La génétique mendélienne
C'est dans la quiétude du monastère de Brno (actuelle République Tchèque), qu'un moine morave posa les bases
de la génétique en découvrant les mécanismes de l'hérédité des caractères.
Fils de paysan, sans le sou, féru de botanique, Johann Gregor Mendel (1822 - 1884) se fait moine
par nécessité afin de s'épargner l'aliénation liée à la doctrine "travailler plus pour gagner plus" et se consacrer aux sciences
naturelles...
Mendel présente ses travaux en 1865 devant la société d'histoire naturelle de Brno et les publie l'année suivante dans les
comptes-rendus de cette même société mais son travail reste ignoré pendant plus de 30 ans.
Ces travaux sont "redécouverts" simultanément en 1900 par trois scientifiques différents qui travaillaient sur la même
problématique : Hugo de Vries (1848 - 1935, Hollande), Carl Correns (1864 - 1933, Allemagne) et Erich von Tschermak (1871 - 1962,
Autriche).
Le vocabulaire inconnu de Mendel
De nombreux termes couramment utilisés aujourd'hui n'ont été définis qu'au début du 20ème siècle et étaient donc inconnus de Mendel.
William Bateson (1861 - 1926, Royaume-Uni) introduit les termes allèle, homozygotie
, hétérozygotie. En 1906, il définit la génétique comme la "science
qui étudie les mystères de l’hérédité et les variations".
En 1909, Wilhem Johannsen (1857 - 1927, Danemark) "invente" le terme gène, simplifiant le terme "pangène"
d'Hugo de Vries. On doit également à W. Johannsen les termes génotype et phénotype.
En 1910, Thomas H. Morgan (1866 - 1945, USA) publie la théorie chromosomique de l’hérédité. Il postule l'échange d'unités chromosomiques
(crossing-over) pendant la méiose et développe une méthode pour situer approximativement la position des gènes sur les
chromosomes.
Parlons un peu de la reproduction sexuée
La majorité des espèces sont diploïdes, ce qui veut dire que leurs cellules possèdent deux exemplaires
complets de l'information génétique ou génome.
Si les cellules d'un adulte possèdent deux exemplaires complets du génome, ses gamètes, formés lors d'une division
cellulaire particulière appelée méiose, n'en contiennent qu'un. On dit que les gamètes sont
haploïdes.
Lors de la fécondation, un gamète mâle et un gamète femelle fusionnent pour donner un zygote (oeuf fécondé)
qui possède donc un exemplaire du génome venant du gamète mâle et un exemplaire du génome venant du gamète femelle. Le zygote est
une cellule diploïde, qui par division (mitose) et différenciation cellulaire, se développe en un nouvel
organisme diploïde.
La définition des mots oranges et soulignés est disponible dans le glossaire !
Les travaux de Mendel
Lorsque Mendel débute ses recherches sur les "hybrides végétaux", son objectif est d’élucider les lois qui régissent la transmission des caractères d’une génération à la suivante.
À l’époque, la théorie dominante est celle de l'hérédité par mélange : les caractères héréditaires d’une espèce forment un tout, sont liés entre eux et les caractères d’un individu sont un mélange des caractères de ses deux parents
Dans le jardin du monastère de Brno, Mendel cultive 34 variétés de Pois, Pisum sativum. Ces différentes variétés se distinguent
par des caractères faciles à observer et présentant chacun deux formes différentes facilement identifiables.
Parmi ces caractères, Mendel choisit d'en étudier sept :
- la forme de la graine : lisse ou ridée,
- la couleur de la graine : jaune ou verte
- la couleur des fleurs : violette ou blanche,
- la forme des gousses : lisse ou plissée,
- la couleur des gousses : verte ou jaune,
- la position des fleurs : axiale ou terminale,
- et la taille de la tige : longue ou courte.
Avant d'étudier la transmission de chacun de ces sept caractères, Mendel sélectionne des plants de pois qui, par auto-fécondation, ne donnent que des plants identiques à eux-mêmes. Mendel sélectionne des lignées pures.
