13.1 : Théorie chromosomique et liens génétiques

Compétences à développer

• Discutez de la théorie chromosomique de l'héritage de Sutton
• Décrire le lien génétique
• Expliquer le processus de recombinaison homologue ou de croisement
• Décrire comment les cartes chromosomiques sont créées
• Calculer les distances entre trois gènes d'un chromosome à l'aide d'un test croisé à trois points

Bien avant que les chromosomes ne soient visualisés au microscope, le père de la génétique moderne, Gregor Mendel, a commencé à étudier l'hérédité en 1843. Grâce à l'amélioration des techniques microscopiques à la fin des années 1800, les biologistes cellulaires ont pu colorer et visualiser les structures subcellulaires à l'aide de colorants et observer leurs actions au cours de la division cellulaire et de la méiose. À chaque division mitotique, les chromosomes se répliquaient, se condensaient à partir d'une masse nucléaire amorphe (sans forme constante) en corps distincts en forme de X (paires de chromatides sœurs identiques) et migraient vers des pôles cellulaires distincts.

Théorie chromosomique de l'héritage

L'hypothèse selon laquelle les chromosomes pourraient être la clé de la compréhension de l'hérédité a amené plusieurs scientifiques à examiner les publications de Mendel et à réévaluer son modèle en termes de comportement des chromosomes lors de la mitose et de la méiose. En 1902, Theodor Boveri a observé que le développement embryonnaire approprié des oursins ne se produit pas sans la présence de chromosomes. La même année, Walter Sutton a observé la séparation des chromosomes en cellules filles au cours de la méiose (Figure\(\PageIndex{1}\)). Ensemble, ces observations ont conduit au développement de la théorie chromosomique de l'héritage, qui a identifié les chromosomes comme le matériel génétique responsable de l'hérédité mendélienne.

Figure\(\PageIndex{1}\) : (a) Walter Sutton et (b) Theodor Boveri sont reconnus pour avoir développé la théorie chromosomique de l'héritage, selon laquelle les chromosomes sont porteurs de l'unité de l'hérédité (gènes).

La théorie chromosomique de l'héritage était conforme aux lois de Mendel et était étayée par les observations suivantes :

• Au cours de la méiose, les paires de chromosomes homologues migrent sous forme de structures distinctes indépendantes des autres paires de chromosomes.
• Le tri des chromosomes de chaque paire homologue en pré-gamètes semble être aléatoire.
• Chaque parent synthétise des gamètes qui ne contiennent que la moitié de leur complément chromosomique.
• Même si les gamètes mâles et femelles (spermatozoïdes et ovules) diffèrent en taille et en morphologie, ils possèdent le même nombre de chromosomes, ce qui suggère des contributions génétiques égales de chaque parent.
• Les chromosomes gamétiques se combinent pendant la fécondation pour produire une progéniture ayant le même nombre de chromosomes que leurs parents.

Malgré des corrélations convaincantes entre le comportement des chromosomes au cours de la méiose et les lois abstraites de Mendel, la théorie chromosomique de l'héritage a été proposée bien avant qu'il n'y ait des preuves directes que des traits étaient transmis aux chromosomes. Les critiques ont souligné que les individus présentaient des traits de ségrégation bien plus indépendants que leurs chromosomes. Ce n'est qu'après plusieurs années de croisements avec la mouche des fruits, Drosophila melanogaster, que Thomas Hunt Morgan a fourni des preuves expérimentales à l'appui de la théorie chromosomique de l'héritage.

Liaison génétique et distances

Les travaux de Mendel suggèrent que les traits sont hérités indépendamment les uns des autres. Morgan a identifié une correspondance 1:1 entre un trait de ségrégation et le chromosome X, suggérant que la ségrégation aléatoire des chromosomes était la base physique du modèle de Mendel. Cela a également démontré que les gènes liés perturbent les résultats prévus par Mendel. Le fait que chaque chromosome puisse porter de nombreux gènes liés explique comment les individus peuvent avoir beaucoup plus de traits que de chromosomes. Cependant, des observations effectuées par des chercheurs du laboratoire de Morgan ont suggéré que les allèles situés sur le même chromosome n'étaient pas toujours hérités ensemble. Au cours de la méiose, les gènes liés se sont détachés d'une manière ou

