SUGGESTIONS PÉDAGOGIQUES : CLASSE DE PREMIÈRE SÉRIES S, L ET ES INTRODUCTION : LA BANQUE DE DONNÉES ET LES NOTIONS DU PROGRAMME

« SUGGESTIONS PÉDAGOGIQUES : CLASSE DE PREMIÈRE SÉRIES S, L ET ES INTRODUCTION : LA BANQUE DE DONNÉES ET LES NOTIONS DU PROGRAMME Le programme de biologie de la classe de première est centré sur la façon dont le génotype en interaction avec l’environnement, détermine le phénotype d’un organisme.

Cela suppose la reconnaissance des divers niveaux de définition du phénotype. • Dans un premier temps, il s’agit d’établir les mécanismes de base par lesquels des différences entre allèles d’un gène entraînent des différences au niveau du phénotype moléculaire à l’origine des différences des phénotypes aux échelles cellulaire et macroscopique.

Ceci implique la connaissance des principes de la synthèse des protéines, du code génétique ainsi que celle du rôle des protéines notamment des enzymes dans la vie cellulaire. Plusieurs des exemples fournis dans la banque de données permettent d’une part d’introduire les niveaux de définition du phénotype et le fait qu’un allèle en s’exprimant régit la synthèse d’un polypeptide ayant une séquence d’acides aminés déterminée, ce qui motive l’étude de la synthèse protéique.

La connaissance des principes de la synthèse protéique permet ensuite de rechercher et d’expliquer comment une différence allèlique engendre une différence phénotypique. • Dans un deuxième temps, il s’agit d’aller au-delà d’un déterminisme génétique strict pour envisager la complexité des relations génotype–phénotype–environnement.

Ceci fait appel aux notions de dominance/récessivité, au fait que des allèles différents d’un gène peuvent avoir des conséquences phénotypiques variables, que plusieurs allèles interviennent directement ou indirectement dans la réalisation d’un phénotype, et que les facteurs d’environnement, en agissant à différents niveaux du phénotype, peuvent le modifier. Les exemples de la banque retenus pour établir les notions de base peuvent servir aussi pour faire saisir la complexité du phénotype macroscopique d’un organisme.

Dans le tableau suivant sont spécifiées les différentes notions pouvant être construites à partir de chaque exemple.

Dans la mesure du possible, ces exemples ont été construits suivant le même schéma pour faciliter la conception des démarches d’exploitation. Rôle de la protéine (phénotype moléculaire) Divers niveaux du phénotype Conséquences allèliques Notion de dominance Intervention de deux gènes ou plus Action de l’environnement Drépanocytose X X X Hb bêta et Hb Fœtale Oxygénation Phénylcétonurie X X X Gène de la PAH et gène DHPR Alimentation Groupes sanguins ABO X X X Gènes A, B, O et FUT1 Albinisme X X X Gène de la tyrosinase et Gène P Température Enphysème pulmonaire X X X - Fumée de tabac Xéroderma X X X Rayonnement UV Cancer du sein X X X Activité physique Exemples Noter que certains de ces exemples seront repris et enrichis en classe de terminale pour envisager d’autres thématiques telles que : innovations génétiques, filiation entre allèles, diagnostic génétique. Noter également que les deux étapes de cette étude sont présentées successivement pour chaque thème dans cette documentation.

Les séquences et les documents s’y rapportant seront à prendre dans deux entrées distinctes de l’arborescence des thèmes : • relations génotype–phénotype à différents niveaux d’organisation du vivant ; • Complexité des relations génotype–phénotype–environnement ; ceci afin de ne pas multiplier les séquences et les documents à charger pour chaque phase du travail. Le programme prévoit également d’envisager la morphogenèse végétale sous l’angle des interactions génotype–phénotype–environnement.

Le déterminisme du phénotype alternatif « nain » et « taille normale » de nombreuses plantes constitue un bon support.

La croissance de la plante dépend de la synthèse de gibbérellines, hormones végétales.

La chaîne de synthèse des gibbérellines et la séquence d’un gène impliqué dans la genèse du phénotype nain sont connues.

En outre, chez les plantes en rosette comme l’Épinard, c’est un facteur de l’environnement, la longueur de la photopériode, qui déclenche l’expression des gènes de cette chaîne de biosynthèse.

Cet exemple enrichit ainsi la perception de la complexité des relations génotype–phénotype–environnement puisqu’il sensibilise à l’idée que les facteurs d’environnement peuvent agir directement sur l’expression des gènes. L’orientation majeure de l’étude de la physiologie nerveuse en première S est la plasticité cérébrale, c’est-à-dire la perception de la modulation de l’organisation cérébrale par les facteurs de l’environnement.

Néanmoins, ceux-ci agissent sur un cerveau dont la construction est régie par des milliers de gènes.

Ce déterminisme génétique peut être abordé à partir des mutants cérébelleux. Sur tous ces exemples, des informations complémentaires sont disponibles sur le site Biotic de l’INRP : http://www.inrp.fr/Acces/biotic/gpe/accueil.htm GÉNOTYPE, PHÉNOTYPE, ENVIRONNEMENT Les phénotypes drépanocytaires Informations scientifiques Le phénotype clinique La maladie se traduit par une anémie et une fatigue permanente, et par la survenue de crises drépanocytaires plus ou moins graves.

