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Reproduction asexuée : stabilité génétique et évolution clonale

Mitose et clone (cellules séparées ou associées), accumulation des mutations et sous-clones, estimation du nombre de mutations d’un organisme, accidents irréversibles pérennes pour la lignée, clones en santé (cancers, lymphocytes B, bactéries), reproduction asexuée chez les êtres vivants et distinction entre reproduction et sexualité.

À propos de cette page

Cinq problèmes sur documents : les clones de cellules du sang des personnes âgées, le nombre de mutations d’un corps humain, les délétions du Pinot gris et du Pinot blanc, les mutations d’un chêne de 234 ans, une leucémie myéloïde chronique sous imatinib.

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

Résoudre un problème : la méthode

Repérer l’origine des cellules étudiées : une seule cellule et des mitoses, donc un clone.
Calculer avec les puissances de 10 à part : divisions ≈ nombre de cellules, mutations = divisions × taux, effectif = total × part.
Situer chaque mutation : dans toutes les cellules, elle est fondatrice ; dans une partie seulement, elle définit un sous-clone plus récent.
Interpréter avec le cours : perte irréversible, sélection d’un sous-clone par un traitement, monoclonalité.
Conclure en reliant le résultat à la stabilité du génome et à l’évolution clonale.

Problème 1 · Des clones dans le sang des personnes âgées★★★Facile

Document 1 — Les cellules du sang. Les cellules sanguines sont produites en permanence par les cellules souches de la moelle osseuse, qui se divisent toute la vie. Une cellule souche mutée donne des cellules sanguines qui portent toutes sa mutation.

Document 2 — Une étude de 17 182 personnes (Jaiswal et collaborateurs, New England Journal of Medicine, 2014). On a recherché, dans l’ADN des cellules du sang, des mutations acquises au cours de la vie, présentes dans une partie notable des cellules. Elles sont rares avant 40 ans. Elles touchent surtout trois gènes : DNMT3A, TET2 et ASXL1.

Âge	70 à 79 ans	80 à 89 ans	90 à 108 ans
Personnes porteuses / personnes étudiées	219 / 2 300	37 / 317	19 / 103

1. Part des porteurs entre 70 et 79 ans : % (au dixième)
$\frac{219}{2 300} \approx 0, 0952$ , soit 9,5 %.
2. Part des porteurs entre 90 et 108 ans : % (au dixième)
$\frac{19}{103} \approx 0, 1845$ , soit 18,4 %.
3. Sur 1 000 personnes de 80 à 89 ans, on attend environ porteurs (à l’unité).
$\frac{37}{317} \times 1 000 \approx 116, 7$ , soit 117.
4. De 70-79 ans à 90-108 ans, la fréquence est multipliée par environ (au dixième).
$\frac{19 / 103}{219 / 2 300} = \frac{43 700}{22 557} \approx$ 1,9 : plus de divisions des cellules souches, plus de mutations accumulées.
5. Les cellules du sang qui portent une même mutation forment un issu d’une cellule souche mutée.
Un sous-clone du clone de cellules sanguines : la mutation est transmise à toute la descendance de la cellule souche.
6. Ces mutations ne passent pas aux enfants : ce sont des mutations .
Somatiques : elles sont nées dans des cellules du sang, pas dans la lignée germinale.

Problème 2 · Combien de mutations dans un corps humain ?★★★Moyen

Document 1 — Le nombre de cellules. Selon une estimation publiée en 2013 (Bianconi et collaborateurs, Annals of Human Biology), le corps d’un adulte compte environ $3, 72 \times 10^{13}$ cellules, toutes issues de la cellule-œuf.

Document 2 — Les mutations à chaque division. En séquençant le génome de cellules du sang de 241 personnes, une équipe a retrouvé des mutations apparues pendant les toutes premières divisions de l’embryon. Elle estime qu’il apparaît environ 3 mutations par cellule et par division, et que les deux cellules filles d’une division précoce contribuent souvent au sang adulte dans un rapport voisin de 2 pour 1 (Ju et collaborateurs, Nature, 2017).

Document 3 — Le génome. Une cellule humaine diploïde contient environ $6, 4 \times 10^{9}$ paires de nucléotides. On admet pour le calcul qu’aucune cellule ne meurt pendant le développement et que le nombre de mutations par division reste le même.

