Génétique : Hérédité, Lois Mendel, ADN, Maladies

La génétique est une branche de la biologie qui étudie l'hérédité, c'est-à-dire la transmission des caractères d'une génération à l'autre, ainsi que les mécanismes de la variation génétique.

I. Transmission des Caractères Héréditaires

A. L'Arbre Généalogique

L'arbre généalogique est une représentation visuelle qui permet de suivre la transmission de caractères héréditaires sur plusieurs générations.

• Il débute toujours par les générations les plus anciennes et descend vers les plus récentes.

• Les femmes sont représentées par des ronds.

• Les hommes sont représentés par des carrés.

• Les traits horizontaux indiquent une union.

• Les traits verticaux marquent une descendance (des enfants).

Un caractère héréditaire est une caractéristique génétique qui se transmet de génération en génération. Par exemple, la couleur des cheveux roux de Pierre, transmise par sa mère et son arrière-grand-père, est un caractère héréditaire. Il peut ne pas apparaître à toutes les générations.

Exemple : La polydactylie (le fait d'avoir plus de cinq doigts ou d'orteils) est un caractère héréditaire, alors que la musculation ou une amputation ne le sont pas.

B. Origine de l'Hérédité

1. La Cellule

Le corps humain est composé de milliards de cellules, unités de base du vivant, invisibles à l'œil nu. Chaque cellule a un rôle précis et contient un noyau.

2. Les Chromosomes

Dans le noyau de chaque cellule humaine se trouvent 23 paires de chromosomes, soit un total de 46 chromosomes. Ce sont des structures en forme de bâtonnets qui contiennent les informations génétiques déterminant les caractéristiques d'une personne (couleur de peau, des yeux, taille, sexe, etc.). Chaque paire est constituée d'un chromosome maternel et d'un chromosome paternel, hérités lors de la fécondation.

3. L'ADN et les Gènes

Chaque chromosome est constitué d'une longue molécule enroulée appelée ADN (Acide DésoxyriboNucléique). L'ADN est un filament enroulé autour de protéines appelées histones, formant une double hélice composée de deux brins et d'échelons appelés bases. Il existe quatre bases différentes : Cytosine (C), Guanine (G), Adénine (A) et Thymine (T). Elles s'apparient deux par deux (C avec G, A avec T).

• Les gènes sont des segments d'ADN. Chaque gène porte une information spécifique sur notre corps ou son fonctionnement (par exemple, la pigmentation de la peau).

• L'ordre des nucléotides (unités de l'ADN) détermine les gènes et donc les caractéristiques d'un individu.

• L'ensemble des gènes portés par les chromosomes d'un individu est appelé génome (environ 25 000 gènes chez l'homme).

4. Allèles et Diversité Génétique

• Un gène peut exister sous différentes versions appelées allèles.

• Les allèles déterminent des versions différentes d'un même caractère (ex: couleur des yeux, groupe sanguin).

• Les variations des caractères héréditaires sont dues à la présence d'allèles différents pour un même gène, ce qui explique la diversité génétique des êtres humains.

C. Division Cellulaire

• La mitose est le processus de division cellulaire où une cellule mère se divise en deux cellules filles identiques entre elles et à la cellule mère.

• Lors de la division cellulaire, l'ADN peut se présenter sous deux formes :

  • Sous forme de "pelote de laine" : chromatine.

  • Sous forme de morceaux condensés : chromosomes.

II. Les Lois de Mendel et la Génétique Classique

A. Gregor Mendel, le Père de la Génétique

Gregor Mendel (1822-1884), prêtre et généticien d'origine morave, a posé les bases de la génétique et de l'hérédité grâce à ses expérimentations sur les pois.

• Il a étudié l'autopollinisation et la pollinisation croisée de pois, choisis pour leur facilité de culture, leur court cycle de vie et leur reproduction aisée.

• Ses hypothèses, publiées en 1866, sont devenues des lois toujours vérifiables aujourd'hui.

• Avant Mendel, l'hérédité était souvent perçue comme un mélange direct des caractères des parents.

B. Le Monohybridisme (étude d'un seul caractère)

Mendel a croisé des plants de pois de lignées pures (caractères stables et transmis de génération en génération) différant par un seul caractère.

• Expérience : Croisement de pois géants avec des pois nains.

  1. P1 (première génération parentale) : Pois géants (purs) x Pois nains (purs)

  2. F1 (première génération filiale) : 100% pois géants.

     • Le caractère "géant" s'impose, il est dominant.

