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Les effets des mutations sur le phénotype : exemple des mutations sur la régulation de l'expression des gènes

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Objectifs

Comprendre l’impact que peuvent avoir les mutations sur la régulation de l’expression des gènes.
Être capable d’expliquer l’origine génétique de variations phénotypiques à l’origine de l’apparition d’espèces.

Points clés

Une grande partie du génome des organismes est constituée de séquences régulatrices qui agissent sur l’expression des gènes codant pour des protéines.
Des mutations peuvent toucher ces séquences régulatrices, ce qui peut avoir un impact sur l’expression des gènes codants sans que ceux-ci soient eux-mêmes touchés par une mutation.

Pour bien comprendre

Le génome est la somme de tout le matériel génétique d’un individu.
Un polypeptide est une chaine d’acides aminés. Une protéine est constituée d’un ou plusieurs polypeptides.
Les Eucaryotes sont le taxon constitué de tous les organismes constitués de cellule(s) à noyau.
Les gènes codants sont transcrits en ARN messager par l’ADN polymérase.
L’ARN messager est quant à lui traduit en polypeptides par les ribosomes, dans le cytoplasme de la cellule.

1. Les séquences de régulation

a. Séquences codantes et séquences régulatrices

Durant toute l’histoire de la génétique, la définition de la notion de gène a été fluctuante et a varié au fil des découvertes.

Jusqu’à la fin du XX^e siècle, la définition de gène est associée à la notion de séquence codante. Un gène était défini comme une région du génome (un locus) contenant l’information génétique permettant la synthèse d’un polypeptide.

Après que le génome humain fut entièrement séquencé au début du XXI^e siècle, les généticiens ont dû se rendre à l’évidence que cette vision était simpliste. En effet, les séquences codantes ne représentent qu’une part minime du génome chez les Eucaryotes. Par exemple chez l’espèce humaine, elles représentent moins de 2 % du génome.

L’importance du reste du génome a été mise en évidence. Ainsi, de nombreuses régions de l’ADN, bien que constituées de séquences non-codantes, ont un rôle fondamental dans la régulation de l’expression des régions codant des polypeptides. Ce sont les séquences régulatrices. Chez l’espèce humaine, les séquences régulatrices représentent environ 20 % du génome, ce qui souligne leur importance.

b. Régulation de la transcription

Il existe de nombreux mécanismes de régulation de l’expression des gènes et certains étaient encore inconnus il y a quelques années. Nous ne présenterons ici que le mécanisme de régulation de la transcription chez les Eucaryotes. Ce mécanisme met en jeu deux types de séquences régulatrices : les promoteurs et les amplificateurs/inactivateurs.

Les promoteurs sont de petites séquences d’ADN situées avant la région transcrite en ARN d’un gène codant. Ils permettent la fixation de l’ADN polymérase et sont donc indispensables à la transcription des gènes codants.

Les promoteurs jouent un grand rôle dans l’expression des gènes. En effet, si l’ADN polymérase ne peut pas se fixer sur le promoteur, le gène n’est pas transcrit et ne sera donc pas exprimé. On peut donc comparer le promoteur à une sorte d’interrupteur de l’expression génétique.

Chez les Eucaryotes, il est nécessaire que des protéines spécifiques se fixent aux promoteurs pour activer la transcription, ce sont les facteurs de transcription. Ces protéines modifient la structure spatiale de la molécule d’ADN, ce qui permet la fixation de l’ADN polymérase.

Il existe également des facteurs de transcription qui agissent comme des répresseurs. Leur liaison sur le promoteur empêche la fixation de l’ADN polymérase.

Les amplificateurs/inactivateurs (en anglais enhancers/silencers) sont des séquences régulatrices qui se situent à une plus grande distance du gène régulé (plusieurs dizaines de milliers de nucléotides), voire sur un autre chromosome. Ces régions permettent la fixation de protéines spécifiques régulant l’expression du gène, malgré la distance, grâce à des boucles formées par la molécule d’ADN. Les amplificateurs augmentent l’expression du gène tandis que les inactivateurs la diminuent. Un gène peut posséder plusieurs amplificateurs/inactivateurs spécifiques de différents facteurs de transcriptions.

En plus de la régulation de la transcription, il existe d’autres mécanismes de régulation de l’expression génique agissant sur d’autres étapes de l’expression du patrimoine génétique : méthylation de l’ADN, hétérochromatine, épissage des ARNm, traduction des protéines, etc.

La régulation des gènes est un phénomène biologique indispensable pour les cellules. En effet, celles-ci doivent adapter leur métabolisme aux variations de l’environnement. De plus, au sein des organismes pluricellulaires, la régulation des gènes permet la différenciation cellulaire.

2. Les effets des mutations sur la régulation des gènes

a. Les mutations des séquences régulatrices

Les séquences régulatrices et les gènes codant pour des facteurs de transcription peuvent subir des mutations. À la différence de celles qui touchent directement les séquences codantes, les mutations des séquences régulatrices n’ont pas d’effet sur la protéine codée, mais uniquement sur la régulation de l’expression de celle-ci. Néanmoins, ces mutations peuvent avoir des conséquences très importantes sur le phénotype.

Il existe trois types de conséquences de mutation touchant la régulation des gènes :

Modification de l’intensité de l’expression,
Modification de la localisation de l’expression,
Modification de la temporalité de l’expression.

b. Modification de l’intensité de l’expression

De nombreuses mutations peuvent modifier l’intensité de l’expression d’un gène. Par exemple, la modification de la séquence d’un promoteur peut empêcher la liaison avec l’ADN polymérase ou avec un facteur de transcription. Ceci rend le gène inactif puisque le gène ne peut plus être transcrit.

