La réplication de l'ADN, les mutations et la variabilité génétique

a) En face de chaque nucléotide de la matrice est placé le nucléotide complémentaire (A face à T, T face à A, G face à C, C face à G), et le nouveau brin est antiparallèle à la matrice. Face à 5'-ATGCCGTAAGTC-3', on obtient 3'-TACGGCATTCAG-5', soit, écrit de 5' vers 3' : 5'-GACTTACGGCAT-3'.

b) Le brin est assemblé par l'ADN polymérase. Elle choisit chaque nucléotide libre selon la complémentarité des bases avec le nucléotide de la matrice, et allonge le brin dans le sens 5' → 3'.

c) Les deux brins de la molécule mère servent chacun de matrice. On obtient deux molécules formées chacune d'un brin ancien et d'un brin nouveau, identiques entre elles et à la molécule mère : c'est la réplication semi-conservative.

On aligne chaque séquence sous la référence (15 nucléotides) et on repère la première différence.

a) Individu 1 : même longueur (15), un seul nucléotide différent : substitution. Individu 2 : 14 nucléotides : délétion. Individu 3 : 16 nucléotides : insertion.

b) Individu 1 : en position 8, le A de la référence est remplacé par un C : substitution A → C en position 8. Individu 2 : les 9 premiers nucléotides sont identiques ; le G en position 10 manque, puis la suite AACTG est conservée : délétion du G en position 10. Individu 3 : les 12 premiers nucléotides sont identiques, puis apparaît un T avant la suite CTG : insertion d'un T entre les positions 12 et 13.

c) La délétion (individu 2) raccourcit la séquence d'un nucléotide ; l'insertion (individu 3) l'allonge d'un nucléotide. La substitution ne change pas la longueur.

a) M1 et M2 touchent des cellules du corps (épiderme, moelle osseuse) : ce sont des mutations somatiques. M1 est de plus une mutation induite par les UV. M3 touche une cellule de la lignée germinale, à l'origine d'un gamète : c'est une mutation germinale.

b) Une mutation est transmise à toutes les cellules issues de la cellule mutée. M1 : seul le clone de cellules épidermiques issu de la cellule mutée, soit une petite zone de peau. M2 : les cellules sanguines produites par cette cellule souche et ses descendantes, pas les autres cellules du corps.

c) Seule M3 est transmissible, à condition que cet ovocyte soit libéré puis fécondé : l'enfant porterait alors la mutation dans toutes ses cellules. M1 et M2 ne seront jamais transmises aux enfants.

a) Chaque réplication double le nombre de molécules : $2^4=16$. On obtient 16 molécules.

b) Les deux brins ¹⁵N d'origine sont conservés et se trouvent chacun dans une molécule, associés à un brin ¹⁴N. Il y a donc 2 molécules hybrides et $16-2=$ 14 molécules légères. Proportion d'hybrides : $\frac{2}{16}=0,125$, soit 12,5 % (87,5 % de molécules légères).

c) Dans le modèle conservatif, la molécule d'origine reste ¹⁵N/¹⁵N et toutes les autres sont neuves. On attend une bande lourde ($\frac{1}{16}$, soit 6,25 % de l'ADN) et une bande légère (15 molécules, 93,75 %), sans aucune bande intermédiaire.

d) Les deux brins lourds d'origine ne sont ni détruits ni fragmentés : à chaque réplication, chacun sert de matrice et reste associé à un brin neuf. Il y a donc toujours exactement deux molécules contenant du ¹⁵N ; seules les molécules légères se multiplient, si bien que la proportion d'hybrides est divisée par deux à chaque génération.

a) Les deux fourches partent en sens opposés et se partagent le chromosome : chacune copie $\frac{4,6\times {10}^6}{2}=2,3\times {10}^6$ nucléotides. Durée : $\frac{2,3\times {10}^6}{1000}=2300$ s, soit $\frac{2300}{60}\approx 38,3$ min : 2 300 s, environ 38 min.

