chromatides non-sœurs des chromosomes homologues échangent des segments correspondants durant la prophase I.
• Ségrégation indépendante : chaque paire homologue s'aligne et se sépare aléatoirement.
• Fécondation aléatoire : n'importe quel spermatozoïde peut rencontrer n'importe quel ovule.

Ensemble, cela crée une variation énorme – la matière première de l'évolution.

Exemple résolu (comptage des combinaisons). Une cellule avec $n$ paires d'homologues peut les aligner de $2^n$ façons, donc l'assortiment indépendant seul donne $2^n$ types de gamètes. Un humain en a $n=23$, soit $2^{23}\approx8.4$ millions de types d'ovules ou de spermatozoïdes, avant que le crossing-over n'en ajoute davantage. La fécondation aléatoire combine ensuite chacun de ceux-ci avec n'importe lequel de l'autre parent : $8.4\ \text{million}\times8.4\ \text{million}\approx7\times10^{13}$ combinaisons pour un couple.

Les versions alternatives d'un gène sont les allèles. Le génotype d'un organisme (ses allèles), combiné aux influences environnementales, contribue à son phénotype (ses caractères). Sous dominance complète, un allèle dominant masque un allèle récessif chez un hétérozygote. Dans le modèle mendélien diploïde, les deux allèles ségrègent vers différents gamètes, et les gènes non liés s'assortissent indépendamment. Une case de Punnett prédit les probabilités de descendance ; un croisement Aa × Aa donne un rapport phénotypique de 3:1 sous dominance complète. Homozygote signifie deux allèles identiques ; hétérozygote signifie deux allèles différents.

Les deux règles de probabilité.

• Règle du produit (pour des événements indépendants qui doivent se produire tous les deux) : $P(A \text{ and } B) = P(A) \times P(B)$.
• Règle de la somme (pour des événements incompatibles dont l'un ou l'autre convient) : $P(A \text{ or } B) = P(A) + P(B)$.

Exemple corrigé (règle de la somme). Dans $Aa \times Aa$, quelle est la probabilité qu'un descendant soit hétérozygote ? Il peut recevoir $A$ de sa mère et $a$ de son père ($\tfrac12 \times \tfrac12 = \tfrac14$), ou $a$ de sa mère et $A$ de son père (encore $\tfrac14$). Ces événements sont incompatibles, donc on additionne : $\tfrac14 + \tfrac14 = \tfrac12$.

Exemple résolu. Pour un croisement dihybride de deux gènes indépendants, $AaBb\times AaBb$, utiliser la règle de multiplication plutôt qu'une case $16$-box. Chaque gène seul donne $\tfrac34$ dominant, donc la chance qu'un descendant montre les deux traits dominants est $\tfrac34\times\tfrac34=\tfrac{9}{16}$, et la chance du entièrement récessif $aabb$ est $\tfrac14\times\tfrac14=\tfrac{1}{16}$. Multiplier deux ratios indépendants $3{:}1$ est ce qui produit le motif classique $9{:}3{:}3{:}1$.

De nombreux traits ne suivent pas la dominance simple :

• Dominance incomplète : les hétérozygotes présentent un mélange (rouge × blanc → rose).
• Codominance : les deux allèles s'expriment pleinement (groupe sanguin AB).
• Les allèles multiples, les traits polygéniques (plusieurs gènes, comme la taille), la pléiotropie (un gène, plusieurs effets) et les gènes liés au sexe (sur les chromosomes sexuels, souvent le chromosome X) produisent tous des ratios plus complexes.