     • Le caractère "nain" était présent mais latent, il est récessif.

     • La génération F1 est qualifiée d'hybride.

  3. F2 (deuxième génération filiale) : Obtenue par autopollinisation de F1.

     • 75% de pois géants et 25% de pois nains (ratio 3:1).

     • Le caractère récessif réapparaît en F2.

Tableau de croisement (simplifié) :

• Génotype : L'ensemble des allèles (GG, Gn, nn).

• Phénotype : L'expression visible du caractère (géant, nain).

• Un individu est homozygote si ses deux allèles pour un gène sont identiques (GG ou nn).

• Un individu est hétérozygote si ses deux allèles pour un gène sont différents (Gn).

C. Le Dihybridisme (étude de deux caractères)

Mendel a aussi étudié la transmission de deux caractères simultanément, par exemple la forme et la couleur des graines de pois.

• Expérience : Croisement de pois jaunes et lisses (purs) X pois verts et ridés (purs).

  1. F1 : 100% jaunes et lisses (les caractères "jaune" et "lisse" sont dominants).

  2. F2 : Suite à l'autofécondation de F1, il observe le ratio suivant :

     • 9/16 jaunes et lisses

     • 3/16 jaunes et ridés

     • 3/16 verts et lisses

     • 1/16 verts et ridés

Loi de la disjonction indépendante : Les deux couples de caractères se séparent dans les gamètes et se réassocient de façon indépendante.

D. Dominance Incomplète et Codominance

Outre la dominance et la récessivité complètes, il existe d'autres modes d'expression des allèles :

• Dominance incomplète : Mélange des deux dominances, donnant un troisième phénotype. L'individu hétérozygote présente un phénotype intermédiaire entre les deux allèles homozygotes.

• Codominance : Les deux allèles s'expriment à part égale sans se mélanger, produisant un phénotype où les deux caractères sont visibles simultanément (ex: groupes sanguins A et B sont codominants, AB).

Dans ces deux cas, l'individu est hétérozygote pour le gène observé, et aucun des deux allèles ne domine complètement l'autre.

III. Le Cadre Chromosomique et Moléculaire de l'Hérédité

A. Découvertes Post-Mendéliennes

Les travaux de Mendel ont été affinés par de nouvelles découvertes, notamment grâce aux progrès de la microscopie et à l'étude d'autres espèces :

• 1875 : Observation de la fécondation (fusion des noyaux mâle et femelle).

• Vers 1880 : Identification des chromosomes dans le noyau.

• 1883 : Observation d'un nombre réduit de chromosomes dans les gamètes.

• Début XX^e siècle : Découverte de la méiose (division cellulaire permettant la formation des gamètes) et des travaux de Sutton sur les chromosomes des sauterelles.

  • Les chromosomes sont individualisés et existent par paires (un de chaque parent).

  • Les chromosomes appariés se séparent au hasard lors de la méiose, assurant une combinaison unique des chromosomes paternels et maternels dans chaque gamète.

• 1908 : Thomas H. Morgan étudie la drosophile (petite mouche des fruits).

  • Il met en évidence la notion de crossing-over (échange de matériel génétique entre chromosomes homologues pendant la méiose), qui crée de nouvelles associations d'allèles et augmente la diversité génétique.

  • Morgan conclut que les gènes mendéliens sont localisés sur les chromosomes.

B. Le Caryotype

Le caryotype est un arrangement standard de l'ensemble des chromosomes d'une cellule, classés par paire et par taille.

• Chez l'homme : 46 chromosomes, soit 23 paires, dont une paire de chromosomes sexuels XY.

• Chez la femme : 46 chromosomes, soit 23 paires, dont une paire de chromosomes sexuels XX.

IV. Maladies Génétiques et Chromosomiques

A. Anomalies Chromosomiques

Des erreurs lors de la division cellulaire (mitose ou méiose) ou des agressions de l'ADN peuvent entraîner des mutations et des anomalies chromosomiques. Certaines mutations peuvent être silencieuses, d'autres peuvent entraîner la mort de la cellule, et d'autres encore peuvent causer des pathologies graves.

• Si les mutations ont lieu dans les cellules germinales (sexuelles), les conséquences seront transmises à la descendance.

• Si elles se produisent dans les cellules somatiques (non sexuelles), les cellules anormales peuvent se reproduire et entraîner des cancers.

