Génétique Mendélienne : Concepts, Lois et Exceptions

Génétique et Hérédité : Organisation et Concepts Fondamentaux

Ce cours, identifié comme I3SCV01, est divisé en deux parties principales : la Génétique Mendélienne (5 CM et 5 TD) et la Génétique des Populations et Quantitatives (5 CM et 4 TD). Un examen final, noté sur 20 points, aura lieu le 10 décembre 2025 et permettra d'obtenir 3 crédits ECTS.

Objectifs du Cours

Les bases de la génétique sont essentielles pour comprendre la sélection animale et végétale (UE 13AGR05). La sélection porte sur des caractères spécifiques au sein de populations, et seule la composante génétique de ces caractères est transmise à la descendance, l'environnement jouant également un rôle.

Ce que vous savez déjà :

• A1 : La cellule - son fonctionnement : Chromosomes, mitose et méiose.
• A2 : Génétique moléculaire : Définition, structure, expression et régulation des gènes, marqueurs moléculaires.
• Collège et Lycée : Notions de génétique Mendélienne (pois, drosophiles, maladies génétiques humaines) et de génétique des populations (groupes sanguins, système HLA).

Objectifs du cours de Génétique Mendélienne

Caractères monogéniques - étude d'un seul gène :

• Écrire correctement les génotypes et les phénotypes.
• Différencier chromosome, locus, gène, allèles.
• Utiliser un vocabulaire précis : homozygote, hétérozygote, hémizygote, homogamétique, hétérogamétique.
• Reconnaître et appliquer les lois de Mendel.
• Identifier et définir les exceptions apparentes aux lois de Mendel pour un gène.
• Construire un tableau de croisement (grille de Punnett).
• Déterminer des génotypes dans un arbre généalogique.
• Calculer un génotype en cas d'incertitude parentale.
• Prévoir les descendances pour un gène lié au sexe ou des allèles létaux.

Caractères monogéniques - étude de deux gènes indépendants (ou plus) :

• Construire un tableau de croisement pour deux ou trois gènes.
• Appliquer la troisième loi de Mendel pour prédire la descendance de di-hybrides, y compris en cas de codominance ou de gène létal récessif.
• Prévoir les fréquences de gamètes, phénotypes et génotypes pour des n-hétérozygotes.
• Calculer la fréquence (ou probabilité) d'un génotype ou phénotype spécifique.

Caractères monogéniques - étude de deux gènes liés :

• Expliquer la différence entre brassage inter- et intrachromosomique.
• Représenter les chromosomes en méiose et le crossing-over.
• Différencier les situations CIS et TRANS.
• Établir un tableau de croisement pour le test cross d'un hétérozygote et donner les fréquences gamétiques en fonction de r (taux de recombinaison).
• Calculer le taux de recombinaison (et la distance d) à partir d'un test cross.
• Calculer une fréquence de descendants en utilisant une carte génétique.
• Effectuer un « test trois points ».
• Expliquer l'intérêt d'un marqueur moléculaire pour établir une carte génétique.
• Comprendre la notion de Locus Associé à un caractère quantitatif (QTL).

Plan du cours

1. Concepts : Phénotype, génotype, dominance.
2. Génétique Mendélienne : Lois de Mendel et exceptions apparentes (un gène, deux gènes ou plus, cartographie génétique).
3. Utilisation des marqueurs et cartographie génétique.
4. Plusieurs gènes pour un caractère : Interactions entre gènes, introduction à la génétique quantitative.

I - CONCEPTS

I.1 Caractères et phénotypes

Un caractère est une caractéristique observable d'un organisme (taille, forme, couleur, comportement). Les caractères sont influencés par des facteurs génétiques, épigénétiques, environnementaux et leurs interactions.

Le phénotype est la valeur particulière d'un ou plusieurs caractères d'un être vivant. Il est la résultante de l'interaction entre les gènes et l'environnement (P = G x E).