Trois autres motifs apparaissent souvent :

• Hérédité extranucléaire. Les mitochondries et les chloroplastes possèdent leur propre ADN et sont répartis au hasard lors de la division cellulaire. Chez les animaux, les mitochondries proviennent normalement de l'ovule, et non du spermatozoïde. Une mère peut transmettre une mutation de l'ADN mitochondrial à ses fils et à ses filles, mais un père atteint ne la transmet normalement pas. Si la mère porte un mélange d'ADN mitochondrial normal et mutant, la quantité héritée et la gravité de la maladie peuvent varier entre ses enfants. Chez de nombreuses plantes, les chloroplastes proviennent de l'ovule : un caractère de couleur des feuilles porté par l'ADN des chloroplastes, comme des feuilles striées de blanc, suit donc la lignée maternelle ; certaines espèces héritent leurs chloroplastes du père ou des deux parents.
• Autres systèmes de détermination sexuelle. Les oiseaux utilisent les chromosomes Z et W : ZZ est mâle et ZW femelle, aussi chez les oiseaux ce sont les femelles qui présentent plus souvent les traits récessifs liés au chromosome Z. Chez les abeilles, les mâles se développent à partir d'œufs non fécondés et sont haploïdes. Chez de nombreux reptiles, la température à laquelle les œufs sont maintenus détermine le sexe.
• Allèles létaux. Si un génotype meurt avant la naissance, le ratio attendu change. Le croisement de deux hétérozygotes pour un allèle récessif létal donne 1 : 2 : 1, mais le quart homozygote récessif n'apparaît jamais, donc les survivants sont dans un rapport de 1 : 2, signe qu'un allèle est létal en double dose.

Exemple résolu (test du khi-deux). Pour vérifier si les données réelles correspondent à un ratio prédit, utiliser $\chi^2=\sum\dfrac{(o-e)^2}{e}$. Un croisement monohybride prédit $3{:}1$, donc sur $80$ descendants, vous attendez $60$ dominants et $20$ récessifs, mais vous observez $55$ et $25$. Ensuite $\chi^2=\dfrac{(55-60)^2}{60}+\dfrac{(25-20)^2}{20}=\dfrac{25}{60}+\dfrac{25}{20}=0.42+1.25=1.67$. Avec $1$ degré de liberté, la valeur critique à $p=0.05$ est $3.84$ ; comme $1.67<3.84$, nous ne rejetons pas l'hypothèse nulle – l'écart est dû au hasard.

Exemple résolu (croisement lié au sexe). La cécité rouge-verte est causée par un allèle récessif sur le chromosome X. Une mère porteuse ($X^BX^b$) a des enfants avec un père à la vision normale ($X^BY$).

• Les filles reçoivent le $X^B$ du père, donc aucune n'est daltonienne ; la moitié sont porteuses ($X^BX^b$).
• Les garçons reçoivent le $Y$ du père et soit le X maternel, donc la moitié des garçons sont daltoniens ($X^bY$).

Les garçons n'ont besoin que d'un seul allèle récessif pour exprimer le trait, car le Y ne porte aucune copie du gène. C'est pourquoi les troubles récessifs liés à X sont beaucoup plus fréquents chez les mâles.

Les gènes situés sur le même chromosome sont liés. Les gènes proches ont tendance à être hérités ensemble ; les gènes éloignés peuvent se comporter comme non liés car plusieurs enchaînements croisés peuvent masquer les échanges. Lors d'un test-croisement, la fréquence de recombinaison mesure la descendance recombinante. Elle estime les séparations génétiques courtes mais tend vers une valeur maximale attendue de 50% ; elle n'augmente pas indéfiniment avec la distance cartographique :

Exemple résolu. Un croisement-test d'un dihybride ($AaBb\times aabb$) donne 445 $AaBb$, 435 $aabb$, 62 $Aabb$ et 58 $aaBb$ descendants. Les deux grandes classes correspondent aux combinaisons parentales ; les deux petites sont des recombinants. Fréquence de recombinaison $=\dfrac{62+58}{1000}=12\%$, donc les gènes sont séparés d'environ 12 unités de carte. Des gènes non liés donneraient quatre classes à peu près égales, proches de $25\%$ chacune.

