Polymorphisme génétique et variation

Le polymorphisme génétique est l’existence d’états alternatifs de l’ADN, déterminant la variation des niveaux d’intégration plus élevés de l’organisme. Il existe différents types de modifications du génome (mutations). Les plus étudiées sont les substitutions de nucléotides dans les régions codantes et régulatrices.

Définition

Le polymorphisme génétique est l’existence, dans une population, de plusieurs états alternatifs d’ADN, ou allèles, à une position définie dans le génome, ou locusPosition du gène sur le chromosome., En génétique des populations, un ensemble de gènes homologues (classe d’homologie). Deux gènes sont homologues s’ils correspondent à la méiose. Pluriel: loci.. Cette définition a plusieurs aspects:
(1) Tout d’abord, le trait doit être porté par les chromosomes et être transmissible.
(2) alors les allèles doivent être homologues deux chromosomes ou deux gènes sont dits homologues s’ils s’apparient et s’excluent mutuellement de la méiose. pour leur position dans le génome, ce qui exclut certains types de variation qui seront discutés plus tard.,
(3) mais comme le trait est transmissible, l’homologie de position implique aussi que les allèles sont homologues par descendance; s’ils sont différents, c’est donc qu’une mutation (au moins) s’est produite dans l’une des lignées qui les relie à leur dernier ancêtre commun (Figure 1).
(4) Enfin, le polymorphisme génétique peut être défini à l’échelle de la plus petite unité composant L’ADN: le site nucléotidique., En conséquence, chaque variante nucléotidique peut déterminer le polymorphisme des niveaux supérieurs de structure biologique – le gène, la protéine et le phénotype de l’individu – qui deviennent des échelles auxquelles le polymorphisme génétique peut être décrit (Figure 2).

prenons l’exemple du système sanguin ABO, qui correspond à des motivations antigènespartie de l’antigène reconnu par un anticorps ou un récepteur lymphocytaire. Également connu sous le nom d’épitope ou de déterminant antigénique. Un même antigène peut avoir plusieurs épitopes (identiques ou différents) et ainsi induire une réponse immunitaire variée., impliqué dans la compatibilité lors des transfusions sanguines. Il s’agit d’un cas de polymorphisme génétique présent dans les populations humaines, impliquant la protéine abo glycosyl transferaseEnzyme permettant le transfert de résidus contenant des sucres vers des protéines. Dans le cas du système ABO, la glycosyl transférase A et B induisent respectivement un individu à appartenir au groupe A ou B. Lorsque les deux glycosyltransférases sont présentes, l’individu est du groupe AB. qui a trois allèles, A, B et O. Un individu peut avoir (AA), (AO); (BB), (BO); (OO) ou (AB) génotypes., Son phénotype sera alors,,;,; or, où L’on voit que A et B « dominent” O (c’est-à-dire que leur expression masque celle de O), et qu’ils sont co-dominants entre eux (l’hétérozygote entre A et B a une expression reconnaissable, ).

un polymorphisme peut d’abord être décrit à l’échelle de la séquence D’ADN du locus codant une protéine. Certains polymorphismes sont « synonymes », c’est-à-dire qu’ils ne modifient pas la séquence d’acides aminés de la protéine; ce sont souvent les polymorphismes les plus nombreux. Les autres modifient les acides aminés et sont appelés polymorphismes de « remplacement »., Les polymorphismes de remplacement de l’ABO glycosyl transférase sont de deux types: les polymorphismes qui modifient l’acide aminé mais pas l’unité antigénique (ils n’interfèrent pas avec le phénotype ABO des individus); et d’autres polymorphismes de remplacement, qui déterminent l’ensemble des phénotypes ABO des caractéristiques observables d’un individu..

entre les niveaux de nucléotides et d’allèles, les analyses génétiques prennent en compte un niveau intermédiaire de description: la disposition linéaire des sites variables sur le locus. Ces arrangements, appelés haplotypesgroupe d’allèles de locus différents situés sur le même chromosome et généralement transmis ensemble. Haplotype est un formé par la contraction de l’expression anglaise génotype haploïde, ou génotype haploïde., Tous les gènes situés sur un même chromosome et dont les allèles se séparent au cours de la méiose constituent un haplotype. Ces gènes, dits « génétiquement liés », sont utiles en génétique évolutive car ils permettent de trouver les liens généalogiques entre les allèles (Figure 2).

des polymorphismes nucléotidiques existent également dans les régions intergéniques (en dehors des régions codantes). Certains affectent les zones où l’expression des gènes est régulée et ont donc une expression phénotypique. D’autres n’ont aucun effet connu et désigné comme « silencieux”.,

En plus des substitutions nucléotidiques, le polymorphisme d’un type particulier de mutation, les microsatellites, fait référence aux variations de longueur d’un fragment d’ADN souvent non codant (Figure 3) dues à une modification du nombre de répétitions dans une courte séquence répétée de nucléotides, par exemple CACACACA, ou TGTGTG.

