Module : Génétique I

1 Département de Biologie Filiere SVI Semestre IV Module : Génétique I Partie Génétique des Haploïdes Par Pr. Hamid MAZOUZ Année Universitaire 2021-2022 Support de Cours.

2 SOMMAIRE A. RAPPELS ........................................................................................................................... 3 I. Cycle de reproduction ......................................................................................................... 3 II. Cycles chromosomiques ..................................................................................................... 4 III. Méiose ............................................................................................................................. 5 IV. Les conséquences génétiques de la méiose ..................................................................... 6 1) Le crossing-over et la recombinaison intra chromosomique........................................... 6 2) La position aléatoire des centromères en métaphase I et recombinaison inter- chromosomique ...................................................................................................................... 7 B. Exemples de cycles de reproduction caractéristiques des Ascomycètes ............................ 8 I. Cycle de Neurospora crassa (la moisissure du pain) ......................................................... 8 II. Cycle de Saccharomyces cerevisiae (levure de boulangerie) ............................................. 9 C. Transmission des caractères héréditaires chez les organismes haploïdes ........................... 9 I. Ségrégation d’un couple d’allèles ....................................................................................... 9 1) Cas d’un organisme à tétrades ordonnées : Neurospora crassa ...................................... 9 2) Cas d’un organisme à tétrades non ordonnées : Ascobolus immersus .......................... 14 3) Analyse des spores en vrac ............................................................................................ 14 II. Ségrégation de deux couples d’allèles indépendants ........................................................ 14 1) Cas d’un organisme à tétrades non ordonnées : Ascobolus ........................................... 14 2) Cas d’un organisme à tétrades ordonnées : Neurospora crassa ..................................... 18 3) Analyse des spores en vrac ............................................................................................ 20 III. Ségrégation de deux couples d’allèles liés .................................................................... 20 1) Cas d’un organisme à tétrades non ordonnées : Ascobolus ........................................... 20 2) Cas d’un organisme à tétrades ordonnées ..................................................................... 25 IV. Cartes factorielles .......................................................................................................... 25 1) Etablissement d’une carte factorielle ............................................................................ 25 1.1. Croisement bi-factoriel .......................................................................................... 25 1.2. Croisement tri-factoriel ou test 3 points ................................................................. 26 2) Notion d’interférence .................................................................................................... 28.

3 A. RAPPELS Tous les êtres vivants possèdent une propriété commune : le pouvoir de reproduction = la transmission de l'information héréditaire des ascendants aux descendants. Chez les eucaryotes, cette information est portée par l'ADN. La quasi-totalité de l'ADN cellulaire est localisée dans le noyau au niveau des chromosomes : les chromosomes sont donc les supports de l'hérédité. Pour comprendre comment les chromosomes sont transmis d’une génération à la suivante à travers la reproduction sexuée, il est important d’étudier :  le cycle de reproduction ;  les cycles chromosomiques ;  la fécondation ;  la méiose ;  et les conséquences génétiques de la méiose. I. Cycle de reproduction  Chaque espèce a un nombre constant de chromosomes dans chacun des noyaux de chacune de ses cellules somatiques et germinales.  Ce nombre est de 46 pour l'espèce humaine, 20 pour le mais, 8 pour la drosophile, 24 pour l’aubergine, 176 pour le laurier etc …  Par quels mécanismes le nombre de chromosomes se maintient constant de génération en génération au cours de la reproduction sexuée ? Exemple de l’espèce humaine.

4 Les 23 chromosomes d'un gamète sont morphologiquement différents ; ils sont représentés en 1 seul exemplaire ; on dit que le gamète est haploïde. Les 46 chromosomes du zygote et de toutes cellules somatiques et germinales qui en dérivent par mitoses, sont représentés en 2 exemplaires ; on dit que le zygote et toutes les cellules somatiques et germinales sont diploïdes. Dans la genèse d'un individu on peut ainsi définir deux phases : • la PHASE DIPLOIDE où les cellules contiennent 2 n chromosomes ; • et la PHASE HAPLOIDE où les cellules ne contiennent que n chromosomes. Conclusion : la méiose et la fécondation sont deux processus biologiques complémentaires qui permettent de maintenir constant le nombre de chromosomes de l'espèce humaine. II. Cycles chromosomiques • La méiose et la fécondation ne sont pas spécifiques à la seule espèce humaine, elles se déroulent chez la quasi totalité des eucaryotes. • L'importance relative des phases haploïde et diploïde permet de définir 3 principaux cycles chromosomiques : o le cycle diplobiontique, o le cycle haplobiontique, o et le cycle haplodiplobiontique..