1. Si toutes les cellules se divisaient au même rythme, il faudrait générations pour dépasser ce nombre de cellules ( $2^{45} \approx 3, 5 \times 10^{13}$ ).
$2^{45} \approx 3, 5 \times 10^{13}$ ne suffit pas, $2^{46} \approx 7, 0 \times 10^{13}$ : 46 générations. Mais il faut bien plus de divisions que de générations : chaque division n’ajoute qu’une cellule, soit $3, 72 \times 10^{13} - 1 \approx 3, 72 \times 10^{13}$ divisions au minimum.
2. Nombre total de mutations apparues : environ × 10¹⁴ (au dixième)
Environ $3, 72 \times 10^{13}$ divisions (une par cellule ajoutée), donc $3, 72 \times 10^{13} \times 3 = 11, 16 \times 10^{13} \approx$ $1, 1 \times 10^{14}$ mutations.
3. En moyenne, chaque paire de nucléotides du génome a donc muté dans environ × 10⁴ cellules différentes (au dixième).
$\frac{1, 116 \times 10^{14}}{6, 4 \times 10^{9}} \approx 17 400$ , soit $1, 7 \times 10^{4}$ : presque toutes les mutations possibles existent quelque part dans le corps, chacune dans un sous-clone.
4. Ce nombre est un minimum : tout au long de la vie, beaucoup de cellules et sont remplacées par de nouvelles divisions.
Elles meurent (cellules du sang, de la peau, de l’intestin) : chaque remplacement coûte une division de plus, donc de nouvelles mutations.
5. Une mutation apparue dans l’une des deux cellules de l’embryon serait, si les deux contribuaient également, dans % des cellules du sang adulte.
Une cellule sur deux : 50 %.
6. D’après le rapport de 2 pour 1 du document 2, elle peut en fait se trouver dans environ % des cellules du sang (à l’unité), si elle est apparue dans la cellule qui contribue le plus.
Deux parts sur trois : $\frac{2}{3} \approx$ 67 % si elle est apparue dans la cellule qui contribue le plus, $\frac{1}{3} \approx 33 %$ sinon.

Problème 3 · Pinot noir, Pinot gris, Pinot blanc★★★Moyen

Document 1 — Des cépages clonés. La vigne cultivée est multipliée par bouturage et par greffage. Le méristème de ses bourgeons comprend deux couches de cellules, L1 et L2, qui se divisent chacune de leur côté : chaque couche forme sa propre lignée de cellules. Le Pinot noir a des baies colorées, le Pinot gris et le Pinot blanc sont apparus dans des vignes de Pinot noir.

Document 2 — Le locus de la couleur des baies (Vezzulli et collaborateurs, Journal of Experimental Botany, 2012).

Cépage	Ce que montre l’analyse du chromosome 2
Pinot noir	un allèle fonctionnel et un allèle non fonctionnel du locus de couleur, dans les deux couches L1 et L2
Pinot blanc	délétion de 100 000 à 179 000 paires de bases, qui emporte l’allèle fonctionnel (gènes VvMybA1 et VvMybA2), dans les deux couches
Pinot gris	délétion de 4 202 000 à 4 350 000 paires de bases, dans la couche L2 seulement

1. Les ceps d’un même cépage, multipliés par bouturage et greffage, forment un .
Un clone : ils descendent tous, par mitoses, des cellules d’un même pied.
2. On note C l’allèle fonctionnel et c l’allèle non fonctionnel : le Pinot noir est (C//c), les cellules du Pinot blanc sont (−//).
(−//c) : la délétion a emporté C, il ne reste que l’allèle non fonctionnel.
3. La plus petite estimation de la délétion du Pinot gris est fois plus grande que la plus grande estimation de celle du Pinot blanc (au dixième).
$\frac{4 202 000}{179 000} \approx$ 23,5 : ce ne sont pas les mêmes délétions.
4. Le Pinot gris est une plante dont une seule lignée de cellules a muté : la couche .
La couche L2 : la couche L1 a gardé le génotype du Pinot noir.
5. Hypothèse A : Pinot noir → Pinot gris → Pinot blanc. Hypothèse B : le Pinot gris et le Pinot blanc sont nés chacun du Pinot noir. Les données du document 2 soutiennent l’hypothèse .
L’hypothèse B : si le Pinot blanc dérivait du Pinot gris, il porterait sa grande délétion de la couche L2 ; il porte une autre délétion, plus courte, dans les deux couches. Les deux cépages sont nés indépendamment du Pinot noir, par deux accidents différents.
6. Nombre d’allèles fonctionnels du locus de couleur dans une bouture de Pinot blanc :
0 : la délétion est pérenne pour tout ce sous-clone ; bouturage et greffage la recopient dans chaque nouveau cep.

