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Expression du matériel génétique — génie génétique

Sciences de la Vie et de la Terre · 2ème Bac Sciences de la Vie et de la Terre · 13 exercices

Méthode officielle

Établir la relation ADN → ARNm → protéine (transcription, traduction, code génétique) à partir de documents, et exploiter les techniques du génie génétique (enzymes de restriction, plasmides, transgénèse) dans un raisonnement rigoureux.

L'intuition

Imagine que tu as un livre de recettes ancestrales très important, qui contient tous les secrets de ta famille (c'est l'ADN). Ce livre est si précieux qu'il ne doit jamais quitter la bibliothèque familiale (le noyau de la cellule). Pour préparer un plat, tu ne peux pas emporter le livre entier. Tu vas plutôt copier la recette exacte du plat désiré sur une feuille volante (c'est l'ARNm). Cette feuille, tu peux la sortir de la bibliothèque et l'emmener dans la cuisine (le cytoplasme).

Dans la cuisine, un chef expérimenté (le ribosome) lit la feuille de papier. Chaque groupe de trois mots de la recette (un codon) lui indique quel ingrédient précis (un acide aminé) il doit ajouter. Le chef assemble tous les ingrédients dans l'ordre pour créer le plat final (la protéine).

Maintenant, si tu veux créer un plat innovant ou améliorer une recette existante, tu peux utiliser des techniques modernes. Tu peux prendre un extrait de recette d'un autre livre (un gène d'un autre organisme), le découper précisément avec des ciseaux moléculaires (les enzymes de restriction), puis l'insérer dans une petite feuille de papier vierge que tu as préparée (un plasmide). Ensuite, tu donnes cette nouvelle feuille modifiée au chef pour qu'il prépare un plat avec de nouvelles caractéristiques. C'est ça, le génie génétique : manipuler les "recettes" pour obtenir de nouveaux "plats" ou des "plats" améliorés, avec des propriétés spécifiques.

Le cours

Ce chapitre est central pour comprendre comment l'information génétique, stockée dans l'ADN, est utilisée par la cellule pour fabriquer les protéines, molécules essentielles à toutes les fonctions biologiques. Il aborde également les techniques modernes qui permettent de manipuler cette information génétique.

I. L'expression du matériel génétique : de l'ADN à la protéine

L'expression génétique est le processus par lequel l'information contenue dans un gène est convertie en une protéine fonctionnelle. Ce processus se déroule en deux étapes principales : la transcription et la traduction.

A. La transcription : de l'ADN à l'ARNm

La transcription est la synthèse d'une molécule d'ARN messager (ARNm) à partir d'une séquence d'ADN. Elle a lieu dans le noyau chez les eucaryotes et dans le cytoplasme chez les procaryotes.

  1. Définition La transcription est le processus enzymatique, catalysé par l'ARN polymérase, qui permet de copier l'information génétique d'un gène (séquence nucléotidique de l'ADN) en une molécule d'ARNm complémentaire.

  2. Mécanisme

    • Initiation : L'ARN polymérase se fixe sur une région spécifique de l'ADN appelée promoteur, située en amont du gène à transcrire. Elle provoque le déroulement local de la double hélice d'ADN, séparant les deux brins.
    • Élongation : L'ARN polymérase se déplace le long du brin transcrit de l'ADN (appelé brin matrice ou brin non codant) dans le sens 3′→5′3' \rightarrow 5'. Elle catalyse l'assemblage de ribonucléotides complémentaires (Adénine avec Uracile, Thymine avec Adénine, Guanine avec Cytosine, Cytosine avec Guanine) pour former une chaîne d'ARNm dans le sens 5′→3′5' \rightarrow 3'.
    • Terminaison : Lorsque l'ARN polymérase rencontre une séquence de terminaison sur l'ADN, elle se détache, libérant l'ARNm nouvellement synthétisé.
    • Maturation de l'ARNm (chez les eucaryotes) : L'ARNm primaire (pré-ARNm) subit des modifications avant de devenir un ARNm mature :
      • Épissage : Les introns (séquences non codantes) sont excisés, et les exons (séquences codantes) sont épissés (rejoints) pour former l'ARNm mature.
      • Ajout d'une coiffe en 5′5' et d'une queue poly-A en 3′3'. L'ARNm mature quitte ensuite le noyau pour rejoindre le cytoplasme.

B. La traduction : de l'ARNm à la protéine

La traduction est le processus de synthèse d'une protéine à partir de l'information contenue dans l'ARNm. Elle a lieu dans le cytoplasme, au niveau des ribosomes.

  1. Définition La traduction est la conversion de la séquence de nucléotides de l'ARNm en une séquence spécifique d'acides aminés, formant une chaîne polypeptidique.

  2. Le code génétique Le code génétique est la règle de correspondance entre les codons de l'ARNm et les acides aminés.

    • Un codon = 3 nucléotides : Chaque groupe de trois nucléotides consécutifs sur l'ARNm (codon) spécifie un acide aminé.
    • Universel : Il est le même chez presque tous les organismes vivants, ce qui suggère une origine commune de la vie.
    • Dégénéré (redondant) : Un acide aminé peut être codé par plusieurs codons différents. Par exemple, la leucine est codée par UUA, UUG, CUU, CUC, CUA, CUG.
    • Non chevauchant : Les codons sont lus les uns après les autres sans se chevaucher.
    • Spécifique : Un codon ne code qu'un seul acide aminé.
    • Codon initiateur : AUG, qui code la méthionine et marque le début de la traduction.
    • Codons stop : UAA, UAG, UGA, qui ne codent aucun acide aminé et signalent la fin de la traduction.