5 III. Méiose Voir cours de Biologie Cellulaire (Semestre 1) Caractérisé par : • une phase diploïde prépondérante au cours de laquelle s'opère la multiplication cellulaire. • une phase haploïde réduite aux gamètes. • C'est le cas chez l‘Homme, le mais, la drosophile, le pois, d'une façon générale chez les plantes et les animaux supérieurs. Caractérisé par : • des multiplications cellulaires aussi bien en phase haploïde que diploïde. • Il y a ainsi alternance de deux formes, l'une haploïde et l'autre diploïde. • C'est le cas chez la levure de boulangerie (Saccharomyces cerevisiae). Caractérisé par : • une phase haploïde prépondérante au cours de laquelle s'opère la multiplication cellulaire. • une phase diploïde réduite au seul zygote. • C'est le cas chez les champignons : Ascobolus, Sordaria, Neurospora..

6 IV. Les conséquences génétiques de la méiose 1) Le crossing-over et la recombinaison intra chromosomique Au stade diplotene de la prophase I, les chromosomes homologues formés de 2 chromatides restent associés en un point appelé le chiasma. Le chiasma est une figure cytologique qui montre 2 chromatides homologues entrecroisées en X. Ce chiasma est la conséquence cytologique d'un phénomène appelé crossing-over..

7 Ces deux événements n’ont pas la même probabilité car le crossing-over est un événement rare. 2) La position aléatoire des centromères en métaphase I et recombinaison inter- chromosomique CONCLUSION En générale, il apparait que la sexualité c'est à dire le jeu alterne de la fécondation et de la méiose : - assure la continuité biologique par le maintien de la stabilité du nombre de chromosomes et de la quantité d'ADN par cellule; - et crée la diversité biologique qui constitue un atout considérable pour la survie d'une espèce..

8 B. EXEMPLES DE CYCLES DE REPRODUCTION CARACTERISTIQUES DES ASCOMYCETES I. Cycle de Neurospora crassa (la moisissure du pain) • Neurospora crassa est un champignon Ascomycète filamenteux haploïde à n = 7. • Il présente un cycle hablobiontique. • Les produits d’une méiose restent enfermés ensemble dans l'asque. • En plus, ils y sont ordonnés. C’est un champignon à asques ordonnés. C’est le cas également de Sordaria. • Chez d'autres Ascomycètes (Ascobolus) les 4 produits de la méiose ne sont pas disposés selon un ordre : ces champignons sont à asques non ordonnés. • Chez Neurospora, Sordaria et Ascobolus, la méiose est suivie d'une mitose de sorte que l'asque renferme 8 spores..

9 II. Cycle de Saccharomyces cerevisiae (levure de boulangerie)  Saccharomyces cerevisiae est un Ascomycète unicellulaire dont le cycle est haplodiplobiontique.  Il est capable de se multiplier sous deux formes : une forme diploïde (2n = 32 chromosomes) et une forme haploïde (n = 16 chromosomes). C. TRANSMISSION DES CARACTERES HEREDITAIRES CHEZ LES ORGANISMES HAPLOÏDES I. Ségrégation d’un couple d’allèles 1) Cas d’un organisme à tétrades ordonnées : Neurospora crassa Le croisement entre une souche sauvage à spores noires et une souche mutante à spores blanches a donné une descendance composée comme suit :.

