ADN, gènes, allèles et mutations : comparer des séquences simples

Les séries de résultats de ces exercices sont construites pour l'activité et ne proviennent pas d'une étude réelle.

Relier ADN, gène, allèle et mutation

Les concepts à distinguer

L'ADN (acide désoxyribonucléique) est une molécule très longue formée de deux brins enroulés en double hélice. Chaque brin est une succession de nucléotides, qui se distinguent par leur base : A (adénine), T (thymine), C (cytosine) et G (guanine). L'ordre des bases forme la séquence. Chez l'être humain, l'ADN se trouve dans le noyau des cellules qui en possèdent un, organisé en chromosomes. Les globules rouges matures, qui n'ont pas de noyau, font exception.

Un gène est une portion d'ADN dont la séquence contient l'information nécessaire pour fabriquer une molécule, le plus souvent une protéine. Une protéine est une chaîne d'acides aminés. Dans la partie codante d'un gène, les bases se lisent par groupes de trois, les codons. Chaque codon correspond à un acide aminé précis ou à un signal d'arrêt. Plusieurs codons différents peuvent désigner le même acide aminé. La forme d'une protéine dépend de l'ordre de ses acides aminés, donc de la séquence du gène. Les protéines, par exemple les enzymes, interviennent dans le fonctionnement des cellules et contribuent ainsi au caractère observable, le phénotype.

Un même gène peut exister sous plusieurs versions, les allèles, qui diffèrent par quelques nucléotides. Dans une cellule qui possède deux exemplaires de chaque chromosome, on trouve deux allèles du gène, un hérité de chaque parent. Si ces allèles sont identiques, l'individu est homozygote pour ce gène, sinon il est hétérozygote. L'ensemble des allèles forme le génotype. Le phénotype dépend du génotype et parfois aussi de l'environnement.

Les mutations

Une mutation est une modification de la séquence d'ADN. Elle se produit au hasard, par exemple lors d'une erreur de copie de l'ADN avant une division cellulaire, ou sous l'effet d'agents mutagènes. Elle ne survient jamais pour répondre à un besoin de l'organisme. On distingue :

• la substitution : une base est remplacée par une autre ;
• la délétion : une ou plusieurs bases disparaissent ;
• l'insertion : une ou plusieurs bases s'ajoutent.

Les conséquences sur la protéine sont variables. Une mutation silencieuse conserve le même acide aminé. Une mutation faux-sens remplace un acide aminé par un autre. Une mutation non-sens crée un codon d'arrêt prématuré et la protéine est raccourcie. Une délétion ou une insertion d'un nombre de bases qui n'est pas un multiple de trois décale le cadre de lecture : tous les codons situés après le site sont lus autrement. Selon l'environnement, une mutation peut être sans effet, défavorable ou, plus rarement, favorable.

Lors de la reproduction sexuée, une mutation n'est transmise à la descendance que si elle touche une cellule qui donne des gamètes. Une mutation dans une cellule de la peau ne se transmet pas aux enfants. (Une mutation survenue dans une cellule non reproductrice peut en revanche être propagée par reproduction végétative chez les organismes qui se multiplient ainsi.) Les mutations transmises par les gamètes créent de nouveaux allèles : elles sont l'origine de la diversité des allèles.

Dominance

Chez un hétérozygote, l'allèle dominant est celui dont l'effet apparaît dans le phénotype, l'allèle récessif est celui dont l'effet est masqué. La dominance décrit donc une relation entre phénotypes. Elle ne signifie pas que l'allèle récessif est absent ou inactif : il est copié, conservé et transmis comme les autres. Souvent, un seul allèle fonctionnel suffit à produire assez de protéine pour un phénotype normal.

Exemple analysé

Soit le fragment de gène ATG CAA GGT TTC TGA. Avec le code génétique, il donne Met, Gln, Gly, Phe, puis un arrêt (TGA). Si la base 4 passe de C à T, le deuxième codon devient TAA, un codon d'arrêt : la lecture s'interrompt après Met. C'est une substitution non-sens, et la protéine passe de quatre acides aminés à un seul. Si au contraire la base 9 de GGT passe de T à C, GGC code toujours Gly : la substitution est silencieuse et la protéine ne change pas. Une seule base modifiée peut donc avoir un effet nul ou considérable.

Un piège fréquent

Beaucoup d'élèves pensent que plus une mutation touche de nucléotides, plus elle est grave. C'est faux. La gravité dépend du codon obtenu, de la place de la modification dans la séquence et du rôle de la protéine. Une substitution d'une seule base peut supprimer toute la fonction, alors que la perte d'un codon entier peut être sans conséquence notable.

Les séries de résultats de ces exercices sont construites pour l'activité et ne proviennent pas d'une étude réelle.

