La démarche scientifique est un outil d'investigation pour décrire et comprendre le réel. Elle est surtout utilisée dans les sciences de la nature (physique, biologie …). Elle repose sur le questionnement.
Le travail de recherche peut se faire de quatre façons différentes. Il est souvent utile d'avoir recours à plusieurs d'entre elles.
1.Démarche d'observation : C'est une démarche d'analyse du réel (êtres vivants, roches,...) observés selon diverses techniques (oeil nu, microscopie optique ou électronique, rayon X,...).
2.Démarche expérimentale : Elle nécessite du matériel biologique et de laboratoire (verrerie, appareils de mesure,...) afin de construire un dispositif expérimental, ainsi que l'établissement d'un protocole décrivant les étapes de l'expérience. Elle doit comporter un témoin (positif ou négatif). Elle a des limites évidentes dans l'étude du vivant ( éthique, simplicité… ).
3.Démarche documentaire : C'est une démarche bibliographique, de lecture, de synthèse et de mise en relation d'informations diverses.
4.Démarche de modélisation : Modéliser consiste à remplacer le réel trop complexe par un schéma, une maquette, un logiciel… pour répondre au problème posé. Le modèle ne sera jamais satisfaisant et aura toujours des limites. Le modèle donne lieu a des simulations (expériences) afin de tester un seul paramètre et doit toujours être critiquer (conditions limites, paramètres testés,...).
Quand l'hypothèse n'est pas vérifiée ou que le résultat attendu n'est pas réalisé, ce n'est pas un échec. La démarche scientifique prévoit un retour vers le problème ou les hypothèses mal formulées, ou alors la démarche utilisée qui doit être reconsidérée.
Thème I : La Terre dans l'Univers, la vie et l'évolution du vivant
Partie A : Expression, stabilité et variation du patrimoine génétique
Chapitre 2 : Variabilité génétique et mutation de l’ADN
Pb : Comment les mutations de l’ADN apparaissent-elles?
Pb : Quel est le devenir d’une cellule mutée?
Rappel 3è :
Chaque chromosome contient de nombreux gènes. Chaque gène est porteur d’une information génétique. Les gènes déterminent les caractères héréditaires.
Un gène peut exister sous des versions différentes appelées allèles.
L’apparition de caractères nouveaux au cours des générations suggère des modifications de l’information génétique : ce sont les mutations.
Rappel 2nde
La variation génétique repose sur la variabilité de la molécule d’ADN (mutation).
La biodiversité est à la fois la diversité des écosystèmes, la diversité des espèces et la diversité génétique au sein des espèces.
1/ Les mutations : des modifications de l’ADN
a- Des erreurs spontanées et rares de réplication
A1 : TD mutation spontanée et agents mutagènes
En laboratoire, la réplication est aujourd'hui reproduite in vitro dans l'étude des traces d'ADN. Une ADN polymérase découverte dans un micro-organisme extrémophile (thermophile) est utilisée pour amplifier (recopier) de manière très rapide la quantité d'ADN avant son analyse : cette biotechnologie est nommée PCR (Polymerase Chain Reaction).
Dans une cellule humaine, 6,4 milliards de paires de nucléotides sont répliquées à chaque interphase par l’ADN polymérase.
Aucun système de copie étant infaillible, l’ADN polymérase commet parfois des erreurs de réplication, estimé à 1 tous les 105 nucléotides répliqués. Toutefois, une auto-correction de l’ADN polymérase réduit le nombre d’erreurs à 1 pour 107 nucléotides.
De plus, des modification de la séquence ATGC peuvent aussi avoir lieu en dehors de la la phase S de réplication.
b- Des erreurs augmentées par des agents mutagènes
Certaines substances chimiques cancérogènes, comme le benzène (solvant aromatique incolore et volatile, dérivé du pétrole, utilisé comme solvant des graisses) ou l’acridine (colorant biologique issu de la houille) sont de petites molécules qui s’intercalent dans la double hélice de l’ADN.
Elles empêchent de bon déroulement de la réplication et augmente la fréquence des erreurs de l’ADN polymérase.
De plus, certains rayonnements sont aussi mutagènes : les rayons X (radiographie), les rayons Gamma (radioactivité) ou encore les rayons ultra-violet (UV) . Ils cassent ou modifient directement la structure 3D de l’ADN, ou créent des radicaux libres (molécules oxygénée très instables) qui interagissent avec la molécule d’ADN.
Les agents mutagènes
Au final, on observe 3 types d’erreurs : il peut y avoir un oubli (délétion), un ajout (addition) ou encore un mauvais appariement de nucléotides complémentaires (substitution).