10  Chaque asque renferme uniquement des spores noires et des spores blanches, jamais de spores de coloration intermédiaire.  Chaque asque renferme 4 spores noires et 4 spores blanches. On dit que l'asque présente une ségrégation 1-1.  Soient : Allèle b+ : spore noire et Allèle b : spore blanche.  La descendance est composée de 6 types d'asques quant à l'ordonnancement des spores.  Si on n'observe que les demi-asques, ces 6 types peuvent être regroupés en 2 classes: - Classe 1 : asques à demi-asque homogène. - Classe 2 : asque à demi-asque hétérogène.  Obtention des asques de la classe 1.

11 Les 2 allèles du couple b+/b se sont séparés à la 1ère division de la méiose avant la réduction du nombre de chromosomes. Les asques à demi-asques homogènes sont dits asques pré- réduits.  Obtention des asques de la classe 2.

12 • Dans les asques de la classe 2, les 2 allèles du couple b+/b se sont donc séparés à la 2ème division de méiose après la réduction du nombre de chromosomes. • Les asques à demi-asques hétérogènes sont dits asques post-réduits.  Notion de distance • L’expression de la distance gène-centromère est la suivante : Nombre de remaniement chromatidiques dg-c = x 100 (UR) Nombre total de chromatides • Chaque asque provient d’une cellule diploïde dont le noyau qui a subit la méiose avait 2 chromosomes homologues présentant chacun deux chromatides (4 chromatides / bivalent)..

13 • Dans chaque asque pré-réduit il n'y a pas eu de crossing-over entre le locus du gène et le centromère, il n'y a donc pas eu de remaniement chromatidique. • Dans chaque asque post-réduit il y a eu un crossing-over entre le locus du gène et le centromère. • Le crossing-over se faisant entre 2 chromatides sur les quatre en présence, ces 2 chromatides sont remaniées ; il y a donc eu 2 remaniements chromatidiques. • L'expression de la distance devient donc : 2 x Nombre d’asques post-réduits dg-c = x 100 (UR) 4 x Nombre total d’asques dg-c = ½ x % Post Réduction (UR) Dans notre exemple on aura donc (45+57+46+50) dg b+/b-c = ½ x x 100 = 9,86 UR (394+412+45+57+46+50) • On a postulé qu’à l'origine d'un asque post-réduit il ne se produit qu'un seul CO. • Au cours de la méiose il peut se produire plusieurs CO à la fois au niveau d'une paire de chromosomes homologues : on parle dans ce cas de CO multiples. • Dans le cas où il se produit 1 double CO (D.CO) dans l'intervalle gène-centromère on a trois possibilités. 1. Le D.CO implique 2 chromatides : asques pré-réduits. 2. Le D.CO implique 4 chromatides : asques pré-réduits. 3. Le D.CO implique 3 chromatides (2 situations) : asques post-réduits. • Dans le cas de D.CO une grande partie des remaniements n’est pas décelables. • La relation dg-c = 1/2 % Post Réduction n'est donc correcte que si le segment gène centromère est suffisamment petit pour que les CO multiples soient négligeables. • S'ils ne le sont plus, le calcul de la distance entre le gène et le centromère sur la base de cette relation donnera une sous-évaluation de cette distance.  Limites du % de post-réduction  Limite inférieure = 0 : Le gène est toujours pré-réduit (il est tout près de son centromère).  Si un gène est très éloigné de son centromère, de nombreux CO pourront avoir lieu dans le segment gène-centromère ; on peut admettre que les allèles du gène ségrégent indépendamment du centromère :.

14 - Les 6 types de tétrades ont la même fréquence = 1/6. - Les tétrades pré-réduites ont une fréquence de 2/6. - Celles post-réduites ont une fréquence de 4/6. - La fréquence de post-réduction est donc de 4/6 = 2/3. - La limite supérieure du % de post-réduction = 66%. 2) Cas d’un organisme à tétrades non ordonnées : Ascobolus immersus • Croisement : Souche sauvage à spore noires x Souche mutante à spores blanches. • Descendance : asques à 4 spores noires et 4 spores blanches. • Chaque asque présente donc une ségrégation 1-1. • Le caractère coloration des spores est donc sous la dépendance d'un couple d'allèles (noté b+/b par exemple). • La pré-réduction et la post réduction ne sont pas décelées. • Pas possible d'estimer la distance gène-centromère. 3) Analyse des spores en vrac On analyse une population de spores issue d’un croisement. Comme dans chaque asque, pour un couple d'allèles b+/b, il y avait 4 spores b+ et 4 spores b, au niveau d'une population de spores prises en vrac, on aboutit à 50% de spores b+ et 50 % de spores b, c'est à dire a une ségrégation 1-1. Ainsi, quel que soit le niveau d'analyse (tétrades ordonnées, tétrades non ordonnées, spores en vrac) la ségrégation d'un couple d'allèles est une ségrégation 1-1 et réciproquement. II. Ségrégation de deux couples d’allèles indépendants 1) Cas d’un organisme à tétrades non ordonnées : Ascobolus • Croisement : Souche mutante à spores blanches x Souche mutante à spores rondes..

