Transfert de l'information génétique — génétique humaine

Le transfert de l'information génétique, en particulier la génétique humaine, est un pilier des SVT au 2ᵉ Bac. Ce chapitre représente environ 18% de la note finale et est enseigné vers décembre. L'objectif est de maîtriser l'analyse d'arbres généalogiques et de données de groupes sanguins pour déduire les modes de transmission et calculer des probabilités.

L'intuition

Imagine que tu cherches à comprendre pourquoi certains membres de ta famille ont les cheveux bouclés et d'autres les cheveux lisses. Tu pourrais dessiner un schéma de ta famille sur plusieurs générations, en notant qui a quel type de cheveux. C'est ce qu'on appelle un arbre généalogique. En observant cet arbre, tu te poserais des questions : est-ce que le fait d'avoir les cheveux bouclés "saute" des générations ? Est-ce que ça touche plus les hommes ou les femmes ? Est-ce que deux parents aux cheveux lisses peuvent avoir un enfant aux cheveux bouclés ?

La génétique humaine, c'est exactement ça : une enquête pour comprendre comment les caractères (comme la couleur des yeux, un groupe sanguin, ou une maladie héréditaire) se transmettent. On utilise des indices (les phénotypes des individus sur l'arbre) pour déduire les règles de transmission (dominance, récessivité, localisation du gène) et même prédire ce qui pourrait arriver aux générations futures. C'est une démarche logique et structurée, comme résoudre une énigme familiale.

Le cours

L'étude de la transmission de l'information génétique chez l'Homme est essentielle pour comprendre l'hérédité des caractères normaux et pathologiques. Elle s'appuie sur l'analyse des arbres généalogiques et, dans certains cas, des groupes sanguins, en respectant la démarche génétique.

I. Rappels sur les lois de Mendel et concepts fondamentaux

Les lois de Mendel, établies initialement pour des organismes végétaux, constituent la base de la génétique.

1. Terminologie clé

   • Caractère héréditaire : Trait transmissible d'une génération à l'autre (ex: couleur des yeux, groupe sanguin).
   • Gène : Séquence d'ADN codant pour un caractère.
   • Allèle : Version spécifique d'un gène (ex: allèle "yeux bleus", allèle "yeux marrons").
   • Phénotype : Ensemble des caractères observables d'un individu, résultat de l'expression des gènes et de l'environnement. Il est noté entre crochets (ex: [A] pour le groupe sanguin A).
   • Génotype : Ensemble des allèles d'un individu pour un ou plusieurs gènes. Il est noté entre parenthèses ou avec des barres (ex: $(A//A)$, $(A//a)$, $X^A//X^a$).
   • Homozygote : Individu possédant deux allèles identiques pour un gène donné (ex: $A//A$ ou $a//a$).
   • Hétérozygote : Individu possédant deux allèles différents pour un gène donné (ex: $A//a$).
   • Allèle dominant : Allèle qui s'exprime toujours au niveau du phénotype, même en présence d'un allèle récessif. Noté en majuscule (ex: $A$).
   • Allèle récessif : Allèle qui ne s'exprime au niveau du phénotype qu'en l'absence d'un allèle dominant (c'est-à-dire à l'état homozygote). Noté en minuscule (ex: $a$).
   • Codominance : Situation où deux allèles s'expriment simultanément et entièrement au niveau du phénotype chez l'hétérozygote (ex: groupe sanguin AB).
   • Lignée pure : Ensemble d'individus homozygotes pour les caractères étudiés, qui, par autofécondation ou croisements entre eux, donnent une descendance identique à eux-mêmes.