Un arbre généalogique montre un caractère à travers les générations. Pour un caractère mendélien simple, en supposant une pénétrance complète (toute personne ayant le génotype associé à la maladie la manifeste) et l'absence de nouvelle mutation, deux vérifications utiles sont :

• Deux parents non affectés ayant un enfant atteint : le trait est récessif. Chaque parent doit porter un allèle dissimulé.
• Une mère atteinte ayant un fils non atteint : le trait ne peut pas être récessif lié au chromosome X, car chaque fils reçoit son seul chromosome X de sa mère.

Le phénotype n'est pas seulement déterminé par les gènes – l'environnement compte aussi. La température, la nutrition et d'autres facteurs peuvent changer l'expression des gènes (fourrure sombre du lapin himalayen où il fait froid, hauteur de la plante avec plus de soleil). Donc des génotypes identiques peuvent produire des phénotypes différents dans des conditions différentes.

La capacité d'un génotype à produire différents phénotypes dans différents environnements est appelée plasticité phénotypique. Exemples sur lesquels vous pourriez être interrogé :

• La taille et la masse chez l’être humain dépendent des allèles de nombreux gènes, mais aussi de l’alimentation et de la santé pendant l’enfance.
• Couleur des fleurs d’hortensia : une même plante a des fleurs bleues dans un sol acide (où les ions aluminium sont disponibles pour le pigment) et roses dans un sol alcalin.
• Couleur saisonnière du pelage chez les animaux arctiques tels que le renard arctique et le lièvre d’Amérique : le raccourcissement des jours en automne déclenche des changements dans l’expression des gènes, de sorte que le nouveau pelage pousse blanc pour assurer un camouflage en hiver, puis redevient brun au printemps.
• Détermination du sexe par la température chez de nombreux reptiles : chez certaines tortues, les œufs incubés à une température plus élevée donnent des femelles et ceux incubés à une température plus basse donnent des mâles, car la température modifie l’expression des gènes codant les enzymes qui produisent les hormones sexuelles.
• Type sexuel chez la levure : une cellule de levure haploïde n’active les gènes nécessaires à l’accouplement (et ne croît en direction d’un partenaire) que lorsqu’elle détecte la phéromone produite par une cellule voisine de type sexuel opposé.
• Le lapin himalayen et le chat siamois : une enzyme nécessaire à la production du pigment foncé est dénaturée à la température corporelle normale, de sorte que seules les oreilles, le nez, les pattes et la queue, plus froids, sont foncés.

Exemple corrigé. Deux boutures génétiquement identiques d’un hortensia sont plantées, l’une dans un sol de pH 5 et l’autre dans un sol de pH 8. Leurs fleurs sont bleues et roses. Expliquez. Les plantes ont le même génotype, donc la différence de phénotype doit être due à l’environnement : le pH du sol modifie la disponibilité des ions aluminium, qui se lient au pigment des fleurs et changent sa couleur. Une question de ce type vérifie si vous savez distinguer une cause génétique d’une cause environnementale ; l’indice est que le génotype est contrôlé (clones identiques), tandis qu’un facteur environnemental est modifié.

Erreurs fréquentes.

