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Cours : Biologie en secondaire > Chapitre 9
Leçon 4: La génétique post-mendéléenne : Hérédité liée au sexeLiaison génétique & cartographie
Ce que cela signifie pour les gènes d'être liés. Comment déterminer la fréquence de recombinaison d'une paire de gènes.
Les points clés :
- Lorsque des gènes se trouvent sur des chromosomes différents — ou bien sur le même chromosome, mais éloignés les uns des autres —, ils suivent la loi de l'assortiment indépendant et sont considérés comme non liés.
- Lorsque les gènes sont proches et sur le même chromosome, on dit qu'ils sont liés. Cela signifie que les allèles, ou les versions des gènes, déjà associés sur un chromosome seront plus fréquemment transmis ensemble.
- On peut déterminer si deux gènes sont liés, et dans quelle mesure, en utilisant des données issues de croisements génétiques pour calculer la fréquence de recombinaison.
- En calculant les fréquences de recombinaison pour de nombreuses paires de gènes, on peut réaliser une cartographie génétique qui montre l'ordre et les distances relatives des gènes sur le chromosome.
Introduction
En général, les organismes ont beaucoup plus de gènes que de chromosomes. Par exemple, les humains possèdent environ
En conséquence, chaque gène n'a pas son propre chromosome. En fait, on en est loin ! De nombreux gènes sont alignés à la suite les uns des autres sur chaque chromosome, et certains d'entre eux sont très étroitement serrés.
Cela affecte-t-il la manière dont les gènes sont hérités ? Dans certains cas, la réponse est oui. Les gènes qui sont suffisamment proches sur un chromosome restent souvent "collés ensemble", et les versions (allèles) des gènes qui sont ainsi associées sur un chromosome auront davantage tendance à être transmises par paire.
Ce phénomène est appelé liaison génétique. Quand des gènes sont liés, les croisements génétiques impliquant ces gènes conduisent à des ratios de gamètes (ovules et spermatozoïdes) et de types de progéniture qui ne sont pas ceux prédits par la loi de l'assortiment indépendant de Mendel. Examinons de plus près pourquoi c'est le cas.
Qu'est-ce qu'une liaison génétique ?
Lorsque les gènes figurent sur des chromosomes séparés, ou sont très éloignés sur les mêmes chromosomes, ils suivent la loi de l'assortiment indépendant. Ainsi, lorsque les gènes sont séparés en gamètes, l'allèle reçu pour un gène donné n'affecte pas l'allèle reçu pour l'autre. Chez un organisme double hétérozygote (AaBb), ceci induit la formation de l'ensemble des
Pourquoi est-ce le cas ? Les gènes sur des chromosomes se distribuent indépendamment en raison de l'orientation aléatoire des paires de chromosomes homologues lors de la méiose. Les chromosomes homologues sont des chromosomes appariés qui portent les mêmes gènes, mais peuvent présenter des allèles différents de ces gènes. Un membre de chaque paire homologue vient de la mère de l'organisme, l'autre de son père.
Comme illustré dans le schéma ci-dessous, les homologues de chaque paire se séparent lors de la première étape de la méiose. Au cours de ce processus, la répartition des chromosomes de chaque paire (qu'ils soient issus du père ou de la mère) se fait au hasard. Si on suit deux gènes, cela se traduit par quatre types de gamètes produits avec la même fréquence.
Quand les gènes figurent sur le même chromosome, mais sont très éloignés, ils se distribuent de manière indépendante en raison du mécanisme d'enjambement (recombinaison homologue). Ce processus a lieu tout au début de la méiose et implique que les chromosomes homologues échangent des segments correspondants de façon aléatoire. L'enjambement peut assembler sur le même chromosome de nouveaux allèles, qui atterrissent dans le même gamète. Quand les gènes sont éloignés, l'enjambement se produit assez souvent pour que tous les gamètes soient produits avec une fréquence de
Lorsque les gènes sont très proches sur le même chromosome, l'enjambement survient quand même, mais le résultat (en ce qui concerne les types de gamètes produits) est différent. Au lieu de s'assortir indépendamment, les gènes tendent à "coller ensemble" pendant la méiose. Cela signifie que les allèles des gènes qui sont déjà très proches sur un chromosome sont souvent transmis ensemble dans les gamètes. Dans ce cas, les gènes sont liés. Par exemple, deux gènes liés peuvent se comporter ainsi :
Maintenant, il y a des types de gamètes qui sont présents dans des proportions très inégales. Les types de gamètes courants contiennent des configurations parentales d'allèles, c'est-à-dire ceux qui étaient déjà ensemble sur le chromosome dans l'organisme avant la méiose (à savoir, sur le chromosome qu'il a obtenu de ses parents). Les types de gamètes rares contiennent des configurations recombinantes d'allèles, c'est-à-dire celles qui ne peuvent avoir lieu que lors d'un événement de recombinaison (enjambement) entre les gènes.
