7.3 : Erreurs de méiose
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Des troubles héréditaires peuvent survenir lorsque les chromosomes se comportent anormalement au cours de la méiose. Les troubles chromosomiques peuvent être divisés en deux catégories : les anomalies du nombre de chromosomes et les réarrangements structuraux chromosomiques. Étant donné que même de petits segments de chromosomes peuvent couvrir de nombreux gènes, les troubles chromosomiques sont typiquement dramatiques et souvent mortels.
Troubles du nombre de chromosomes
L'isolement et l'observation microscopique des chromosomes constituent la base de la cytogénétique et constituent la principale méthode par laquelle les cliniciens détectent les anomalies chromosomiques chez l'homme. Un caryotype est le nombre et l'apparence des chromosomes, y compris leur longueur, leur motif de bandes et la position des centromères. Pour obtenir une vue du caryotype d'un individu, les cytologues photographient les chromosomes, puis copient et collent chaque chromosome dans un tableau ou un caryogramme (Figure\(\PageIndex{1}\)).
DES CARYOGRAMMES EN ACTION : Les généticiens utilisent des caryogrammes pour identifier les aberrations chromosomiques
Le caryotype est une méthode qui permet d'identifier les traits caractérisés par des anomalies chromosomiques à partir d'une seule cellule. Pour observer le caryotype d'une personne, ses cellules (comme les globules blancs) sont d'abord prélevées à partir d'un échantillon de sang ou d'un autre tissu. En laboratoire, les cellules isolées sont stimulées pour commencer à se diviser activement. Un produit chimique est ensuite appliqué sur les cellules pour arrêter la mitose pendant la métaphase. Les cellules sont ensuite fixées sur une glissière.
Le généticien colore ensuite les chromosomes avec l'un des nombreux colorants afin de mieux visualiser les motifs de bandes distincts et reproductibles de chaque paire de chromosomes. Après coloration, les chromosomes sont visualisés par microscopie à fond clair. Un cytogénéticien expérimenté peut identifier chaque bande. Outre les modèles de bandes, les chromosomes sont identifiés en fonction de leur taille et de leur localisation centromérique. Pour obtenir la représentation classique du caryotype dans laquelle les paires homologues de chromosomes sont alignées par ordre numérique du plus long au plus court, le généticien obtient une image numérique, identifie chaque chromosome et organise manuellement les chromosomes selon ce schéma (Figure\(\PageIndex{1}\)).
Dans sa forme la plus élémentaire, le caryogramme peut révéler des anomalies génétiques dans lesquelles un individu possède trop ou trop peu de chromosomes par cellule. Le syndrome de Down, identifié par une troisième copie du chromosome 21, et le syndrome de Turner, caractérisé par la présence d'un seul chromosome X chez la femme au lieu de deux, en sont des exemples. Les généticiens peuvent également identifier de grandes délétions ou insertions d'ADN. Par exemple, le syndrome de Jacobsen, qui implique des traits faciaux distinctifs ainsi que des malformations cardiaques et hémorragiques, est identifié par une délétion sur le chromosome 11. Enfin, le caryotype peut identifier les translocations, qui se produisent lorsqu'un segment du matériel génétique se brise d'un chromosome et se rattache à un autre chromosome ou à une partie différente du même chromosome. Les translocations sont impliquées dans certains cancers, notamment la leucémie myéloïde chronique.
En observant un caryogramme, les généticiens peuvent visualiser la composition chromosomique d'un individu afin de confirmer ou de prédire des anomalies génétiques chez les enfants avant même la naissance.
Non-disjonctions, duplications et suppressions
De tous les troubles chromosomiques, les anomalies du nombre de chromosomes sont les plus facilement identifiables à partir d'un caryogramme. Les troubles du nombre de chromosomes incluent la duplication ou la perte de chromosomes entiers, ainsi que des modifications du nombre d'ensembles complets de chromosomes. Elles sont causées par la non-disjonction, qui se produit lorsque des paires de chromosomes homologues ou de chromatides sœurs ne se séparent pas pendant la méiose. Le risque de non-disjonction augmente avec l'âge des parents.