1. Anomalies Gonosomiques (liées aux chromosomes sexuels)

• Syndrome de Klinefelter (XXY) : Affecte les hommes (1/500 naissances de garçons). Présence d'un chromosome X surnuméraire. Symptômes : grande taille, faible pilosité, testicules atrophiées, parfois une croissance mammaire. L'intelligence est souvent normale.

• Syndrome de Turner (X0) : Affecte les femmes (1/2500 naissances de filles). Monosomie X (un seul chromosome X). Symptômes : petite taille, absence de développement des seins, cardiopathies, anomalies morphologiques (visage rond, cou palmé). L'intelligence est généralement normale.

• Syndrome du Triple X (XXX) : Affecte les femmes (1/1000 naissances de filles). Présence de trois chromosomes X. Symptômes : généralement léger, parfois des difficultés d'apprentissage du langage ou des troubles scolaires. Les femmes sont souvent de grande taille et peuvent avoir des enfants.

2. Anomalies Autosomiques (liées aux autres chromosomes)

• Trisomie 18 : Due à un chromosome 18 surnuméraire. Associée à un handicap intellectuel, petite taille à la naissance, microcéphalie, malformations cardiaques. Le pronostic vital est souvent sombre.

B. Types de Transmission des Maladies Génétiques

1. Maladies à Transmission Autosomique (non liées aux chromosomes sexuels)

• Maladie autosomique dominante :

  • Un seul allèle porteur sur un chromosome non sexuel suffit pour déclencher la maladie.

  • Atteint autant les hommes que les femmes.

  • Toute personne atteinte a 50% de risque de transmettre la maladie.

  • Toutes les générations peuvent être atteintes.

  • Exemple : L'achondroplasie (nanisme), due à une mutation sur le chromosome 4.

• Maladie autosomique récessive :

  • Nécessite la présence de deux allèles porteurs (un de chaque parent) pour que le caractère apparaisse.

  • Si un seul allèle est porteur, la personne est saine mais porteuse (le caractère est latent).

  • Atteint autant les hommes que les femmes.

  • Exemple : La mucoviscidose, une des maladies génétiques les plus fréquentes en Europe (1/2000 enfants).

    • Due à une délétion de 3 bases (un codon) sur le gène CFTR du chromosome 7.

    • Symptômes : sécrétion d'un mucus trop épais, obstruction des canaux, problèmes pulmonaires, pancréatiques, hépatiques.

    • Pour qu'un enfant soit atteint, il doit hériter de deux allèles défectueux (un de chaque parent porteur sain).

2. Maladies Gonosomiques (liées aux chromosomes sexuels, principalement X)

• Maladie récessive liée au chromosome X :

  • Un allèle porteur sur le chromosome X.

  • Chez l'homme (XY), la présence d'un seul allèle muté sur son X suffit à déclencher la maladie, car il n'a pas de second X pour compenser.

  • Chez la femme (XX), elle est généralement porteuse si elle n'a qu'un seul allèle muté (le second X compensant). La maladie n'apparaît que si elle reçoit deux allèles porteurs ou si l'allèle dominant n'est pas exprimé.

  • Exemple : L'hémophilie (déficit de coagulation sanguine).

• Maladie dominante liée au chromosome X :

  • Un allèle porteur sur le chromosome X suffit à déclencher la maladie chez les hommes et les femmes.

  • Le père ne transmet pas la maladie à son fils (car il transmet son chromosome Y).

  • Exemple : La maladie du X fragile, cause de retard mental héréditaire, due à une répétition d'une séquence CGG sur le gène du chromosome X.

V. Synthèse des Protéines et Mutations

Les gènes contiennent l'information génétique qui est transcrite en ARN messager (ARNm). L'ARNm a la même séquence de bases que l'ADN, à l'exception de la Thymine (T) qui est remplacée par l'Uracile (U).

• Les mutations peuvent altérer la séquence d'ADN, ce qui peut ensuite modifier l'ARNm et potentiellement la protéine synthétisée.

• Des protéines défectueuses peuvent entraîner des dysfonctionnements cellulaires et des maladies.

VI. Révision et Récapitulation

A. Exercices Pratiques

• Neurofibromatose de type 1 : Maladie autosomique dominante (gène NF1 sur chromosome 17). Caractérisée par des taches "café-au-lait" et des neurofibromes.

• Myopathie de Duchenne : Maladie neuromusculaire gonosomique récessive liée à l'X.

B. Cas d'étude : Groupes Sanguins

Les groupes sanguins sont déterminés par des allèles , et . et sont codominants entre eux, et dominent tous deux (qui est récessif).

Exemple de génotypes et phénotypes :