Pourquoi les types de gamètes recombinants sont-ils rares ? Les enjambements entre deux gènes proches sont peu communs. Les enjambements au cours de la méiose ont lieu à des positions plus ou moins aléatoires le long du chromosome, de sorte que la fréquence des enjambements entre deux gènes dépend de la distance entre ces derniers. En effet, une très courte distance constitue une très petite "cible" pour les mécanismes d'enjambements, ce qui signifie que peu d'événements de ce type auront lieu (par rapport au nombre d'événements entre deux gènes plus éloignés).
Grâce à cette relation, on peut utiliser la fréquence des événements de recombinaison entre deux gènes (c'est-à-dire, leur degré de liaison génétique) pour estimer leur distance relative sur le chromosome. Deux gènes très proches auront très peu d'événements de recombinaison et seront étroitement liés, tandis que deux gènes légèrement plus éloignés présenteront plus d'événements de recombinaison et seront moins étroitement liés. Dans la section suivante, on va voir comment calculer la fréquence de recombinaison entre deux gènes, en utilisant l'information des croisements génétiques.
Déterminer la fréquence de recombinaison
Supposons que l'on veuille déterminer si deux gènes de la mouche du vinaigre (Drosophila) sont liés l'un à l'autre et, si c'est le cas, à quel point ils sont liés. Dans notre exemple, les gènes sont
- Le gène violet, avec un allèle dominant vl
- Le gène vestigial, avec un allèle dominant vg
Si on souhaite mesurer la fréquence de recombinaison entre ces gènes, on doit d'abord produire une mouche chez laquelle on est capable d'observer la recombinaison. C'est-à-dire qu'il faut générer une mouche qui n'est pas seulement hétérozygote pour les deux gènes, mais chez qui on sait exactement quels gènes sont ensemble sur le chromosome. Dans ce but, on peut commencer par croiser deux mouches homozygotes, comme illustré ci-dessous :
Ce croisement nous donne exactement ce dont nous avons besoin pour observer la recombinaison : une mouche hétérozygote pour les gènes violet et vestigial, dont on connaît clairement les allèles qui figurent ensemble sur un unique chromosome.
Maintenant, il nous faut un moyen de "voir" les événements de recombinaison. L’approche la plus directe consisterait à examiner les gamètes produits par la mouche hétérozygote et à regarder quels allèles figurent sur leurs chromosomes. Cependant, il est beaucoup plus simple et pratique d'utiliser ces gamètes dans un croisement et de voir à quoi ressemble la progéniture !
Pour cela, on peut croiser une mouche double hétérozygote avec un testeur, une mouche homozygote récessif pour tous les gènes d'intérêt (dans ce cas, les allèles vl et vg). L'utilisation d'un testeur permet de s'assurer que les allèles fournis par le parent non-testeur déterminent pleinement le phénotype, ou l'apparence, de la progéniture. Lorsqu'on croise notre mouche d'intérêt avec un testeur, on peut directement "lire" le génotype de chaque gamète en examinant l'apparence physique de la progéniture.