Recombinaison homologue

En 1909, Frans Janssen a observé le chiasmata, c'est-à-dire le point où les chromatides sont en contact les unes avec les autres et peuvent échanger des segments, avant la première division de la méiose. Il a suggéré que les allèles se dissocient et que les chromosomes échangent physiquement des segments. Au fur et à mesure que les chromosomes se condensaient et s'appariaient à leurs homologues, ils semblaient interagir à des points distincts. Janssen a suggéré que ces points correspondaient à des régions dans lesquelles des segments chromosomiques étaient échangés. On sait maintenant que l'appariement et l'interaction entre des chromosomes homologues, appelés synapses, ne se limitent pas à organiser les homologues en vue de leur migration vers des cellules filles distinctes. Lorsqu'ils sont synapsés, les chromosomes homologues subissent des échanges physiques réciproques au niveau de leurs bras dans le cadre d'un processus appelé recombinaison homologue, ou plus simplement « croisement ».

Pour mieux comprendre le type de résultats expérimentaux que les chercheurs obtenaient à cette époque, considérez un individu hétérozygote qui a hérité d'allèles maternels dominants pour deux gènes du même chromosome (comme AB) et de deux allèles paternels récessifs pour ces mêmes gènes (tels que ab). Si les gènes sont liés, on peut s'attendre à ce que cette personne produise des gamètes AB ou ab avec un ratio de 1:1. Si les gènes ne sont pas liés, l'individu doit produire des gamètes AB, Ab, aB et ab à des fréquences égales, selon le concept mendélien d'assortiment indépendant. Parce qu'ils correspondent à de nouvelles combinaisons d'allèles, les génotypes Ab et aB sont des types non parentaux qui résultent d'une recombinaison homologue au cours de la méiose. Les types parentaux sont des descendants qui présentent la même combinaison allélique que leurs parents. Morgan et ses collègues ont toutefois découvert que lorsque de tels individus hétérozygotes étaient croisés par test avec un parent récessif homozygote (aAbB × aabb), des cas parentaux et non parentaux se produisaient. Par exemple, 950 descendants pourraient être récupérés qui étaient soit aAbB, soit aabb, mais 50 descendants pourraient également être obtenus qui étaient soit Aabb soit AabB. Ces résultats suggèrent que la liaison se produit le plus souvent, mais qu'une minorité significative de descendants sont le produit de la recombinaison.

Art Connection

Figure\(\PageIndex{2}\) : Les modèles d'hérédité des gènes non liés et liés sont présentés. Dans (a), deux gènes sont situés sur des chromosomes différents, de sorte qu'un assortiment indépendant se produit pendant la méiose. Les enfants ont une chance égale d'être du type parental (héritant de la même combinaison de traits que les parents) ou du type non parental (héritant d'une combinaison de traits différente de celle des parents). Dans (b), deux gènes sont très proches l'un de l'autre sur le même chromosome, de sorte qu'aucun croisement ne se produit entre eux. Les gènes sont donc toujours hérités ensemble et tous les descendants sont de type parental. Dans (c), deux gènes sont très éloignés l'un de l'autre sur le chromosome, de sorte qu'un croisement se produit lors de chaque événement méiotique. La fréquence de recombinaison sera la même que si les gènes se trouvaient sur des chromosomes distincts. (d) La fréquence réelle de recombinaison de la longueur des ailes et de la couleur corporelle de la mouche des fruits observée par Thomas Morgan en 1912 était de 17 pour cent. Une fréquence de croisement entre 0 % et 50 % indique que les gènes se trouvent sur le même chromosome et que le croisement se produit de temps en temps.

Dans un test croisé portant sur deux caractéristiques, comme celle présentée ici, la fréquence prévue de descendants recombinants peut-elle être de 60 pour cent ? Pourquoi ou pourquoi pas ?

Cartes génétiques

Janssen ne disposait pas de la technologie nécessaire pour démontrer le franchissement, il s'agissait donc d'une idée abstraite qui n'a pas été largement acceptée. Les scientifiques pensaient que les chiasmas étaient une variation de la synapse et n'arrivaient pas à comprendre comment les chromosomes pouvaient se briser et se rejoindre. Pourtant, les données indiquaient clairement que le couplage ne se produisait pas toujours. En fin de compte, il a fallu un jeune étudiant de premier cycle et une « nuit blanche » pour élucider mathématiquement le problème du couplage et de la recombinaison.

En 1913, Alfred Sturtevant, étudiant au laboratoire de Morgan, a recueilli les résultats des chercheurs du laboratoire et les a ramenés chez eux un soir pour y réfléchir. Le lendemain matin, il avait créé la première « carte chromosomique », une représentation linéaire de l'ordre des gènes et de la distance relative sur un chromosome (Figure 13.1.3).

