Mutations, allèles et comparaison de séquences

Gène, allèle, génotype

Un gène est une portion d'ADN, c'est-à-dire une séquence de nucléotides (A, T, C, G), qui porte l'information nécessaire pour fabriquer une molécule, le plus souvent une protéine. Il occupe une place précise sur un chromosome : son locus.

Dans une espèce, un même gène existe souvent sous plusieurs versions légèrement différentes. Ces versions sont les allèles du gène. Ils ont la même place sur le chromosome, mais leur séquence n'est pas identique.

Chez l'être humain, chaque cellule (hors cellules reproductrices) possède deux exemplaires de chaque chromosome, un hérité de chaque parent. Un individu porte donc deux allèles de chaque gène, qui peuvent être identiques ou différents.

Le génotype est l'ensemble des allèles portés par un individu pour un gène. Le phénotype est l'ensemble des caractères observables (couleur des yeux, groupe sanguin, forme d'une protéine…), qui dépend du génotype et parfois du milieu.

• Un individu est homozygote pour un gène s'il porte deux allèles identiques : génotype A//A ou a//a.

• Il est hétérozygote s'il porte deux allèles différents : génotype A//a.

Les mutations, source des allèles

Les allèles naissent de mutations : une mutation est une modification, au hasard, de la séquence de l'ADN. Elle se produit par exemple lors de la copie de l'ADN avant une division cellulaire. Elle crée un nouvel allèle ; si elle touche une cellule reproductrice, elle peut se transmettre aux descendants. Les mutations sont ainsi à l'origine de la diversité génétique, qui se traduit par une variabilité phénotypique au sein d'une population.

On distingue deux grands types de mutations ponctuelles :

• la substitution : une base est remplacée par une autre (T → C par exemple) ;

• la délétion : une ou plusieurs bases disparaissent (l'insertion, qui ajoute des bases, est son contraire).

Quel effet sur la protéine ?

Pour comprendre l'effet d'une mutation, il faut se rappeler comment un gène fabrique une protéine.

Extrait du code génétique utilisé dans cette page :

Plusieurs codons peuvent donner le même acide aminé (GGU et GGA donnent tous deux Gly). Ce caractère redondant explique pourquoi certaines mutations n'ont aucune conséquence.

Une mutation n'a donc pas toujours d'effet sur le phénotype : elle peut toucher une partie de l'ADN qui ne code pas de protéine, ou être silencieuse.

Fréquence allélique et évolution d'une population

Dans une population, plusieurs allèles d'un même gène coexistent. La fréquence allélique d'un allèle est la proportion de cet allèle parmi tous les exemplaires du gène de la population. Elle est comprise entre 0 et 1 (ou entre 0 % et 100 %), et la somme des fréquences de tous les allèles d'un gène vaut 1.

Cette fréquence change au cours du temps. Trois facteurs agissent :

• la mutation crée de nouveaux allèles, mais elle est rare : à elle seule, elle fait varier la fréquence très lentement ;

• la sélection naturelle : si un allèle donne un avantage dans un milieu (survie, reproduction), les individus qui le portent ont en moyenne plus de descendants et sa fréquence augmente ;

• la dérive génétique : variation due au hasard, d'autant plus forte que la population est petite.

Un exemple : la drépanocytose et le paludisme

Dans le gène de la β-globine (une protéine de l'hémoglobine), une substitution remplace un acide glutamique par une valine : c'est une mutation faux-sens. L'hémoglobine modifiée déforme les globules rouges en faucille chez les personnes homozygotes pour l'allèle muté : ils souffrent de drépanocytose, une maladie grave.

Enchaînement à retenir : mutation de l'ADN → protéine modifiée → globules rouges déformés → phénotype malade.

Pourtant, l'allèle muté est fréquent dans certaines régions d'Afrique où sévit le paludisme. Les personnes hétérozygotes ne sont pas gravement malades et résistent mieux au paludisme grave. Dans ces régions, être hétérozygote est un avantage : la sélection naturelle maintient donc l'allèle muté dans la population, même s'il est désavantageux à l'état homozygote.

Comparer des séquences pour estimer une parenté

Les mutations s'accumulent au fil des générations. Plus deux séquences d'ADN sont différentes, plus leur ancêtre commun est en général ancien. On compare donc des séquences d'un même gène chez plusieurs individus ou espèces, à l'aide d'un logiciel d'alignement comme Anagène, que tu utilises en activité pratique : le logiciel superpose les séquences et repère les différences.

Deux calculs :

Pour construire un arbre de parenté, on regroupe d'abord les deux séquences les plus proches, puis on y rattache progressivement les plus éloignées.

Les limites d'un seul gène

Un seul gène ne suffit pas pour conclure. Il ne donne qu'une petite partie de l'information, et le hasard des mutations peut faire apparaître des différences trompeuses. Un gène peut aussi évoluer plus vite ou plus lentement que d'autres. Le nombre de positions comparées doit donc être important, et l'idéal est de croiser plusieurs gènes et d'autres critères (anatomie, fossiles).

Pourquoi la diversité des allèles est un atout

Une population qui possède beaucoup d'allèles différents a plus de chances de compter des individus adaptés si le milieu change (nouveau climat, nouvel agent pathogène). Ces individus survivent et se reproduisent : la population peut persister. Une population peu diversifiée risque, elle, de disparaître entièrement face à un même changement.

Retour au début : Emma et Hugo ont les mêmes gènes, mais pas forcément les mêmes allèles. Nés de mutations anciennes et mélangés à chaque génération, ces allèles différents expliquent leurs caractères distincts.

L'essentiel

• Un gène est une portion d'ADN ; ses différentes versions sont les allèles. Un individu porte deux allèles : il est homozygote s'ils sont identiques, hétérozygote s'ils sont différents.

• Une mutation est une modification aléatoire de l'ADN : elle crée de nouveaux allèles. Elle est silencieuse, faux-sens ou non-sens selon son effet sur la protéine ; une délétion qui décale le cadre de lecture est en général plus grave qu'une substitution.

• La fréquence allélique d'un allèle varie sous l'effet des mutations, de la sélection naturelle et de la dérive génétique.

• Comparer des séquences permet de calculer divergence et similitude, donc d'estimer des parentés ; un seul gène ne suffit pas.

• Une grande diversité d'allèles aide une population à faire face à un changement de milieu.