b) Chaque fourche copierait $\frac{1,59\times {10}^8}{2}=7,95\times {10}^7$ nucléotides, en $\frac{7,95\times {10}^7}{50}=1,59\times {10}^6$ s. Or une journée dure 86 400 s : $\frac{1,59\times {10}^6}{86400}\approx 18,4$. Il faudrait environ 18 jours.

c) 8 h = 28 800 s. En 8 h, une origine (deux fourches) permet de copier $2\times 50\times 28800=2,88\times {10}^6$ nucléotides. Nombre minimal d'origines : $\frac{1,59\times {10}^8}{2,88\times {10}^6}\approx 55,2$. Le nombre d'origines étant entier, il en faut au moins 56.

d) Les chromosomes eucaryotes sont très longs et les fourches y sont lentes : avec une seule origine, la réplication durerait des semaines, ce qui est incompatible avec la durée de la phase S. Les nombreuses origines, actives simultanément, permettent de copier tout le génome en quelques heures.

a) $6,4\times {10}^9\times {10}^{-5}=6,4\times {10}^4$ : 64 000 erreurs avant correction.

b) La relecture en corrige 99 %, il en reste 1 % : $64000\times 0,01=$ 640 erreurs. Le système de réparation en corrige 99,9 %, il en reste 0,1 % : $640\times 0,001=$ 0,64 erreur par réplication, soit en moyenne moins d'une mutation nouvelle par division.

c) $\frac{0,64}{6,4\times {10}^9}={10}^{-10}$, ce que l'on retrouve par ${10}^{-5}\times {10}^{-2}\times {10}^{-3}$. La fréquence finale est d'une erreur pour ${10}^{10}$ nucléotides copiés.

d) Tant que l'erreur n'est pas recopiée, le nucléotide erroné fait face à un nucléotide non complémentaire : ce mésappariement est détectable. Lors de la réplication suivante, chaque brin sert de matrice : le brin portant l'erreur reçoit en face le nucléotide qui lui est complémentaire. La molécule fille correspondante porte alors une paire de bases correcte en apparence, mais différente de l'originale : il n'y a plus rien à détecter, la modification est définitive et transmise aux cellules descendantes. C'est une mutation.

a) La fréquence des mutants augmente avec la dose d'UV, à peu près proportionnellement : de 0,3 à 17,5 mutants pour ${10}^6$ survivants entre 0 et 40 J/m².

b) $\frac{17,5}{0,3}\approx 58$ : la fréquence est multipliée par environ 58. Les UV sont donc un agent mutagène.

c) Sans UV, quelques mutants apparaissent : ce sont des mutations spontanées, issues d'erreurs de réplication ou d'altérations naturelles des bases non réparées.

d) Les UV augmentent la fréquence de mutations aléatoires dans tout le génome. Le milieu à canavanine ne crée pas la résistance : il trie les levures et ne révèle que celles dont une mutation, apparue par hasard, touche le gène concerné. Les autres mutations induites existent aussi, mais elles ne sont pas détectées par ce test.

1. La moyenne des densités de référence vaut $\frac{1,724+1,710}{2}=1,717$ g/mL. Un ADN de densité 1,717 g/mL contient donc moitié ¹⁵N, moitié ¹⁴N.

2. Modèle conservatif : génération 1, une bande lourde (1,724) et une bande légère (1,710) à 50 % chacune ; génération 2, bande lourde 25 % et bande légère 75 %. Modèle semi-conservatif : génération 1, une seule bande intermédiaire (1,717) ; génération 2, bande intermédiaire 50 % et bande légère 50 %. Modèle dispersif : génération 1, une seule bande à 1,717 ; génération 2, chaque molécule contient un quart de ¹⁵N, d'où une bande unique à $\frac{1,724+3\times 1,710}{4}=1,7135$ g/mL.

3. À la génération 1, on observe une bande unique à 1,717 g/mL et aucune bande lourde : le modèle conservatif, qui prévoyait deux bandes, est rejeté. Les modèles semi-conservatif et dispersif prévoient tous deux une bande unique à 1,717 g/mL : ce résultat est compatible avec les deux, il ne permet pas de trancher.