  3. Mécanisme

    • Initiation : Le ribosome se fixe sur l'ARNm au niveau du codon initiateur AUG. Le premier ARNt (ARN de transfert) portant la méthionine se lie spécifiquement à ce codon.
    • Élongation : Le ribosome se déplace le long de l'ARNm, lisant les codons un par un. Pour chaque codon, un ARNt spécifique, portant l'acide aminé correspondant, se fixe au ribosome. Une liaison peptidique se forme entre les acides aminés successifs, allongeant la chaîne polypeptidique.
    • Terminaison : Le ribosome rencontre un codon stop sur l'ARNm. Aucun ARNt ne correspond à ces codons. Des facteurs de libération se lient au codon stop, provoquant la dissociation du ribosome, la libération de la chaîne polypeptidique et de l'ARNm.

C. La relation ADN →\rightarrow ARNm →\rightarrow protéine

Cette relation est le dogme central de la biologie moléculaire. L'information génétique est stockée dans l'ADN, transcrite en ARNm, puis traduite en protéine. La séquence d'acides aminés de la protéine détermine sa structure tridimensionnelle et donc sa fonction. Toute modification de la séquence d'ADN (mutation) peut entraîner une modification de l'ARNm, puis de la protéine, ce qui peut altérer sa fonction et causer une maladie.

II. Le génie génétique : manipulation de l'information génétique

Le génie génétique regroupe l'ensemble des techniques permettant d'isoler, de modifier, de transférer et d'exprimer des gènes d'un organisme à un autre.

A. Les outils du génie génétique

  1. Les enzymes de restriction

    • Définition : Ce sont des endonucléases qui reconnaissent et coupent l'ADN à des séquences nucléotidiques spécifiques, appelées sites de restriction.
    • Propriétés : Elles produisent des fragments d'ADN avec des extrémités cohésives (brins simples complémentaires) ou franches (brins doubles). Ces extrémités cohésives sont particulièrement utiles car elles peuvent s'apparier avec des fragments d'ADN coupés par la même enzyme.
    • Utilisation : Elles sont utilisées pour découper des gènes d'intérêt et ouvrir des vecteurs (comme les plasmides).

  2. Les ligases

    • Définition : Ce sont des enzymes qui catalysent la formation de liaisons phosphodiester entre les nucléotides, permettant de lier des fragments d'ADN.
    • Utilisation : Elles sont essentielles pour insérer un gène d'intérêt dans un vecteur.

  3. Les plasmides

    • Définition : Ce sont de petites molécules d'ADN circulaires, extra-chromosomiques, présentes naturellement chez les bactéries. Ils se répliquent indépendamment du chromosome bactérien.
    • Propriétés : Ils possèdent des gènes de résistance aux antibiotiques (marqueurs de sélection) et un site d'origine de réplication. Ils peuvent être modifiés pour inclure des sites de restriction multiples.
    • Utilisation : Ils servent de vecteurs pour introduire des gènes étrangers dans des cellules hôtes.

  4. Les gènes marqueurs

    • Définition : Ce sont des gènes qui confèrent une propriété identifiable à la cellule qui les contient (par exemple, la résistance à un antibiotique ou la production d'une protéine fluorescente).
    • Utilisation : Ils permettent de sélectionner les cellules qui ont intégré le vecteur recombinant.

B. La transgénèse

La transgénèse est l'introduction d'un gène étranger (transgène) dans le génome d'un organisme, le rendant transgénique.

  1. Étapes générales

    • Isolement du gène d'intérêt : Le gène est identifié et isolé de l'organisme donneur, souvent par PCR (Polymerase Chain Reaction) ou par découpage avec des enzymes de restriction.
    • Insertion du gène dans un vecteur : Le gène est inséré dans un plasmide (ou un autre vecteur viral) préalablement ouvert par la même enzyme de restriction. La ligase est utilisée pour lier le gène au plasmide, formant un ADN recombinant.
    • Introduction de l'ADN recombinant dans une cellule hôte : Le vecteur recombinant est introduit dans des cellules hôtes (bactéries, cellules végétales ou animales) par différentes méthodes (transformation, micro-injection, électroporation, etc.).
    • Sélection des cellules transformées : Les cellules ayant intégré l'ADN recombinant sont sélectionnées grâce aux gènes marqueurs présents sur le vecteur.
    • Expression du gène : Le gène introduit est exprimé dans la cellule hôte, conduisant à la synthèse de la protéine d'intérêt.

  2. Applications

    • Médecine : Production d'insuline, d'hormones de croissance, de vaccins, thérapie génique.
    • Agriculture : Amélioration des plantes (résistance aux maladies, aux herbicides, augmentation du rendement), animaux transgéniques.
    • Recherche fondamentale : Étude de la fonction des gènes.

III. Exploitation des techniques du génie génétique dans un raisonnement rigoureux

L'examen attend de toi que tu puisses analyser des documents pour comprendre les étapes d'une manipulation génétique et en déduire des conclusions.

Exemple d'application : Production d'insuline humaine par des bactéries

L'insuline est une hormone essentielle pour la régulation de la glycémie. Chez les diabétiques, elle est déficiente ou inefficace. Le génie génétique permet de produire de l'insuline humaine en grande quantité.