La non-disjonction peut survenir au cours de la méiose I ou II, avec des résultats différents (Figure\(\PageIndex{2}\)). Si les chromosomes homologues ne se séparent pas au cours de la méiose I, il en résulte deux gamètes dépourvus de ce chromosome et deux gamètes avec deux copies du chromosome. Si les chromatides sœurs ne se séparent pas au cours de la méiose II, il en résulte un gamète dépourvu de ce chromosome, deux gamètes normaux avec une copie du chromosome et un gamète avec deux copies du chromosome.
Un individu possédant le nombre approprié de chromosomes pour son espèce est appelé euploïde ; chez l'homme, l'euploïdie correspond à 22 paires d'autosomes et à une paire de chromosomes sexuels. Un individu présentant une erreur dans le nombre de chromosomes est décrit comme aneuploïde, terme qui inclut la monosomie (perte d'un chromosome) ou la trisomie (gain d'un chromosome étranger). Les zygotes humains monosomiques qui ne possèdent aucune copie d'un autosome ne parviennent toujours pas à se développer jusqu'à la naissance parce qu'ils ne possèdent qu'une seule copie des gènes essentiels. La plupart des trisomies autosomiques ne se développent pas non plus à la naissance ; toutefois, la duplication de certains des plus petits chromosomes (13, 15, 18, 21 ou 22) peut donner naissance à des descendants qui survivent de plusieurs semaines à de nombreuses années. Les personnes trisomiques souffrent d'un autre type de déséquilibre génétique : un excès de dose génique. Les fonctions cellulaires sont calibrées en fonction de la quantité de produit génique produite par deux copies (doses) de chaque gène ; l'ajout d'une troisième copie (dose) perturbe cet équilibre. La trisomie la plus fréquente est celle du chromosome 21, qui entraîne le syndrome de Down. Les personnes atteintes de ce trouble héréditaire présentent des caractéristiques physiques caractéristiques et des retards de développement de la croissance et de la cognition. L'incidence du syndrome de Down est corrélée à l'âge de la mère, de sorte que les femmes âgées sont plus susceptibles de donner naissance à des enfants atteints du syndrome de Down (Figure\(\PageIndex{3}\)).
CONCEPT EN ACTION
Visualisez l'ajout d'un chromosome qui mène au syndrome de Down dans cette simulation vidéo.
Les humains présentent des effets délétères spectaculaires avec les trisomies et les monosomies autosomiques. Par conséquent, il peut sembler contre-intuitif que les femmes et les hommes puissent fonctionner normalement, même s'ils portent des nombres différents du chromosome X. Cela se produit en partie à cause d'un processus appelé inactivation X. Au début du développement, lorsque les embryons de mammifères femelles ne contiennent que quelques milliers de cellules, un chromosome X de chaque cellule s'inactive en se condensant pour former une structure appelée corps de Barr. Les gènes du chromosome X inactif ne sont pas exprimés. Le chromosome X (d'origine maternelle ou paternelle) qui est inactivé dans chaque cellule est aléatoire, mais une fois l'inactivation survenue, toutes les cellules issues de cette cellule auront le même chromosome X inactif. Par ce processus, les femelles compensent leur double dose génétique de chromosome X.
Chez les chats dits « écailles de tortue », l'inactivation du X est observée sous forme de variation de la couleur du pelage (Figure\(\PageIndex{4}\)). Les femelles hétérozygotes pour un gène de couleur de pelage lié à l'X exprimeront l'une des deux couleurs de pelage différentes sur différentes régions de leur corps, correspondant au chromosome X inactivé dans la cellule progénitrice de la cellule embryonnaire de cette région. Lorsque vous verrez un chat écaille de tortue, vous saurez qu'il doit s'agir d'une femelle.