Etude de l'hérédité d'un caractère : la couleur de la graine (ou couleur du pois)
Mendel obtient deux variétés identiques en tout point sauf pour la couleur de la graine. La première variété ne donne, par auto-fécondation, que
des plants dont les graines sont de couleur verte. La seconde variété ne donne, par auto-fécondation, que des plants dont les graines sont de
couleur jaune.
Sa question : de quelle couleur seront les graines des plants issus de
l'hybridation de ces deux variétés ?
Pour réaliser ce croisement monohybride, Mendel empêche l'auto-fécondation naturelle du pois et réalise des fécondations artificielles en pollinisant manuellement les fleurs d'une lignée par le pollen de l'autre, et inversement.
Caractère : couleur de la graine
Variétés croisées : Graines jaunes x Graines vertes
Résultat du croisement : l'hybride a des graines de couleur jaune.
La couleur des graines de l'hybride est identique à la couleur des graines de l'un des deux parents, et n'est pas à moitié jaune et à moitié vert comme cela était attendue dans le cadre de la théorie de l'hérédité par mélange.
Mendel laisse se développer et s'autopolliniser les plants issus de l'hybridation.
Sa question : de quelle couleur seront les graines issues de l'autofécondation des hybrides ?
Résultat de l'auto-fécondation de l'hybride : les graines sont de deux couleurs. Mendel compte 6022 graines jaunes et 2001 graines vertes.
En étudiant l'hérédité des six autres caractères choisis, Mendel parvient toujours aux mêmes résultats :
- l'hybride ne montre que l'une des deux formes parentales pour le caractère considéré. Mendel qualifie cette forme de dominante.
- la forme parentale non visible chez l'hybride réapparaît dans sa descendance avec une proportion de 1 pour 3. Mendel qualifie cette forme de récessive.
Mendel émet alors les hypothèses suivantes :
- il doit exister un support matériel pour les caractères héréditaires qu'il nomme "facteur".
- si la forme récessive réapparaît, c'est qu'elle est présente chez l'hybride. L'hybride possède donc deux facteurs déterminant le caractère étudié.
- dans la descendance de l'hybride, la proportion 3 : 1 entre le facteur dominant et le facteur récessif est obtenue si :
- les deux facteurs se séparent lors de la formation des gamètes,
- il existe autant de gamètes portant le facteur dominant que de gamètes portant le facteur récessif.
- la rencontre des gamètes se fait au hasard.
Comment décrit-on les observations et les hypothèses de Mendel avec le vocabulaire actuel ?
Le "facteur" de Mendel correspond au gène.
Les sept caractères étudiés sont des caractères monogéniques c'est-à-dire des caractères qui ne
dépendent que de l'expression d'un seul gène.
Pour chacun des sept caractères, le gène correspondant n'existe que sous deux versions, appelées
allèles, dont l'un est
dominant et l'autre récessif.
Le caractère "couleur de la graine" est codé par un gène pour lequel il existe deux allèles :
- l'allèle J dominant codant pour une couleur jaune de la graine,
- l'allèle j récessif codant pour une couleur verte de la graine.
En sélectionnant des lignées parentales pures pour chacune des deux formes visibles (le
phénotype) du caractère considéré, Mendel a sélectionné des lignées où tous les individus sont
homozygotes.
Le pois étant diploïde, chaque gène est présent en double
exemplaire dans chaque cellule. Les individus de la variété parentale à graines jaunes ont donc, au
locus considéré, deux allèles J alors que ceux de
la variété parentale à graines vertes ont deux allèles j.
Les individus des variétés parentales ne produisent, par méiose, qu'un seul type de
gamète : des gamètes porteurs de l'allèle J pour la
variété à graines jaunes, et des gamètes porteurs de l'allèle j pour la variété à graines vertes.
Lors de la fécondation, ces deux gamètes fusionnent pour donner 1 type de gamète mâle x 1 type de gamète femelle = 1 type
de zygote qui se développera en individus hybrides.
Les hybrides ont donc un allèle J et un allèle j : ils sont
hétérozygotes pour le caractère "couleur de la graine", et de même apparence (même phénotype) que la variété
parentale de génotype homozygote dominant (JJ), c'est-à-dire
que leurs graines sont de couleur jaune.