  1. Isolement du gène de l'insuline humaine : Le gène codant l'insuline est isolé de l'ADN humain.
  2. Préparation du plasmide bactérien : Un plasmide est extrait d'une bactérie. Il est ensuite coupé par une enzyme de restriction spécifique, créant des extrémités cohésives.
  3. Insertion du gène dans le plasmide : Le gène de l'insuline, coupé par la même enzyme de restriction, est mélangé avec le plasmide ouvert. Grâce à la complémentarité des extrémités cohésives, le gène s'insère dans le plasmide. L'ADN ligase soude les fragments, formant un plasmide recombinant.
  4. Transformation des bactéries : Les plasmides recombinants sont introduits dans des bactéries (par exemple, Escherichia coli). Seule une fraction des bactéries intègre le plasmide.
  5. Sélection des bactéries transformées : Les bactéries sont cultivées sur un milieu contenant un antibiotique. Si le plasmide recombinant contient un gène de résistance à cet antibiotique, seules les bactéries transformées survivront et se multiplieront.
  6. Expression et production : Les bactéries sélectionnées se multiplient et expriment le gène de l'insuline humaine, produisant l'hormone en grande quantité. L'insuline est ensuite purifiée pour un usage thérapeutique.

Exemple résolu

Extrait d'annale :

Exercice 2 (5 points) I. Dans le cadre de l’étude de l’expression et de la transmission de l’information génétique chez l’Homme, on présente les données suivantes : Le syndrome de Fabry est une maladie héréditaire, due à un déficit en α\alpha-galactosidase (α\alpha-GAL), qui est une enzyme lysosomale qui dégrade normalement les glycolipides GL-3. En cas de déficit de cette enzyme, ces molécules glycolipidiques s’accumulent à l’intérieur des lysosomes des cellules de l’organisme entraînant des

--- CORRIGÉ OFFICIEL ---

  • Comparaison : L'activité de l’enzyme a-GAL chez l'individu atteint de la maladie de Fabry est cinq fois plus faible (20%) que celle chez l'individu sain (100%).
  • Relation protéine — caractère :
  • Chez l’individu sain : Activité normale de a&-GAL (la protéine) — dégradation de GL-3 — rejet ou réutilisation — Individu sain (caractère).
  • Chez l'individu atteint de la maladie de Fabry : Déficit en a-GAL (la protéine) — Pas de dégradation de GL-3 — Accumulation de ces molécules GL-3 dans les lysosomes — Apparition des symptômes de la maladie (caractère). Donc toute modification au niveau de cette protéine entraine une modification au niveau du caractère — Relation protéine caractère..….............................(0.25)
  • L'ARNm et la séquence d’acides aminés correspondants à :
  • L'allèle normal :
  • ARNm : AUG-UCU-AAU-GAC-CUC-CGA-CAC-AUC-AGC (0.25)
  • Séquence d’acides aminés : Met-Ser- Asn-Ac.asp-Leu-Arg-His-Ile-Ser .........)0.25(
  • L'allèle muté : *ARNm : AUG-UCU-AAU-GAC-CUC-UGA-CAC-AUC-AGC ss (0.25) *Séquence d’acides aminés : Met-Ser-Asn-Ac.asp-Leu (0.25) PSpt
  • Origine génétique de la maladie de Fabry :
  • Mutation par substitution au niveau du triplet 6 (substitution de C par T) dans le brin non transcrit. (On accepte le raisonnement basé sur le brin transcrit)— Apparition d’un codon stop au niveau de l’ARNm — Arrêt de la traduction — Synthèse de l’enzyme u-GAL non fonctionnelle — accumulation de GL-3 dans les lysosomes — apparition de la maladie de Fabry.

Analyse et résolution pas à pas :

  1. Comprendre la question : L'exercice vise à établir la relation entre une protéine (l'enzyme α\alpha-GAL) et un caractère (la maladie de Fabry), en identifiant l'origine génétique (mutation) à partir de séquences d'ARNm et d'acides aminés.

  2. Étape 1 : Comparaison de l'activité enzymatique et relation protéine-caractère.

    • Lecture du document : Le texte indique que le syndrome de Fabry est dû à un déficit en α\alpha-galactosidase (α\alpha-GAL), qui dégrade les glycolipides GL-3. Son déficit entraîne l'accumulation de GL-3 et l'apparition de la maladie.
    • Rédaction de la comparaison : Tu dois comparer l'activité de l'enzyme chez l'individu sain et l'individu atteint. Le corrigé indique "L'activité de l’enzyme α\alpha-GAL chez l'individu atteint de la maladie de Fabry est cinq fois plus faible (20%) que celle chez l'individu sain (100%)". Si ces pourcentages ne sont pas donnés explicitement, tu dois les déduire d'un graphique ou d'un tableau qui serait fourni.
    • Établir la relation protéine-caractère :
      • Individu sain : Enzyme α\alpha-GAL fonctionnelle →\rightarrow dégradation normale de GL-3 →\rightarrow pas d'accumulation →\rightarrow individu sain.
      • Individu malade : Enzyme α\alpha-GAL déficiente/non fonctionnelle →\rightarrow pas de dégradation de GL-3 →\rightarrow accumulation de GL-3 →\rightarrow apparition des symptômes de la maladie.
      • Conclusion : Toute modification de la protéine (enzyme) entraîne une modification du caractère (état de santé).

  3. Étape 2 : Détermination des séquences d'ARNm et d'acides aminés.

    • Lecture du document : On te donne les séquences d'ARNm pour l'allèle normal et l'allèle muté.
    • Transcription de l'ARNm en acides aminés : Utilise le tableau du code génétique (souvent fourni en annexe de l'examen) pour traduire chaque codon de l'ARNm en acide aminé.
      • Allèle normal : AUG (Met) - UCU (Ser) - AAU (Asn) - GAC (Ac.asp) - CUC (Leu) - CGA (Arg) - CAC (His) - AUC (Ile) - AGC (Ser)
      • Allèle muté : AUG (Met) - UCU (Ser) - AAU (Asn) - GAC (Ac.asp) - CUC (Leu) - UGA (Stop) - CAC - AUC - AGC Note bien que le codon UGA est un codon stop, ce qui signifie que la traduction s'arrête là.