Toutes les variations génétiques ne relèvent pas de la définition du polymorphisme génétique, car elles nécessitent l’homologie de position des alternatives (figure 3)., Ainsi, il existe des séquences répétées obtenues par duplication d’un gène, pour lesquelles deux répétitions ne sont pas homologues par position. Souvent, nous ne pouvons pas non plus parler d’homologie pour les éléments transposables, car ils changent généralement de position au cours des générations cellulaires, peuvent se multiplier et envahir le génome. L’homologie de deux éléments transposables ne peut alors pas être définie. D’autre part, deux séquences codantes d’un même lieu, dont l’une est intacte, et l’autre inactivée par l’insertion d’un élément transposable, correspondent bien à une situation d’homologie., Un jour, nous envisagerons probablement de parler de polymorphisme pour les modifications des chromosomes dits « épigénétiques », qui sont parfois transmis sur plusieurs générations de cellules, somatiquesquelles cellules non reproductrices, ou soma. Une mutation somatique, qui affecte un gène d’une cellule somatique, disparaît avec le transporteur individuel. ou germinalqualifie les gamètes. Une mutation de la lignée germinale peut être transmise à sa progéniture., tels que la méthylation. Leur importance dans l’évolution des populations reste à évaluer., La limitation de la notion de polymorphisme génétique à certaines catégories de variations – essentiellement les substitutions nucléotidiques – vient de la grande utilité de ces dernières pour explorer l’histoire des populations naturelles. Ils se prêtent à la modélisation mathématique de l’évolution.

Le mot polymorphisme signifie « plusieurs formes”. Il s’oppose au monomorphisme, qui indique l’absence de variation. Dans le vocabulaire de la biologie, cette opposition a longtemps été utilisée, avant la génétique, pour signaler la coexistence de plusieurs types d’individus dans la même espèce, par exemple, polymorphisme de caste (reine et ouvrières) chez les insectes sociaux; polymorphisme saisonnier (changements de fourrure) chez certains mammifères arctiques. Ces cas ne relèvent pas du polymorphisme génétique, un concept plus récent avec une signification plus étroite et plus précise. Les variations continues (p. ex. la variation de taille) n’entrent pas non plus dans la catégorie du polymorphisme, car elles ne présentent pas d’alternatives distinctes. Cependant, les locus qui affectent la taille entrent dans cette définition., Nous discuterons ci-dessous des variations génétiques les plus étudiées car elles sont les plus importantes pour l’évolution, les substitutions nucléotidiques, puis nous discuterons de la variation des phénotypes.

mesure

il ne suffit pas de dire qu’un locus est plus ou moins variable sans donner une estimation quantitative à ce jugement. Un chercheur peut étudier la variation à différentes échelles. S’il ne s’intéresse qu’aux allèles d’une protéine, il mesurera la diversité allélique, symbolisée par « H ». S’il s’intéresse à la diversité de L’ADN, il mesurera la diversité des nucléotides, symbolisée par « π ».,

la diversité des allèles H est définie comme la probabilité de tirer deux allèles différents lors de deux échantillonnages avec remplacementeffectuant un tirage successif avec remise de P jetons dans une urne contenant n jetons, signifie prendre un premier jeton, lire sa valeur, le remettre dans l’urne, prendre un deuxième jeton, lire sa valeur, le remettre dans l’urne, etc., jusqu’à ce que la pth jeton. Cela signifie de choisir p objets parmi n avec répétition (vous pouvez choisir le même objet plusieurs fois) et dans l’ordre (l’ordre dans lequel vous choisissez les objets est important)., Le nombre de tirages successifs avec des jetons parmi n est: n × n × n × … × n = np.. Si nous appelons pi la fréquence de l’allèle de rang i, nous montrons que la probabilité de choisir deux fois le même allèle est F = Σ pi2. La diversité allélique de l’échantillon est alors son complément à 1, c’est – à-dire:

H = 1-Σ pi2 (1)

ceci s’applique à la fois aux allèles protéiques et aux haplotypes. Ceci est appelé haplotypical de la diversité. Il peut également être appelé hétérozygotie, car dans le cas d’un locus diploïde, il donne la fréquence attendue des hétérozygotes.,

La diversité nucléotidique π est l’équivalent de H à l’échelle de chaque nucléotide. Il est calculé comme la moyenne du nombre de différences nucléotidiques entre les séquences dans un échantillon prélevé deux par deux (δij), divisé par la longueur du fragment d’ADN en nombre de nucléotides (L).