Les individus hybrides produisent, par méiose, deux types de gamètes : des gamètes porteurs de l'allèle J et des gamètes porteurs de
l'allèle j.
Lors de la fécondation, ces deux types de gamètes fusionnent pour donner 2 types de gamète mâle x 2 types de gamète femelle = 4 types
de zygotes.
Chez les descendants des hybrides, on retrouve trois génotypes JJ, Jj et jj dans les proportions 1 : 2 (Jj et
jJ sont équivalents) : 1 correspondant à deux phénotypes "graines jaunes" et "graines vertes" dans les
proportions 3 : 1.
Les résultats de Mendel concernant les croisements monohybrides ont été formulés sous la forme de deux lois :
Loi d’uniformité des hybrides de première génération : "la première génération d’hybrides est
homogène".
Tous les hybrides de la génération F1 sont semblables les uns aux autres (même phénotype et même génotype).
Pour un caractère donné, si les hybrides présentent le phénotype de l’un des parents, on dit que le caractère de ce parent est dominant,
celui de l’autre est récessif.
Loi de disjonction (ou ségrégation) des caractères en génération F2 : "les allèles d’un même
couple se disjoignent lors de la formation des gamètes".
Les individus F2 sont différents les uns des autres. Cette différence s’explique par une disjonction des allèles au moment de
la formation des gamètes qui sont donc purs : chaque gamète ne contient que l’un ou l’autre des allèles (loi de pureté des gamètes) et les
deux catégories de gamètes sont équiprobables.
Etude de l'hérédité de deux caractères : la forme ET la couleur de la graine
Avant d'aborder l'étude de l'hérédité de ces deux caractères, voici les observations réalisées par Mendel concernant le caractère forme de la graine :
Caractère : forme de la graine
Variétés croisées : Graines lisses (symbolisé par un rond) x Graines ridées (symbolisé par un carré)
Résultat du croisement : l'hybride a des graines lisses.
La forme des graines de l'hybride est identique à la forme des graines de l'un des deux parents, et n'est pas à moitié lisse et à moitié ridée comme cela était attendue dans le cadre de la théorie de l'hérédité par mélange.
Mendel laisse se développer et s'autopolliniser les plants issus de l'hybridation.
Sa question : de quelle forme seront les graines issues de l'autofécondation des hybrides ?
Résultat de l'auto-fécondation de l'hybride : les graines sont de deux formes. Mendel compte 5474 graines lisses et 1850 graines ridées.
Pour étudier l'hérédité de deux caractères, Mendel cultive deux variétés identiques en tout point sauf pour la forme ET la couleur de
la graine.
La première variété ne donne, par auto-fécondation, que des plants dont les graines sont de forme ridée ET de couleur verte.
La seconde variété ne donne, par auto-fécondation, que des plants dont les graines sont de forme lisse ET de couleur jaune.
Sa question : de quelle forme et de quelle couleur seront les graines des plants issus de l'hybridation de ces deux variétés ?
Pour réaliser ce croisement dihybride, Mendel empêche l'auto-fécondation naturelle du pois et réalise des fécondations artificielles en pollinisant manuellement les fleurs d'une lignée par le pollen de l'autre, et inversement.
Caractères : forme de la graine ET couleur de la graine
Variétés croisées : Graines lisses ET jaunes x Graines ridées ET vertes
Résultat du croisement : l'hybride a des graines lisses ET jaunes.
Résultat de l'auto-fécondation de l'hybride : les graines sont quatre types, deux sont identiques
à celles des parents de l'hybride (lisse ET jaune - ridée ET verte) et deux sont nouvelles (lisse ET verte - ridée ET jaune).
Mendel compte 315 graines lisses ET jaunes, 108 graines lisses ET vertes, 101 graines ridées ET jaunes et 32 graines ridées ET vertes
(proportions 9 : 3 : 3 :1) soit :
423 graines lisses pour 133 graines ridées (proportions 3 : 1) ET 416 graines jaunes pour 140 graines vertes
(proportions 3 : 1).
