Méiose et Hérédité - Notes de Cours

**Méiose et Hérédité** **I. La Méiose** **La méiose** est un type de division cellulaire essentiel pour la reproduction sexuée, permettant la formation des gamètes (spermatozoïdes et ovocytes). Ces gamètes sont **haploïdes** (n = 23 chromosomes), c'est-à-dire qu'ils possèdent un seul jeu de chromo...

**Méiose et Hérédité** **I. La Méiose** **La méiose** est un type de division cellulaire essentiel pour la reproduction sexuée, permettant la formation des gamètes (spermatozoïdes et ovocytes). Ces gamètes sont **haploïdes** (n = 23 chromosomes), c'est-à-dire qu'ils possèdent un seul jeu de chromosomes. La fécondation fusionne deux gamètes pour former un zygote **diploïde** (2n = 46 chromosomes), assurant ainsi la diversité génétique. **1. Objectif de la Méiose**  La méiose permet de réduire de moitié le nombre de chromosomes des cellules diploïdes pour produire des gamètes haploïdes.  La fécondation réunit ces gamètes pour former un zygote diploïde, donnant naissance à un nouvel individu génétiquement unique.  Elle génère une **diversification génétique** essentielle à l'adaptation et à la survie dans des environnements changeants, par opposition à la **reproduction asexuée** où les descendants sont génétiquement identiques. **2. Brassage Génétique** La méiose permet un **brassage de l'information génétique** grâce à deux mécanismes principaux :  **Le crossing-over** (brassage intrachromosomique) : échange de segments entre chromatides des chromosomes homologues.  **L'assortiment indépendant** des chromosomes lors de la métaphase I, où les chromosomes paternels et maternels s'orientent aléatoirement vers les pôles opposés. **3. Structure Chromosomique** Chaque individu possède deux versions (allèles) de chaque gène, situées à des emplacements spécifiques (locus) sur les chromosomes homologues. Ces allèles, hérités des parents, peuvent être identiques ou différents, ce qui détermine la variation des caractères héréditaires (ex : couleur des yeux). **4. Phases de la Méiose**  **Méiose I (Division réductionnelle)** :  Réduit le nombre de chromosomes par deux.  Les chromosomes homologues se séparent, générant deux cellules haploïdes avec des chromosomes à deux chromatides.  **Crossing-over** et **assortiment indépendant** se produisent ici.  **Méiose II (Division équationnelle)** :  Ressemble à la mitose : les chromatides sœurs se séparent.  À la fin, quatre cellules haploïdes distinctes, chacune avec des chromosomes à une seule chromatide, sont produites. **II. Anomalies Chromosomiques** **Aneuploïdie** : Anomalie dans le nombre de chromosomes, souvent due à un défaut de séparation des chromosomes homologues ou des chromatides sœurs. Exemples :  **Trisomie** (n+1) : un chromosome en trop.  **Monosomie** (n-1) : un chromosome en moins. Ces anomalies sont souvent liées à l'âge maternel avancé et peuvent affecter aussi bien les autosomes que les gonosomes. **Conclusion** La méiose et la fécondation favorisent une immense diversité génétique grâce au **crossing-over**, à l'**assortiment indépendant des chromosomes** et à l'union aléatoire des gamètes, augmentant ainsi les possibilités de combinaisons génétiques. **Biologie moléculaire : Méiose et hérédité** **III. Anomalies chromosomiques** 1. **Trisomie et Aneuploïdies**  **Trisomie** : Présence d'un chromosome surnuméraire, constitution chromosomique écrite 2n+1.  Exemple : **Trisomie 21** (Syndrome de Down, 1/700 naissances).  **Aneuploïdies** : Nombre anormal de chromosomes dans les gamètes, causé par des erreurs lors de la méiose (surtout en cas de maternité tardive).  Cas fréquents : **Trisomie 13**, **Trisomie 18** (généralement létales), **Syndrome de Turner** (XO, monosomie X), et **Syndrome de Klinefelter** (XXY).  Sévérité variable en fonction du chromosome touché, les autosomes étant les plus affectés. 2. **Anomalies de structure des chromosomes**  **Délétion** : Perte d'une région chromosomique.  **Duplication** : Gain d'une région chromosomique.  **Inversion** : Changement d'orientation d'une partie d'un chromosome.  **Translocations** : Échanges entre chromosomes non homologues.  **Translocation réciproque** : Échange de segments entre deux chromosomes.  **Translocation robertsonienne** : Fusion de deux chromosomes. 3. **Diagnostic des anomalies chromosomiques**  **Caryotype** : Observation des chromosomes pour détecter des anomalies de nombre ou de structure.  **Amniocentèse** : Analyse des cellules fœtales dans le liquide amniotique, avec un risque de fausse couche (1%).  **Biopsie des villosités choriales** : Diagnostic prénatal plus précoce (10-12 semaines), avec risque accru mais diagnostic plus rapide.  **Prise de sang maternel** : Diagnostic non invasif des anomalies chromosomiques (ex. trisomie 21) par séquençage de l'ADN fœtal circulant. **IV. L'hérédité et ses mécanismes** 1. **Introduction**  L'hérédité est la transmission de caractères d'une génération à l'autre. **La génétique** est la science qui étudie ce phénomène. 2. **Historique**  **Gregor Mendel (1822-1884)** : Moine botaniste, fondateur de la génétique, à l'origine de la théorie particulaire de l'hérédité. Il a démontré que les gènes sont transmis de façon stable et inchangée à la descendance à partir de ses expériences sur les pois.  **Thomas Morgan (1866-1945)** : Généticien qui a prouvé la théorie chromosomique de l'hérédité en étudiant la drosophile. Il a démontré que les gènes sont localisés sur les chromosomes. **Résumé** La méiose, en deux phases (réductionnelle et équationnelle), permet de former des gamètes haploïdes, favorisant ainsi le brassage génétique. Ce processus permet la diversité génétique par deux mécanismes : le **crossing-over**et l'**assortiment indépendant des chromosomes**. Les anomalies lors de la méiose peuvent entraîner des anomalies chromosomiques (aneuploïdies ou anomalies structurales) et avoir des conséquences variées sur la santé humaine. Enfin, la génétique moderne s'appuie sur les travaux de Mendel et Morgan pour comprendre la transmission des caractères héréditaires et leur localisation sur les chromosomes. **III. Mendel et les fondements de la génétique** **1. Modèle expérimental : le pois** Gregor Mendel a posé les bases de la génétique moderne grâce à ses expériences de croisement sur le pois. Ce choix était stratégique car :  Le pois permet des **autofécondations** sur plusieurs générations, produisant des **lignées pures**.  Mendel a étudié des **caractères simples et visibles** comme la forme et la couleur des graines, la forme et la couleur des gousses, et la couleur des fleurs. En croisant des **lignées pures** de pois présentant des traits alternatifs (ex : graines lisses vs. rugueuses, graines jaunes vs. vertes), Mendel a formulé les **premières lois de l'hérédité**. Il a notamment réfuté la théorie du **mélange des caractères** (blending hypothesis) en démontrant que les **caractères parentaux** restent distincts dans la descendance. **2. Concepts clés de la génétique mendélienne** Mendel a introduit plusieurs notions fondamentales qui demeurent valables dans la génétique moderne, bien que le vocabulaire ait évolué.  **Allèles** : Chaque caractère est contrôlé par des **gènes** avec deux versions possibles appelées **allèles**, héritées de chaque parent.  **Génotype** et **phénotype** :  **Génotype** : Ensemble des allèles qu'un individu possède pour un gène donné.  **Phénotype** : Manifestation visible du génotype.  **Homozygotie** et **hétérozygotie** :  Un individu est **homozygote** si les deux allèles sont identiques.  Un individu est **hétérozygote** si les allèles sont différents.  **Dominance et récessivité** :  Chez les hétérozygotes, l'allèle qui s'exprime est dit **dominant**, et celui qui ne s'exprime pas est dit **récessif**. Exemple : Un pois hétérozygote pour la couleur (allèle jaune et allèle vert) aura des graines jaunes, car l'allèle jaune est dominant sur l'allèle vert. **3. Lois de Mendel** **A. Loi de la ségrégation des caractères** La **première loi de Mendel**, ou loi de ségrégation des caractères, stipule que lors de la formation des gamètes (méiose), les deux allèles d'un gène se séparent de manière aléatoire, et chaque gamète reçoit un seul allèle. Lors de la fécondation, les gamètes s'unissent pour rétablir la paire d'allèles chez la génération suivante. **B. Croisements monohybrides** Mendel a d'abord effectué des **croisements monohybrides** entre des pois différant par un seul caractère (ex : couleur jaune ou verte des graines). Les étapes de son expérience sont les suivantes : 1. **Croisement de lignées pures** :  Il a croisé des pois **homozygotes**jaunes (YY) avec des pois **homozygotes** verts (yy).  Tous les descendants de la **première génération (F1)**étaient **hétérozygotes (Yy)** et de phénotype jaune, démontrant la **dominance** de l'allèle jaune sur le vert. 2. **Croisement de la génération F1**:  Mendel a ensuite croisé des pois **hétérozygotes (Yy)** de la génération F1.  