  4. Étape 3 : Explication de l'origine génétique de la maladie.

    • Comparaison des séquences : Compare l'ARNm normal et muté, codon par codon.
      • ARNm normal : AUG-UCU-AAU-GAC-CUC-CGA-CAC-AUC-AGC
      • ARNm muté : AUG-UCU-AAU-GAC-CUC-UGA-CAC-AUC-AGC
      • Tu observes une différence au niveau du 6ème codon : CGA (arginine) est remplacé par UGA (codon stop).
    • Identifier le type de mutation : Un changement d'une seule base (C en U dans l'ARNm) est une substitution. Si le brin non transcrit est donné, tu dois remonter à l'ADN. Si le brin transcrit est donné, tu dois identifier la base changée. Ici, le corrigé indique "substitution de C par T dans le brin non transcrit". Cela signifie que sur le brin non transcrit (qui a la même séquence que l'ARNm mais avec T au lieu de U), un C a été remplacé par un T.
      • Brin non transcrit normal : ...CTG... (correspond à CGA dans l'ARNm)
      • Brin non transcrit muté : ...TGA... (correspond à UGA dans l'ARNm)
      • Donc, la substitution est bien C par T au 6ème triplet du brin non transcrit.
    • Conséquence de la mutation : L'apparition d'un codon stop prématuré (UGA) entraîne l'arrêt de la traduction.
    • Lien avec la protéine et la maladie : L'arrêt prématuré de la traduction conduit à la synthèse d'une protéine α\alpha-GAL tronquée (plus courte) et donc non fonctionnelle. Cette enzyme non fonctionnelle ne peut plus dégrader les glycolipides GL-3, qui s'accumulent dans les lysosomes, provoquant les symptômes de la maladie de Fabry.

La méthode

Pour réussir les exercices sur l'expression du matériel génétique et le génie génétique, suis ces étapes rigoureuses :

  1. Analyse des documents :

    • Lis attentivement tous les textes introductifs et les légendes des figures.
    • Identifie les informations clés : maladie étudiée, enzyme/protéine impliquée, symptômes, données génétiques (séquences ADN/ARNm/protéines), résultats expérimentaux.
    • Repère les différences entre les individus sains et malades.

  2. Restitution des connaissances (si demandé) :

    • Définis les termes clés (transcription, traduction, code génétique, enzyme de restriction, plasmide, transgénèse) avec précision.
    • Décris les mécanismes (transcription, traduction) en utilisant le vocabulaire scientifique approprié.

  3. Exploitation des séquences (si présentes) :

    • De l'ADN à l'ARNm (transcription) : Si tu as une séquence d'ADN (brin transcrit ou non transcrit), construis la séquence d'ARNm en respectant la complémentarité des bases (A↔UA \leftrightarrow U, T↔AT \leftrightarrow A, G↔CG \leftrightarrow C, C↔GC \leftrightarrow G) et le sens 5′→3′5' \rightarrow 3'.
    • De l'ARNm à la protéine (traduction) : Utilise le tableau du code génétique pour traduire la séquence d'ARNm en une séquence d'acides aminés, en commençant par le codon initiateur AUG et en terminant par un codon stop.
    • Comparaison : Compare les séquences (ADN, ARNm, acides aminés) entre l'individu sain et l'individu malade pour identifier les mutations.

  4. Identification des mutations et de leurs conséquences :

    • Type de mutation : Substitution (changement d'une base), délétion (perte d'une ou plusieurs bases), insertion (ajout d'une ou plusieurs bases).
    • Conséquences sur l'ARNm : Changement de codon, apparition d'un codon stop, décalage du cadre de lecture (pour les délétions/insertions non multiples de 3).
    • Conséquences sur la protéine : Changement d'acide aminé, protéine tronquée (si codon stop prématuré), protéine complètement différente (si décalage du cadre de lecture), protéine non fonctionnelle ou absente.

  5. Établissement de la relation gène-protéine-caractère :

    • Explique comment la mutation au niveau du gène (ADN) affecte la synthèse de la protéine (ARNm →\rightarrow protéine).
    • Décris comment la protéine modifiée ou absente entraîne l'apparition du caractère (symptômes de la maladie).

  6. Analyse des techniques de génie génétique (si présentes) :

    • Identifie les outils utilisés (enzymes de restriction, ligases, plasmides, gènes marqueurs).
    • Décris les étapes de la manipulation génétique (isolement, insertion, transformation, sélection, expression).
    • Justifie l'intérêt de chaque étape et de chaque outil.

  7. Communication écrite et graphique :

    • Utilise un vocabulaire scientifique précis et rigoureux.
    • Structure ta réponse de manière logique et claire.
    • Si des schémas sont demandés, réalise-les avec soin et légende-les précisément.