4. Dans le modèle dispersif, chaque brin de la génération 1 serait lui-même un mélange de fragments ¹⁵N et ¹⁴N : après séparation, on attendrait une seule bande de brins de densité intermédiaire. Le document 2 montre au contraire des brins entièrement ¹⁵N et des brins entièrement ¹⁴N en quantités égales : le modèle dispersif est rejeté. De même, à la génération 2, on observe deux bandes (1,717 et 1,710) et non une bande unique à 1,7135 g/mL.

5. Seul le modèle semi-conservatif explique tous les résultats : chaque molécule fille comprend un brin ancien intact et un brin entièrement neuf. La réplication de l'ADN est semi-conservative.

1. À 30 J/m², 55 % des bactéries sauvages survivent, contre 3 % des bactéries uvr⁻ : $\frac{55}{3}\approx 18$. La survie de la souche uvr⁻ est environ 18 fois plus faible.

2. $\frac{390}{27}\approx 14,4$ : la souche uvr⁻ présente environ 14 fois plus de mutants que la souche sauvage.

3. Sans excision-réparation, les dimères de thymine persistent jusqu'à la réplication. Lorsqu'ils bloquent l'ADN polymérase, la cellule ne peut pas copier son ADN et meurt : d'où la survie plus faible. Lorsque la polymérase les franchit en incorporant un nucléotide non complémentaire, l'erreur est recopiée à la réplication suivante : d'où davantage de mutations chez les survivants.

4. Chez la souche sauvage, la fréquence passe de 2 à 46 mutants pour ${10}^7$ survivants entre 0 et 45 J/m², soit $\frac{46}{2}=23$ fois plus. Les UV sont donc mutagènes même en présence du système de réparation : celui-ci n'est pas infaillible et, aux fortes doses, il est dépassé par le nombre de lésions.

5. Sans UV, les fréquences (2 et 3 mutants pour ${10}^7$) sont voisines : les mutations spontanées proviennent surtout d'erreurs de réplication, prises en charge par d'autres mécanismes (relecture, réparation des mésappariements) présents dans les deux souches ; le système uvr agit spécifiquement sur les lésions dues aux UV. Conclusion : une mutation résulte d'une lésion ou d'une erreur non réparée ; la fréquence des mutations dépend donc à la fois de l'exposition aux agents mutagènes et de l'efficacité des systèmes de réparation.

1. Fréquences : A1 : $\frac{614}{1000}=0,614$ ; A2 : $\frac{318}{1000}=0,318$ ; A3 : $\frac{68}{1000}=0,068$. Le gène possède trois allèles et le plus fréquent atteint 61,4 %, valeur inférieure à 99 % : le gène est polymorphe.

2. A2 a la même longueur que A1 (15 nucléotides) et ne diffère qu'en position 11, où A est remplacé par G : substitution A → G en position 11. A3 ne compte que 14 nucléotides : les 9 premiers sont identiques, le G en position 10 manque, puis la suite ATTGC est conservée : délétion du G en position 10.

3. A2 et A3 sont présents chez de nombreux individus : ils ont été hérités. Or seule une mutation germinale passe à la descendance ; une mutation somatique resterait limitée à une partie d'un seul individu. Ces allèles sont donc nés de mutations germinales chez des ancêtres, puis ont été transmis de génération en génération.

4. A4 n'est présent que dans un rameau : la mutation est apparue dans une cellule de ce rameau en croissance, puis a été transmise au clone de cellules qui le forme ; c'est une mutation somatique. Chez l'animal, elle ne serait jamais transmise. Mais chez la plante, les fleurs de ce rameau se forment à partir de cellules mutées : leurs gamètes peuvent porter A4. La mutation est donc transmissible par les graines si ce rameau fleurit et se reproduit (elle l'est aussi par bouturage du rameau).

5. Les mutations, rares et aléatoires, créent de nouveaux allèles. Lorsqu'elles atteignent les cellules à l'origine des gamètes, elles sont transmises et s'accumulent au fil des générations : plusieurs allèles coexistent alors dans la population. Les mutations sont la source de la diversité des allèles et du polymorphisme.