2. Lois de Mendel

   • Première loi (Loi d'uniformité des hybrides de F1) : Le croisement de deux lignées pures différant par un ou plusieurs caractères donne une première génération F1 d'individus tous identiques entre eux et au parent dominant (en cas de dominance complète) ou de phénotype intermédiaire (en cas de codominance). Cette loi permet de déduire que les parents sont de lignées pures.
   • Deuxième loi (Loi de ségrégation des allèles) : Lors de la formation des gamètes, les deux allèles d'un gène se séparent (ségrégation) de manière égale, de sorte que chaque gamète ne reçoit qu'un seul allèle.
   • Troisième loi (Loi de ségrégation indépendante des allèles) : Pour deux gènes situés sur des chromosomes différents (gènes indépendants), les allèles de chaque gène se séparent et se combinent indépendamment lors de la formation des gamètes. Cela conduit à une répartition équiprobable des combinaisons d'allèles dans les gamètes d'un double hétérozygote.

II. Étude de la transmission d'un caractère chez l'Homme : Analyse de l'arbre généalogique

L'étude de la génétique humaine ne permet pas de réaliser des croisements expérimentaux. On utilise donc des arbres généalogiques (pedigrees) pour analyser la transmission des caractères.

1. Symboles conventionnels de l'arbre généalogique

   • Carré : Homme
   • Cercle : Femme
   • Coloré ou hachuré : Individu atteint par le caractère étudié
   • Non coloré : Individu sain
   • Trait horizontal entre un carré et un cercle : Mariage/Union
   • Trait vertical descendant du trait d'union : Descendance
   • Chiffres romains (I, II, III...) : Numérotation des générations
   • Chiffres arabes (1, 2, 3...) : Numérotation des individus au sein d'une génération
   • Un trait diagonal sur un symbole : Individu décédé
   • Un point au centre d'un symbole non coloré : Individu porteur sain (pour un allèle récessif)

2. Démarche d'analyse d'un arbre généalogique

   • Étape 1 : Déterminer la dominance ou la récessivité de l'allèle responsable du caractère.

     • Règle clé : Si des parents sains ont un enfant atteint, le caractère est nécessairement récessif. Les parents sont alors hétérozygotes (porteurs sains).
     • Autre indice : Si le caractère apparaît à chaque génération et qu'un individu atteint a au moins un parent atteint, il est probablement dominant. Si deux parents atteints ont un enfant sain, le caractère est dominant (les parents sont hétérozygotes).
     • Notation : On attribue une lettre majuscule à l'allèle dominant et une minuscule à l'allèle récessif (ex: $A$ pour l'allèle dominant, $a$ pour l'allèle récessif).

   • Étape 2 : Déterminer la localisation du gène (autosomique ou gonosomique).

     • Gène autosomique : Le gène est situé sur un autosome (chromosome non sexuel). Le caractère touche indifféremment les hommes et les femmes, avec une répartition généralement égale entre les sexes.
     • Gène gonosomique lié à l'X : Le gène est situé sur le chromosome X.
       • Si récessif lié à l'X :
         • Les hommes (XY) sont plus fréquemment atteints que les femmes (XX) car ils n'ont qu'un seul X.
         • Un père atteint ne transmet jamais la maladie à ses fils (il leur donne le Y), mais toutes ses filles seront au moins porteuses (elles reçoivent son X atteint).
         • Une mère porteuse (hétérozygote) peut transmettre la maladie à la moitié de ses fils.
         • Exemple : Hémophilie, daltonisme.
       • Si dominant lié à l'X :
         • Un père atteint transmet la maladie à toutes ses filles.
         • Une mère atteinte transmet la maladie à la moitié de ses enfants, quel que soit leur sexe.
         • Il n'y a pas de "saut de génération" pour les hommes.
     • Gène gonosomique lié à l'Y : Le gène est situé sur le chromosome Y.
       • Seuls les hommes sont atteints.
       • Un père atteint transmet la maladie à tous ses fils.
       • C'est une transmission très rare et facile à identifier.

   • Étape 3 : Établir les génotypes des individus.