A2 : TP Mélanome = modèle biologique des levures Ade2
Les UV d’origine solaire (partiellement filtrés par la couche d’ozone) ou artificielle (lampe à bronzer) stimulent la formation de liaisons covalentes entre deux nucléotides adjacents : les dimères T=T ou T=C qui modifient la structure de l’ADN. Cette modification de structure perturbe la réplication en introduisant des erreurs qui, en l'absence de correction, sont conservées et recopiées lors des réplications suivantes.
La conservation d'une erreur : une mutation
L’effet des radiations est cumulatif : il existe une relation entre le taux de mutation et la dose de rayonnement : plus la durée d’irradiation aux UV est grande, plus le taux de mutations est grand (apparition de colonies blanches ou mort des levures).
Résultats d'irradiations croissantes par des UV d'une culture de levures Ade2
Les agents mutagènes augmentent la fréquence de mutation pendant ou en dehors de la réplication.
Bilan :
Pendant la réplication de l’ADN surviennent des erreurs spontanées et rares, dont la fréquence est augmentée par l’action d’agents mutagènes. L’ADN peut aussi être endommagé en dehors de la réplication. Sans réparation, les réplications successives conservent ses erreurs dans le génome : ce sont les mutations.
2/ Le devenir des mutations
a- Les mécanismes de réparation de l’ADN
A3 - TP xeroderma pigmentosum
L’abondance de dimères de thymine induite par le rayonnement UV diminue au cours du temps chez un sujet normal : cette observation traduit l’action d’un mécanisme de réparation de l’ADN lésé.
Chez des patients atteints de xeroderma pigmentosum, les dimères de thymine perdurent. Leur mécanisme n’est plus fonctionnel.
La recherche de mutation génétique chez ces patients a montré l’existence d’un groupe de gènes, notés xpA, …, à xpG, responsable d’une chaine de réactions enzymatiques réparatrices de l’ADN. Chez ces patients, ces gènes sont mutés : la réparation de l’ADN n’a pas lieu.
Ce mécanisme de réparation par excision de nucléotides (NER) s’effectue en 4 étapes et implique chez l’Homme une trentaine de protéines :
1 - Recherche et reconnaissance de la lésion par la protéine xpC.
2 - Ouverture de la double hélice au niveau de la lésion par une hélicase.
3 - Incision de part et d'autre de la lésion puis excision pour éliminer le fragment d'ADN portant la lésion, réalisées par des endonucléases.
4 - Synthèse par une ADN polymérase puis ligation avec les extrémités du brin d’origine.
Ces mécanisme de réparation sont nécessaires au maintien d’un faible taux de mutation au sein d’un organisme.
b- La transmission des mutations
Quand une mutation est inscrite dans le patrimoine génétique d’une cellule, plusieurs scénario sont possibles :
- La mutation empêche l’expression du gène et la cellule ne peut pas survivre. : la mutation est létale et disparait avec la cellule.
- La mutation est silencieuse, elle ne perturbe pas l’expression du gène.
- La mutation modifie l’expression du gène, la cellule ne fonctionne pas normalement mais se divise : la mutation est transmise aux cellules filles appelées clones cellulaires qui définissent un secteur mutant. Ce phénomène peut donner naissance à un nouveau caractère.
- La mutation provoque une cancérisation de la cellule. La cellule devient immortelle et se divise sans contrôle. Une tumeur cancéreuse peut alors se développer dans un organe.
c- Les mutations : source de biodiversité.
Si la mutation a lieu dans une cellule somatique (toutes cellules de l’organisme en dehors des cellules reproductrices), la mutation dite somatique restera dans l’organisme et disparaîtra avec sa mort.
Si la mutation a lieu dans des cellules reproductrices, la mutation dite germinale sera présente dans les gamètes et donc transmissible à la descendance si elle participe à la fécondation.
Toutes les cellules issues de la cellule-oeuf porteront la mutation. Elle devient alors héréditaire au sein de l’espèce.
Les mutations germinales sont à l’origine de la diversité allélique d’un gène dit polyallélique (ABO, HLA,…) et donc à la diversité génétique d’une espèce.
Cette diversité génétique est aussi le point de départ des mécanismes de l’évolution (dérive génétique, sélection naturelle) à l’origine de l’apparition de nouvelle espèce.
Le plus souvent les lésions de l’ADN sont réparées par des systèmes enzymatiques. Quand elles ne le sont pas et si les modifications n’empêchent pas la survie de la cellule, il apparaît une mutation, qui sera transmise si la cellule se divise.
Une mutation survient soit dans une cellule somatique (elle est ensuite présente dans le clone issu de cette cellule) soit dans une cellule germinale (elle devient alors héréditaire).
Les mutations sont la source aléatoire de la diversité des allèles, fondement de la biodiversité génétique et spécifique.