Situation-problème

Données pédagogiques simplifiées. Une espèce fictive de plante, la linaire d'Alvor, fabrique un pigment violet grâce à une enzyme dont le gène existe sous plusieurs allèles. Un laboratoire scolaire dispose de la séquence d'un fragment de ce gène chez cinq lignées, ainsi que de mesures réalisées sur cinq plantes cultivées dans les mêmes conditions. Votre mission : expliquer comment des différences de séquence peuvent modifier la couleur des fleurs, puis interpréter le résultat d'un croisement. Vous n'utilisez que les documents ci-dessous, et vous ne cherchez pas à montrer que ces résultats valent pour toutes les plantes à fleurs.

Document 1 : séquences du fragment codant

Le brin codant est donné de gauche à droite. La lecture commence à ATG et s'arrête au premier codon d'arrêt. L'allèle A1 est la séquence de référence. Les nucléotides sont numérotés de 1 à 21 à partir du A de ATG. Il s'agit d'un fragment partiel et illustratif : la protéine complète réelle compte plusieurs centaines d'acides aminés, et la fonction d'une enzyme ne se déduit pas d'un fragment seul. Dans ce modèle, on lit uniquement le fragment, jusqu'au premier codon d'arrêt.

Extrait du code génétique : ATG = Met ; GAA = Glu ; GTA = Val ; CTT et TTA = Leu ; AAA et AAG = Lys ; GGC = Gly ; GCT = Ala ; TAC et TAT = Tyr ; ACT = Thr ; TAA et TGA = arrêt.

Document 2 : mesures et croisement

L'activité de l'enzyme est mesurée sur un extrait de pétales, en unités arbitraires par milligramme (u.a./mg). La couleur est identique sur les 10 fleurs observées par plante.

Compte rendu de croisement : deux plantes de génotype A1/A3 sont croisées. Elles donnent 80 descendants, dont 63 à fleurs violettes et 17 à fleurs blanches.

Exercice 1 : lire et traduire les séquences

1. Comparez chaque allèle A2 à A5 à l'allèle A1. Pour chacun, indiquez le rang du nucléotide concerné, la base avant et après, et le type de mutation (substitution ou délétion).
2. Traduisez les allèles A1 à A5 en suites d'acides aminés avec le code du document 1. Pour A5, donnez les acides aminés des codons complets.
3. Qualifiez chaque mutation : silencieuse, faux-sens, non-sens ou décalage du cadre de lecture.
4. A2 et A3 résultent chacun d'une substitution d'une seule base, pourtant leurs conséquences diffèrent. Expliquez pourquoi.

Exercice 2 : relier génotype, protéine et activité

1. Calculez, pour les plantes P1 à P5, le pourcentage d'activité enzymatique par rapport à P1 (arrondi à l'unité).
2. Si chaque exemplaire fonctionnel de l'allèle A1 apportait la même quantité d'enzyme, quelle activité attendrait-on pour P3 ? Comparez à la valeur mesurée.
3. Calculez la part de la longueur du fragment traduit de référence (en acides aminés) obtenue avec l'allèle A3. Précisez ce que ce pourcentage représente et ce qu'il ne représente pas par rapport à la protéine complète. Proposez une explication prudente cohérente avec l'activité nulle de P4.
4. On veut vérifier que la couleur rose très pâle de P5 est due à l'allèle A4 et non aux conditions de culture. Rédigez un protocole comparatif : facteur testé, facteurs maintenus constants, nombre de plantes par génotype, mesure réalisée.

Exercice 3 : argumenter à partir du croisement

1. Dressez l'échiquier du croisement A1/A3 × A1/A3. Donnez les génotypes possibles et leur probabilité, puis la probabilité d'obtenir une plante à fleurs blanches.
2. Calculez les effectifs attendus sur 80 descendants et comparez-les aux effectifs observés. Chiffrez l'écart. Cet écart remet-il en cause le modèle ?
3. Parmi les descendants à fleurs violettes, quelle proportion attendue porte l'allèle A3 ? Le phénotype suffit-il pour la reconnaître ?
4. Un élève écrit : « Les plantes blanches n'ont pas le gène de la couleur, et l'allèle A3 est apparu parce que la plante avait besoin de fleurs blanches. » Critiquez ces deux affirmations avec les documents et le cours.
5. Donnez une limite à ce qu'on peut conclure de ces données.