Mendel démontre de manière mathématique que la proportion de 9 : 3 : 3 : 1 s’explique très bien selon les hypothèses formulées à propos des croisements monohybrides, si la ségrégation des facteurs déterminant la couleur de la graine est indépendante de celle des facteurs déterminant la forme de la graine.
Comment décrit-on les observations et les hypothèses de Mendel avec le vocabulaire actuel ?
Le caractère "forme de la graine" est codé par un premier gène pour lequel il existe deux allèles :
- l'allèle L dominant codant pour une forme lisse (symbolisé par la couleur bleu) de la graine,
- l'allèle l récessif codant pour une forme ridée (symbolisé par la couleur mauve) de la graine.
Le caractère "couleur de la graine" est codé par un second gène pour lequel il existe deux allèles :
- l'allèle J dominant codant pour une couleur jaune (symbolisé par la couleur jaune) de la graine,
- l'allèle j récessif codant pour une couleur verte (symbolisé par la couleur verte) de la graine.
En sélectionnant des lignées parentales pures pour chacune des deux formes visibles des deux caractères considérés, Mendel a sélectionné
des lignées où tous les individus sont homozygotes aux deux loci considérés.
Les individus de la variété parentale à graines lisses jaunes ont donc deux allèles L et deux allèles J. Leur génotype s'écrit LL / JJ.
Les individus de la variété parentale à graines ridées et vertes ont deux allèles l et deux allèles j. Leur génotype s'écrit ll / jj.
Les individus des variétés parentales ne produisent, par méiose, qu'un seul type de gamète : des gamètes porteurs des allèles L et J
pour la variété à graines lisses et jaunes, et des gamètes porteurs des allèles l et j pour la variété à graines ridées et vertes.
Lors de la fécondation, ces deux gamètes fusionnent pour donner 1 type de gamète mâle x 1 type de gamète femelle = 1 type
de zygote qui se développera en individus hybrides.
Les hybrides ont donc :
- un allèle L et un allèle l au locus pour le gène forme de la graine,
- un allèle J et un allèle j au locus pour le gène couleur de la graine.
Les hybrides sont hétérozygotes pour les deux caractères étudiés, et de même apparence que la variété parentale de génotype
homozygote dominant aux deux loci considérés (LL / JJ), c'est-à-dire que leurs graines sont lisses et jaunes.
Les individus hybrides produisent, par méiose, quatre types de gamètes :
- des gamètes porteurs des allèles L et J,
- des gamètes porteurs des allèles L et j,
- des gamètes porteurs des allèles l et J,
- des gamètes porteurs des allèles l et j.
Lors de la fécondation, ces quatre types de gamètes fusionnent pour donner 4 types de gamète mâle x 4 types de gamète femelle = 16 types
de zygotes, représentés ici dans un carré de Punnett.
Chez les descendants des hybrides, on retrouve :
- neuf génotypes JJ / LL, JJ / ll, JJ / Ll, Jj / LL, Jj / Ll, Jj / ll, jj / Ll, jj / LL et jj / ll (proportions 1 : 1 : 2 : 2 : 4 : 2 : 2 : 1 : 1)
correspondant à :
- quatre phénotypes graines lisses et jaunes, graines lisses et vertes, graines ridées et jaunes, et graines ridées et vertes (proportions 9 : 3 : 3 : 1).
Si l'on considère chaque caractère de manière indépendante, on retrouve le rapport 3 : 1 entre les phénotypes jaunes et verts et entre les phénotypes lisses et ridés comme dans le cas des croisements monohybrides.
Les résultats de Mendel concernant les croisements dihybrides ont été formulés sous la forme d'une loi :
Loi d'indépendance des caractères
les phénotypes observés montrent que la disjonction s’est faite de manière indépendante pour les différentes paires d’allèles.
Au-delà des cas simples étudiés par Mendel
La dominance partielle ou la semi-dominance
Dans certains cas, il n'y a aucun allèle dominant.
Dans ce cas, le phénotype de la génération F1 est intermédiaire entre les phénotypes de la génération P.
Caractère : couleur de la fleur chez le muflier ou gueule de loup Antirrhinum majus
Génération parentale : Fleur rouge (RR) x Fleur blanche (R'R')
Génération F1 : les fleurs sont de couleur rose (RR').