Les travaux de Gregor Mendel

Gregor Mendel (1822-1865), moine universitaire et chercheur rigoureux, a mené des travaux sur les pois. Il a sélectionné 7 caractères variables et faciles à distinguer (ex: couleur des graines, forme des graines, taille de la plante) et a testé leur stabilité sur deux ans pour obtenir des lignées pures. Ses croisements et l'étude des descendances ont permis de valider ses hypothèses sur la transmission des caractères, menant aux lois de la génétique.

Exemple : Le caractère « forme de la graine »

Deux phénotypes étudiés (caractère polymorphe) :

• [Lisse]
• [Ridé]

Exemple : Le caractère « taille de la plante »

Deux phénotypes étudiés :

• [Grande]
• [Naine]

Même un caractère simple peut être influencé par l'environnement.

Quizz résumé

• Mendel a vécu au 19^e siècle (contemporain de Charles Darwin).
• Un caractère peut présenter plusieurs phénotypes.

I.2 Chromosome, gènes, locus, allèles

• Plus de 90% de l'ADN est non codant.
• Pour une espèce donnée, les emplacements des gènes (locus) sont fixés.
• De nombreux allèles sont possibles pour chaque gène, mais un individu diploïde n'en possède que 2 au maximum.

I.3 La relation entre allèles (dominance)

Un génotype est défini par l'énoncé de ses 2 allèles (pour une espèce diploïde 2n). La relation entre ces allèles influence le phénotype.

• Deux allèles identiques (ex: AA ou aa) = génotype homozygote.
• Deux allèles différents (ex: Aa ou A₁A₂) = génotype hétérozygote.

Qu'est-ce que la dominance ?

La dominance est la conséquence sur le phénotype d'une relation entre allèles.

• Si les deux allèles contribuent équitablement au phénotype (ex: phénotype [A₁A₂]), on parle de codominance.
• Si un allèle masque l'expression de l'autre (ex: phénotype [A₁] pour un génotype A₁A₂), alors A₁ domine A₂.

Quizz résumé (8 questions)

1. Un caractère simple (dit Mendélien) peut subir l'effet de l'environnement : Vrai
2. Mendel connaissait l'existence des chromosomes : Faux
3. Il peut exister un grand nombre d'allèles pour un gène donné : Vrai
4. Pour un gène donné, un individu peut posséder un nombre quelconque d'allèles : Faux (max 2 pour diploïde)
5. Pour une espèce donnée, un gène peut être à un locus différent selon les individus : Faux (locus fixe)
6. On écrit un génotype entre crochets [] : Faux (phénotype entre crochets, génotype sans)
7. Un allèle dominant sur un autre peut devenir récessif devant un troisième : Vrai
8. La dominance n'est pas une caractéristique intrinsèque d'un allèle : Vrai (c'est une relation)

En conclusion des concepts :

• Gène => locus invariable (toujours à la même position).
• Organisme diploïde => 2 allèles pour un gène.
• Dominance => relation entre allèles.

II - La génétique Mendélienne

II.1.1 - Les lois de Mendel

a) Première loi : Loi d'homogénéité de la F1

Lorsqu'on croise deux lignées pures de phénotypes différents, la descendance (F1) est uniforme et exprime l'allèle dominant (ou la codominance). Si 100% de la descendance est de phénotype [lisse] à partir de parents [lisse] (LL) et [ridé] (ll), alors l'allèle L est dominant sur l.

Exemple : Croisement LL (lisse) x ll (ridé) → F1 : Ll (lisse). Les gamètes sont haploïdes (1n), ne portant qu'un seul allèle.

b) Seconde loi : Loi de disjonction des allèles et fécondation aléatoire (F2)

Le croisement d'individus F1 (hétérozygotes) entre eux (ou autofécondation) produit une F2 avec une ségrégation des phénotypes et des génotypes.

Exemple : Croisement Ll x Ll

Grille de Punnett :

Résultats en F2 :

• Ségrégation des phénotypes : 3 [lisse] : 1 [ridé] (ratio 3:1).
• Ségrégation des génotypes : 1 LL : 2 Ll : 1 ll (ratio 1:2:1). En cas de codominance, les phénotypes suivent aussi le ratio 1:2:1.