Dans la **seconde génération (F2)**, le caractère récessif vert est réapparu chez 1/4 des pois. Cela confirme que les caractères ne se mélangent pas et sont transmis de manière distincte. **C. Répartition des phénotypes en F2** La génération F2 a révélé un rapport de **3:1** dans les phénotypes :  3/4 des pois étaient jaunes (Y\_) grâce à la dominance de l'allèle jaune.  1/4 des pois étaient verts (yy), indiquant que seuls les pois homozygotes pour l'allèle récessif expriment ce caractère. **D. Probabilités et combinaisons d'allèles** Les résultats de ces croisements s'expliquent par la **probabilité** de recevoir une combinaison d'allèles lors de la fécondation. Chaque gamète produit par les pois hétérozygotes F1 contient soit un allèle jaune, soit un allèle vert, et la recombinaison de ces allèles dans la génération F2 suit les lois de probabilité mendél  **III. Les lois de Mendel et l'évolution des concepts génétiques** **B. Assortiment indépendant des caractères (Deuxième loi de Mendel)** La **seconde loi de Mendel**, appelée **loi de l'assortiment indépendant**, stipule que les allèles de différents gènes se distribuent indépendamment les uns des autres lors de la formation des gamètes. Mendel a découvert cette loi en réalisant des **croisements dihybrides**, où il a étudié deux caractères à la fois. **Exemple du croisement dihybride :** Il a croisé des pois **homozygotes**pour deux caractères dominants (couleur jaune et forme ronde) avec des pois homozygotes pour les caractères récessifs (couleur verte et forme ridée).  **Génération F1** : Tous les pois étaient jaunes et ronds (phénotype dominant), car chaque pois a reçu un allèle dominant pour la couleur et un pour la forme.  **Génération F2** : En croisant les pois F1, il a obtenu de nouvelles combinaisons de caractères chez les descendants :  **9 pois jaunes et ronds**  **3 pois verts et ronds**  **3 pois jaunes et ridés**  **1 pois vert et ridé** Cela a révélé un **ratio phénotypique de 9:3:3:1**, montrant que les caractères de la couleur et de la forme se transmettent de manière **indépendante**. **Explication du ratio :** La probabilité d'exprimer deux caractères dominants (par exemple, jaune et rond) est le produit des probabilités d'exprimer chaque caractère séparément (3/4 pour chaque caractère dominant). Ainsi :  **Probabilité de deux caractères dominants** :   **Probabilité d'un caractère dominant et un récessif** :   **Probabilité de deux caractères récessifs** :  Mendel a ainsi démontré que, pour les gènes situés sur des chromosomes différents, la distribution des allèles est **indépendante**. Cela correspond au comportement des **chromosomes homologues** durant la **méiose I**, où ils se séparent de manière aléatoire. **C. Limites de la loi de l'assortiment indépendant** Cependant, cette loi n'est vraie que pour des **gènes situés sur des chromosomes différents**. Si les gènes sont localisés sur le **même chromosome**, il y a une **liaison génétique** et les allèles de ces gènes sont hérités ensemble. Dans ce cas, il n'y a pas de nouvelle combinaison d'allèles comme dans les croisements de Mendel. Dans un tel scénario (gènes liés), le **ratio phénotypique** en génération F2 devient **3:1**, car seuls les phénotypes parentaux réapparaissent (ex : pois jaunes et ronds ou pois verts et ridés). **D. Redécouverte des lois de Mendel et théorie chromosomique de l'hérédité** Les travaux de Mendel sont restés ignorés pendant longtemps. Ce n'est qu'au début du **XXe siècle**, avec les progrès de la microscopie et les observations de la méiose, que les chercheurs ont pu relier les gènes aux **chromosomes**. La **théorie chromosomique de l'hérédité** est alors née, montrant que les gènes sont portés par les chromosomes et que leur comportement durant la méiose explique les lois de Mendel. Ainsi, les deux théories --- **théorie particulaire** de Mendel et **théorie chromosomique** --- sont devenues complémentaires, en offrant une vision complète de la transmission des caractères. **E. Le lien entre gènes et chromosomes établi par T.H. Morgan (1910)** Le **lien entre gènes et chromosomes** a été confirmé en 1910 par **Thomas Hunt Morgan**grâce à ses travaux sur la **drosophile**(*Drosophila melanogaster*). Morgan a utilisé des rayons X pour induire des mutations et a observé des changements de phénotype chez les mouches, notamment la mutation qui