Chez une personne porteuse d'un nombre anormal de chromosomes X, les mécanismes cellulaires inactiveront tous les X de chacune de ses cellules sauf un. Par conséquent, les anomalies du chromosome X sont généralement associées à de légers défauts mentaux et physiques, ainsi qu'à la stérilité. Si le chromosome X est totalement absent, l'individu ne se développera pas.
Plusieurs erreurs dans le nombre de chromosomes sexuels ont été caractérisées. Les individus dotés de trois chromosomes X, appelés Triplo-X, semblent être des femmes mais présentent des retards de développement et une fertilité réduite. Le complément chromosomique XXY, correspondant à un type de syndrome de Klinefelter, correspond aux hommes présentant de petits testicules, des seins élargis et une pilosité réduite. Le chromosome X supplémentaire est inactivé pour compenser l'excès de dosage génétique. Le syndrome de Turner, caractérisé par un complément chromosomique X0 (c'est-à-dire un seul chromosome sexuel), correspond à une femme de petite taille, à la peau palmée dans la région du cou, aux déficiences auditives et cardiaques et à la stérilité.
Un individu dont le nombre de chromosomes est supérieur au nombre correct (deux pour les espèces diploïdes) est appelé polyploïde. Par exemple, la fécondation d'un ovule diploïde anormal avec un spermatozoïde haploïde normal produirait un zygote triploïde. Les animaux polyploïdes sont extrêmement rares, avec seulement quelques exemples parmi les vers plats, les crustacés, les amphibiens, les poissons et les lézards. Les animaux triploïdes sont stériles parce que la méiose ne peut se dérouler normalement avec un nombre impair de séries chromosomiques. En revanche, la polyploïdie est très courante dans le règne végétal, et les plantes polyploïdes ont tendance à être plus grandes et plus robustes que les euploïdes de leur espèce.
Réarrangements structuraux des chromosomes
Les cytologues ont caractérisé de nombreux réarrangements structuraux des chromosomes, y compris des duplications partielles, des délétions, des inversions et des translocations. Les duplications et les délétions produisent souvent des descendants qui survivent mais présentent des anomalies physiques et mentales. Le cri-du-Chat (du français pour « cri du chat ») est un syndrome associé à des anomalies du système nerveux et à des caractéristiques physiques identifiables qui résulte d'une délétion de la majeure partie du bras grêle du chromosome 5 (Figure\(\PageIndex{5}\)). Les nourrissons porteurs de ce génotype émettent un cri aigu caractéristique sur lequel le nom de la maladie est basé.
Les inversions et les translocations chromosomiques peuvent être identifiées en observant les cellules pendant la méiose, car les chromosomes homologues présentant un réarrangement dans l'une des paires doivent se contorsionner pour maintenir un alignement génique approprié et s'apparier efficacement pendant la prophase I.
Une inversion chromosomique est le détachement, la rotation à 180° et la réinsertion d'une partie d'un chromosome (Figure\(\PageIndex{6}\)). À moins qu'elles ne perturbent une séquence génétique, les inversions ne font que modifier l'orientation des gènes et sont susceptibles d'avoir des effets plus légers que les erreurs aneuploïdes.
L'ÉVOLUTION EN ACTION : L'inversion du chromosome 18
Les réarrangements structuraux des chromosomes ne produisent pas tous des individus non viables, altérés ou stériles. Dans de rares cas, un tel changement peut entraîner l'évolution d'une nouvelle espèce. En fait, une inversion du chromosome 18 semble avoir contribué à l'évolution de l'homme. Cette inversion n'est pas présente chez nos plus proches parents génétiques, les chimpanzés.
On pense que l'inversion du chromosome 18 s'est produite chez les premiers humains à la suite de leur divergence par rapport à un ancêtre commun avec les chimpanzés il y a environ cinq millions d'années. Les chercheurs ont suggéré qu'une longue portion d'ADN avait été dupliquée sur le chromosome 18 d'un ancêtre humain, mais qu'au cours de la duplication, il avait été inversé (inséré dans le chromosome en orientation inverse).
