Exercices: Les mutations

Qu'est-ce qu'une mutation ? Expliquer la différence entre une mutation génique (ou ponctuelle) et une mutation chromosomique, en donnant un exemple de chacune.

Sur le schéma, la séquence A est un fragment d'ARNm normal et les séquences B et C ont subi une mutation. Indiquer quel type de mutation (substitution, insertion ou délétion) s'est produit dans chacune d'elles et justifier laquelle provoque un décalage du cadre de lecture et pourquoi.

Citer deux agents mutagènes, l'un physique et l'autre chimique, et expliquer brièvement comment ils endommagent l'ADN.

Classer les mutations ponctuelles suivantes selon leur effet sur la protéine : une substitution qui ne change pas l'acide aminé, une substitution qui le remplace par un autre et une substitution qui transforme un codon en codon stop. Indiquer laquelle des trois est généralement la plus grave et pourquoi.

Qu'est-ce qu'une mutation chromosomique structurale ? Donner deux exemples d'altérations structurales des chromosomes (délétion, duplication, inversion ou translocation) et expliquer brièvement en quoi consiste l'une d'elles.

Les mutations peuvent être spontanées ou induites. Expliquer la différence entre les deux et donner un exemple de cause de chaque type.

Toutes les mutations sont-elles nuisibles ? Justifier votre réponse et donner un exemple de mutation qui s'est révélée bénéfique pour une espèce.

Expliquer ce qu'est le taux de mutation et justifier pourquoi les êtres vivants maintiennent des taux de mutation faibles mais non nuls, en le reliant à l'équilibre entre stabilité génétique et variabilité.

Une mutation change le codon GAA en GAG, et ces deux codons codent le même acide aminé (acide glutamique). Comment appelle-t-on ce type de mutation et pourquoi ne modifie-t-elle pas la protéine obtenue ?

Expliquer la différence, quant à leurs conséquences et à leur transmission à la descendance, entre une mutation qui se produit dans une cellule somatique et une mutation qui se produit dans une cellule germinale.

On dit que les mutations sont la source première de variabilité génétique. Expliquer quelle relation existe entre les mutations, l'évolution des espèces et la biodiversité.

Dans un gène, un seul nucléotide est délété au sein de la région codante. Expliquer ce qui arrive au cadre de lecture à partir de ce point, pourquoi tous les acides aminés suivants peuvent être modifiés, et justifier si une délétion de ce type est plus néfaste lorsqu'elle se situe au début du gène ou à la fin.

Les cellules possèdent des systèmes de réparation de l'ADN qui corrigent de nombreuses lésions échappant à l'ADN polymérase. Expliquer ce qui se passe lorsqu'une lésion n'est pas réparée et justifier pourquoi les personnes atteintes de xeroderma pigmentosum, chez qui le système qui répare les dimères de thymine causés par les rayons ultraviolets est défectueux, présentent un risque aussi élevé de cancer de la peau.

La trisomie 21 (syndrome de Down) est due à la présence d'une copie supplémentaire du chromosome 21. Indiquer de quel type de mutation il s'agit, expliquer comment elle peut résulter d'une non-disjonction au cours de la méiose et justifier pourquoi les mutations de ce type affectent simultanément de nombreux caractères.

Une mutation située dans la région régulatrice d'un gène empêche sa transcription, alors que sa séquence codante est tout à fait normale. Expliquer comment cela est possible et comparer l'effet de cette mutation à celui d'une substitution au sein d'un exon du même gène.

Les rétrovirus, comme le VIH, copient leur génome grâce à la transcriptase inverse, une enzyme dépourvue d'activité de correction. Justifier pourquoi ces virus présentent des taux de mutation très élevés et expliquer les conséquences de ce fait pour le traitement des infections qu'ils provoquent et pour la mise au point de vaccins.

Dans le gène CFTR, la mutation la plus fréquente responsable de la mucoviscidose (ΔF508) consiste en la perte de trois nucléotides : CTT. La séquence du brin codant de l'ADN entre les codons 506 et 509 est :

5'-... ATC ATC TTT GGT ...-3' (Ile506 - Ile507 - Phe508 - Gly509).

Après la délétion des trois nucléotides centraux CTT (la dernière base de ATC 507 et les deux premières de TTT 508), la séquence obtenue est : 5'-... ATC ATT GGT ...-3'.