Pièges classiques

  • Confusion brin transcrit / brin non transcrit : Le brin transcrit (matrice) est celui qui sert de modèle pour la synthèse de l'ARNm. Sa séquence est complémentaire de l'ARNm. Le brin non transcrit (codant) a la même séquence que l'ARNm (avec T à la place de U). Fais attention à celui qui est donné dans l'énoncé.
  • Sens de lecture : L'ADN est lu de 3′→5′3' \rightarrow 5' par l'ARN polymérase pour synthétiser l'ARNm de 5′→3′5' \rightarrow 3'. L'ARNm est lu de 5′→3′5' \rightarrow 3' par le ribosome pour synthétiser la protéine.
  • Utilisation du code génétique : Le tableau du code génétique est pour l'ARNm. N'essaie pas de traduire directement l'ADN.
  • Oubli du codon initiateur/stop : La traduction commence toujours par AUG (méthionine) et s'arrête aux codons stop (UAA, UAG, UGA). Un codon stop prématuré est une cause fréquente de protéine non fonctionnelle.
  • Erreur de complémentarité : A↔TA \leftrightarrow T (ADN), A↔UA \leftrightarrow U (ARN), G↔CG \leftrightarrow C.
  • Délétion/insertion non multiple de 3 : Si une délétion ou insertion n'est pas un multiple de 3 nucléotides, cela entraîne un décalage du cadre de lecture, modifiant tous les acides aminés en aval de la mutation et souvent l'apparition d'un codon stop prématuré.
  • Justification incomplète : Ne te contente pas d'affirmer, explique pourquoi une mutation a telle conséquence. Par exemple, "la mutation entraîne une protéine non fonctionnelle" doit être suivi de "car l'apparition d'un codon stop prématuré conduit à une protéine tronquée".

Ce qui tombe à l'examen

Ce chapitre est systématiquement évalué, souvent dans la partie "Raisonnement scientifique" (15 points), mais des questions de restitution (5 points) peuvent aussi apparaître.

Formats de questions réels :

  • Restitution des connaissances (25% du total, 5 points) :

    • Définitions : "Définir la transcription", "Qu'est-ce qu'une enzyme de restriction ?".
    • QCM / Vrai ou Faux : Questions sur les propriétés du code génétique, les étapes de la transcription/traduction.
    • Appariement : Associer des termes à leurs définitions ou fonctions.

  • Raisonnement scientifique + communication écrite/graphique (75% du total, 15 points) : C'est là que la majeure partie des points est attribuée.

    • Analyse de documents : On te présentera des documents (textes, tableaux de séquences, schémas d'expériences de génie génétique, arbres généalogiques liés à des maladies génétiques).
    • Comparaison de séquences : Tu devras comparer des séquences d'ADN, d'ARNm ou de protéines entre individus sains et malades pour identifier une mutation.
    • Traduction/Transcription : On te demandera de déduire une séquence d'ARNm à partir d'ADN, ou une séquence d'acides aminés à partir d'ARNm.
    • Explication de l'origine génétique d'une maladie : À partir d'une mutation identifiée, tu devras expliquer comment elle conduit à une protéine anormale et aux symptômes de la maladie (relation gène →\rightarrow protéine →\rightarrow caractère).
    • Interprétation d'expériences de génie génétique : On te présentera des protocoles expérimentaux (par exemple, clonage d'un gène, production d'une protéine recombinante) et tu devras en expliquer les étapes, les outils utilisés et les résultats attendus.
    • Schémas : Parfois, on te demandera de réaliser un schéma illustrant une étape (par exemple, un plasmide recombinant, le mécanisme de la transcription).

Exemple de barème (issu des annales) :

  • Comparaison de données : 0.5 - 1 point
  • Relation protéine-caractère : 0.75 - 1 point
  • Séquences ARNm et acides aminés : 0.25 point par séquence correcte (total 1 point pour 4 séquences)
  • Explication de l'origine génétique : 0.75 - 1 point (doit être détaillée et logique)
  • Mode de transmission (si génétique humaine) : 0.75 - 1 point (avec justification)

La clé est la rigueur dans l'analyse, la précision du vocabulaire et la logique de ton raisonnement. Entraîne-toi sur les annales pour maîtriser la méthode.

Exercices corrigés

Exercice 1·Facile

Restitution : définir la transcription et la traduction, puis préciser où se déroule chacune dans une cellule eucaryote.

Voir la correction

La transcription est la synthèse d'une molécule d'ARN messager (ARNm) à partir d'un brin d'ADN servant de matrice, catalysée par l'ARN polymérase ; chez l'eucaryote elle se déroule dans le noyau. La traduction est la synthèse d'une protéine (enchaînement d'acides aminés) à partir de la séquence de codons de l'ARNm, réalisée par les ribosomes avec l'aide des ARN de transfert ; elle se déroule dans le cytoplasme.

Restitution des connaissances : donner une définition exacte de chaque processus + localisation cellulaire (vocabulaire précis exigé).

Exercice 2·Facile

III- Le tableau ci-dessous comporte deux groupes : Le groupe 1 représente des mutations chromosomiques, alors que le groupe 2 présente leurs caractéristiques. Recopiez, sur votre feuille de rédaction, les couples ci-dessous et adressez à chaque numéro du groupe 1 la lettre qui lui correspond du groupe 2. (1 pt)

(1,...) (2,...) (3,...) (4,...)

| Groupe 1 | Groupe 2 ```

Voir la correction
  1. Dans une population théorique idéale, les fréquences des génotypes et les fréquences des allèles restent stables d'une génération à l'autre (ce qui signifie que la population est en équilibre).
  2. Une population à effectif infiniment grand ; une population d'organismes diploïdes à reproduction sexuée ; croisement aléatoire entre individus : rencontre au hasard des gamètes ; une population à générations non chevauchantes (aucun croisement entre individus de générations différentes) ; absence de flux dû aux migrations : population génétiquement isolée ; absence de mutations (pas de changement d'un état allélique vers un autre) ; absence de sélection : les individus ont la même capacité à se reproduire et donner une descendance capable de survivre.
  3. (1,b) ; (2,a) ; (3,b) ; (4,a).
  1. Définition de la loi de Hardy-Weinberg.
  2. Énumération des caractéristiques d'une population idéale.
  3. Association de chaque affirmation à la bonne réponse en se basant sur les connaissances du cours.
Exercice 3·Moyen

La rétinite pigmentaire est une maladie génétique qui atteint les yeux. Elle se caractérise par une dégénérescence de la rétine et une perte progressive de la vision évoluant généralement vers la cécité. Afin de mettre en évidence l’origine génétique de cette maladie, on propose l’étude suivante :

  • Plusieurs formes de cette maladie sont liées à une anomalie de la synthèse d’une protéine « la rhodopsine ». Le locus du gène, qui contrôle la synthèse de cette protéine, est situé sur le chromosome numéro 3.

