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Génétique
Analyse génétique fonctionnelle : complémentation fonctionnelle et dominance-récessivité
Cours de Génétique
 

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C - Interprétation fonctionnelle et moléculaire de la dominance et la récessivité :

Seule l’analyse moléculaire du gène ou de son produit, dans leurs diverses formes alléliques, en rapport avec la fonction du gène et les phénotypes associés, permet une approche fonctionnelle de l’effet des mutations et une interprétation des effets de dominance et de récessivité.

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Pour illustrer cette démarche, on prendra tous les exemples dans la pathologie humaine où il est possible d’observer les quatre cas possibles (tableau 5.4) des mutations de perte de fonction responsables d’un phénotype récessif ou dominant, puis des mutations de gain de fonction, responsable d’un phénotype récessif ou dominant.

– Si la mutation est une perte de fonction (absence de produit ou produit inactif), le phénotype muté peut être récessif, soit parce que l’effet de l’allèle sauvage chez le diploïde hétérozygote « compense » totalement l’absence d’effet de l’allèle muté, c’est le cas pour certaines mutations de perte de fonction concernant des gènes dont l’expression est régulée avec précision (mutations thalassémiques dans le gène β de l’hémoglobine); soit parce que l’effet de l’allèle sauvage fonctionnel est haplo-suffisant et que 50 % de la quantité normale de produit suffit largement à assurer une physiologie normale et conduit donc à un phénotype sauvage (cas de la plupart des pertes de fonction de gènes du métabolisme).

– Si la mutation est une perte de fonction (absence de produit ou produit inactif), le phénotype muté peut être dominant pour plusieurs causes fonctionnelles possibles. Le phénotype muté est dominant quand l’effet de l’allèle sauvage, chez le diploïde hétérozygote, ne peut pas « compenser » totalement l’absence d’effet de l’allèle muté.

On dit alors qu’il y a dominance par haplo-insuffisance; cette haploinsuffisance (il n’y a qu’un seul gène actif sur les deux) ne permet pas à la cellule, au tissu, à l’organisme d’avoir la quantité suffisante de produit du gène pour assurer la fonction de celui-ci; c’est le cas notamment pour les diabètes de type MODY, ou les hypercholestérolémies familiales.

On peut d’ailleurs remarquer que la maladie est presque toujours plus grave chez les homozygotes porteurs d’une mutation dominante par haplo-insuffisance, par exemple les hypercholestérolémies, ce qui est en accord avec le fait que le phénotype résulte d’un effet dose du produit codé par le gène impliqué.

Cas particulier. Le phénotype muté peut « paraître » dominant parce que sa transmission est associée à la transmission d’une perte de fonction récessive mais que l’organisme va, dans le cours de son développement, perdre la copie haplo-suffisante dans certains sous clones somatiques; ces sous clones seront alors porteurs de deux copies non fonctionnelles du gène et à l’origine du phénotype muté de l’organisme (cas des formes héréditaires de cancers).

Remarque. Ce dernier cas montre qu’il est abusif de considérer qu’un phénotype dominant serait associé à une mutation dont l’effet serait dominant sur celui de l’allèle sauvage.

– Si la mutation est un gain de fonction, un produit muté du gène est présent.

Si le phénotype associé est récessif, il faut alors considérer que l’effet de l’allèle sauvage (plutôt du produit de cet allèle) chez l’hétérozygote « masque » l’effet du produit muté; c’est le cas de la mutation drépanocytaire (voir plus loin). Remarque.

Ce dernier exemple montre qu’il est abusif de considérer qu’un phénotype récessif serait associé à « un allèle muté qui ne s’exprimerait pas ».

Au contraire, dans cet exemple, l’allèle drépanocytaire n’est pas une perte de fonction et il s’exprime, mais son expression n’est pas perceptible au niveau du phénotype étudié, les effets cliniques.

– Si la mutation est un gain de fonction, un produit muté du gène est présent.

Si le phénotype est dominant, on peut considérer que son action spécifique s’impose face à celle du produit sauvage, notamment quand cette action est toxique sur la cellule, le tissu ou l’organisme, et que le produit sauvage codé par l’autre allèle n’est pas en mesure de contrecarrer l’effet du produit muté, soit pour des raisons quantitatives, soit pour des raisons qualitatives.

Ce cas correspond à toutes les maladies neuro-dégénératives (Huntington, ataxies spino-cérébelleuses, vraisemblablement Alzheimer) ou la Dystrophie myotonique.

On dit alors le phénotype muté est dominant par « effet dominant négatif » de la mutation sur l’effet de l’allèle sauvage.

Remarque 1. Dominance ou récessivité d’un phénotype mutant ne sont donc que statistiquement associés au fait que la mutation responsable soit un gain ou une perte de fonction.

Si on observe fréquemment que les mutations de perte de fonction dans certains gènes ont un effet récessif vis-à-vis de l’effet du gène sauvage, il arrive aussi assez souvent, dans d’autres gènes, qu’elles puissent être responsables d’un phénotype mutant « dominant » par haploinsuffisance de la copie sauvage du gène (en fait, il y a plutôt co-dominance car si l’hétérozygote est de phénotype mutant, l’homozygote muté peut présenter un phénotype muté beaucoup plus marqué ou grave).

Inversement, si de nombreuses maladies dominantes résultent de l’effet « dominant négatif » d’un allèle muté sur l’effet de l’allèle sauvage, on ne doit pas négliger l’existence de maladies (ou de trait) récessives associées à des mutations de gain de fonction.

