Mutations : origine et variabilité génétique

Substitution, insertion et délétion repérées par comparaison de séquences ; erreurs de réplication et lésions de l’ADN, mutations spontanées et induites, agents mutagènes physiques et chimiques ; systèmes de réparation ; mutations somatiques et germinales, génomes des trios ; effets variés sur le phénotype ; mutations, diversité des allèles et polymorphisme.

À propos de cette page

Six problèmes sur documents : les allèles d’une population d’églantiers, une bactérie qui ne répare plus les lésions dues aux UV, le test d’Ames, les mutations nouvelles de 1 548 enfants islandais, le gène MC1R et les cheveux roux, l’allèle des yeux bleus situé dans une région non codante.

6 problèmes, du plus simple au plus difficile. Écris tes réponses, puis « Vérifier ».

Résoudre un problème : la méthode

Je lis chaque document : sa nature (séquences, tableau de résultats, protocole), sa source, si les valeurs sont réelles ou choisies, et ce qui est compté (colonies, mutants pour 10⁶ survivants, copies d’un gène).
Je repère la comparaison qui répond à la question : séquence et référence, lot traité et témoin, souche normale et souche déficiente, enfant et parents.
Je calcule dans l’ordre des questions : positions et écarts de longueur, survie, fréquences de mutants parmi les survivants, facteurs d’augmentation, fréquences d’allèles.
J’interprète avec les notions du cours : mutation aléatoire, agent mutagène qui en augmente la fréquence, réparation, transmission somatique ou germinale, effet sur la protéine.
Je conclus par une phrase qui répond à la question posée, sans dire qu’un agent « choisit » une mutation ni qu’une mutation somatique passe aux enfants.

Problème 1 · Des églantiers aux pétales de couleurs variées★★★Facile

Document 1 — Les allèles d’une population. Dans une population de 500 églantiers (rosiers sauvages), on a identifié, sur les 1 000 exemplaires d’un gène qui intervient dans la couleur des pétales, trois allèles : A1 (614 exemplaires), A2 (318) et A3 (68).

Document 2 — Séquences partielles des trois allèles (brin codant).
A1 : 5’-CTGAAGTCCGATTGC-3’
A2 : 5’-CTGAAGTCCGGTTGC-3’
A3 : 5’-CTGAAGTCCATTGC-3’

Document 3 — Un rameau à part. Sur l’un de ces églantiers, à fleurs roses, un seul rameau porte des fleurs blanches. Les cellules de ce rameau portent un allèle A4 absent de toutes les autres parties de la plante. Chez les plantes, les fleurs, et donc les gamètes, se forment à partir des cellules de l’extrémité des rameaux.

1. Fréquence de l’allèle A1 :
614 ÷ 1 000 = 0,614, soit 61,4 %. Les 500 églantiers diploïdes portent 1 000 exemplaires du gène.
2. Fréquence de l’allèle A3 :
68 ÷ 1 000 = 0,068 ; et A2 : 318 ÷ 1 000 = 0,318. Le plus fréquent atteint 61,4 %, sous 99 % : le gène est polymorphe.
3. A2 diffère de A1 par une substitution en position
Même longueur (15) ; en position 11, A1 porte A, A2 porte G : substitution A → G.
4. A3 diffère de A1 par la délétion d’un G en position
A3 compte 14 nucléotides : les 9 premiers sont identiques, le G en position 10 manque, puis la suite ATTGC est conservée.
5. A2 et A3, présents chez de nombreux églantiers, sont nés de mutations chez des ancêtres, puis ont été transmis de génération en génération par les
Par les gamètes, puis les graines : seule une mutation présente dans des cellules à l’origine de gamètes passe à la descendance. Chez une plante, ce sont les cellules des rameaux qui forment les fleurs.
6. L’allèle A4 du document 3 est né d’une mutation
Somatique : apparue dans une cellule du rameau en croissance, transmise au clone de cellules qui forme ce rameau.
7. A4 peut être porté par les ovules formés dans les fleurs de cet églantier.
Les fleurs blanches : elles se forment à partir des cellules mutées du rameau ; leurs ovules et leur pollen peuvent porter A4, qui passe ainsi aux graines. Chez un animal, une mutation somatique ne passe jamais aux enfants.