  • La figure (a) du document 1 présente un fragment du brin transcrit du gène responsable de la synthèse de la « rhodopsine » chez deux individus, l’un à phénotype normal et l’autre est atteint de la rétinite pigmentaire. La figure (b) présente un extrait du tableau du code génétique.

Chez un individu sain 21 22 23 24 25 26 CGC AGC CCC TTC GAG TAC

Chez un individu malade 21 22 23 24 25 26 CGC AGC CAC TTC GAG TAC

Sens de lecture

codonsUAGGGGGCGGUGCUCAAGAUGUCG
GGAGCCGUACUAAAAUCA
Acides aminésCodon stopGlyAlaValLeuLysMetSer

1- En vous basant sur les deux figures du document 1, déterminez la séquence de l’ARNm et celle de la chaîne peptidique de la rhodopsine chez l’individu sain et chez l’individu malade puis montrez la relation gène – protéine – caractère. (2 pts)

  • Le document 2 représente l’arbre généalogique d’une famille dont certains membres sont atteints de la rétinite pigmentaire. Le document 3 présente le nombre d’allèles normaux et le nombre d’allèles responsables de la maladie chez des sujets de cette famille.

Figure (a)

Document 1

Document 2

SujetsI1_{1}I2_{2}II1_{1}II2_{2}II3_{3}III1_{1}
Nombre d'allèles normaux212121
Nombre d'allèles responsables de la maladie010101

Document 3

  1. En vous basant sur les données des figures 2 et 3, montrez que l’allèle responsable de cette maladie est dominant et porté par un autosome (chromosome non sexuel). (1pt)

  2. Dans le cas d’un mariage entre III1_{1} et III4_{4}, calculez la probabilité pour que ce couple donne naissance à un enfant sain. Justifiez votre réponse à l’aide d’un échiquier de croisement. Utilisez les symboles « R » et « r » pour désigner les allèles du gène de la rhodopsine. (1 pt)

Document 2

Voir la correction
  1. Chez l'individu sain : ARNm: GCGUCGGGGAAGCUCAUG Séquence peptidique : Ala - Ser - Gly - Lys - Leu - Met

Chez l'individu malade : ARNm: GCGUCGGUGAAGCUCAUG Séquence peptidique : Ala - Ser - Val - Lys - Leu - Met

La relation gène-protéine-caractère:

  • mutation par substitution du deuxième nucléotide (C) du triplet numéro 23 par le nucléotide (A) au niveau de l’allèle codant pour la rhodopsine.
  • substitution de l’acide aminé Gly par l’acide aminé Val (en position 23) donnant naissance à une protéine modifiée.
  • protéine non fonctionnelle à l’origine de la maladie.
    • l’allèle responsable de la maladie est dominant : l’individu I1_{1} est malade (document 2) et hétérozygote (document 3).
  • le caractère est non lié au sexe : les individus de sexe mâle et ceux de sexe femelle possèdent deux allèles du gène étudié (document 3).
  1. La probabilité d’avoir un enfant sain: Parents III1_{1} x III4_{4} Phénotypes [R] [R] Génotypes (R//r) (R//r)

Échiquier de croisement:

GamètesR (1/2)r (1/2)
R (1/2)R//R [R] (1/4)R//r [R] (1/4)
r (1/2)R//r [R] (1/4)r//r [r] (1/4)

La probabilité d’avoir un enfant sain est de : 1/4.

  1. Déterminer les séquences d'ARNm et peptidiques pour l'individu sain et malade à partir du brin transcrit et du code génétique. Ensuite, établir la relation gène-protéine-caractère en expliquant la mutation et ses conséquences.
  2. En se basant sur l'arbre généalogique (document 2) et le tableau des allèles (document 3), justifier si l'allèle est dominant et si le caractère est lié au sexe.
  3. Calculer la probabilité d'avoir un enfant sain pour le mariage III1_{1} x III4_{4} en utilisant un échiquier de croisement et en justifiant les génotypes des parents.
Exercice 4·Moyen

Exercice 2 (5 points) I. Dans le cadre de l’étude de l’expression et de la transmission de l’information génétique chez l’Homme, on présente les données suivantes : Le syndrome de Fabry est une maladie héréditaire, due à un déficit en α\alpha-galactosidase (α\alpha-GAL), qui est une enzyme lysosomale qui dégrade normalement les glycolipides GL-3. En cas de déficit de cette enzyme, ces molécules glycolipidiques s’accumulent à l’intérieur des lysosomes des cellules de l’organisme entraînant des dysfonctionnements de certains organes. Les symptômes de cette maladie comprennent des excroissances cutanées, des problèmes oculaires, une insuffisance rénale et une maladie cardiaque. • Le document 1 montre l’action de l’enzyme α\alpha-GAL chez un individu sain et chez un individu malade, alors que le document 2 donne le pourcentage de l’activité de cette enzyme chez un individu sain et chez un individu atteint de la maladie de Fabry.