Il existe dans le génome un certain nombre de gènes « fossiles » qui ne peuvent plus être transcrits à cause de mutations dans leur promoteur, on les nomme des pseudo-gènes. Il est d’ailleurs possible qu’une mutation touchant un pseudo-gène puisse le réactiver.

Les amplificateurs/inactivateurs peuvent également être touchés par des mutations. Généralement, au lieu « d’éteindre » le gène, ces mutations vont plutôt diminuer ou augmenter l’intensité de l’expression du gène codant. En conséquence, la concentration de la protéine codée dans la cellule sera modifiée.

Cela peut avoir un impact important pour la cellule et l’organisme, car une concentration différente d’une seule protéine peut modifier profondément le métabolisme de la cellule.

La modification d’un gène codant pour un facteur de transcription peut entrainer l’inactivation de celui-ci, ou au contraire rendre la fixation du facteur de transcription sur l’ADN permanente. Les effets de ces mutations sont similaires aux mutations touchant le promoteur et les amplificateurs/inactivateurs.

Exemple
Le syndrome de Rett est une maladie génétique qui provoque une affection neurologique grave. Elle est liée à la mutation du gène MECP2 qui code pour un facteur de transcription, la protéine MecP2 (methyl-CpG-binding protein). Ce facteur est un répresseur transcriptionnel (= empêchant la transcription) qui se fixe sur les promoteurs de nombreux gènes différents. La mutation lève cette répression car la protéine ne peut plus se fixer sur l’ADN. Les cellules ne peuvent plus empêcher la transcription de ces gènes, ce qui provoque un grave dérèglement du métabolisme cellulaire.

c. Modification de la localisation de l’expression

Chez les organismes pluricellulaires, le développement embryonnaire est sous le contrôle de nombreux facteurs de croissance qui guident la croissance et la formation des organes (cerveau, œil, bras, cœur, etc.). Au cours du développement embryonnaire, les cellules activent ou pas tel ou tel gène selon leur localisation dans l’organisme. Ainsi, les cellules à l’intérieur du crâne se différencient en neurones, les cellules situées à l’extérieur du corps se différencient en cellules de peau, celles situées dans l’abdomen en système digestif, etc.

Des modifications de la régulation spatiale des gènes peuvent avoir des conséquences graves sur le développement embryonnaire.

De telles modifications expliquent également de grandes différences morphologiques entre des espèces différentes qui sont génétiquement relativement proches.

Exemple
Les chauves-souris (ou chiroptères) sont des mammifères volants. Le taxon des chauves-souris est apparu il y a 50 millions d’années avec les caractéristiques des chauves-souris actuelles, en particulier le développement très important des phalanges des mains formant des ailes membraneuses typiques de ce groupe. On suppose que les chiroptères ont évolué rapidement à partir d’ancêtres quadrupèdes similaires morphologiquement aux rats et aux souris actuels. Des études ont été réalisées sur l’expression de deux gènes, Prx1 et Bmp2, connus pour agir sur la croissance des os longs des membres au cours du développement embryonnaire. L’expression de ces deux gènes au cours du développement embryonnaire a été comparée chez la chauve-souris Carollia perspicillata et la souris Mus musculus. Il a été démontré que la surexpression des gènes dans les zones de développement des membres antérieurs est corrélée avec l’allongement très important des os de la main observé chez la chauve-souris. Cet exemple montre que la simple modification locale de l’expression de certains gènes peut entrainer des différences morphologiques très importantes, sans modification majeure du génome.

On observe que la structure osseuse est homologue, mais que les os des membres antérieurs sont particulièrement développés chez Carollia.

Des études ont montré que le développement des membres antérieurs chez les chauves-souris est dû à la surexpression des gènes Prx1 et Bmp2.

d. Modification de la temporalité de l’expression

L’expression des gènes est également régulée temporellement. En effet, le métabolisme d’un organisme change au cours du temps et des gènes réprimés durant la jeunesse peuvent être exprimés à un stade ultérieur et inversement.

La modification de la régulation temporelle peut elle aussi avoir des effets très importants et provoquer des maladies graves.

Mais c’est aussi un mécanisme à l’origine de l’apparition de nouvelles espèces, en particulier par le phénomène de néoténie.

Remarque : La néoténie désigne le fait chez une espèce de conserver, au stade adulte, des caractéristiques juvéniles.

Exemple
Un exemple classique est l’axolotl. Chez la majorité des Urodèles, comme les salamandres, les organismes présentent deux stades de développement. Un stade juvénile aquatique, où la larve possède des branchies qui lui permettent de respirer sous l’eau, et un stade adulte terrestre, après que l’organisme a perdu ses branchies au profit de poumons. Il faut préciser que seul le stade terrestre peut se reproduire. Cependant, les axolotls, Ambystoma mexicanum, sont une espèce de salamandre originaire d’Amérique centrale dont la forme juvénile aquatique est sexuellement mature. Il est à noter que ces animaux n’ont pas perdu leur capacité de métamorphose dans certaines conditions, mais cela arrive rarement dans leur milieu naturel. On suppose que les ancêtres des axolotls présentaient deux stades de développement comme les salamandres actuelles, mais qu’au cours de leur évolution, des modifications de la régulation temporelle des gènes du développement ont rendu les larves sexuellement matures.

Salamandre tachetée, Salamandra salamandra, au stade adulte.

Salamandre tachetée, Salamandra salamandra, au stade juvénile.
Il faut remarquer la présence des branchies qui permettent à l’animal de respirer dans l’eau.