Remarque 2. Il faut rappeler que la dominance et la récessivité sont des attributs du phénotype et que c’est par un abus de langage qu’on parle de mutation dominante ou récessive :

➤ d’une part, quand on dit cela, on sous-entend que c’est par rapport à l’allèle sauvage, car un génotype β 0//β S aura un phénotype drépanocytaire, ce qui signifie que l’allèle β S qui est récessif vis-à-vis de β A, pour le phénotype maladie, est dominant vis-à-vis de β 0;

TABLEAU 5.4 EXEMPLES DES PATHOLOGIES HUMAINES. Les mutations de perte de fonction ont le plus souvent un effet récessif vis-à-vis de celui de l’allèle normal alors que les mutations de gain de fonction ont le plus souvent un effet dominant, mais cette règle n’est que statistique et des maladies dominantes peuvent être associées à des pertes de fonction alors que certaines maladies récessives sont associées à des gains de fonction.

➤ d’autre part, quand on dit cela, on se réfère à un caractère particulier avec un crible phénotypique, car l’analyse des mêmes allèles dans un autre caractère peut changer leur relation de dominance. Par exemple, pour les phénotypes électrophorétiques des dimères αβ issus de l’hémoglobine en solution aqueuse, les trois génotypes β A//β A, β S//β S, β A//β S présentent trois phénotypes différents, respectivement une bande rapide, une bande lente, les deux bandes, ce qui signifie, que pour le caractère de mobilité électrophorétique, les deux allèles sont codominants.

Exercice 5.1 :

On dispose de deux souches de levure, l’une de phénotype [mat a, ura–] auxotrophe pour l’uracile, l’autre de phénotype [mat α, gal–], incapable de consommer le galactose. On sait que les phénotypes mutés de ces deux souches sont récessifs.

Question 1.

Quelle sera la composition du milieu de culture de chacun des deux mutants et de la boîte de croisement ? Justifiez vos réponses.

Question 2.

À partir de la souche [mat a, ura–], on a obtenu une série de 10 mutants auxotrophes pour l’histidine, nommés m1 à m10.

L’étude de mutants m1 à m8 a montré qu’il s’agissait de mutants récessifs, différant de la souche sauvage pour un seul gène.

Comment s’y est-on pris pour démontrer cela avec le matériel dont nous disposons ?

Il convient donc de définir le protocole expérimental suivi (les croisements, les milieux des boîtes de croisement ou de recueil des spores, les boîtes de repiquage) et de préciser, à chaque étape les observations, qualitatives et/ ou quantitatives, qui justifient les conclusions rapportées.

Question 3.

L’analyse du mutant m9 a montré qu’il s’agissait d’un mutant récessif affecté dans deux gènes indépendants.

Précisez, sans le reprendre point par point, à quelle(s) étape(s) du protocole de la question 2, une (ou des) observation( s) particulière(s) permettent de conclure pour ce mutant m9.

 Question 4.

L’analyse du mutant m10 a montré qu’il s’agissait d’un mutant dominant affecté dans un seul gène.

Précisez, sans le reprendre point par point, à quelle(s) étape(s) du protocole de la question 2, une (ou des) observation(s) particulière(s) permettent de conclure pour ce mutant m10.

Question 5.

On réalise les croisements entre mutants en utilisant des spores issues des croisements précédents et porteuses du signe sexuel adéquat ainsi que des marqueurs de sélection des diploïdes nécessaires. On obtient les résultats suivants :

Quelles sont les conclusions génétiques qui découlent de l’analyse de ce tableau ? Sont-elles cohérentes avec les informations recueillies auparavant ?

– Maîtriser la réalisation et l’interprétation du test de complémentation fonctionnelle.

– Rapporter ses résultats à ceux acquis dans l’analyse de la ségrégation.

Solution

1. [mat a, ura–] sur Mo + ura; [mat α, gal–] sur Mo; les diploïdes sur Mo(gal)

2. a. Le mutant mi est croisé avec [mat a, gal–, his+], sauvage pour le caractère histidine, sur une boîte Mo(gal) + his, car on ne sait si le mutant est récessif ou dominant : on obtient des colonies de diploïdes.

b. les colonies sont répliquées sur Mo et y poussent ce qui prouve que les diploïdes sont [his+] et que les mutants sont récessifs.

c. On conduit les diploïdes à la méiose et on recueille les spores sur un milieu Mo + ura + his, on teste les colonies sur un milieu Mo + ura pour dénombrer les colonies [his+] et avoir par différence le dénombrement sur la boîte mère des colonies [his–] : on observe 50 % de chaque type, ce qui indique que chaque mutant diffère de la souche sauvage pour un seul gène relativement au caractère histidine, un seul des gènes de la chaîne de biosynthèse de l’histidine.

3. À l’étape c, on n’observe pas 50 % de [his+], mais 25 %, et pas 50 % de [his–] mais 75 %.

4. À l’étape b, on n’obtient pas de colonies sur la boîte de réplique, ce qui prouve que les diploïdes, hétérozygotes, sont [his–]. 5. Les groupes de complémentation permettent de définir 5 gènes et le mutant m9, muté dans deux gènes apparaît bien dans deux groupes.

Ces groupes sont : (1, 5, 8) (2, 4) (3) (6, 9) (7, 9)

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