Exercices L'expression du patrimoine génétique

Dans quel organite se situe l’ADN ?
Où se déroule la synthèse des protéines ?

L’expression d’un gène se déroule en deux grandes étapes, la transcription (formation d’une molécule d’ARN à partir d’un gène) et la traduction (formation d’une protéine à partir de l’ARN).

Dans quelle partie de la cellule se déroule la transcription ?

La phénylcétonurie est une maladie héréditaire qui touche un nouveau-né sur 16 000. Dès la naissance les nouveaux nés ont des troubles de la digestion, des lésions de la peau et des troubles nerveux. De plus le développement mental est retardé car les cellules nerveuses ont des problèmes de formation et le poids du cerveau est inférieur à la normale.

Chez les individus malades, des études ont montré une activité faible voire nulle de la phénylalanine hydroxylase (PAH). Il s’agit d’une enzyme, car la PAH intervient dans la réaction normale de dégradation de la phénylalanine en tyrosine (deux acides aminés). Sans PAH fonctionnelle, la phénylalanine s’accumule dans les cellules, ce qui perturbe le métabolisme des cellules nerveuses.

La phénylalanine est un acide aminé essentiel, indispensable pour la croissance.

Quelles sont les différentes échelles phénotypiques de la maladie ? Citez un exemple pour chacune.

Des chercheurs ont étudié les effets de l’œstrogène sur l’activité d’un gène cible, que nous nommons alpha par la suite.

Document 1 : Régulation du gène alpha par les œstrogènes

L’activité du gène alpha est mesurée dans une cellule de mammifère. Dans un premier lot, les cellules avec des œstrogènes sont traitées. Dans un second lot, elles ne reçoivent aucun traitement. Les résultats sont présentés dans le graphique suivant :

Document 2 : Localisation du gène alpha dans le noyau

Dans la continuité de l’expérience précédente, le gène alpha est localisé à l’aide d’une sonde fluorescente verte après chacun des traitements présentés.
Sur la micrographie, nous distinguons des zones claires où l’ADN est très compacté, et des zones foncées où l’ADN est faiblement compacté.

Document 3 : Mode d’action des œstrogènes

Les hormones sont des molécules transportées par le système circulatoire. Elles sont produites par une cellule et peuvent modifier le fonctionnement d’une autre cellule, dite cellule cible. En se liant à un récepteur, l’hormone va alors se fixer sur l’ADN, ce qui va provoquer une modification de l’expression génétique de la cellule cible.
Voici l’un des mécanismes pouvant induire les œstrogènes dans une cellule eucaryote.

Expliquez, en le justifiant, comment les œstrogènes agissent sur l’expression du gène alpha.

Introduction de l’activité :

Au début des années 1950, J. Brachet publie des travaux majeurs sur l’expression génétique. Il a étudié des algues vertes unicellulaires du genre Acetabularia, afin de mesurer la production de protéine dans la sa cellule. Des mesures sont réalisées avant et après avoir retiré le noyau, contenant l’information génétique.

À sa grande surprise, la production de protéine se poursuit encore quelques jours dans le cytoplasme, après le retrait du noyau. Cela démontre que le contact avec l’ADN n’est pas nécessaire à la construction des protéines et que cette dernière ne se produit pas dans le noyau des cellules. Il existe donc un messager entre le lieu de stockage de l’information génétique, le noyau, et son lieu d’expression, le cytoplasme.

🧪 Démarche expérimentale : Coloration d’un fragment d’écaille d’oignon 📝

Matériel :

• Bulbe d’oignon blanc (Allium cepa)
• Colorant vert de méthyle-pyronine. Il permet de colorer l’ADN présent dans une cellule en bleu et l’ARN présent dans une cellule en rose
• Verres de montre, lame et lamelle, pince fine et scalpel
• Microscope optique

Protocole :
1. Prélever un fragment frais d’écaille d’oignon, le plus fin possible.
2. Verser quelques gouttes du colorant dans un verre de montre et déposer l’échantillon dans le verre de montre contenant le colorant, laisser agir pendant 2 minutes.
3. Verser quelques gouttes d’eau dans un second verre de montre puis rincer l’échantillon dans le verre de montre contenant l’eau. Répéter l’opération jusqu’à ce que l’eau de rinçage ne soit plus colorée.
4. Déposer l’échantillon sur une goutte d’eau à la surface d’une lame mince.
5. Couvrir votre échantillon d’une lamelle afin de l’observer au microscope optique.