Une comparaison des gènes humains et des chimpanzés dans la région de cette inversion indique que deux gènes, ROCK1 et USP14, sont plus éloignés l'un de l'autre sur le chromosome 18 humain que sur le chromosome correspondant du chimpanzé. Cela suggère que l'un des points critiques d'inversion s'est produit entre ces deux gènes. Il est intéressant de noter que les humains et les chimpanzés expriment l'USP14 à des niveaux distincts dans des types de cellules spécifiques, notamment les cellules corticales et les fibroblastes. Peut-être que l'inversion du chromosome 18 chez un être humain ancestral a repositionné des gènes spécifiques et réinitialisé leurs niveaux d'expression d'une manière utile. Comme ROCK1 et USP14 codent pour des enzymes, une modification de leur expression pourrait modifier la fonction cellulaire. On ne sait pas comment cette inversion a contribué à l'évolution des hominidés, mais elle semble être un facteur significatif de la divergence entre les humains et les autres primates. 1
Une translocation se produit lorsqu'un segment d'un chromosome se dissocie et se rattache à un chromosome différent et non homologue. Les translocations peuvent être bénignes ou avoir des effets dévastateurs, selon la façon dont la position des gènes est modifiée par rapport aux séquences régulatrices. Des translocations spécifiques ont notamment été associées à plusieurs cancers et à la schizophrénie. Les translocations réciproques résultent de l'échange de segments chromosomiques entre deux chromosomes non homologues, de telle sorte qu'il n'y a ni gain ni perte d'informations génétiques (Figure\(\PageIndex{6}\)).
Résumé de la section
Le nombre, la taille, la forme et le schéma de bandes des chromosomes les rendent facilement identifiables sur un caryogramme et permettent d'évaluer de nombreuses anomalies chromosomiques. Les troubles du nombre chromosomique, ou aneuploïdies, sont généralement mortels pour l'embryon, bien que quelques génotypes trisomiques soient viables. En raison de l'inactivation du chromosome X, les aberrations des chromosomes sexuels ont généralement des effets plus légers sur un individu. Les aneuploïdies incluent également les cas où des segments d'un chromosome sont dupliqués ou supprimés. Les structures chromosomiques peuvent également être réarrangées, par exemple par inversion ou translocation. Ces deux aberrations peuvent avoir des effets négatifs sur le développement, voire la mort. Comme elles forcent les chromosomes à prendre des appariements tordus au cours de la méiose I, les inversions et les translocations sont souvent associées à une baisse de la fertilité en raison de la probabilité de non-disjonction.
Notes
- 1 V Goidts, et al., « Duplication segmentaire associée à l'inversion spécifique à l'homme du chromosome 18 : un autre exemple de l'impact des duplications segmentaires sur l'évolution du caryotype et du génome chez les primates », Human Genetics, 115 (2004) :116—22.
Lexique
- aneuploïde
- individu présentant une erreur dans le nombre de chromosomes ; y compris les délétions et les duplications de segments chromosomiques
- autosome
- n'importe lequel des chromosomes non sexuels
- inversion chromosomique
- le détachement, la rotation à 180° et la réinsertion d'un bras chromosomique
- euploïde
- un individu possédant le nombre de chromosomes approprié à son espèce
- caryogramme
- l'image photographique d'un caryotype
- caryotype
- le nombre et l'apparence des chromosomes d'un individu, y compris la taille, les motifs de bandes et la position du centromère
- monosomie
- un génotype par ailleurs diploïde dans lequel un chromosome est absent
- non-disjonction
- l'incapacité des homologues synapsés à se séparer complètement et à migrer vers des pôles séparés lors de la première division cellulaire de la méiose
- polyploïde
- un individu avec un nombre incorrect d'ensembles de chromosomes
- translocation
- processus par lequel un segment d'un chromosome se dissocie et se rattache à un chromosome différent non homologue
- trisomie
- un génotype par ailleurs diploïde dans lequel un chromosome entier est dupliqué
- Inactivation de X
- la condensation des chromosomes X dans les corps de Barr au cours du développement embryonnaire chez les femelles pour compenser la double dose génétique