Cette loi implique une diminution des hétérozygotes de génération en génération en cas d'autofécondation.

c) Outil de validation : Le test-cross

Un test-cross est un croisement entre un individu de phénotype dominant (génotype inconnu, ex: L?) et un individu homozygote récessif (individu testeur, ex: ll). Les proportions phénotypiques de la descendance révèlent le génotype de l'individu testé.

• Si l'individu testé est hétérozygote (Ll) : la descendance montrera une proportion 1:1 de phénotypes dominants et récessifs (ex: 1 Ll [lisse] : 1 ll [ridé]).
• Si l'individu testé est homozygote dominant (LL) : 100% des descendants présenteront le phénotype dominant (ex: 100% Ll [lisse]).

Le testeur récessif (ll) ne produit qu'un seul type de gamète (l), donc les proportions phénotypiques des descendants sont égales aux proportions gamétiques du parent testé.

Quizz résumé

1. On croise deux lignées pures de même phénotype et les descendants sont tous identiques : c'est l'expression de la loi d'homogénéité de la F1 : Faux (lignées pures de phénotypes différents).
2. Pour un test cross, le testeur doit être homozygote récessif : Vrai
3. Les descendants d'un test cross ont la même fréquence que les allèles du parent testé : Vrai

Points clés - Conclusion des lois de Mendel

• Première loi (homogénéité) : Croisement de lignées pures de phénotypes différents → descendance uniforme exprimant l'allèle dominant (ou codominance).
• Seconde loi (ségrégation aléatoire) : Croisement de parents hétérozygotes → descendance répartie en 3/4 [phénotype dominant] + 1/4 [phénotype récessif]. Si ce n'est pas le cas, les parents ne sont pas hétérozygotes ou il y a une anomalie.
• Test-cross : Utilise un testeur homozygote récessif. La descendance révèle les fréquences alléliques de l'individu testé.

II.1.2 – Les exceptions aux lois de Mendel

1 - Variation de dominance

• Codominance : Apparition d'un nouveau phénotype chez les hétérozygotes, où les deux allèles contribuent équitablement (ex: groupe sanguin AB).
• Pénétrance incomplète : Un allèle dominant n'est pas toujours exprimé chez tous les hétérozygotes.
  • Exemple : la polydactylie (allèle P dominant) n'est exprimée que chez 60% des porteurs Pp. La pénétrance est de 60%.
• Expressivité variable : Un allèle dominant ne s'exprime pas toujours avec la même intensité selon les individus.
  • Exemple : l'allèle "Lobe" chez la drosophile peut entraîner des variations dans la forme de l'aile.
• Inversion de dominance : Un allèle dominant dans certaines conditions (sexe, environnement) devient récessif dans d'autres.
  • Exemple : la calvitie chez l'homme (allèle dominant chez les mâles, récessif chez les femelles).
  • Exemple : les cornes chez les ovins (allèle P dominant chez les mâles, récessif chez les femelles).

Quizz résumé

Il existe une forme héréditaire de la prédisposition à l'hypercholestérolémie. Elle est déterminée par un allèle dominant et sa pénétrance est 80% :

• Cela veut dire que 80% des porteurs de cet allèle seront atteints.

2 - Gène létal

Un gène létal est un gène dont la présence, sous certaines combinaisons alléliques, entraîne la mort de l'individu.

Exemple : Gène « White dominant » chez le cheval (allèle W dominant sur w pour la couleur).

• Le génotype WW est létal.
• Les individus Ww sont blancs.
• Les individus ww sont de couleur normale.

Si on croise deux chevaux blancs (Ww x Ww), la descendance attendue est 1 WW : 2 Ww : 1 ww. Cependant, les WW meurent, ce qui modifie les proportions phénotypiques viables en 2/3 Ww [blanc] : 1/3 ww [normal]. La ségrégation des phénotypes est alors de 2:1.

3 - Gène lié au sexe

Les gènes liés au sexe sont portés par les chromosomes sexuels (X, Y, Z, W). Les croisements réciproques entre lignées pures ne donnent pas le même résultat.