Document 1 : Expérience de pulse-chase

En 1961, les chercheurs Jacob, Monod et Lwoff mettent en évidence la présence d’une molécule dans le cytoplasme, qu’ils nomment « ARN messager ». L’expérience de pulse-chase présentée permet de justifier l’appellation de « messager ».

Le « pulse »
Des cellules sont mises dans un milieu contenant de l’uracile (un nucléotide de l’ARN) marqué avec un atome radioactif durant environ 15 minutes. Les molécules d’ARN formées durant ces 15 minutes contiennent donc des nucléotides radioactifs. La présence d’uracile radioactif est révélée par autoradiographie, grâce aux grains noirs observables sur les photographies.

La « chase »
Ces mêmes cellules sont placées dans un milieu contenant cette fois de l’uracile non radioactif durant 90 minutes. Toutes les nouvelles molécules d’ARN formées à partir de cet instant ne seront pas révélées par l’autoradiographie. Les seules molécules d’ARN révélées sont celles formées pendant le pulse, cette manipulation permet donc suivre leur déplacement dans la cellule au cours du temps.

Atome radioactif :
Atome dont le noyau est instable. Lors de sa désintégration, il émet un rayonnement invisible que l’on peut faire apparaître sur une image microscopique par autoradiographie.

Nous cherchons à montrer que l’ARN est un acide nucléique mobile entre le noyau et le cytoplasme, contrairement à l’ADN stocké au noyau.

• À partir du matériel mis à disposition, présenté dans la démarche expérimentale, proposez une stratégie de résolution permettant de répondre au problème posé. Cette stratégie sera vérifiée par l’enseignant.
• Mettez en œuvre cette stratégie de résolution et présenter les résultats sous une forme pertinente de votre choix (photo, dessin d’observation, tableau…).
• Analysez vos résultats afin de répondre au problème.

Acide nucléique :
Une molécule constituée d’une ou plusieurs chaînes de nucléotides.

Introduction de l’activité :

La génétique est une jeune science. Elle prend ses racines dans les travaux de G. Mendel, publiés en 1866, traitant de l’hérédité des caractères chez les plantes. Ce n’est qu’en 1906, que W. Johannsen nommera, sans savoir réellement ce que c’est, l’élément transmissible à la descendance et responsable de l’état d’un caractère : le gène.
Il ne sera clairement démontré que l’ADN est le support de cette information génétique qu’en 1944 par O. Avery et ses collègues généticiens.

Document 1 : Neurospora crassa, un champignon cultivable en laboratoire

N. crassa est un champignon facile à reproduire en laboratoire. Les filaments d’un individu parent produisent des spores qu’il suffit de transplanter dans un autre milieu pour obtenir un individu fils complet, génétiquement identique au parent.
Il est possible de faire pousser N. crassa dans des tubes à essai contenant un milieu nutritif complet, soit avec de l’eau, des sels et du sucre, ainsi que de l’ensemble des acides aminés permettant son développement.
Il est également possible de faire pousser N. crassa dans des tubes à essai contenant un milieu nutritif minimal, composé uniquement d’eau, de sels et du sucre. Cela suppose donc que le champignon est capable de fabriquer tous les acides aminés dont il a besoin à partir des éléments du milieu minimal.

Document 2 : Production de mutants nutritionnels de Neurospora crassa

Beadle et Tatum ont produit des souches mutantes de N. crassa en exposant des spores à des rayons X. Des mutations apparaissent aléatoirement sur un seul gène de chaque spore, que nous transplantons individuellement dans des tubes de milieu complet. Chaque champignon mutant se développe. Puis, ce champignon est transporté dans un tube de milieu minimal : s’il ne se développe pas, c’est un mutant « nutritionnel ». Appelé ainsi, ce mutant est incapable de fabriquer l’un des acides aminés absents dans le milieu minimal.
Il est possible d’identifier l’acide aminé qui fait défaut, en transplantant le mutant dans des tubes de milieu minimal, mais comprenant l’ajout d’un acide aminé à la fois. Si le mutant pousse dans l’un des tubes, c’est que l’acide aminé ajouté compense son déficit.