π = moyenne (δij)/L (2) (voir référence )

Cette valeur diffère entre les espèces. Dans les parties codantes du génome humain, deux chromosomes choisis au hasard dans la population diffèrent en moyenne d’un nucléotide pour mille., Chez la mouche des fruits (Drosophila melanogaster), cette différence est d’environ une sur cent. La mouche est donc dix fois plus variable que l’homme. Lorsque ces valeurs sont liées à la taille des régions codantes (environ 15 500 gènes chez la drosophile, au moins 22 000 chez l’homme), ou même des génomes (140 millions de paires de bases par génome haploïde chez les mouches, environ 3 200 millions ou vingt fois plus chez l’homme), le nombre de sites polymorphes est astronomique et fait qu’aucune des espèces nées de la génération sexualisée n’est, a été et sera génétiquement identique à une autre espèce passée, présente ou future., Le pouvoir informationnel du polymorphisme de l’ADN est immense. En médecine légale, les détectives peuvent identifier n’importe quel suspect à partir de seize locus microsatellites.

histoire

le terme variation se trouve dans le titre des deux premiers chapitres du livre de Darwin The Origin of Species (1859). Darwin a introduit cette notion dans les sciences naturelles à une époque où les lois de l’hérédité biologique restaient un mystère, et lui a consacré un autre livre important, Variation in Animals and Plants (1868)., Convaincu que l’évolution concerne de petites variations qui font peu de différence dans l’adaptation des organismes à leurs conditions de vie, il attache une importance cruciale aux petites variations quantitatives, ce qui pousse ses successeurs (notamment Karl Pearson) à fonder la biométrie de la mesure de la vie. Désigne dans un sens très large à l’étude quantitative des êtres vivants.. Mais la redécouverte des lois de Mendel en 1900 a déplacé l’intérêt vers des variations discontinues.

de 1908 à 1930, la génétique des populations était essentiellement une discipline théorique cherchant à réconcilier le darwinisme avec L’hérédité mendélienne basée sur la transmission d’un seul gène sous un mode X (ou Y) dominant, récessif ou lié aux chromosomes sexuels. Fait référence à un trait génétique avec un déterminisme simple, par un couple ou un petit nombre de couples de gènes., et où les probabilités ont joué un rôle majeur. La génétique est contre-intuitif., Il prédit qu’il n’y a pas de reproduction du parent chez son descendant, car le génotype de ce dernier résulte de la loterie de la séparation des allèles avant la fusion des deux demi-génomes parentaux. Il a été réalisé que ce sont les fréquences alléliquesfréquence à laquelle l’allèle d’une variante se trouve dans une population. Exprimé en proportion ou en pourcentage. La somme des fréquences d’allèles de tous les allèles d’un gène dans une population est donc par définition égale à 1. En génétique des populations, les fréquences des allèles représentent la diversité génétique au niveau de la population ou de l’espèce., qui sont transmis entre les générations, pas génotypes ou phénotypes. Ces fréquences sont plus ou moins stables d’une génération à l’autre et produisent, au-delà de l’enchevêtrement multiple de filiations entre individus, les mêmes fréquences génotypiquestructure génétique de la population. Déterminé à partir des fréquences alléliques (Figure 4). La distribution des génotypes de population, associée à la variance, est donc le seul facteur prévisible., Vers 1930, les trois théoriciens Ronald Fisher, JBS Haldane et Sewall Wright ont contribué à créer la notion de population mendélienne dont l’hérédité obéissait aux lois de Mendel. . Dans ce contexte, l’évolution associe nécessairement trois niveaux structurels: le gène, l’individu et la population. Cette association à trois voies peut être résumée par la formule suivante: l’évolution de la population est un changement de fréquence des allèles (échelle des gènes, mais aussi échelle des groupes), changement qui dépend du tri des phénotypes par sélection (échelle individuelle)., La recherche empirique en génétique des populations s’est alors développée, mais a été longtemps limitée par notre ignorance du fonctionnement des chromosomes (la structure de l’ADN a été comprise en 1953 et son séquençage a commencé en 1977), et a dû se rabattre sur l’étude des quelques polymorphismes visibles, tels que la coloration des élytres de coccinelle ou la coquille des escargots (voir Focus Le Grand Débat sur l’Escargot). Les généticiens ont beaucoup débattu de la question de savoir si les populations naturelles étaient généralement polymorphes ou monomorphes, et si le polymorphisme était en soi bénéfique ou non., L’étude de la variation de l’échelle macromoléculaire a dû attendre 1966 (pour les protéines) et 1983 (pour L’ADN) avant de répondre à ces questions.