Document 1

Document 2

  1. En exploitant les documents 1 et 2, comparez l’activité de l’enzyme chez l’individu sain à celle chez l’individu malade, puis montrez la relation protéine – caractère. (0,5pt) • La synthèse de l’enzyme α\alpha-galactosidase (α\alpha-GAL) est contrôlée par un gène nommé GAL. • Le document 3 présente deux fragments des brins non transcrits de deux allèles GAL : l’un normal chez un individu sain et l’autre muté chez un individu atteint de la maladie de Fabry. Le document 4 présente un extrait du code génétique.

Document 3

Numéros des triplets123456789
Individu sain « allèle normal »... ATG-TCT-AAT-GAC-CTC-CGA-CAC-ATC-AGC ...
Individu atteint « allèle muté »... ATG-TCT-AAT-GAC-CTC-TGA-CAC-ATC-AGC ...
sens de lecture →\rightarrow

Document 4 | Codons | UCU | AUU | AUG | UCU | CAU | AAU | GAU | CGC | UAA | | | CUC | AUC | | UCC | CAC | AAC | GAC | CGA | UGA | | | CUA | AUA | | UCA | | | | CGG | UAG | | | CUG | | | UCG | | | | | | | Acides aminés | Leu | Ile | Met | Ser | His | Asn | Ac.asp | Arg | Stop |

  1. A partir des documents 3 et 4, donnez les séquences d’ARNm et d’acides aminés qui correspondent à chacun des fragments des allèles GAL normal et muté, puis expliquez l’origine génétique de la maladie de Fabry. (1,5 pt) II. La figure (a) du document 5 présente l’arbre généalogique (pedigree) d’une famille dont certains individus sont atteints par la maladie de Fabry et la figure (b) présente le nombre et le type d’allèles du gène GLA chez quelques individus de cette famille. Les résultats sont obtenus par la technique d’électrophorèse.

Document 5

  1. En vous basant sur les deux figures du document 5 : a. Déterminez le mode de transmission du syndrome de Fabry. Justifiez votre réponse. (0,75pt) b. Déterminez la probabilité pour que le couple (II1_1, II2_2) donne naissance à une fille atteinte du syndrome de Fabry. Justifiez votre réponse en utilisant l’échiquier de croisement. (0,75pt) Remarque : Utilisez les symboles A et a pour désigner les allèles du gène étudié. III. La prévalence de la maladie de Fabry dans la population globale varie d’une région à l’autre. Mais généralement, chez les hommes, on estime que le syndrome touche un homme sur 40 000 environ.
  2. En considérant que la population est en équilibre (obéit à la loi de Hardy-Weinberg) : a. Calculez les fréquences de l’allèle responsable de la maladie de Fabry et de l’allèle normal. (1pt) b. Calculez la fréquence des femmes hétérozygotes pour le gène étudié. (0,5 pt)

Document 1

Document 2

Document 5

Voir la correction
  1. Comparaison : L'activité de l’enzyme α\alpha-GAL chez l'individu atteint de la maladie de Fabry est cinq fois plus faible (20%) que celle chez l'individu sain.
  • Relation protéine – caractère :
  • Chez l’individu sain : Activité normale de α\alpha-GAL (la protéine) →\rightarrow dégradation de GL-3 →\rightarrow rejet ou réutilisation →\rightarrow Individu sain (caractère).
  • Chez l'individu atteint de la maladie de Fabry : Déficit en α\alpha-GAL (la protéine) →\rightarrow Pas de dégradation de GL-3 →\rightarrow Accumulation de ces molécules GL-3 dans les lysosomes →\rightarrow Apparition des symptômes de la maladie (caractère). Donc toute modification au niveau de cette protéine entraîne une modification au niveau du caractère →\rightarrow Relation protéine-caractère.
  1. Séquences d’ARNm et d’acides aminés :
  • Allèle normal :
  • ARNm : AUG-UCU-AAU-GAC-CUC-CGA-CAC-AUC-AGC
  • Séquence d’acides aminés : Met-Ser-Asn-Ac.asp-Leu-Arg-His-Ile-Ser
  • Allèle muté :
  • ARNm : AUG-UCU-AAU-GAC-CUC-UGA-CAC-AUC-AGC
  • Séquence d’acides aminés : Met-Ser-Asn-Ac.asp-Leu
  • Origine génétique de la maladie de Fabry : Mutation par substitution au niveau du triplet 6 (substitution de G par T) dans le brin non transcrit (ou C par A dans le brin transcrit) →\rightarrow Apparition d’un codon stop (UGA) au niveau de l’ARNm →\rightarrow Arrêt de la traduction →\rightarrow Synthèse de l’enzyme α\alpha-GAL non fonctionnelle →\rightarrow accumulation de GL-3 dans les lysosomes →\rightarrow apparition de la maladie de Fabry.
  1. a. Mode de transmission du syndrome de Fabry :
  • L’allèle responsable de la maladie de Fabry est récessif. Justification : Les individus II1_1 et II2_2 sont sains mais ont un enfant III1_1 atteint, ce qui indique que l'allèle est récessif.
  • Le gène GAL est porté par le chromosome sexuel X. Justification : Selon la figure a, la maladie apparaît uniquement chez les hommes (I1_1, III1_1, III2_2). Selon la figure b, les femmes (I2_2 et II2_2) portent deux allèles par contre les hommes (I1_1 et II1_1) ont un seul allèle. Donc la maladie est portée par le chromosome X, présent en double exemplaire chez les femmes et en un seul exemplaire chez les hommes. b. Calcul de la probabilité pour que le couple (II1_1, II2_2) donne naissance à une fille atteinte du syndrome de Fabry : Parents : II1_1 (sain) x II2_2 (hétérozygote) Phénotypes : [A] x [A] Génotypes : XA_AY x XA_AXa_a Gamètes : XA_A, Y et XA_A, Xa_a Échiquier de croisement : | | XA_A | Y | |---|---|---| | XA_A | XA_AXA_A | XA_AY | | Xa_a | XA_AXa_a | Xa_aY | La probabilité d’avoir une fille atteinte du syndrome de Fabry (Xa_aXa_a) est 0 (0%). Une fille atteinte nécessiterait que le père soit atteint (Xa_aY), ce qui n'est pas le cas ici (II1_1 est sain, XA_AY). La probabilité d'avoir une fille porteuse (XA_AXa_a) est 1/4 (25%).
  1. a. Fréquence des allèles :
  • La fréquence de l’allèle responsable de la maladie (q) : f(Xa_aY) = f(a) = q = 1/40000 = 0.000025
  • La fréquence de l’allèle normal (p) : p = 1 - q = 1 - 0.000025 = 0.999975 b. Fréquence des femmes hétérozygotes : f(XA_AXa_a) = 2pq = 2 x 0.999975 x 0.000025 = 0.000049
  1. Comparer l'activité enzymatique à partir des documents 1 et 2. Établir la relation entre la protéine (enzyme) et le caractère (maladie) en expliquant les conséquences du déficit enzymatique.
  2. Transcrire les séquences d'ADN des allèles normal et muté en ARNm, puis traduire en séquences d'acides aminés en utilisant le code génétique (document 4). Expliquer l'origine génétique de la maladie en identifiant le type de mutation et ses conséquences sur la protéine et le phénotype.
  3. a. Analyser l'arbre généalogique (figure a) et les résultats d'électrophorèse (figure b) pour déterminer si l'allèle est dominant ou récessif et si le gène est autosomique ou lié au sexe. Justifier chaque conclusion. b. Déterminer les génotypes des parents II1_1 et II2_2. Construire un échiquier de croisement pour calculer la probabilité d'avoir une fille atteinte.
  4. a. Utiliser la loi de Hardy-Weinberg pour calculer la fréquence de l'allèle récessif (q) à partir de la prévalence chez les hommes (f(Xa_aY) = q). En déduire la fréquence de l'allèle dominant (p = 1-q). b. Calculer la fréquence des femmes hétérozygotes (2pq) en utilisant les fréquences alléliques calculées.
Exercice 5·Moyen