Mutation :
Une mutation est une modification dans la séquence ADN d’une cellule qui se transmet au cours des multiplications cellulaires.

Document 3 : Étude des mutants de N. crassa déficients au tryptophane

Beadle et Tatum publient en 1944 des résultats sur deux souches de N. crassa mutantes, déficientes au tryptophane. Ils réalisent des expériences où ils font pousser ces souches sur des milieux minimaux avec l’ajout de différentes molécules intermédiaires dans la voie de synthèse du tryptophane.

Document 4 : La voie de synthèse du tryptophane chez N. Crassa

Voici un schéma illustrant la voie de synthèse du tryptophane chez N. crassa.

Synthèse :
Une synthèse est un processus chimique permettant la fabrication biologique d’une molécule.

À partir de l’analyse des documents, réalisez un podcast (ou rédiger un exposé) démontrant qu’un gène contrôle l’action d’une protéine. L’enregistrement durera environ 3 à 5 minutes.
Vous présenterez dans votre podcast :
1. l’organisme étudié utilisé par Beadle et Tatum ;
2. la formation des mutants N. crassa utilisé par Beadle et Tatum ;
3. la formation de l’acide aminé tryptophane chez N. crassa ;
4. une analyse précise des résultats obtenues par Beadle et Tatum, expliquant à quel niveau la synthèse du tryptophane est affectée et son origine.

Protéine :
Une protéine est une molécule constituée d’acides aminés. Chaque protéine est une chaîne d’acides aminés qui se replie sur elle-même pour adopter une configuration 3D essentielle à son fonctionnement. Les protéines peuvent avoir diverses fonctions (ex : structurer la matrice extracellulaire ou catalyser des réactions chimiques…).

Introduction de l’activité :

Calcitonine et CGRP, voilà deux polypeptides que tout sépare. Ils n’ont pas le même nombre d’acides aminés, ne sont pas produits par les mêmes cellules et ne remplissent pas la même fonction.

Pourtant, la calcitonine et le CGRP sont codés par le même gène : CALCA. Ce gène est situé sur le chromosome 11 de l’être humain, et donne bel et bien deux protéines différentes. Cette réalité cache un processus biologique fascinant qui remet en cause le dogme des années 1950 : 1 gène donne 1 protéine.

Document 1 : Expérience d’hybridation entre l’ADN et l’ARN messager

Dans un tube à essai, nous séparons les deux brins de la molécule d’ADN du gène de l’ovalbumine de poule en la chauffant. Nous ajoutons ensuite le brin d’ARN messager correspondant à ce même gène.
L’ARNm peut se lier avec le brin d’ADN transcrit à condition que sa séquence de nucléotides soit complémentaire. Il est dit que l’ADN et l’ARNm s’hybrident. Les molécules hybrides ADN/ARNm sont ensuite observées au microscope électronique à transmission [MET], présenté ci-dessous.

Document 2 : L’épissage

Des transformations interviennent entre l’ARN pré-messager (ARNpm) produit par la transcription, et l’ARN messager (ARNm) situé dans le cytoplasme juste avant la traduction.
Ces transformations font partie d’un mécanisme appelé maturation de l’ARN, spécifique aux eucaryotes.
Parmi les étapes de la maturation, il y a l’épissage qui permet l’élimination de portions non codantes de l’ARNpm : les « introns » pour ne conserver et ne relier entre eux que des segments appelés « exons ».

Remarque : D’autres phénomènes de maturation de l’ARN existent, comme l’ajout d’une coiffe protectrice au début de sa séquence.

Expliquez en quoi l’épissage de l’ARN, détaillée dans le document 2, permet d’expliquer les observations présentées dans le document 1.