• Penser que les enfants précédents modifient les probabilités pour le suivant. Chaque fécondation est indépendante : si deux porteurs ont déjà trois enfants non atteints, la probabilité que le quatrième soit atteint reste de $\tfrac14$.
• Additionner des probabilités qui devraient être multipliées. Utilisez la règle du produit pour « ceci et cela » (événements indépendants) et la règle de la somme pour « ceci ou cela » (différentes façons d’obtenir le même résultat).
• Dire qu'un fils hérite d'un allèle lié à l'X de son père. Un fils reçoit son unique X de sa mère ; un père transmet son X à chaque fille et son Y à chaque fils.
• Traiter une fréquence de recombinaison d'environ 50% comme une liaison étroite. Des valeurs proches de 50% signifient que les gènes s'assortissent indépendamment (éloignés ou sur des chromosomes différents) ; de faibles valeurs indiquent qu'ils sont proches.
• Écrire qu’un résultat du test du khi carré « prouve » l’hypothèse. Si $\chi^2$ est inférieur à la valeur critique, vous ne rejetez pas l’hypothèse nulle ; les données sont simplement compatibles avec celle-ci.
• Utiliser les mauvais degrés de liberté. dl = nombre de classes phénotypiques − 1 (par exemple 3 pour un test de rapport 9:3:3:1).
• Dire que les chromatides sœurs se séparent en anaphase I. En anaphase I, ce sont les homologues qui se séparent ; les chromatides sœurs se séparent en anaphase II.
• Dire que la nondisjonction en méiose II rend tous les quatre gamètes anormaux. Seuls les deux gamètes provenant de la cellule où elle a eu lieu sont affectés.
• Prédire un trait mitochondrial à partir du père. Les mitochondries proviennent de l'ovule, donc ces traits suivent la mère.
• Dire que l’environnement modifie les gènes d’un organisme. Dans ces exemples de plasticité phénotypique, l’environnement modifie la façon dont les gènes sont exprimés sans changer la séquence d’ADN. Les agents mutagènes environnementaux peuvent modifier l’ADN dans d’autres contextes.

Répondez à chaque question avant de lire les réponses ci-dessous.

1. Donnez le rapport génotypique attendu issu de $Aa\times aa$.
2. Dans $AaBbCc\times AaBbCc$, avec des gènes indépendants, quelle est la probabilité d'avoir un enfant $aabbcc$ ?
3. Un homme hémophile (récessif lié au X, $X^hY$) a des enfants avec une femme possédant deux allèles normaux ($X^HX^H$). Prévoyez l'état des fils et celui des filles.
4. Un croisement censé produire un rapport de $1:1$ donne en réalité 88 et 72 parmi 160 descendants. Calculez $\chi^2$ et décidez au seuil $p=0.05$ (valeur critique $3.84$ pour $df=1$).
5. Un élève affirme : « Les gènes très éloignés sur un même chromosome sont ceux qui sont le plus souvent transmis ensemble. » Corrigez cet élève.

1. $1\ Aa:1\ aa$.
2. $\left(\tfrac14\right)^3=\tfrac{1}{64}$.
3. Aucun fils n'est atteint : les fils reçoivent le chromosome Y du père ($Y$). Toutes les filles sont porteuses saines ($X^HX^h$), car elles reçoivent le seul chromosome X de leur père, qui porte l'allèle ($h$).
4. Rapports attendus de $80$ et de $80$ : $\chi^2=\dfrac{8^2}{80}+\dfrac{8^2}{80}=1.6$. Puisque ($1.6<3.84$), la différence n'est pas significative ; les données sont compatibles avec ($1:1$).
5. L'inverse est vrai. Le crossing-over entre des gènes éloignés est fréquent, ce qui entraîne une recombinaison fréquente et une apparence quasi indépendante (fréquence de recombinaison proche de $50\%$). Les gènes proches les uns des autres se recombinent rarement et sont ceux qui sont hérités ensemble le plus fortement.

• Comparez la mitose (2 identiques, nombre complet de chromosomes) à la méiose (4 produits haploïdes génétiquement variés, avec la moitié du nombre de chromosomes ; tous ne deviennent pas nécessairement des gamètes fonctionnels).
• Expliquer la variation due au crossing-over, à l'assortiment indépendant et à la fécondation aléatoire.
• Utiliser la règle de multiplication pour les croisements dihybrides (multiplication des $3{:}1$ de chaque gène) et un test du chi-carré ($\chi^2=\sum\frac{(o-e)^2}{e}$) pour comparer les ratios observés aux ratios attendus.
• Gardez le génotype (les allèles) séparé du phénotype (ce que vous voyez) — $AA$ et $Aa$ peuvent paraître identiques.
• Reconnaître les modèles non mendéliens : dominance incomplète, codominance et liaison sexuelle.