Problème 2 · Une bactérie qui ne répare plus les lésions dues aux UV★★★Moyen

Document 1 — Survie et mutants (valeurs choisies pour l’exercice). Deux souches de la bactérie E. coli sont exposées à des doses croissantes d’UV : une souche sauvage et une souche uvr⁻, dont le système de réparation des lésions dues aux UV ne fonctionne pas.

Dose d’UV (J/m²)	0	15	30	45
Survie, souche sauvage (%)	100	82	55	31
Survie, souche uvr⁻ (%)	100	21	3	0,4
Mutants pour 10⁷ survivants, sauvage	2	11	27	46
Mutants pour 10⁷ survivants, uvr⁻	3	140	390	720

Document 2 — Les lésions dues aux UV. Les UV lient anormalement deux thymines voisines d’un même brin. Ces lésions déforment la double hélice ; lors de la réplication, elles bloquent l’ADN polymérase ou conduisent à l’incorporation d’un nucléotide non complémentaire. Chez la souche sauvage, des enzymes reconnaissent la déformation, retirent une courte portion du brin lésé, puis une ADN polymérase la resynthétise en prenant le brin intact comme modèle.

1. À 30 J/m², la survie de la souche uvr⁻ est environ fois plus faible que celle de la souche sauvage (à l’unité).
55 ÷ 3 ≈ 18,3 : environ 18 fois plus faible.
2. À 30 J/m², rapport des fréquences de mutants uvr⁻ ÷ sauvage : (au dixième)
390 ÷ 27 ≈ 14,4.
3. Souche sauvage : facteur d’augmentation des mutants entre 0 et 45 J/m² :
46 ÷ 2 = 23 : les UV sont mutagènes même quand la réparation fonctionne ; aux fortes doses, elle est dépassée par le nombre de lésions.
4. Souche uvr⁻ : facteur d’augmentation des mutants entre 0 et 45 J/m² :
720 ÷ 3 = 240, dix fois plus que chez la souche sauvage.
5. Sans UV, les deux souches ont des fréquences voisines : leurs mutations spontanées viennent surtout d’erreurs de , corrigées par d’autres systèmes présents dans les deux souches.
D’erreurs de réplication, prises en charge par la relecture et la réparation des mésappariements ; le système absent chez uvr⁻ agit sur les lésions dues aux UV.
6. Chez uvr⁻, une lésion qui bloque l’ADN polymérase empêche la cellule de son ADN, d’où sa faible survie.
De répliquer son ADN : la cellule ne peut pas se diviser et meurt. Une lésion franchie avec un nucléotide non complémentaire est recopiée à la réplication suivante : d’où davantage de mutants chez les survivantes.

Problème 3 · Le test d’Ames : repérer les substances mutagènes★★★Moyen

Document 1 — Le principe (Ames et al., 1973). On utilise une souche de la bactérie Salmonella qui porte un allèle muté d’un gène nécessaire à la fabrication de l’histidine, un acide aminé : elle ne pousse pas sur un milieu sans histidine. Une nouvelle mutation qui rétablit ce gène donne une bactérie « révertante », qui forme une colonie sur ce milieu. On étale le même nombre de bactéries par boîte, avec la substance à tester. Certaines substances ne deviennent mutagènes qu’après avoir été transformées par le foie : on ajoute alors à la boîte un extrait de foie.

Document 2 — Résultats pour une substance X (valeurs choisies ; colonies révertantes par boîte).

Dose de X (µg par boîte)	0	1	5	10
Sans extrait de foie	25	27	24	26
Avec extrait de foie	28	98	420	840

Document 3 — Une substance Y (valeurs choisies). À 10 µg par boîte : 160 révertants sans extrait de foie (24 sans Y), 150 avec extrait (25 sans Y).