Problème 4 · Les mutations d’un chêne de 234 ans★★★Moyen

Document 1 — Le chêne Napoléon. Sur le campus de l’université de Lausanne pousse un chêne de 234 ans. Une équipe a séquencé le génome de deux rameaux situés au bout de deux branches éloignées (Schmid-Siegert et collaborateurs, Nature Plants, 2017). Le génome de ce chêne compte environ 720 millions de paires de bases.

Document 2 — Les résultats. 17 mutations ponctuelles, confirmées, séparent les deux rameaux. Recherchées dans 24 autres feuilles prélevées partout dans l’arbre, elles apparaissent dans des secteurs de plus en plus petits, emboîtés les uns dans les autres, qui suivent la ramification de l’arbre. Les auteurs concluent que les cellules souches des méristèmes des tiges sont très bien protégées contre l’accumulation de mutations.

Document 3 — La formation des fleurs. Chez le chêne, les fleurs, qui produisent les gamètes, se forment chaque printemps à partir des méristèmes des rameaux de l’année.

1. Toutes les cellules de ce chêne, issues de la cellule-œuf du gland par mitoses, forment un de cellules associées.
Un clone, aux mutations près : ce sont justement ces mutations que l’équipe a recherchées.
2. Nombre de mutations qui séparent les deux rameaux, par million de paires de bases (au millième) :
$\frac{17}{720} \approx 0, 0236$ , soit 0,024 mutation par million de paires de bases.
3. Une mutation présente dans toutes les feuilles d’une grosse branche, et une autre dans un seul rameau de cette branche : la plus ancienne est celle de la .
Celle de la grosse branche : elle est apparue dans le méristème avant que la branche ne se ramifie, et toute sa descendance la porte.
4. Les secteurs emboîtés du document 2 sont des emboîtés, comme les branches de l’arbre.
Des sous-clones : chaque mutation est transmise à toutes les cellules issues de la cellule du méristème où elle est apparue.
5. Pour un arbre qui a vécu aussi longtemps, ce nombre de mutations est jugé par les auteurs.
Faible : les cellules souches des méristèmes semblent protégées, par exemple en se divisant peu.
6. D’après le document 3, un gland formé sur un rameau mutant peut transmettre ses mutations, car les plantes n’ont pas de lignée mise à part dès l’embryon.
Pas de lignée germinale séparée : chez la plante, une mutation d’un méristème peut passer dans les fleurs, donc dans les gamètes.

Problème 5 · Une leucémie myéloïde chronique sous imatinib★★★Difficile

Document 1 — La maladie. Les cellules de la leucémie myéloïde chronique portent le chromosome Philadelphie, qui crée le gène de fusion BCR-ABL. L’imatinib bloque la protéine BCR-ABL et tue les cellules qui en dépendent. La mutation T315I de BCR-ABL empêche l’imatinib de se fixer.

Document 2 — Le suivi d’un patient traité par imatinib (valeurs choisies pour l’exercice).

Moment	Cellules leucémiques (toutes porteuses du chromosome Philadelphie)	Part des cellules leucémiques qui portent T315I
au diagnostic	$1 \times 10^{12}$	0,01 %
après 12 mois	$1 \times 10^{9}$	20 %
après 24 mois	$4 \times 10^{10}$	95 %

1. Toutes les cellules leucémiques portent le chromosome Philadelphie : elles forment un .
Un clone, issu d’une cellule où s’est produite la translocation.
2. Cellules T315I au diagnostic : × 10⁸
$10^{12} \times 0, 0001 =$ $1 \times 10^{8}$ cellules.
3. Cellules sans T315I après 12 mois : × 10⁸
$10^{9} \times 0, 80 =$ $8 \times 10^{8}$ .
4. Entre le diagnostic et 12 mois, le nombre de cellules sans T315I a été divisé par environ (à la dizaine).
Au diagnostic : $10^{12} \times 0, 9999 \approx 9, 999 \times 10^{11}$ ; $\frac{9, 999 \times 10^{11}}{8 \times 10^{8}} \approx 1 249, 9$ , soit 1 250.
5. Cellules T315I après 24 mois : × 10¹⁰
$4 \times 10^{10} \times 0, 95 =$ $3, 8 \times 10^{10}$ .
6. Entre 12 et 24 mois, le sous-clone T315I a été multiplié par .
À 12 mois : $10^{9} \times 0, 20 = 2 \times 10^{8}$ ; $\frac{3, 8 \times 10^{10}}{2 \times 10^{8}} =$ 190.
7. La mutation T315I était présente le début du traitement.
Avant : elle était déjà dans 0,01 % des cellules au diagnostic. L’imatinib a tué les cellules sensibles et laissé proliférer ce sous-clone résistant : c’est l’évolution clonale de la tumeur.

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