15 • Deux caractères seront analysés : - Couleur des spores (noire ou blanche) ; - Forme des spores (ovale ou ronde). • 4 spores noires et 4 spores blanches / asque. • 4 spores ovales et 4 spores rondes / asque. • Ségrégation 1-1 pour chaque caractère : chaque caractère est donc contrôlé par un couple d’allèle. • Couleur : b+/b. Avec b+ = spore noire et b = spore blanche ; • Forme : r+/r. Avec r+ = spore ovale et r = spore ronde. • L’examen de la descendance par spores montre 4 types de spores : 1. Blanches et ovales br+ (parentales). 2. Noires et rondes b+r (parentales). 3. Blanches et rondes br (recombinées). 4. Noires et ovales b+r+ (recombinées). Croisement : [blanche ovale] x [noire ronde] [br+] x [b+r] br+ x b+r Types de spores Phénotypes Génotypes Effectifs % Fréquences Parentales [br+] br+ 1032 25,6 % 1/4 Parentales [b+r] b+r 1032 25,6 % 1/4 Recombinées [b+r+] b+r+ 980 24,4 % 1/4 Recombinées [br] br 980 24,4 % 1/4 • Les différents génotypes ont les mêmes fréquences. • Un allèle donné d'un couple d'allèles a autant de chance de s'associer à chacun des allèles de l'autre couple..

16 Dans le cas de deux couples d’allèles indépendants le % de recombinaison est : (R / P+R) x 100 = 50% L’examen de la descendance par asque montre 3 types d’asques: • Ceux qui ne renferment que les spores parentales br+ et b+r : ils sont appelés Ditype Parental, DP. • Ceux qui ne renferment que les spores recombinées br et b+r+ : ils sont appelés Ditype Recombiné, DR. • Ceux qui renferment à la fois les spores parentales br+ et b+r et les spores recombinées br et b+r+ : ils sont appelés Tetratype TT.  Origines des différents asques Ou Sans CO on obtient des DP et des DR avec autant de DP que de DR. - Pas de CO ni entre r+/r et son centromère ni entre b+/b et son centromère : pré-réduction des 2 couples d'allèles. - Pas de CO ni entre r+/r et son centromère ni entre b+/b et son centromère : pré-réduction des 2 couples d'allèles..

17 En l’absence de crossing-over (CO) entre l’un des 2 couples d’allèles et son centromère associée à l’existence d’un CO entre l’autre couple d’allèles et son centromère on a la formation de TT (à gauche CO entre r+/r et son centromère ; à droite CO entre b+/b et son centromère). L’existence d’un CO entre les deux couples d’allèles et leurs centromères aboutit à la formation de 1/4 de DP, 1/4 de DR et 1/2de TT.  Estimation des fréquences des asques DP, DR et TT • Soit : - x = % de post-réduction de r+/r et (1-x) = son % de pré-réduction. - et y = % de post-réduction du couple b+/b et (1-y) son % de pré-réduction..