1. Sans aucune substance et sans extrait, nombre de colonies révertantes par boîte :
25 : ce sont des révertants spontanés ; ils servent de témoin.
2. Avec extrait de foie, facteur d’augmentation dû à 10 µg de X :
On compare au témoin avec extrait : 840 ÷ 28 = 30.
3. Avec extrait de foie, facteur dû à 1 µg de X : (au dixième)
98 ÷ 28 = 3,5 : l’effet augmente avec la dose.
4. Sans extrait de foie, facteur dû à 10 µg de X : (au dixième)
26 ÷ 25 = 1,04 ≈ 1,0 : sans extrait, X ne change pas la fréquence des révertants.
5. X n’est mutagène qu’après sa transformation par le
Par le foie : X n’est pas mutagène telle quelle, mais un produit de sa transformation l’est.
6. Facteur d’augmentation dû à Y sans extrait de foie : (au dixième)
160 ÷ 24 ≈ 6,7 ; avec extrait : 150 ÷ 25 = 6. Y est mutagène sans transformation.
7. La nouvelle mutation qui rétablit le gène apparaît au , la substance augmentant seulement sa fréquence.
Au hasard : le milieu sans histidine ne fait que révéler les révertants parmi des mutations aléatoires.

Problème 4 · Les mutations nouvelles de 1 548 enfants islandais★★★Difficile

Document 1 — Lire des trios (Jónsson et al., Nature, 2017). Des chercheurs ont lu le génome de 1 548 enfants islandais et de leurs deux parents. Ils ont trouvé 108 778 mutations nouvelles, présentes chez un enfant et absentes chez ses deux parents : 101 377 substitutions et 7 401 insertions ou délétions (2 071 insertions et 5 330 délétions).

Document 2 — L’origine parentale. Parmi les mutations nouvelles dont l’origine a pu être établie dans des familles de trois générations, 80,4 % venaient du père. Chaque année d’âge du père à la conception ajoute en moyenne 1,51 mutation nouvelle d’origine paternelle ; chaque année d’âge de la mère, 0,37 mutation d’origine maternelle.

Document 3 — Une fréquence. Les auteurs estiment la fréquence des mutations nouvelles à 1,28 × 10⁻⁸ par paire de nucléotides et par génération.

1. Nombre moyen de mutations nouvelles par enfant : (au dixième)
108 778 ÷ 1 548 ≈ 70,3.
2. Part des substitutions parmi les mutations nouvelles : % (au dixième)
101 377 ÷ 108 778 ≈ 0,932, soit 93,2 % : les substitutions dominent.
3. Les délétions sont environ fois plus nombreuses que les insertions (au dixième).
5 330 ÷ 2 071 ≈ 2,6.
4. Sur 70 mutations nouvelles, nombre attendu d’origine paternelle : (à l’unité)
0,804 × 70 = 56,28, soit environ 56.
5. Un enfant conçu par un père de 40 ans reçoit en moyenne mutations paternelles de plus que s’il avait 30 ans (au dixième).
10 × 1,51 = 15,1.
6. L’effet d’une année d’âge du père est environ fois celui d’une année d’âge de la mère (à l’unité).
1,51 ÷ 0,37 ≈ 4,1 : environ 4 fois.
7. Avec 1,28 × 10⁻⁸ par paire et par génération, nombre attendu de mutations nouvelles pour 5,5 × 10⁹ paires transmises par les deux parents : (à l’unité)
5,5 × 10⁹ × 1,28 × 10⁻⁸ = 70,4, soit environ 70 : on retrouve l’ordre de grandeur du document 1.
8. Ces mutations nouvelles sont apparues dans la lignée des parents.
Dans la lignée germinale : l’enfant les porte dans toutes ses cellules.
9. L’effet de l’âge du père s’explique par les divisions des cellules à l’origine des spermatozoïdes : plus de divisions, donc plus de
Plus de réplications, et chaque réplication est une occasion d’erreur non réparée.

Problème 5 · Le gène MC1R et les cheveux roux★★★Difficile

Document 1 — Le gène. Le gène MC1R code un récepteur de 317 acides aminés, situé sur la membrane des cellules qui fabriquent les pigments de la peau et des cheveux. Activé, ce récepteur oriente la cellule vers un pigment brun-noir ; peu actif, il laisse dominer un pigment roux-jaune.