transforme la couleur des yeux de rouge (phénotype sauvage) à blanc (phénotype mutant). Lors de ses expériences, Morgan a constaté que **seules les mouches mâles** affichaient cette mutation, ce qui l'a conduit à associer ce gène à un **chromosome sexuel** (les gonosomes). Il a ainsi établi que certains gènes sont portés par les **chromosomes sexuels**, introduisant le concept de **liaison avec le sexe**(hérédité liée au sexe). **Caryotype de la drosophile :**  4 paires de chromosomes, dont **1 paire de gonosomes** (XX chez la femelle, XY chez le mâle). Les travaux de Morgan ont ouvert la voie à la **cartographie des gènes**et ont contribué à une meilleure compréhension de la génétique moderne, en associant clairement les **gènes** aux **chromosomes**. **Résumé des lois de Mendel :** 1. **Loi de ségrégation** : Les allèles d'un même gène se séparent lors de la formation des gamètes (méiose). 2. **Loi de l'assortiment indépendant** : Les allèles de gènes différents se distribuent indépendamment lors de la formation des gamètes, sauf s'ils sont situés sur le même chromosome. **Avancées post-Mendel :**  La **théorie chromosomique de l'hérédité** lie les lois de Mendel au comportement des chromosomes pendant la méiose.  Les travaux de **Thomas Morgan**ont établi que certains gènes sont liés aux chromosomes sexuels, renforçant l'idée que les gènes sont physiquement localisés sur les chromosomes....le génotype **i/i** détermine le groupe sanguin **O**. Dans ce système, la **codominance** entre les allèles **IA**et **IB** se manifeste par l'expression conjointe des deux sucres A et B à la surface des globules rouges. Ce phénomène illustre l'un des cas classiques de la dérogation aux lois mendéliennes, où plusieurs allèles d'un même gène peuvent coexister et s'exprimer de manière équivalente. **D. Hérédité polygénique et polyfactorielle** En opposition à l'hérédité monogénique décrite par Mendel, où un seul gène contrôle un caractère, **l'hérédité polygénique** implique que plusieurs gènes contribuent au contrôle d'un trait. C'est le cas de nombreux caractères quantitatifs comme la taille, la couleur de la peau ou le poids, qui dépendent de l'action cumulative de plusieurs gènes. **L'hérédité polyfactorielle**, quant à elle, combine des influences génétiques et environnementales, ce qui peut moduler l'expression des gènes impliqués. Ainsi, des facteurs tels que la nutrition ou l'exposition à certains environnements peuvent jouer un rôle dans la manifestation de ces traits. **E. Hérédité mitochondriale** L'hérédité **mitochondriale** repose sur le fait que l'ADN mitochondrial est exclusivement transmis par la mère. Les mitochondries, présentes dans le cytoplasme de l'ovocyte, se divisent indépendamment du cycle cellulaire et sont transmises aux descendants de manière asymétrique. Une mutation dans l'ADN mitochondrial peut entraîner des maladies mitochondriales, qui se manifestent souvent dans des tissus à forte demande énergétique comme les muscles ou le cerveau. Les manifestations de ces maladies sont conditionnées par un seuil, au-delà duquel la proportion de mitochondries mutées dépasse un certain point critique, déclenchant l'apparition des symptômes. **F. Hérédité liée à l'empreinte parentale** L'**empreinte parentale** est un mécanisme épigénétique qui implique la modification de l'expression d'un gène en fonction de son origine parentale. Un gène soumis à empreinte ne s'exprime que s'il provient d'un parent spécifique. Par exemple, si un gène est soumis à une empreinte paternelle, seule la copie maternelle s'exprimera, et inversement pour une empreinte maternelle. Ce phénomène est impliqué dans plusieurs syndromes génétiques, comme le syndrome de **Prader-Willi** et le syndrome de **Angelman**, qui dépendent de la perte d'expression des gènes sur une région spécifique du chromosome 15. **Conclusion** Les mécanismes d'hérédité mendélienne et non mendélienne offrent une vue d'ensemble sur la complexité des modes de transmission génétique. Alors que les lois de Mendel décrivent un cadre fondamental pour comprendre la transmission de caractères simples, les découvertes modernes révèlent des formes plus complexes, où l'interaction entre plusieurs gènes, l'environnement et des mécanismes épigénétiques influence fortement le phénotype final. Ces concepts sont cruciaux pour comprendre les maladies génétiques et leur transmission, permettant ainsi une meilleure prise en charge et prévention.