• Système XY (mâles hétérogamétiques) : Mâles (XY) produisent des gamètes X ou Y. Femelles (XX) produisent des gamètes X.
  • Exemple : Couleur des yeux chez la drosophile (gène sur X). Allèle R (rouge) dominant sur W (blanc).
  • Si une femelle [rouge] (X^RX^R) est croisée avec un mâle [blanc] (X^WY), la F1 sera 100% [rouge] (X^RX^W femelles, X^RY mâles).
  • Si une femelle [blanc] (X^WX^W) est croisée avec un mâle [rouge] (X^RY), la F1 sera des femelles [rouge] (X^RX^W) et des mâles [blanc] (X^WY).
• Système ZW (femelles hétérogamétiques) : Femelles (ZW) produisent des gamètes Z ou W. Mâles (ZZ) produisent des gamètes Z.
  • Exemple : Abraxas.

Les individus hémizygotes (mâles XY ou femelles ZW) expriment un allèle récessif porté par leur unique chromosome sexuel (X ou Z), car il n'y a pas de second allèle pour masquer son expression. La dominance est une propriété de relation entre allèles, nécessitant au moins deux allèles.

Transmission des allèles récessifs liés au sexe :

• Transmission matrocline (mères aux fils) : Caractères récessifs transmis des mères aux fils (type XY ou XO).
• Transmission patrocline (pères aux filles) : Caractères récessifs transmis des pères aux filles (type ZW ou ZO).

Application : Hémophilie

Un homme découvre que son fils est hémophile (maladie récessive liée à l'X). Il n'y a pas de cas dans sa famille ni dans celle de sa femme. Son meilleur ami est hémophile. Peut-il en déduire que sa femme l'a trompé ? NON. Il faudrait vérifier si sa femme est porteuse de la mutation récessive. Si elle est porteuse (X^HX^h), elle peut transmettre l'allèle à son fils sans être elle-même malade.

Diversité des systèmes de détermination du sexe :

• Plantes dioïques : Mâles et femelles sur des plantes différentes (ex: Silene latifolia).
• Plus d'une paire de chromosomes sexuels.
• Haplodiploïdie : Le sexe est déterminé par le nombre de jeux de chromosomes. Les mâles sont haploïdes (développés à partir d'œufs non fécondés), les femelles sont diploïdes (développées à partir d'œufs fécondés).
  • Exemple : Abeilles.

Quizz résumé

1. La calvitie est due à un allèle dominant chez les hommes et récessif chez les femmes : c'est un gène lié au sexe : Faux (c'est une inversion de dominance, pas une liaison au sexe stricte).
2. Certaines maladies métaboliques sont dues à un allèle dominant, mais tous les porteurs ne sont pas atteints : on parle de pénétrance incomplète : Vrai
3. Un allèle létal ne peut pas être dominant pour la létalité : Faux (il peut être dominant, mais souvent on parle de létalité récessive où l'homozygote récessif est létal).
4. Si un phénotype est transmis par le chromosome Y, un père le transmettra à un fils sur deux : Faux (il le transmettra à tous ses fils).

Cas particulier d'un gène porté par Y :

• Transmission du père à tous ses fils (caractère holandrique).
• Exemple : Hypertrichose des oreilles.

Cas particulier d'un gène porté par W (chez les ZW) :

• Transmission uniquement de la mère vers toutes ses filles.

Inactivation du chromosome X (chez les femelles mammifères) :

• Découverte du corpuscule de Barr (Murray Barr, 1948) : chromatine sombre observée dans les cellules des femelles.
• Hypothèse de compensation de dose (Mary Lyon, 1966) : Inactivation aléatoire d'un des deux chromosomes X chez les femelles pour équilibrer la dose de gènes entre mâles (XY) et femelles (XX).
• Les femelles XXX ont deux corpuscules de Barr ; les mâles XXY (syndrome de Klinefelter) ont un corpuscule de Barr.
• Se produit très tôt lors de l'embryogenèse.
• Conséquence : Les femelles sont des « mosaïques » de deux types de cellules (certaines exprimant l'X paternel, d'autres l'X maternel).
• Exemple des chats : Le gène de la couleur du pelage est porté par l'X (O = orange, + = noir).
  • Femelles X⁺X⁺ (noires), X^OX^O (rousses), X⁺X^O (bicolores ou "écaille de tortue").
  • Mâles X⁺Y (noirs), X^OY (roux).
  L'inactivation aléatoire de l'X chez les femelles X⁺X^O produit une mosaïque visible sur le pelage.

