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Cours de Génétique |
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cours
rédigé par M. Silar
Cours rédigé par Mme Gonzy
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Les modalités
d'apparition des mutations Les mutations résultent de deux grands
types de phénomènes. (1) la fidélité de la transmission du
matériel génétique n'est pas de 100%. Ceci dérive de plusieurs processus dont
la tautomérisation de certaines bases qui peuvent entraîner des appariements
illégitimes qui ne seront pas détectés et qui pourront donc donner naissance
à des mutations au tour de réplication suivant. (2) l'ADN subit des lésions qui sont
réparées plus ou moins efficacement (cliquez ici pour
en savoir plus). Par exemple, la dépurination des bases GC, la désamination
des cytosines ou l'oxydation de bases entraîne la formation de lésions qui au
moment de la réplication peuvent poser des problèmes. Cliquez ici pour en savoir plus. Ceci peut être
très fréquent: on estime qu'une cellule animale perd environ 500 purines à
l'heure. Il existe donc des mécanismes de réparation de ces lésions qui
malheureusement n'ont pas une efficacité de 100%. Je vous renvoie au chapitre ad hoc pour approfondir les
mécanismes en jeu chez Escherichia coli. Voyons plus en détail l'aspect génétique du phénomène. Le problème de l'apparition des mutations n'est pas trivial et il est
encore débattu aujourd'hui. En effet, si la majorité des généticiens
s'accordent pour dire que les mutations se produisent au hasard, il en existe
quelques-uns qui pensent que celles-ci pourraient être induites par le
milieu. Il faut comprendre induite non pas comme "ayant une fréquence
augmentée par le milieu" car nous verrons qu'effectivement des
conditions de milieu peuvent augmenter de manière considérable le taux de
mutation, mais plutôt dirigées par le milieu. Des expériences récentes ont
fait resurgir ce débat qui malheureusement sort du cadre de ce cours. Quoi
qu'il en soit, des expériences ont clairement montré que les mutations
apparaissent spontanément. La première démonstration convaincante de ceci a
été faite grâce à ce que l'on appelle aujourd'hui le test de fluctuation.
Prenons l'exemple qu'étudiait Salvator Luria et Max Delbrück (1943) et qui a permis d'apporter la
première démonstration que les mutations apparaissent spontanément avant le
traitement qui permet de les révéler. Ces chercheurs étudiaient la résistance
d'Escherichia coli B au phage a. Pour révéler les bactéries
résistantes, ils mettaient en cultures des bactéries sensibles, les
laissaient pousser, puis ajoutaient des phages et étalaient la culture sur
des boites de Petri. Seules les bactéries résistantes donnaient naissance à
des colonies (facilement comptables !). Ils essayaient de mesurer la
fréquence d'apparition de bactéries résistantes au phage et observaient de
grandes fluctuations dans leurs résultats. Ils ont raisonné justement que
cette fluctuation était en fait due à l'apparition stochastique des mutations
et pourrait donc permettre de trancher entre les deux hypothèses du moment: Hypothèse I: les mutations de résistance
apparaissent dans la bactérie spontanément avec une probabilité fixe avant
leur exposition au phage. Hypothèse II: les mutations sont induites avec une
certaine probabilité dans la bactérie par le contact avec le phage. En
d'autre terme, il existe une petite probabilité qu'une bactérie résiste à
l'attaque d'un phage et si elle résiste, elle et ses descendants acquièrent
alors une immunité contre le phage. Pour faire la différence, observons ce
qui se passe dans le cas des deux hypothèses si plusieurs cultures sont
faites en parallèle.
Donc Luria a fait l'expérience
(Delbrück ayant fait le développement théorique de l'idée de Luria) et a
obtenu les résultats suivants: exemple (parmi 3 expériences témoin)
de résultats obtenus si une culture est divisée en 10 et étalée sur 10 boîtes
:
moyenne= 16,7 L'analyse statistique montre que ces deux chiffres ne sont pas différents.