Ces crises sont dues à des ischémies locales pouvant être très graves ; les crises vaso-occlusives peuvent être particulièrement douloureuses dans les muscles et les risques de complications organiques graves (notamment au niveau du squelette, de la rate, du tube digestif, du cerveau). Plusieurs facteurs favorisent la crise drépanocytaire : • la déshydratation, fréquente chez le drépanocytaire car il est atteint de polyurie ; • le ralentissement de la circulation sanguine, qui favorise une stase.

Il faut donc éviter le port de vêtements trop serrés, une mauvaise position, le froid, la fièvre (formation de protéines inflammatoires), les infections (les globules blancs en excès limitent la circulation des hématies) ; • toute consommation d’oxygène supplémentaire : les efforts avec essoufflement, les efforts musculaires concentrés sur un muscle ; • tout ce qui désature l’hémoglobine en oxygène : la vie en altitude (éviter les altitudes supérieures à 2 000 m, et même parfois 1 500 m), les voyages en avion, les écarts de température entre l’air et l’eau (piscine, mer), l’alcool, le tabac. Autrefois, 80 % des individus homozygotes mourraient avant l’âge de la reproduction.

Aujourd’hui, grâce au dépistage précoce, à la prévention des infections (vaccination, antibiothérapie systématique), à la prévention de la déshydratation et de toute autre cause pouvant provoquer des troubles chez le malade, la maladie reste sérieuse et invalidante, mais l’espérance de vie s’est considérablement accrue. Le phénotype cellulaire Les hématies d’un individu drépanocytaire ont tendance à prendre une forme en faucille (d’où l’autre nom de la drépanocytose : anémie falciforme). Cette falciformation est due à la présence de fibres d’hémoglobine S dans l’hématie.

Les hématies déformées ralentissent la circulation sanguine dans les capillaires et peuvent même les obstruer. Le phénotype moléculaire L’hémoglobine S (HbS) est une protéine tétramérique constituée de deux chaînes de globine bêta S et de deux chaînes de globine alpha.

La globine bêta S diffère de la globine normale par un seul acide aminé : de la valine remplace un acide glutamique en position 6.

Ce changement ne modifie pas la structure spatiale de la globine bêta, et n’affecte pas la poche de l’hème. La valine est un résidu hydrophobe, qui remplace donc un résidu hydrophile.

Les globines étant entourées par un film d’eau, la présence d’un site hydrophobe crée un « point de collage » entre deux molécules d’hémoglobines voisines ; ce « collage » s’établit entre la leucine 88 et la phénylalanine 85 d’une chaîne alpha bêta et la valine 6 de la chaîne bêtaS.

Il se forme alors une structure cristalline en fibres. La visualisation 3D (obtenue avec le logiciel RasTop, fichier « hbshbs.pdb ») ci-dessous met en évidence ce « point de collage » : Dimère HBS/HBS Les dimères HbS/HbS s’assemblent pour former des brins ; les brins s’associent en fibres, responsables de la déformation des hématies. Cette falciformation est due à la formation de fibres d’hémoglobine S (de 1 à 15 µm de longueur), phénomène favorisé par la désoxygénation.

En effet, la désoxyhémoglobine S présente une propriété naturelle de polymérisation si elle est en solution concentrée (ce qui est le cas dans les hématies) ; le retour de l’HbS à l’état oxygéné provoque la dissociation des polymères. Le déterminisme génétique de la drépanocytose La drépanocytose est une maladie autosomale récessive due à une mutation unique du gène de la bêta globine situé sur le chromosome 11.

Il s’agit d’une mutation par substitution : le nucléotide A est remplacé par un nucléotide T en position 17, le 6e codon GAG devient alors GTG. Le gène bêta étant très polymorphe, on connaît plusieurs génotypes drépanocytaires, dont trois prédominent : HbS//HbS (70 %) ; HbS//HbC (25 %), HbS//Hb thalassémie (5 %).

Si dans le génotype d’un individu drépanocytaire, on trouve toujours un allèle HbS, celui-ci peut être associé soit à un autre allèle HbS (génotype HbS//HbS), soit à l’allèle HbC, soit à un allèle Hb thalassémique. L’allèle HbC diffère de l’allèle HbA par une mutation au 6e codon, qui a pour conséquence la substitution de l’acide glutamique par la lysine.

Généralement le génotype HbS//HbC se traduit au niveau clinique par un phénotype drépanocytaire nettement moins accusé que celui entraîné par le génotype HbS//HbS.

Un allèle Hb thalassémique entraîne un arrêt anticipé de la chaîne bêta au cours de la traduction et donc la synthèse d’une chaîne bêta raccourcie, non fonctionnelle. La variabilité des phénotypes drépanocytaires Parmi une population d’individus de génotype HbS//HbS, on a identifié deux catégories de patients : certains développent des crises drépanocytaires graves et fréquentes ; d’autres ne développent qu’exceptionnellement des crises qui restent bénignes..... »