Ci-dessous, on peut voir un échiquier de Punnett modifié qui montre les résultats du croisement entre notre mouche double hétérozygote et la mouche "testeur". Quatre différents types d'ovules sont produits par une mouche femelle double hétérozygote, qui se combinent avec un spermatozoïde du mâle testeur. Quatre différentes classes phénotypiques (basées sur l'apparence) de progéniture sont générées par ce croisement, chacune correspondant à un gamète particulier du parent femelle :
Les quatre classes de progéniture ne sont pas produites en nombres égaux, ce qui indique que les gènes violet et vestigial sont liés. Comme attendu pour les gènes liés, les configurations parentales des chromosomes sont surreprésentées dans la progéniture, tandis que les configurations recombinantes sont sous-représentées. Pour mesurer quantitativement la liaison, on calcule la fréquence de recombinaison (FR) entre les gènes violet et vestigial :
Dans notre cas, les classes recombinantes de progéniture comprennent les mouches aux yeux rouges et aux ailes vestigiales, ainsi que les mouches aux yeux violets et aux ailes longues. On identifie ces mouches comme appartenant aux classes recombinantes pour deux raisons. D'abord, grâce à la série de croisements réalisés, on sait qu'elles ont dû hériter un chromosome de leur mère qui a subi un événement de recombinaison. Ensuite, elles font partie des classes sous-représentées (par rapport aux classes surreprésentées et parentales).
Donc, pour le croisement ci-dessus, on écrit l'équation suivante :
La fréquence de recombinaison entre les gènes violet et vestigial est de
Fréquence de recombinaison et cartographie génétique
À quoi sert le calcul de la fréquence de recombinaison ? Historiquement, les fréquences de recombinaison ont été utilisées pour construire des cartographies génétiques, des cartes chromosomiques basées sur les fréquences de recombinaison. En fait, l'étude des liaisons génétiques a aidé les premiers généticiens à établir que les chromosomes sont en fait linéaires, et que chaque gène occupe une place spécifique sur un chromosome.
La fréquence de recombinaison n'est pas une mesure directe de la distance physique entre les gènes sur les chromosomes. Cependant, elle fournit une estimation ou une approximation de la distance physique. On peut donc dire qu'une paire de gènes avec une plus grande fréquence de recombinaison est probablement plus éloignée, alors qu'une paire avec une fréquence de recombinaison plus faible est probablement plus rapprochée.
Il est important de noter que la fréquence de recombinaison culmine à
La comparaison des fréquences de recombinaison sert également à déterminer l'ordre des gènes sur un chromosome. Par exemple, supposons qu'on a trois gènes, A, B et C, et qu'on désire connaître leur ordre sur le chromosome (ABC ? ACB ? CAB ?). Si on examine les fréquences de recombinaison des trois paires possibles de gènes (AC, AB, BC), on peut déterminer quels gènes sont les plus éloignés et celui qui se trouve au milieu. Plus précisément, la paire de gènes dotée de la plus grande fréquence de recombinaison doit encadrer le troisième gène :
En faisant ce type d'analyses avec de plus en plus de gènes (par exemple, en ajoutant les gènes D, E et F et en déterminant leurs relations avec A, B et C), on peut cartographier des chromosomes entiers. Dans les cartes de liaison, les distances sont exprimées en centimorgans, l'unité cartographique génétique, plutôt qu'en fréquences de recombinaison. Heureusement, il existe une relation directe entre ces valeurs : une fréquence de recombinaison de
La distance cartographiée est-elle toujours la même que la fréquence de recombinaison ? Parfois, la fréquence de recombinaison directement mesurée entre deux gènes n'est pas la mesure la plus précise de leur distance. C'est parce que, en plus des enjambements uniques dont on a parlé dans cet article, de doubles enjambements (deux enjambements distincts entre les deux gènes) peuvent également se produire :
Les doubles enjambements sont "invisibles" si on ne surveille que deux gènes, en ce qu'ils replacent les deux gènes d'origine sur le même chromosome (mais avec un morceau inversé au milieu). Par exemple, le double enjambement représenté ci-dessus serait indétectable si on regardait simplement les gènes A et C, car ces gènes retrouvent leur configuration originale.
Pour cette raison, les doubles enjambements ne sont pas comptabilisés dans la fréquence de recombinaison directement mesurée, ce qui entraîne une légère sous-estimation du nombre réel d'événements de recombinaison. C'est pourquoi, dans l'exemple ci-dessous, la fréquence de recombinaison directement mesurée entre A et C est un peu plus petite que la somme des fréquences de recombinaison entre A-B et B-C. Lorsque B est inclus, les doubles enjambements entre A et C peuvent être détectés et comptabilisés.
En mesurant les fréquences de recombinaison pour des paires de gènes plus rapprochées et en les additionnant, on peut minimiser les doubles enjambements "invisibles" et obtenir des distances cartographiques plus précises.
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