Art Connection

Figure\(\PageIndex{3}\) : Cette carte génétique classe les gènes de la drosophile en fonction de la fréquence de recombinaison.

Laquelle des affirmations suivantes est vraie ?

1. La recombinaison de la couleur corporelle et des allèles de l'œil rouge/cinabre se produira plus fréquemment que la recombinaison des allèles relatifs à la longueur des ailes et à la longueur des aristas.
2. La recombinaison des allèles de la couleur corporelle et de la longueur des aristas se produira plus fréquemment que la recombinaison des allèles oculaires rouges/bruns et des allèles de la longueur des aristas.
3. La recombinaison de la couleur gris/noire du corps et des allèles aristae longs/courts ne se produira pas.
4. La recombinaison de l'allèle œil rouge/brun et de l'allèle aristae longue/courte se produira plus fréquemment que la recombinaison des allèles relatifs à la longueur des ailes et à la couleur du corps.

Comme le montre la figure\(\PageIndex{3}\), en utilisant la fréquence de recombinaison pour prédire la distance génétique, l'ordre relatif des gènes sur le chromosome 2 a pu être déduit. Les valeurs affichées représentent les distances cartographiques en centimorgans (cM), qui correspondent aux fréquences de recombinaison (en pourcentage). Par conséquent, les gènes responsables de la couleur corporelle et de la taille des ailes étaient séparés de 65,5 − 48,5 = 17 cM, ce qui indique que les allèles maternel et paternel de ces gènes se recombinent chez 17 % des descendants, en moyenne.

Pour construire une carte chromosomique, Sturtevant a supposé que les gènes étaient ordonnés en série sur des chromosomes filiformes. Il a également supposé que l'incidence de la recombinaison entre deux chromosomes homologues pouvait se produire avec la même probabilité n'importe où sur la longueur du chromosome. Sur la base de ces hypothèses, Sturtevant a postulé que les allèles éloignés les uns des autres sur un chromosome étaient plus susceptibles de se dissocier au cours de la méiose simplement parce qu'il y avait une plus grande région sur laquelle la recombinaison pouvait se produire. À l'inverse, les allèles proches les uns des autres sur le chromosome étaient susceptibles d'être hérités ensemble. Le nombre moyen de croisements entre deux allèles, c'est-à-dire leur fréquence de recombinaison, était en corrélation avec leur distance génétique l'un par rapport à l'autre, par rapport à la localisation d'autres gènes sur ce chromosome. Si l'on considère l'exemple de croisement entre aAbB et aabb ci-dessus, la fréquence de recombinaison peut être calculée comme suit : 50/1000 = 0,05. C'est-à-dire que la probabilité d'un croisement entre les gènes a/a et b/B était de 0,05, soit 5 %. Un tel résultat indiquerait que les gènes étaient définitivement liés, mais qu'ils étaient suffisamment éloignés les uns des autres pour que des croisements se produisent occasionnellement. Sturtevant a divisé sa carte génétique en unités cartographiques, ou centimorgans (cM), dans lesquelles une fréquence de recombinaison de 0,01 correspond à 1 cM.

En représentant les allèles sur une carte linéaire, Sturtevant a suggéré que les gènes peuvent être parfaitement liés (fréquence de recombinaison = 0) à parfaitement non liés (fréquence de recombinaison = 0,5) lorsque les gènes se trouvent sur des chromosomes différents ou que les gènes sont très éloignés les uns des autres sur le même chromosome. Les gènes parfaitement dissociés correspondent aux fréquences prédites par Mendel pour s'agencer indépendamment dans un croisement dihybride. Une fréquence de recombinaison de 0,5 indique que 50 % des descendants sont des recombinants et que les 50 % restants sont des types parentaux. C'est-à-dire que chaque type de combinaison d'allèles est représenté avec une fréquence égale. Cette représentation a permis à Sturtevant de calculer de manière additive les distances entre plusieurs gènes d'un même chromosome. Cependant, à mesure que les distances génétiques approchaient de 0,50, ses prédictions sont devenues moins précises car il n'était pas clair si les gènes étaient très éloignés les uns des autres sur le même chromosome ou sur des chromosomes différents.