II.2.1 – La 3e Loi de Mendel : Loi de ségrégation indépendante des caractères

Cette loi s'applique lorsque l'on étudie la transmission de deux caractères monogéniques (ou plus) portés par des gènes indépendants (situés sur des chromosomes différents ou très éloignés sur le même chromosome).

Rappel : Le brassage interchromosomique

Pendant la méiose, les chromosomes homologues se séparent de manière aléatoire, ce qui signifie que chaque gamète reçoit un allèle de chaque gène, et la distribution de ces allèles est indépendante entre les gènes non liés.

Exemple de Mendel : Deux caractères monogéniques étudiés en même temps

Caractère 1 : Forme du pois ([lisse] (L) dominant sur [ridé] (l)).

Caractère 2 : Couleur du pois ([jaune] (J) dominant sur [vert] (j)).

Croisement de lignées pures :

• Parent 1 : [Jaune et Lisse], génotype JJLL, produit des gamètes JL.
• Parent 2 : [Vert et ridé], génotype jjll, produit des gamètes jl.

Descendance F1 : Tous les descendants sont [Jaune et Lisse] et de génotype JjLl (double hétérozygote). La F1 est uniforme, confirmant la 1ère loi de Mendel.

Gamètes de la F1 (JjLl) : Grâce au brassage interchromosomique, la F1 produit 4 types de gamètes en proportions égales (1/4 chacun) : JL, Jl, jL, jl.

Grille de croisement (F2) : Croisement de F1 x F1 (JjLl x JjLl)

Le tableau de croisement (grille de Punnett) pour deux gènes indépendants aura 16 cases (4 types de gamètes x 4 types de gamètes).

Résultats en F2 :

La 3e loi de Mendel stipule que les caractères se ségrègent indépendamment. Les proportions phénotypiques en F2 sont le produit des proportions de chaque caractère pris individuellement.

• Pour la couleur : 3/4 [Jaune] : 1/4 [Vert]
• Pour la forme : 3/4 [Lisse] : 1/4 [Ridé]

En combinant ces proportions, on obtient 4 phénotypes en F2 avec les ratios suivants :

• [Jaune et Lisse] : 3/4 x 3/4 = 9/16
• [Jaune et ridé] : 3/4 x 1/4 = 3/16
• [Vert et Lisse] : 1/4 x 3/4 = 3/16
• [Vert et ridé] : 1/4 x 1/4 = 1/16

Soit un ratio phénotypique de 9:3:3:1 en F2.

Conséquences pour 2 gènes indépendants (A/a et B/b) :

• Nombre de gamètes différents produits par un double hétérozygote (AaBb) : 2 x 2 = 2² = 4 (ex: AB, Ab, aB, ab), avec équiprobabilité (1/4 chacun).
• Nombre de phénotypes différents en F2 (si dominance complète) : 2 x 2 = 2² = 4 ([A][B], [A][b], [a][B], [a][b]).
• Nombre de génotypes différents en F2 : 3 x 3 = 3² = 9 (ex: AABB, AABb, AAbb, AaBB, AaBb, Aabb, aaBB, aaBb, aabb).
• Nombre de combinaisons gamétiques (cases du tableau de croisement) : 4 x 4 = 4² = 16, avec équiprobabilité (1/16 par case).

Généralisation : Étudier plus de 2 caractères (n gènes indépendants)

Pour n gènes indépendants, avec dominance/récessivité pour chaque gène :

• Nombre de gamètes possibles : 2ⁿ (ex: pour 3 gènes, 2³ = 8 gamètes).
• Nombre de phénotypes possibles en F2 (si dominance complète) : 2ⁿ.
• Nombre de génotypes possibles en F2 : 3ⁿ (ex: pour 3 gènes, 3³ = 27 génotypes).
• Nombre de combinaisons gamétiques (cases du tableau de croisement) : 4ⁿ (ex: pour 3 gènes, 4³ = 64 cases).