     • Une fois le mode de transmission déterminé, on attribue les génotypes à chaque individu en se basant sur son phénotype et celui de sa descendance ou ascendance.
     • Un individu exprimant un caractère récessif a un génotype homozygote récessif (ex: $a//a$ ou $X^a//Y$ pour un homme, $X^a//X^a$ pour une femme).
     • Un individu sain dont les parents ont eu un enfant atteint par un caractère récessif est nécessairement hétérozygote (ex: $A//a$ ou $X^A//X^a$).
     • Un individu exprimant un caractère dominant peut être homozygote dominant ($A//A$ ou $X^A//X^A$) ou hétérozygote ($A//a$ ou $X^A//X^a$). Si son ascendance ou descendance permet de le déterminer, on le fait. Sinon, on note $(A//\_)$ ou $(X^A//\_)$.

   • Étape 4 : Calculer les probabilités.

     • Pour calculer la probabilité qu'un enfant ait un certain phénotype ou génotype, on utilise un échiquier de croisement (tableau de Punnett).
     • On détermine les gamètes produits par chaque parent et leurs proportions.
     • On remplit l'échiquier pour obtenir les génotypes et phénotypes possibles de la descendance, ainsi que leurs probabilités.

III. Cas particuliers : Groupes sanguins ABO et Rhésus

Les groupes sanguins sont des caractères héréditaires importants, souvent étudiés pour illustrer la codominance et la dominance complète.

1. Système ABO

   • Le gène responsable est situé sur un autosome.
   • Il existe trois allèles : $I^A$, $I^B$, et $i$.
   • Relation de dominance :
     • $I^A$ est dominant sur $i$.
     • $I^B$ est dominant sur $i$.
     • $I^A$ et $I^B$ sont codominants entre eux.
   • Génotypes et phénotypes :
     • Phénotype [A] : Génotypes $I^A//I^A$ ou $I^A//i$
     • Phénotype [B] : Génotypes $I^B//I^B$ ou $I^B//i$
     • Phénotype [AB] : Génotype $I^A//I^B$ (codominance)
     • Phénotype [O] : Génotype $i//i$

2. Système Rhésus (Rh)

   • Le gène est également autosomique.
   • Il existe deux allèles principaux : $Rh^+$ (dominant) et $Rh^-$ (récessif).
   • Génotypes et phénotypes :
     • Phénotype $[Rh^+]$ : Génotypes $Rh^+//Rh^+$ ou $Rh^+//Rh^-$
     • Phénotype $[Rh^-]$ : Génotype $Rh^-//Rh^-$

Exemple résolu

Reprenons un extrait d'annale réel pour illustrer la démarche.

Exercice 1 (3 points) : Pour mettre en évidence le mode de transmission d'une maladie héréditaire chez l'Homme... Le document 1 représente l'arbre généalogique d'une famille dont quelques membres sont atteints de cette maladie.

Question : Déterminez le mode de transmission de cette maladie en justifiant votre réponse. Calculez la probabilité pour que le fœtus IV: soit atteint de la maladie de Miyoshi.

Correction pas à pas :

1. Détermination de la dominance/récessivité :

   • On observe les individus II-1 et II-2 (parents sains) qui ont une fille atteinte (III-1).
   • Justification : Des parents sains (II-1 et II-2) ont un enfant atteint (III-1). Donc, l'allèle responsable de la maladie est récessif.
   • Notation : Soit $D$ l'allèle sain (dominant) et $d$ l'allèle malade (récessif).