Raisonnement : on donne le brin transcrit d'ADN suivant : 3'-TAC GGA TTA ACT-5'. En utilisant le tableau du code génétique, déterminer la séquence de l'ARNm, celle des codons, et la séquence d'acides aminés du peptide obtenu.

Voir la correction

L'ARNm est complémentaire et antiparallèle du brin transcrit, avec U à la place de T : ARNm = 5'-AUG CCU AAU UGA-3'. Découpage en codons : AUG / CCU / AAU / UGA. Traduction d'après le code : AUG = Méthionine (codon initiateur), CCU = Proline, AAU = Asparagine, UGA = codon STOP (aucun acide aminé, arrêt de la traduction). Peptide obtenu : Méthionine - Proline - Asparagine.

Exploitation de documents : appliquer les règles de complémentarité antiparallèle (A-U, T-A, G-C, C-G), respecter le sens de lecture 5'→3', puis lire correctement le tableau du code génétique jusqu'au codon stop.

Exercice 6·Moyen

Deuxième partie : Raisonnement scientifique et communication écrite et graphique (15 pts)

Exercice 1 (4.5 pts)

L'anémie de Blackfan-Diamont est une maladie héréditaire rare, caractérisée particulièrement par un manque important en globules rouges et en hémoglobine contenue dans ces cellules. Elle est caractérisée aussi par une faiblesse musculaire et des problèmes cardiaques et respiratoires. Afin de déterminer l'origine génétique de cette maladie et son mode de transmission, on propose les données suivantes :

• Donnée 1 : On mesure la quantité des grandes sous-unités et celle des petites sous-unités des ribosomes chez un individu sain et chez un individu malade. La figure (a) du document 1 donne les résultats obtenus. La figure (b) montre l'intervention des ribosomes au cours de la synthèse de l'hémoglobine au niveau des cellules précurseurs des globules rouges chez un individu sain et chez un individu malade.

Document 1

  1. En vous basant sur la figure (a) du document 1, comparez la quantité des petites sous-unités à celle des grandes sous-unités des ribosomes chez l'individu sain puis chez l'individu malade. Expliquez, à partir de la figure (b), le manque en hémoglobine observé chez l'individu malade. (1pt)
Voir la correction
  1. Comparaison :
  • Chez l'individu sain : la quantité des grandes sous-unités est égale à celle des petites sous-unités (environ 46 UA).
  • Chez l’individu malade : la quantité des petites sous-unités (environ 23 UA) est la moitié de la quantité des grandes sous-unités (environ 46 UA). Explication : Le manque de petites sous-unités ribosomiques chez l'individu malade, par rapport aux grandes sous-unités, entraîne la formation d’un nombre insuffisant de ribosomes fonctionnels. Les ribosomes sont essentiels pour la synthèse des protéines, y compris l'hémoglobine. Par conséquent, la synthèse de l'hémoglobine est réduite, ce qui explique le manque d'hémoglobine observé chez l'individu malade (figure b).
  1. Comparer les quantités de petites et grandes sous-unités chez l'individu sain et malade à partir de la figure (a).
  2. Expliquer le rôle des ribosomes dans la synthèse de l'hémoglobine.
  3. Relier le déficit en petites sous-unités à la réduction de la synthèse d'hémoglobine.

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