18 • Considérons tous les différents événements, leurs fréquences ainsi que les asques qui en résultent : - pré-réduction des 2 couples d'allèles : (1-x)(1-y) dans ce cas on a 1/2 de DP et 1/2 de DR. - pré-réduction d'un couple et post réduction de l'autre. Il existe 2 éventualités et on a donc : x (1-y) + y (1-x) dans ce cas on a que des TT. - post-réduction des 2 couples d'allèles : x.y dans ce cas on a 1/4 de DP, 1/4 de DR et 1/2 de TT. • Les fréquences des différents asques sont donc les suivantes : - fr DP = 1/2 (1 - x) (1 - y) + 1/4 xy - fr DR = 1/2 (1 - x) (1 - y) + 1/4 xy - fr TT = x (1 - y) + y(1 - x) + 1/2 xy. L'indépendance des ségrégations des 2 couples d'allèles se traduit donc par : fr DP = fr DR. 2) Cas d’un organisme à tétrades ordonnées : Neurospora crassa Soient 2 couples d'allèles indépendants a+/a et b+/b. Soit un croisement entre deux souches P1 et P2 de génotypes respectifs ab+ et a+b.  Etude séparée des deux couples d’allèles Types d’asques : 1 2 3 4 5 6 1’ 2’ 3’ 4’ 5’ 6’ • La ségrégation de chaque couple d'allèles est une ségrégation 1-1. • Pour chaque couple d’allèle on a 6 types d’asques : 2 pré-réduits et 4 post-réduits. • Pour le couple d'allèles a+/a la fréquence de post-réduction sera x et la fréquence de pré-réduction 1-x ; • Pour le couple d'allèles b+/b la fréquence de post-réduction sera y et la fréquence de pré-réduction 1-y..

19  Etude des deux couples d’allèles pris simultanément Croisement : ab+ x a+b Pré réduction de b+/b (F=1-y) Post réduction de b+/b (F=y) b b b+ b+ F=(1-y)/2 b+ b+ b b F=(1-y)/2 b b+ b b+ F=y/4 b+ b b+ b F=y/4 b+ b b b+ F=y/4 b b+ b+ b F=y/4 Pré- réduction de a+/a (F = 1-x) a a a+ a+ F=(1-x)/2 ab ab a+b+ a+b+ ab+ ab+ a+b a+b ab ab+ a+b a+b+ ab+ ab a+b+ a+b ab+ ab a+b a+b+ ab ab+ a+b+ a+b a+ a+ a a F=(1-x)/2 a+b a+b ab+ ab+ a+b+ a+b+ ab ab a+b a+b+ ab ab+ a+b+ a+b ab+ ab a+b+ a+b ab ab+ a+b a+b+ ab+ ab Post réduction de a+/a F = x a a+ a a+ F=x/4 ab a+b ab+ a+b+ ab+ a+b+ ab a+b ab a+b+ ab a+b+ ab+ a+b ab+ a+b ab+ a+b ab a+b+ ab a+b+ ab+ a+b a+ a a+ a F=x/4 a+b ab a+b+ ab+ a+b+ ab+ a+b ab a+b ab+ a+b ab+ a+b+ ab a+b+ ab a+b+ ab a+b ab+ a+b ab+ a+b+ ab a+ a a a+ F=x/4 a+b ab ab+ a+b+ a+b+ ab+ ab a+b a+b ab+ ab a+b+ a+b+ ab ab+ a+b a+b+ ab ab a+b+ a+b ab+ ab+ a+b a a+ a+ a F=x/4 ab a+b a+b+ ab+ ab+ a+b+ a+b ab Ab a+b+ a+b ab+ ab+ a+b a+b+ ab ab+ a+b a+b ab+ ab a+b+ a+b+ ab  Origines des DP, DR et TT Les DP et les DR ont les mêmes origines. On les obtient lorsque les deux couples d'allèles sont pré-réduits ou post-réduits. Les TT s'obtiennent après qu'un couple d'allèles soit pré-réduit et l'autre post-réduit ou après que les 2 couples d'allèles soient post-réduits.  Fréquences des DP, DR et TT  fr DP = [(1-x)/2 * (1-y)/2]* 2 + [x/4* y/4]* 4 = 1/2 (1-x) (1-y) + 1/4 xy  fr DR = [(1-x)/2 * (1-y)/2]* 2 + [x/4* y/4]* 4 = 1/2 (1-x) (1-y) + 1/4 xy.