En 1931, Barbara McClintock et Harriet Creighton ont démontré le croisement de chromosomes homologues chez des plants de maïs. Quelques semaines plus tard, une recombinaison homologue chez la drosophile a été démontrée au microscope par Curt Stern. Stern a observé plusieurs phénotypes liés à l'X qui étaient associés à une paire de chromosomes X structurellement inhabituelle et dissemblable, dans laquelle un X manquait un petit segment terminal et l'autre X était fusionné à un morceau du chromosome Y. En croisant des mouches, en observant leur progéniture, puis en visualisant les chromosomes de la progéniture, Stern a démontré que chaque fois que la combinaison allélique de la progéniture s'écarte de l'une ou l'autre des combinaisons parentales, il y avait un échange correspondant d'un segment du chromosome X. L'utilisation de mouches mutantes dotées de chromosomes X structurellement distincts a été essentielle pour observer les produits de la recombinaison, car le séquençage de l'ADN et d'autres outils moléculaires n'étaient pas encore disponibles. On sait maintenant que les chromosomes homologues échangent régulièrement des segments lors de la méiose en se brisant mutuellement et en rejoignant leur ADN à des endroits précis.

Lien vers l'apprentissage

Passez en revue le processus de Sturtevant pour créer une carte génétique sur la base des fréquences de recombinaison ici.

Les traits cartographiés de Mendel

La recombinaison homologue est un processus génétique courant, mais Mendel ne l'a jamais observé. S'il avait étudié à la fois des gènes liés et non liés, il lui aurait été beaucoup plus difficile de créer un modèle unifié de ses données sur la base de calculs probabilistes. Les chercheurs qui ont depuis cartographié les sept caractères étudiés par Mendel sur les sept chromosomes du génome du plant de pois ont confirmé que tous les gènes qu'il a examinés se trouvent soit sur des chromosomes distincts, soit sont suffisamment éloignés les uns des autres pour être statistiquement indépendants. Certains suggèrent que Mendel a eu beaucoup de chance de ne sélectionner que des gènes non liés, tandis que d'autres se demandent si Mendel a écarté toute donnée suggérant un lien. Quoi qu'il en soit, Mendel a toujours observé un assortiment indépendant parce qu'il a examiné des gènes qui n'étaient effectivement pas liés.

Résumé

La théorie chromosomique de l'hérédité, proposée par Sutton et Boveri, affirme que les chromosomes sont les véhicules de l'hérédité génétique. Ni la génétique mendélienne ni la liaison génique ne sont parfaitement précises ; le comportement des chromosomes implique plutôt une ségrégation, un assortiment indépendant et, parfois, une liaison. Sturtevant a conçu une méthode pour évaluer la fréquence des recombinaisons et déduire les positions et distances relatives des gènes liés sur un chromosome sur la base du nombre moyen de croisements dans la région intermédiaire entre les gènes. Sturtevant a supposé à juste titre que les gènes sont disposés en série sur les chromosomes et que la recombinaison entre homologues peut se produire n'importe où sur un chromosome avec la même probabilité. Alors que la liaison entraîne l'hérédité des allèles d'un même chromosome ensemble, la recombinaison homologue biaise les allèles vers un modèle héréditaire d'assortiment indépendant.

Connexions artistiques

Figurine\(\PageIndex{2}\): In a test cross for two characteristics such as the one shown here, can the predicted frequency of recombinant offspring be 60 percent? Why or why not?

Answer

No. The predicted frequency of recombinant offspring ranges from 0% (for linked traits) to 50% (for unlinked traits).

Figure \(\PageIndex{3}\): Which of the following statements is true?

1. Recombination of the body color and red/cinnabar eye alleles will occur more frequently than recombination of the alleles for wing length and aristae length.
2. Recombination of the body color and aristae length alleles will occur more frequently than recombination of red/brown eye alleles and the aristae length alleles.
3. Recombination of the gray/black body color and long/short aristae alleles will not occur.
4. Recombination of the red/brown eye and long/short aristae alleles will occur more frequently than recombination of the alleles for wing length and body color.

Answer

D

Glossary

centimorgan (cM)

(also, map unit) relative distance that corresponds to a recombination frequency of 0.01

Chromosomal Theory of Inheritance

theory proposing that chromosomes are the vehicles of genes and that their behavior during meiosis is the physical basis of the inheritance patterns that Mendel observed

homologous recombination

process by which homologous chromosomes undergo reciprocal physical exchanges at their arms, also known as crossing over

nonparental (recombinant) type

progeny resulting from homologous recombination that exhibits a different allele combination compared with its parents

parental types

progeny that exhibits the same allelic combination as its parents

recombination frequency

average number of crossovers between two alleles; observed as the number of nonparental types in a population of progeny