Document 2 — Trois allèles fréquents chez les personnes rousses (bases de données de variants). Notation : l’acide aminé de référence, son numéro dans la protéine, puis l’acide aminé du variant.
R151C : Arg n° 151 → Cys ; substitution C → T sur le premier nucléotide du codon 151.
R160W : Arg n° 160 → Trp ; substitution C → T sur le nucléotide n° 478 de la partie codante.
D294H : Asp n° 294 → His ; substitution G → C sur le premier nucléotide du codon 294.

Document 3 — Effets. Ces trois allèles réduisent l’activité du récepteur. Les cheveux roux apparaissent le plus souvent chez les personnes qui portent deux allèles de ce type. Les allèles R160W et D294H sont aussi associés à une peau claire, qui brûle facilement au soleil.

1. Nombre de nucléotides de la partie codante de MC1R, codon stop compris :
317 codons d’acides aminés + 1 codon stop = 318 codons ; 318 × 3 = 954 nucléotides.
2. Le codon 151 commence au nucléotide n°
Les 150 premiers codons occupent 150 × 3 = 450 nucléotides : le codon 151 commence au n° 451. La mutation R151C touche donc sa première base.
3. Le nucléotide n° 478 est, dans son codon, le nucléotide n° (1, 2 ou 3).
Les 159 premiers codons occupent 159 × 3 = 477 nucléotides : le n° 478 est le 1er nucléotide du codon 160.
4. La mutation D294H touche le nucléotide n°
293 × 3 + 1 = 880.
5. Ces trois mutations remplacent un acide aminé par un autre : ce sont des substitutions
Des substitutions faux-sens : la protéine garde sa longueur, mais un acide aminé change.
6. Une personne porte les allèles R151C et R160W : nombre de ses allèles de MC1R qui codent un récepteur pleinement actif :
Aucun : ses deux allèles réduisent l’activité du récepteur ; le pigment roux-jaune domine, elle a très probablement les cheveux roux.
7. Une peau claire, qui brûle facilement, est plutôt défavorable dans un milieu très
Dans un milieu très ensoleillé : l’effet d’un allèle sur l’organisme dépend du milieu.

Problème 6 · Yeux bleus : un allèle d’une région non codante★★★Difficile

Document 1 — Un allèle hors d’un gène codant (Sturm et al., 2008). Une substitution située dans une région non codante du gène HERC2, à environ 21 000 nucléotides du gène OCA2, existe sous deux allèles, notés C et T. L’allèle C diminue l’activité du gène OCA2, qui intervient dans la fabrication du pigment, dans les cellules de l’iris. Dans l’échantillon étudié, environ 1 % des personnes C//C ont les yeux marron, contre environ 80 % des personnes T//T.

Document 2 — Un échantillon (valeurs choisies). Sur 200 personnes : 120 sont C//C, 64 sont C//T et 16 sont T//T.

1. Fréquence de l’allèle C dans l’échantillon : %
Copies de C : 2 × 120 + 64 = 304 sur 400 : 304 ÷ 400 = 76 %.
2. Fréquence de l’allèle T : %
2 × 16 + 64 = 96 copies sur 400 : 24 % (100 − 76). Le plus fréquent est sous 99 % : cette position est polymorphe.
3. L’allèle C ne change pas la protéine OCA2, mais sa dans les cellules de l’iris.
Sa quantité : la mutation est dans une région non codante qui règle l’activité du gène.
4. Nombre attendu de personnes aux yeux marron parmi les 16 personnes T//T : (au dixième)
16 × 0,80 = 12,8.
5. Nombre attendu de personnes aux yeux marron parmi les 120 personnes C//C : (au dixième)
120 × 0,01 = 1,2 : le génotype ne détermine pas tout, d’autres gènes interviennent.
6. Nombre de personnes de l’échantillon qui portent au moins un allèle T :
64 C//T + 16 T//T = 80 personnes.

Bloqué sur ce chapitre ?

Moi c'est Ben, j'ai créé ce site pour aider le plus d'élèves possible, partout en France. Je peux aussi reprendre avec toi ce qui coince en cours particulier : en visio, ou à domicile si tu es à Marseille.

Réserver un 1^er cours → Voir les tarifs

Soutien scolaire à Marseille · Cours particuliers au collège · Aide aux devoirs