1. a) Sachant que ATC et ATT codent tous deux l'isoleucine, justifier pourquoi cette mutation ne modifie pas le cadre de lecture en aval et quelle est la seule modification subie par la structure primaire de la protéine CFTR.
2. b) Chez un autre patient, on détecte la délétion d'un seul nucléotide dans cette même région (perte du « C » dans le triplet 507). Justifier les conséquences de cette mutation sur le cadre de lecture, sur la séquence d'acides aminés en aval et sur la probabilité que la protéine soit tronquée.
3. c) Des médicaments en développement (« correcteurs ») permettent à la protéine CFTR d'atteindre la membrane cellulaire si elle conserve sa taille complète, même s'il lui manque un acide aminé. Prévoir en justifiant lequel des deux patients pourrait bénéficier de cette thérapie et pourquoi elle sera totalement inefficace chez l'autre.

Dans une région où le paludisme est endémique, la fréquence de l'allèle mutant $Hb^S$ (responsable de la drépanocytose à l'état homozygote) se maintient stable autour de 0,12 en raison de l'avantage sélectif qu'il confère aux hétérozygotes face à l'infection par Plasmodium.

1. a) À la suite d'une campagne sanitaire intensive, le paludisme est totalement éradiqué dans cette région. Prévoir en justifiant comment évoluera la fréquence de l'allèle $Hb^S$ au cours des générations suivantes.
2. b) Justifier pourquoi l'allèle $Hb^S$ ne disparaîtra pas immédiatement de la population bien qu'il soit létal ou gravement délétère à l'état homozygote.
3. c) Une personne affirme : « Le paludisme ayant disparu, la mutation $Hb^S$ n'existe plus dans la population ». Réfuter cette affirmation en distinguant clairement l'origine d'une mutation et sa valeur adaptative en fonction de l'environnement.

Lors de la réplication de l'ADN d'une bactérie, l'ADN polymérase incorpore par erreur un désoxyribonucléotide de guanine (G) face à une thymine (T) de la matrice, ce qui produit un mésappariement G-T dans l'un des brins nouvellement synthétisés, non détecté par l'activité de correction immédiate.

1. a) Déduire quel pourcentage des molécules d'ADN bicaténaires descendantes portera une mutation permanente et fixée sur les deux brins après deux cycles successifs de réplication à partir de cette molécule initiale.
2. b) Justifier comment se répartissent les paires de bases obtenues dans chacune des quatre molécules d'ADN finales, en supposant que la paire de départ était A-T et qu'aucun système de réparation n'intervient ensuite.
3. c) Le système de réparation des mésappariements (mismatch repair) n'est efficace que s'il agit avant que le brin nouvellement synthétisé soit méthylé. Justifier quelle serait la conséquence pour la stabilité du génome si ce système réparait le brin matrice méthylé au lieu du brin fils nouvellement formé.

Pour étudier l'origine de la résistance aux antibiotiques, on a conçu une expérience inspirée de celle de fluctuation de Luria et Delbrück : 20 tubes indépendants ont été ensemencés avec un nombre identique et très faible de bactéries sensibles à l'ampicilline, que l'on a laissées se multiplier jusqu'à saturation. Simultanément, on a cultivé un grand ballon d'un volume équivalent à celui des 20 tubes réunis. Ensuite, des aliquotes égaux ont été étalés sur des boîtes contenant de l'ampicilline :

• Les échantillons provenant du grand ballon ont produit un nombre de colonies résistantes très voisin d'un échantillon à l'autre (moyenne de 24 colonies, variance très faible).

• Les échantillons des 20 tubes indépendants ont montré une énorme fluctuation : la plupart des tubes ont donné 0 ou 1 colonie résistante, tandis que quelques-uns en ont donné plus de 300.

1. a) Interpréter ces résultats : démontrent-ils que la résistance est induite par le contact avec l'antibiotique ou qu'elle est due à des mutations spontanées préexistantes ? Justifier la réponse en expliquant la cause de la grande variance entre les tubes indépendants.
2. b) Prévoir quel résultat aurait été observé sur les boîtes des 20 tubes si la présence de l'antibiotique était le stimulus direct provoquant la mutation chez une petite fraction constante de bactéries.

Dans le gène d'une enzyme métabolique essentielle, on analyse deux mutants indépendants qui présentent des modifications au niveau du codon numéro 45, dont le triplet d'origine dans l'ARNm est GGU (glycine) :

• Mutant 1 : présente le codon AGU (sérine).

• Mutant 2 : présente le codon UGU (cystéine).

1. a) Si le résidu 45 se trouve à la surface de l'enzyme, exposé au milieu aqueux et loin du site catalytique, prévoir en justifiant laquelle des deux substitutions a la plus faible probabilité de modifier la conformation active de la protéine.
2. b) On constate que, lorsqu'on oxyde légèrement le milieu, le mutant 2 forme de gigantesques agrégats moléculaires inactifs constitués de dimères covalents de l'enzyme, phénomène absent chez le type sauvage et chez le mutant 1. Justifier ce comportement sur le plan chimique.
3. c) Si une troisième souche mutante présente dans ce même codon le triplet GGA, quelle sera la conséquence phénotypique sur l'activité enzymatique ? Justifier la réponse en indiquant la propriété du code génétique qui explique ce fait.