20  fr TT = [x/4 *(1-y)/2] * 8 +[y/4*(1-x)/2] * 8 + (x/4 * y/4) * 8 = x(1-y) + y(1-x) + 1/2 xy  II ressort que fr DP = fr DR quelles que soient les fréquences de post-réduction x et y des 2 couples d'allèles.  La fr TT dépend essentiellement des post-réductions respectives des 2 couples d'allèles.  Ainsi, lorsque les ségrégations de 2 couples d'allèles sont indépendantes, les fréquences des DP et DR sont équivalentes et réciproquement. 3) Analyse des spores en vrac  Soit un croisement ab+ x a+b.  En analysant des tétrades de la descendance on a des DP, DR et TT.  Les DP contiennent 4 spores ab+ et 4 spores a+b.  Les DR contiennent 4 spores ab et 4 spores a+b+.  Les TT contiennent 2 spores ab+; 2 spores a+b ; 2 spores ab ; 2 spores a+b+.  Les spores de type parental étant ab+ et a+b et les spores de type recombiné étant ab et a+b+.  Du fait de l‘égalité DP = DR et de la composition des TT, il apparait que la fréquence des spores parentales est équivalente à celle des spores recombinées. III. Ségrégation de deux couples d’allèles liés 1) Cas d’un organisme à tétrades non ordonnées : Ascobolus Soit un croisement : Mutant spores rondes x mutant spores granuleuses. • Ségrégation 1-1 pour le caractère forme : caractère sous la dépendance d’un couple d’allèles r+/r. Caractères étudiés :  Forme des spores : spores ovales r+ et spores rondes r.  Couleur des spores : spores noires g+ et spores granuleuses g..

21 • Ségrégation 1-1 pour le caractère couleur : caractère sous la dépendance d’un couple d’allèles g+/g. • DP > DR ?  Analyse des spores en vrac :  Effectif des spores rondes noires rg+ (parentales) = (628 x 4)+(331 x 2)+(45 x 0) = 3174  Effectif des spores ovales granuleuses r+g (parentales) = (628 x 4)+(331 x 2)+(45 x 0) = 3174  Effectif des spores rondes granuleuses rg (recombinées) = (628 x 0)+(331 x 2)+(45 x 4) = 842  Effectif des spores ovales noires r+g+ (recombinées) = (628 x 0)+(331 x 2)+(45 x 4) = 842 L’effectif des spores parentales est supérieur à l’effectif des spores recombinées. Les deux couples d’allèles sont donc liés. Effectif des spores recombinées % recombinaison = x 100 Effectif total 842 + 842 % recombinaison = x 100 = 20,9 % 3174 + 3174 + 842 + 842 Sur la base du % de recombinaison la distance entre r+/r et g+/g est donc de 20,9 (UR).  Origines des différents types d’asques • Croisement : rg+ x r+g. • Génotype du zygote : r+g//rg+. • Dans une population de méioses on peut avoir les événements suivants : - Aucun crossing-over entre r+/r et g+/g 4 produits parentaux : 2 produits rg+ et 2 produits r+g. Les asques sont des DP..

22 - Un crossing-over entre r+/r et g+/g. 2 produits parentaux rg+ et r+g et 2 produits recombinés r+g+ et rg. Les 4 produits sont différents. Les asques sont des TT. - Deux crossing-over entre r+/r et g+/g. Lorsqu’un crossing-over se produit, le second peut se produire de manière aléatoire selon 4 modalités. On aboutit donc à 4 situations équiprobables. o 2 crossing-over qui touchent 2 chromatides : les 4 remaniements chromatidiques aboutissent à 4 produits parentaux : 2 produits rg+ et 2 produits r+g. Les asques sont des DP. o 2 crossing-over qui touchent les 4 chromatides : les 4 remaniements chromatidiques aboutissent à 4 produits recombinés : 2 produits r+g+ et 2 produits rg. Les asques sont des DR. o 2 crossing-over qui touchent 3 chromatides, il existe 2 cas. Dans chacun des cas les 4 remaniements chromatidiques aboutissent à 4 produits différents : 2 produits parentaux rg+ et r+g et 2 produits recombinés r+g+ et rg. Les asques sont des TT..