Donc la procédure d'étalement n'introduit pas de variation significative
autre que l'échantillonnage au hasard. exemple (parmi 10 expériences) de
résultats obtenus si plusieurs cultures sont faites en parallèle et étalées
sur des boites séparées dans les conditions de l'expérience témoin:
moyenne= 11,35 CQFD: il est clair que c'est l'hypothèse
n°1 (les mutations préexistent à leur révélation) qui est la bonne ! De plus cette expérience nous permet
de bien saisir la différence entre taux de mutant et taux de mutation. En effet, le nombre de mutants
observés dans une culture résulte du nombre de mutations apparues et du
nombre de divisions que la bactérie mutante a pu faire avant la révélation.
Le taux de mutant est donc variable d'une expérience à une autre en fonction
du hasard de l'apparition des mutations. Au contraire, le taux de mutation
est constant (si les conditions expérimentales sont constantes) et les
mutations apparaissent au hasard (c'est dire suivant une loi de Poisson !). S'il est facile de calculer le taux de
mutants, quid du taux de mutation ? Le test de fluctuation fait ci-dessus
permet de le calculer: pour ceci, il faut s'intéresser aux cultures qui ne
donne pas de mutants résistants. On admet que chacune des cultures a été
initiée avec le même nombre n0 de bactérie au début et contient le même
nombre de bactéries n à la fin. Il s'est donc passé n-n0 divisions dans
chacune des cultures. Si P est la probabilité de muter en souche résistante à
chaque division (taux de mutation par unité de génération), la proportion de
cultures sans mutant (f que l'on mesure dans l'expérience) est égale à la
probabilité d'observer 0 mutation après toutes ces n-1 divisions, soit (1-p)n-n0.
De là, on tire que p= 1-
e ln f / n-n0. Par exemple dans une de leurs
expériences, Luria et Delbrück ont effectué 87 cultures, parmi celles-ci, 29 ne
présentaient pas de colonies résistantes. Ces cultures ont été ensemencées
avec 50-500 bactéries et contenaient à la fin environ 2.4 108 bactéries,
d'où l'on tire que le taux de mutation est de: p= 1- e ln f / n-n0 =
4,5 10-9 mutations / division cellulaire Une autre expérience a permis de
montrer plus simplement le même résultat. C'est la réplique sur velours de
mutants de prototrophie à partir d'une souche auxotrophe chez la levure par Joshua et Esther Lederberg (1952). Des levures sont étalées sur du milieu complet, et ensuite repiquées
grâce à du velours sur du milieu minimum. Sur ce milieu, les mutants
prototrophes poussent et sont facilement repérables. Il suffit ensuite de
retourner vers la boîte de milieu complet pour constater que les levures de
la colonie initiale de les repiquer sur du milieu minimum et de constater que
la toutes les cellules de la colonie sont aussi prototrophes, et que donc, ce
n'est pas le milieu qui a provoqué la mutation d'auxotrophie vers la
prototrophie. Ce résultat est l'un des plus
fondamental de la biologie car, combiné avec le processus de sélection
naturelle énoncé par Darwin,
il a permis de proposer une hypothèse non finaliste de l'évolution de la vie
que l'on désigne sous le terme de néodarwinisme. En effet, "un oeil n'a pas été
créé dans le but de voir" même s'il sert à ça, mais les organismes
possèdes des yeux car (1) aléatoirement par le biais de mutations, certains
ont acquis la capacité de détecter la lumière et (2) par ce fait, ils ont été
avantagés par rapport à ceux qui en étaient dépourvus au niveau de leur
reproduction, probablement parce que les yeux leur permettaient une meilleure
connaissance du milieu alentour. Notez que le débat fait toujours rage pour
savoir si cette évolution est obligatoirement progressive (c.a.d. que
l'établissement de l'œil résulte de la succession de plusieurs mutations) ou
s'il est possible de faire des sauts (c.a.d. qu 'un "proto-œil"
efficace est apparu à la suite d'une seule mutation). |
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