2. Détermination de la localisation du gène (autosomique/gonosomique) :

   • Hypothèse 1 : Lié au chromosome Y ? Non, car des femmes sont atteintes (III-1, IV-3).
   • Hypothèse 2 : Lié au chromosome X ?
     • Si récessif lié à l'X, un père atteint transmettrait son X malade à toutes ses filles, les rendant au moins porteuses. Ici, le père II-1 est sain, mais sa fille III-1 est malade.
     • Plus directement, la fille III-1 est malade ($X^d//X^d$). Elle a reçu un $X^d$ de sa mère II-2 et un $X^d$ de son père II-1. Or, le père II-1 est sain. S'il était atteint, il serait $X^d//Y$. S'il était sain, il serait $X^D//Y$. Dans ce cas, il ne pourrait pas transmettre $X^d$ à sa fille.
     • Autre argument : La fille IV-3 est malade. Son père III-4 est sain. Si la maladie était récessive liée à l'X, le père III-4 devrait être $X^D//Y$. Il ne pourrait pas transmettre $X^d$ à sa fille IV-3. Or, une fille malade ($X^d//X^d$) doit recevoir un allèle $X^d$ de son père.
     • Conclusion : Le gène n'est pas lié au chromosome X.
   • Conclusion finale : Le gène est situé sur un autosome.

3. Établissement des génotypes :

   • Allèle sain dominant ($D$), allèle malade récessif ($d$).
   • Individus atteints : Génotype $d//d$.
     • III-1 : $d//d$
     • IV-3 : $d//d$
   • Individus sains dont les parents ou enfants sont atteints : Génotype $D//d$.
     • II-1 et II-2 (parents de III-1) : $D//d$
     • III-2 (frère de III-1) : $D//\_$. Il est sain, mais ses parents sont $D//d$. Il a 2/3 de chance d'être $D//d$ et 1/3 d'être $D//D$.
     • III-3 (mère de IV-3) : $D//d$ (car elle a une fille malade IV-3 ($d//d$) et est saine).
     • III-4 (père de IV-3) : $D//d$ (car il a une fille malade IV-3 ($d//d$) et est sain).

4. Calcul de la probabilité pour le fœtus IV-2 :

   • Le fœtus IV-2 est issu du couple III-2 et III-3.

   • Génotype de III-3 : $D//d$ (établi précédemment).

   • Génotype de III-2 : Il est sain, ses parents sont $D//d \times D//d$.

     • L'échiquier de croisement pour $D//d \times D//d$ donne :
       • $1/4$ $D//D$ (sain)
       • $1/2$ $D//d$ (sain, porteur)
       • $1/4$ $d//d$ (malade)
     • Puisque III-2 est sain, son génotype ne peut pas être $d//d$. Donc, parmi les individus sains, la probabilité qu'il soit $D//D$ est $1/3$ et qu'il soit $D//d$ est $2/3$.

   • Probabilité que le fœtus IV-2 soit atteint :

     • Pour que IV-2 soit atteint ($d//d$), il faut que III-2 soit $D//d$ ET que III-3 soit $D//d$, et qu'ils transmettent chacun l'allèle $d$.
     • Probabilité que III-2 soit $D//d = 2/3$.
     • Probabilité que III-3 soit $D//d = 1$ (certain).
     • Si III-2 est $D//d$ et III-3 est $D//d$, la probabilité d'avoir un enfant $d//d$ est $1/4$.
     • Donc, la probabilité pour que IV-2 soit atteint est $(2/3) \times (1) \times (1/4) = 2/12 = 1/6$.

   • Attention : L'annale mentionne "La probabilité pour que le fœtus IV: soit atteint de la maladie de Miyoshi". L'extrait d'annale fourni ne contient pas l'individu IV: mais IV-2. Si l'on se réfère à un autre exercice d'annale (celui du corrigé officiel 2024), le calcul de probabilité est pour le fœtus IV: issu du couple III-2 x III-3. Le corrigé donne 1/4 (25%), ce qui implique que III-2 est considéré comme $D//d$ avec une probabilité de 1, ou que le couple est III-2 x III-3 et que les deux sont $D//d$. Dans l'exemple donné, le corrigé officiel 2024 pour la maladie de Miyoshi donne pour le fœtus IV: issu du couple III-2 x III-3 (qui sont tous deux $D//d$), une probabilité de 1/4. Cela signifie que les génotypes de III-2 et III-3 sont considérés comme $D//d$ sans ambiguïté.