variations quantitatives et héritabilité

lorsque nous regardons autour de nous, nous voyons des différences physiques entre les êtres, certaines complexes comme les traits du visage, d’autres faciles à mesurer comme le poids ou la taille. Le bon sens suggère qu’ils sont en partie transmissibles, bien qu’il soit difficile de Les préciser. Ces traits sont souvent polygènesous la dépendance de nombreux gènes. Nous parlons de l’hérédité polygénique. Le diabète est une maladie polygénique., ce qui signifie qu’ils sont influencés par de nombreux locus. La génétique développementale, et son application à la comparaison des espèces (evo-devo, pour « évolution du développement ») démêlent le réseau d’interactions complexes qui font que pendant le développement les cellules du corps, toutes avec un bagage génétique identique, se différencient par épigénèse pour donner différents tissus. On ne sait toujours pas comment les personnages complexes sont construits. Les phénotypes mesurables peuvent être étudiés en utilisant la biométrie, basée sur les propriétés des distributions statistiques., Une valeur avec des propriétés utiles est la variancedans un échantillon d’individus dans lequel un trait donné a été mesuré, la variance est la différence entre la moyenne du carré des valeurs et le carré de la moyenne des valeurs. Cette mesure, qui est toujours positive, indique la dispersion des individus. . Lorsque plusieurs causes indépendantes déterminent la variation d’une droite, leurs variances sont additives et leur somme donne la variance de la droite. Si elles ne sont pas indépendantes, la somme des covariances est ajouté à la somme des variances., La variance totale Vt d’un trait phénotypique est telle que :

VT = Vga+Vgd+Vgd+VGI+Ve

Vga, variance génétique additive, est la somme des variances dues à chaque locus indépendamment des autres; Vgd, variance génétique dominante, résulte de l’interaction des deux allèles d’un même locus; Vgi, variance d’interaction entre locus, résulte le fait que les locus d’un même individu interagissent; ve, variance de l’environnement, est supposé ici indépendant de la variance génétique.,

la variance génétique de la dominance est commune à deux enfants des mêmes parents, car ils partagent les effets de dominance lorsqu’à un locus donné ils ont reçu les mêmes allèles des deux parents, ce qui leur arrive à un locus sur quatre. Ils ne partagent pas ces effets avec leurs parents, ils sont donc plus « similaires” les uns aux autres qu’à leurs parents, malgré le fait qu’ils partagent tant de gènes les uns avec les autres. Certes, un parent peut, par hasard, avoir reçu les deux mêmes allèles qu’un de ses enfants à un lieu donné., Cette possibilité dépend de la fréquence des allèles dans la population. Nous voyons que le degré de similitude entre un enfant et son parent pour un trait donné est une propriété publique.

Plus généralement, toutes les composantes de la variance génétique (Vga+Vgd+Vgi) peuvent varier d’une population à l’autre. Dans les lignées de reproduction, un cas commun est la consanguinité, qui épuise la variance génétique: en conséquence, un trait peut avoir la même moyenne dans deux populations, mais avoir une variation génétique différente. La capacité d’un éleveur à sélectionner un trait est donc une caractéristique de la lignée, pas du trait.,

la relation entre les parents et les enfants est mesurée par l’héritabilité h2. Il est défini comme le ratio de la variance génétique additive de la variance totale :

h2 = Vga/Vt

Il est représenté sous diverses hypothèses à la Figure 5., L’héritabilité est la capacité de déterminer si une caractéristique peut être sélectionnée. La Figure 5-3 montre qu’un éleveur pourra, au sein d’une génération de croisement, faire passer la moyenne d’un caractère de la valeur 0 à la valeur b s’il sélectionne des individus de valeur A. Nous pouvons montrer que b = h2a. pour sélectionner un trait, il est utile d’augmenter le rapport d’héritabilité en normalisant l’environnement (réduisant ainsi la variance environnementale), et en se plaçant dans les conditions environnementales qui favorisent l’apparition du trait. , Le généticien Waddington a montré que, dans la nature, un changement d’environnement peut ainsi révéler de nouveaux traits qui seront ensuite sélectionnés au cours de l’évolution.

Références et notes

Image de couverture. Coquilles d’escargots Cepaea nemoralis & Cepaea hortensis. André Künzelmann, UFZ.,

Cette formule peut être écrite de manière plus conventionnelle que: \pi =\frac{n(n-1))}{2L}\sum _{i=1}^{n-1}\sum_{j=i+1}^{n}\delta ij

Avoir un échantillon de personnes dont le trait étudié a été mesurée, la variance peut être définie comme la différence entre la moyenne des carrés des valeurs et le carré de la moyenne des valeurs. Cette mesure, qui est toujours positive, indique la dispersion des individus.

C’est de l’héritabilité au sens strict du terme. L’héritabilité au sens large est le rapport entre la somme des variances génétiques et la variance totale., Cette formule donne l’héritabilité avec les deux parents (le” parent moyen »); l’estimation avec un seul parent donnerait h2/2.