Correction complète

Exercice 1 : correction

1. A2 : rang 18, C remplacé par T, substitution (TAC devient TAT). A3 : rang 10, A remplacé par T, substitution (AAA devient TAA). A4 : rang 5, A remplacé par T, substitution (GAA devient GTA). A5 : le C de rang 7 a disparu, délétion d'un nucléotide, ce qui explique les 20 nucléotides.
2. A1 : Met, Glu, Leu, Lys, Gly, Tyr, arrêt (6 acides aminés). A2 : identique à A1. A3 : Met, Glu, Leu, puis arrêt (3 acides aminés). A4 : Met, Val, Leu, Lys, Gly, Tyr (6 acides aminés). A5 : Met, Glu, Leu, Lys, Ala, Thr, puis il reste GA, sans codon d'arrêt lu.
3. A2 : silencieuse. A3 : non-sens. A4 : faux-sens (Glu remplacé par Val). A5 : décalage du cadre de lecture, car une seule base est perdue.
4. Les deux mutations changent une base, mais pas le même codon. TAC et TAT désignent tous deux Tyr, donc la protéine est inchangée. AAA devient TAA, un codon d'arrêt, donc la protéine est tronquée. L'effet dépend du codon obtenu, pas du nombre de bases modifiées.

Critères de réussite : rangs corrects, traduction complète, vocabulaire exact. Pour A5, remarquez que Leu et Lys restent identiques à A1 : le décalage ne modifie pas toujours immédiatement l'acide aminé, mais les codons suivants (Ala, Thr) diffèrent de Gly et Tyr.

Exercice 2 : correction

1. P1 : 80/80 = 100 %. P2 : 79/80 = 98,75 %, soit environ 99 %. P3 : 41/80 = 51,25 %, soit environ 51 %. P4 : 0 %. P5 : 5/80 = 6,25 %, soit environ 6 %.
2. Un seul exemplaire fonctionnel sur deux donnerait 80 / 2 = 40 u.a./mg. La valeur mesurée, 41 u.a./mg, en est très proche (1 u.a./mg d'écart). Un seul allèle A1 suffit donc à produire de l'enzyme et une fleur violette.
3. Avec A3, le fragment traduit compte 3 acides aminés sur 6, soit 3/6 = 50 % du fragment traduit de référence. Ce pourcentage ne concerne que ce fragment partiel et illustratif, pas la protéine complète, qui compte en réalité plusieurs centaines d'acides aminés. Le fragment commençant par ATG, l'arrêt survient très tôt dans la lecture : la protéine complète serait donc fortement raccourcie, privée de la quasi-totalité de sa séquence. Une protéine aussi tronquée a peu de chances de se replier en enzyme active, ce qui est cohérent avec l'activité nulle mesurée pour P4 et ses fleurs blanches. C'est une explication cohérente, pas une preuve : la forme de la protéine n'est pas observée, et on ne déduit pas la fonction d'une enzyme d'un fragment seul.
4. Facteur testé : le génotype (A4/A4 contre A1/A1). Facteurs constants : lumière, température, arrosage, substrat, âge et stade de floraison, partie de la plante prélevée. Répétitions : au moins 10 plantes par génotype, pour ne pas conclure sur un individu isolé. Mesures : activité enzymatique par la même méthode, et couleur évaluée de la même façon. On compare ensuite les moyennes des deux groupes.

Critères de réussite : calculs avec unités, comparaison chiffrée, protocole qui ne modifie qu'un facteur à la fois.

Exercice 3 : correction

1. Chaque parent donne A1 ou A3 avec une probabilité de 1/2. On obtient A1/A1 (1/4), A1/A3 (1/2) et A3/A3 (1/4). Les fleurs sont blanches seulement pour A3/A3, soit une probabilité de 1/4 (25 %).
2. Attendus : 80 × 1/4 = 20 blanches et 60 violettes. Observés : 17 blanches et 63 violettes, soit un écart de 3 plantes, c'est-à-dire 3/80 = 3,75 % de l'effectif. Cet écart est modéré et s'explique par le hasard de la rencontre des gamètes : il ne remet pas en cause le modèle. Les effectifs ne sont pas censés tomber exactement sur les valeurs attendues.
3. Parmi les violettes (3/4 des descendants), les A1/A3 représentent 1/2, soit (1/2)/(3/4) = 2/3, environ 67 %. Cela fait environ 40 plantes sur 60 attendues. Le phénotype ne permet pas de les distinguer des A1/A1 : il faudrait lire la séquence du gène ou les croiser avec des plantes A3/A3.
4. Première affirmation : fausse. Une plante blanche A3/A3 possède bien le gène, mais ses deux allèles sont non fonctionnels (codon d'arrêt, activité nulle). Seconde affirmation : fausse. Une mutation survient au hasard, pas pour répondre à un besoin. Les documents montrent seulement qu'une substitution a produit A3 et que cet allèle est ensuite transmis. De plus, A1 est dominant sur A3 pour le phénotype, mais A3 n'a pas disparu chez les hétérozygotes puisque des plantes blanches apparaissent dans la descendance.
5. Il s'agit d'une espèce fictive, d'un seul croisement et de 80 descendants : on ne peut pas généraliser à d'autres gènes ou espèces. Les résultats illustrent un modèle, ils ne le démontrent pas universellement.

Critères de réussite : probabilités exactes, comparaison chiffrée attendus et observés, distinction nette entre phénotype et génotype, vocabulaire rigoureux.