   • Reprenons avec l'hypothèse du corrigé (III-2 et III-3 sont $D//d$) :

     • Parents : III-2 ($D//d$) $\times$ III-3 ($D//d$)
     • Gamètes de III-2 : $1/2 D$, $1/2 d$
     • Gamètes de III-3 : $1/2 D$, $1/2 d$
     • Échiquier de croisement :

       Gamètes \	$1/2 D$	$1/2 d$
       $1/2 D$	$1/4 D//D$	$1/4 D//d$
       $1/2 d$	$1/4 D//d$	$1/4 d//d$

     • Probabilité d'avoir un enfant atteint ($d//d$) = $1/4$ (ou 25%).

La méthode

Pour réussir l'analyse génétique à l'examen, suis cette démarche rigoureuse :

1. Identifier le caractère étudié et les individus atteints/sains :

   • Lis attentivement l'énoncé.
   • Repère les symboles de l'arbre généalogique.

2. Déterminer la dominance ou la récessivité de l'allèle :

   • Règle d'or : Cherche un couple de parents sains ayant un enfant atteint. Si tu en trouves un, le caractère est récessif. (Les parents sont alors hétérozygotes).
   • Si cette situation n'existe pas, cherche un couple de parents atteints ayant un enfant sain. Si tu en trouves un, le caractère est dominant. (Les parents sont alors hétérozygotes).
   • Si aucune de ces situations n'est présente, le caractère est probablement dominant s'il apparaît à chaque génération et qu'un individu atteint a toujours au moins un parent atteint.
   • Notation : Allèle dominant en majuscule (ex: $A$), allèle récessif en minuscule (ex: $a$).

3. Déterminer la localisation du gène (autosomique ou gonosomique) :

   • Élimine le chromosome Y : Si des femmes sont atteintes, le gène n'est pas lié au chromosome Y.
   • Teste le chromosome X (si récessif) :
     • Un père atteint ne peut pas transmettre la maladie à ses fils.
     • Une fille malade doit avoir un père atteint. Si une fille malade a un père sain, le gène n'est pas récessif lié à l'X.
   • Teste le chromosome X (si dominant) :
     • Un père atteint transmet la maladie à toutes ses filles. Si un père atteint a une fille saine, le gène n'est pas dominant lié à l'X.
   • Si toutes les hypothèses gonosomiques sont réfutées, le gène est autosomique.

4. Établir les génotypes des individus clés :

   • Commence par les individus dont le génotype est certain (ex: un individu atteint par un caractère récessif est $a//a$).
   • Déduis les génotypes des parents ou de la descendance en fonction des règles de transmission.
   • Utilise des notations claires (ex: $A//A$, $A//a$, $X^A//X^A$, $X^A//Y$). Pour les allèles sur les chromosomes sexuels, n'oublie pas le chromosome (ex: $X^A//X^a$).

5. Calculer les probabilités (si demandé) :

   • Identifie les parents concernés et leurs génotypes.
   • Détermine les types et proportions de gamètes produits par chaque parent.
   • Construis un échiquier de croisement (tableau de Punnett) pour visualiser toutes les combinaisons possibles de génotypes et phénotypes de la descendance.
   • Calcule la probabilité demandée à partir de l'échiquier.

6. Rédiger la réponse de manière structurée :

   • Commence par l'identification de la dominance/récessivité avec justification.
   • Puis, la localisation du gène avec justification.
   • Ensuite, les génotypes des individus demandés.
   • Enfin, le calcul de probabilité avec l'échiquier de croisement.
   • Utilise un vocabulaire précis et des notations correctes.