Proportions des phénotypes en F2 si dominance : (3:1)ⁿ

Proportions des phénotypes en F2 si codominance : (1:2:1)ⁿ (qui sont alors égales aux proportions génotypiques).

Calcul rapide des proportions phénotypiques en F2 - Test

On croise deux F1 hétérozygotes pour les gènes A/a ; B/b ; C/c ; D/d ; E/e (dominance/récessivité pour tous les gènes étudiés).

Quelle sera la proportion de [AbcDE] en F2 ?

• p[A] = 3/4
• p[b] = 1/4
• p[c] = 1/4
• p[D] = 3/4
• p[E] = 3/4

p([AbcDE]) = (3/4) x (1/4) x (1/4) x (3/4) x (3/4) = 3³ / 4⁵ = 27 / 1024.

Calcul rapide des proportions génotypiques en F2 - Test

On croise deux F1 hétérozygotes pour les gènes A/a ; B/b ; C/c ; D/d ; E/e (dominance/récessivité pour tous les gènes étudiés).

Quelle sera la proportion de AabbccDDEe en F2 ?

• p(Aa) = 2/4
• p(bb) = 1/4
• p(cc) = 1/4
• p(DD) = 1/4
• p(Ee) = 2/4

p(AabbccDDEe) = (2/4) x (1/4) x (1/4) x (1/4) x (2/4) = 4 / 1024 = 1 / 256.

Calcul rapide des proportions phénotypiques en F2 avec gène létal - Test

On croise deux F1 hétérozygotes pour les gènes A/a ; B/b ; C/c ; D/d ; E/e (dominance/récessivité pour tous les gènes étudiés), et l'allèle E est létal récessif (EE est létal).

Quelle sera la proportion de [AbcDE] en F2 ?

• p[A] = 3/4
• p[b] = 1/4
• p[c] = 1/4
• p[D] = 3/4
• Pour le gène E, si EE est létal, les proportions des phénotypes viables sont 2/3 [E] et 1/3 [e]. Donc p[E] = 2/3.

p([AbcDE]) = (3/4) x (1/4) x (1/4) x (3/4) x (2/3) = 18 / 768.

Quizz - que reste-t-il du cours?

1. Une F1 double hétérozygote AaBb produira 4 gamètes différents : Vrai
2. Ces gamètes seront A, a, B et b : Faux (ce sont les allèles, pas les gamètes. Les gamètes sont AB, Ab, aB, ab).
3. Une F1 n-hétérozygote produira n³ génotypes différents en F2 : Faux (elle produira 3ⁿ génotypes différents).
4. Deux gènes indépendants sont forcément sur 2 chromosomes différents : Faux (ils peuvent être sur le même chromosome s'ils sont très éloignés).
5. Si une F1 est double hétérozygote AaBb pour deux gènes liés avec les récessifs en CIS, elle produira plus de gamètes AB et ab que de Ab et aB : Vrai (les gamètes parentaux sont plus fréquents que les recombinés).
6. Le taux de recombinaison r ne peut jamais dépasser 1/2 : Vrai (un taux de recombinaison de 0.5 indique une indépendance génétique).
7. On définit une unité de distance d en % de recombinaison : Vrai (1 cM = 1% de recombinaison).
8. Il est impossible de différencier les non recombinés et les double crossing over en étudiant la descendance d'une F1 double hétérozygote pour deux gènes liés : Vrai (il faut un test trois points pour détecter les doubles CO).

II.4 – Gènes liés

Lorsque les gènes sont liés (situés sur le même chromosome et suffisamment proches), ils ne se ségrègent pas indépendamment. Le crossing-over (brassage intrachromosomique) peut entraîner une recombinaison entre ces gènes, produisant de nouveaux assortiments d'allèles dans les gamètes. L'étude des fréquences de recombinaison permet d'établir des cartes génétiques, mesurant la distance entre les gènes en unités de carte (centimorgans).