Lors du séquençage de génomes complets d'une espèce, on observe empiriquement que le taux de transitions spontanées est le double de celui des transversions (rapport 2:1), alors que le nombre de transversions possibles est en théorie le double de celui des transitions (rapport théorique 1:2).

1. a) Justifier sur le plan stéréochimique pourquoi l'ADN polymérase commet et laisse passer plus fréquemment une transition qu'une transversion lors de la réplication de l'ADN.
2. b) Observer la troisième position des codons dans les familles à quatre codons du code génétique (par exemple, valine : GUU, GUC, GUA, GUG). Justifier pourquoi une transition à cette position a un effet neutre sur la séquence polypeptidique et prévoir si une transversion à cette même position serait aussi anodine sur le plan biologique.
3. c) Prévoir quelle modification des taux de mutation subirait une cellule si une mutation inactivait sélectivement le domaine exonucléase 3'→5' de son ADN polymérase principale.

L'analyse génomique d'un nouveau-né en parfaite santé révèle qu'il porte environ 70 mutations ponctuelles de novo absentes du génome de ses parents. Ses proches craignent que ces mutations provoquent à l'avenir le développement de maladies graves.

1. a) En s'appuyant sur l'organisation du génome humain et les caractéristiques du code génétique, justifier pourquoi l'immense majorité de ces 70 mutations ponctuelles n'a pas d'effet phénotypique notable.
2. b) Supposer que l'une de ces mutations ponctuelles est localisée dans le dinucléotide conservé qui marque le site d'épissage (splicing) du premier intron d'un gène essentiel. Prévoir et justifier les conséquences moléculaires sur l'ARNm mature et sur la protéine traduite.
3. c) Une mutation ponctuelle située dans une région intergénique non codante peut-elle modifier la quantité de protéine synthétisée par un gène voisin ? Justifier la réponse en proposant un mécanisme moléculaire précis.

Lors d'un essai d'évolution expérimentale en laboratoire, on soumet deux populations bactériennes (une souche standard au taux de mutation normal et une souche mutatrice au taux de mutation 150 fois supérieur à cause d'un défaut de réparation de l'ADN) à des doses létales croissantes d'un nouveau médicament toxique.

1. a) Au cours des premiers cycles d'exposition, la souche mutatrice génère des clones viables résistants beaucoup plus rapidement que la souche standard. Interpréter ce résultat en termes de variabilité génétique et de sélection naturelle.
2. b) Après mille générations dans un milieu optimal et constant, sans aucune substance toxique, la souche mutatrice subit une nette baisse de son efficacité biologique (fitness) et un déclin de sa population par rapport à la souche standard. Justifier ce déclin à partir de la nature de la plupart des mutations et de la notion de charge mutationnelle.
3. c) À partir des résultats précédents, formuler une hypothèse expliquant pourquoi la sélection naturelle a favorisé des taux de mutation très faibles, mais pas strictement nuls, chez les êtres vivants.

Défi du thème. En tant que conseiller en génétique, vous devez analyser l'impact moléculaire d'une mutation réelle dans le gène humain $HBB$ (responsable de la drépanocytose) et proposer une solution biotechnologique.

1. Recueil de données : Accéder à la base de données publique NCBI ClinVar ou Ensembl, localiser le gène $HBB$ et extraire le triplet d'origine du codon 6 face au variant pathogène de l'hémoglobine S (c.20A>T, p.Glu7Val dans ClinVar ; Glu6Val dans la numérotation classique).

2. Flux de l'information génétique : Élaborer un tableau comparatif représentant la réplication du fragment d'ADN (brin matrice et brin complémentaire), sa transcription en ARNm et la traduction en peptide résultant. Classer la mutation au niveau moléculaire et prévoir comment ce changement d'acide aminé affecte la conformation tridimensionnelle de l'hémoglobine.

3. Régulation et rapport thérapeutique : Rédiger un rapport argumenté (1,0-1,5 page) expliquant pourquoi la maladie ne se manifeste pas pendant la période fœtale (silençage et régulation génique de $HBB$ par rapport aux globines fœtales). Formuler une hypothèse fondée sur la manière de réactiver l'expression de la globine fœtale par édition génique afin de traiter la maladie.

Seront évalués :

• La rigueur et l'exactitude dans la déduction des processus de réplication, de transcription et de traduction à partir de données réelles du NCBI.

• La classification adéquate de la mutation et sa corrélation avec la structure de la protéine.

• L'intégration critique des mécanismes de régulation de l'expression génique dans la proposition thérapeutique.