Pièges classiques

• Confondre dominance et fréquence : Un caractère dominant n'est pas forcément le plus fréquent dans la population.
• Oublier la justification : Chaque étape de déduction (dominance, localisation) doit être justifiée par un exemple précis de l'arbre généalogique. "Des parents sains ont un enfant malade" est une justification correcte.
• Erreur dans la notation des génotypes :
  • Ne pas utiliser les barres de séparation des chromosomes (ex: $Aa$ au lieu de $A//a$).
  • Oublier le chromosome X ou Y pour les gènes gonosomiques (ex: $A//a$ au lieu de $X^A//X^a$ ou $X^A//Y$).
  • Ne pas distinguer les allèles dominants et récessifs par la taille de la lettre.
• Mauvaise interprétation des porteurs sains : Pour un caractère récessif, les parents sains d'un enfant malade sont obligatoirement hétérozygotes (porteurs sains).
• Erreur dans le calcul des probabilités :
  • Ne pas prendre en compte le fait qu'un individu sain, issu de parents hétérozygotes pour un caractère récessif, a une probabilité de $2/3$ d'être porteur sain ($A//a$) et $1/3$ d'être homozygote dominant ($A//A$).
  • Ne pas faire d'échiquier de croisement ou le remplir incorrectement.
• Ne pas vérifier toutes les hypothèses : Pour la localisation du gène, il faut systématiquement éliminer les possibilités (lié à Y, lié à X récessif, lié à X dominant) avant de conclure à une transmission autosomique.

Ce qui tombe à l'examen

Les questions de génétique humaine sont presque systématiquement présentes et suivent un format prévisible, souvent intégré dans la partie "Raisonnement scientifique et communication écrite et graphique" (75% de la note).

• Analyse d'arbre généalogique (3 à 4 points) :

  • Déterminer le mode de transmission (dominance/récessivité et localisation autosomique/gonosomique) : C'est la question la plus fréquente. Tu dois justifier chaque étape de ta déduction en citant des individus précis de l'arbre.
    • Exemple de question : "À partir de l'arbre généalogique, déterminez le mode de transmission de la maladie en justifiant vos réponses."
    • Barème typique : 0.5 pt pour la dominance/récessivité + 0.5 pt pour la justification ; 0.5 pt pour la localisation + 0.5 pt pour la justification.
  • Établir les génotypes : On te demandera les génotypes de certains individus clés de l'arbre.
    • Exemple de question : "Donnez les génotypes possibles des individus II-1, II-2 et III-1."
    • Barème typique : 0.25 pt par génotype correct.
  • Calculer des probabilités : On te demandera la probabilité qu'un futur enfant ait un certain phénotype ou génotype. Cela implique souvent de déterminer d'abord les génotypes des parents concernés.
    • Exemple de question : "Calculez la probabilité pour que le fœtus IV-2 soit atteint de la maladie."
    • Barème typique : 0.25 pt pour les génotypes des parents, 0.25 pt pour les gamètes, 0.5 pt pour l'échiquier de croisement, 0.25 pt pour la probabilité finale.

• Questions sur les groupes sanguins (parfois intégrées) :

  • Ces questions testent ta connaissance des relations de dominance et codominance des allèles $I^A$, $I^B$, $i$ et $Rh^+$, $Rh^-$.
  • Exemple de question : "Un couple de groupes sanguins [A Rh+] et [B Rh-] a un enfant de groupe sanguin [O Rh-]. Donnez les génotypes des parents et de l'enfant."

• Restitution des connaissances (QCM, vrai/faux, définitions - 5 points de la partie I) :

  • Des définitions de termes comme "allèle", "génotype", "phénotype", "lignée pure", "hétérozygote", "homozygote".
  • Des questions sur les lois de Mendel ou les symboles des arbres généalogiques.

Conseils pour l'examen :

• Pratique : Fais un maximum d'exercices d'arbres généalogiques. C'est en forgeant qu'on devient forgeron.
• Rigueur : Respecte scrupuleusement la démarche et les notations.
• Justification : Chaque affirmation doit être étayée par un argument tiré de l'arbre.
• Clarté : Tes échiquiers de croisement doivent être lisibles et tes réponses bien structurées.