La couleur des fleurs de la F1 est intermédiaire entre la couleur des deux parents.
Génération F2 : les fleurs sont de trois couleurs dans les proportions 1 rouge (RR) : 2 roses (RR') : 1 blanc (R'R').
L'hérédité du caractère couleur de l'irisation classique ou irisation bleu/vert chez le Betta splendens est un exemple de dominance partielle.
La codominance
Dans certains cas, les deux allèles sont dominants.
Dans ce cas, le phénotype de la génération F1 réunit les caractéristiques des phénotypes de la génération P.
Caractère : couleur du plumage chez la poule
Génération parentale : Plumage noir (NN) x Plumage blanc (BB)
Génération F1 : le plumage est bigarré, noir et blanc (NB).
Le plumage de la F1 réunit les caractéristiques du plumage des deux parents.
Génération F2 : les plumages sont de trois couleurs dans les proportions 1 noir (NN) : 2 bigarrés (NB) : 1 blanc (BB).
Dans les cas de semi-dominance et de codominance, les phénotypes indiquent les génotypes.
Le pluri-allélisme
On parle de pluri-allélisme lorsqu'un gène possède plus de deux allèles. C'est par exemple le cas des
groupes sanguins chez l'homme où trois allèles sont connus : A, B et O.
A et B sont dominants et O récessif. Chaque individu possède deux de ces trois allèles :
- Groupe A : AA ou Ao,
- Groupe B : BB ou Bo,
- Groupe AB : AB,
- Groupe O : oo.
Les allèles létaux
Les individus homozygotes récessifs pour un allèle létal ne sont pas viables.
Dans le cas d'un croisement entre deux individus hétérozygotes, la génération F1 sera constitué d'homozygotes dominants et
d'hétérozygotes dans les proportions 1 : 2.
L'hérédité polygénique
On parle d'hérédité polygénique lorsqu'un caractère est codé par plusieurs gènes.
L'épistasie
On parle d'épistasie lorsqu'un gène influence l'expression d'un autre gène.
Caractères : dépôt du pigment ET couleur du pigment du pelage chez le labrador
Gènes : dépôt du pigment, deux allèles E et e ET couleur du pigment, deux allèles M et m
Génération parentale : Pelage noir (EE / MM) x Pelage jaune (ee / mm)
Génération F1 : la génération F1 a un pelage noir (Ee / Mm).
Génération F2 : les pelages sont de trois couleurs, dans les proportions 9 noirs, 3 marrons et 4
jaunes.
Les labradors homozygotes récessifs pour le gène dépôt du pigment (ee) ont un pelage de couleur jaune quels que soient leurs génotypes pour le
gène couleur du pigment (MM = noir, Mm = noir, mm = marron).
Chez le Betta splendens, l'interaction entre les gènes cambodge et mélano offre un exemple d'épistasie récessive.
La pléiotropie
On parle de pléiotropie lorsqu'un gène influence plusieurs caractères.
Les gènes liés
En étudiant l'hérédité des mutations chez la drosophile, Morgan et ses collaborateurs découvrent que les mutations ne se répartissent
pas au hasard dans la descendance conformément aux hypothèses de Mendel mais qu'elles restent associées. Ils identifient 4 groupes de
liaison qu'ils associent aux 4 paires de chromosomes
homologues de la drosophile. Deux gènes situés sur un même chromosome resteront associés dans la descendance.
Morgan et ses collaborateurs montrent que certains gènes appartenant au même groupe ne sont pas toujours liés. La liaison entre les gènes
peut être partielle.
Ils émettent alors les hypothèses suivantes :
- les chromatides des chromosomes homologues échangent des segments lors de la méiose. Ils appellent ces échanges des crossing-over.
- le taux de recombinaison, c'est-à-dire la fréquence des crossing-over, dépend de la distance entre deux gènes.
Plus deux gènes situés sur un même chromosome seront éloignés, plus la probabilité qu'ils se comportent de manière indépendante conformément aux hypothèses de Mendel sera élevée.
A l'inverse, plus deux gènes situés sur un même choromose seront proches, plus la probabilité qu'ils soient transmis ensemble sera élevée.