SVT (Spé) — Génétique et évolution
Complexification des génomes
Duplications géniques, familles multigéniques, transferts horizontaux, endosymbiose
Résumé synthétiqueFiche en 4 sectionsQuiz de 10 questionsGratuit, sans pub
Résumé
La complexification des génomes au cours de l'évolution repose sur plusieurs mécanismes. Les duplications géniques produisent des copies d'un gène qui peuvent ensuite diverger par mutations, créant des familles multigéniques (ex : les globines). La polyploïdisation (doublement complet du génome) est fréquente chez les plantes. Les transferts horizontaux permettent l'échange de gènes entre espèces différentes, sans lien de parenté directe (courant chez les bactéries). L'endosymbiose est un événement majeur : l'ancêtre des mitochondries était une bactérie intégrée dans une cellule eucaryote, de même pour les chloroplastes. Ces organites conservent leur propre ADN circulaire. Ces mécanismes, combinés aux mutations et à la sélection naturelle, expliquent l'augmentation de la complexité des génomes au cours de l'évolution.
La duplication de gènes est le principal moteur de l'innovation génétique. Une copie libre de muter crée de nouvelles fonctions, tandis que l'original assure toujours l'ancienne.
- Une duplication génique crée une copie supplémentaire d'un gène sur le même chromosome ou un autre
- Le gène dupliqué peut accumuler des mutations sans pression de sélection (l'original assure la fonction)
- Résultat possible : néofonctionnalisation (nouvelle fonction) ou pseudogénisation (gène inactif)
- Les familles multigéniques regroupent des gènes issus d'un gène ancestral commun par duplications successives
- Exemple : famille des globines (α, β, γ, δ, ε, ζ) — tous issus d'un gène ancestral unique
- Les gènes d'une famille multigénique ont des séquences similaires mais des fonctions parfois différentes
Exemple
La famille des globines : un gène ancestral s'est dupliqué il y a ~500 Ma, donnant α-globine et β-globine. D'autres duplications ont créé γ (fœtale, forte affinité pour O₂), δ, ε. Chacune a une affinité différente pour O₂, adaptée à son rôle.
Piège à éviter
Duplication ≠ mutation. La duplication COPIE un gène entier (ou un segment). Les mutations ponctuelles modifient des bases individuelles APRÈS la duplication, permettant la divergence.
La polyploïdisation double tout le génome d'un coup. Rare chez les animaux, elle est très fréquente chez les plantes — le blé tendre est hexaploïde (6n) !
- La polyploïdisation est le doublement complet du génome (passage de 2n à 4n, voire plus)
- Très fréquente chez les plantes : le blé est hexaploïde (6n = 42), la pomme de terre tétraploïde
- Elle augmente considérablement le nombre de gènes disponibles pour l'évolution
- Elle peut résulter d'un accident de méiose (non-disjonction totale) ou d'hybridation interspécifique
- L'allopolyploïdie (hybridation + doublement) a joué un rôle majeur dans la spéciation chez les plantes
Exemple
Le blé tendre (Triticum aestivum) : 3 hybridations successives entre espèces sauvages + 3 doublements chromosomiques → 6n = 42 chromosomes. Il contient les génomes de 3 espèces ancêtres (A, B, D).
Piège à éviter
Auto-polyploïdie (doublement au sein d'une espèce) ≠ allo-polyploïdie (hybridation entre espèces + doublement). L'allopolyploïdie est plus fréquente et plus stable car les chromosomes homéologues peuvent s'apparier correctement.
Contrairement à la transmission verticale (parent → enfant), le transfert horizontal passe des gènes ENTRE espèces différentes. C'est la raison pour laquelle les bactéries deviennent résistantes aux antibiotiques si rapidement.
- Transfert horizontal = transfert de gènes entre organismes non apparentés (pas de parent à enfant)
- Très courant chez les bactéries : conjugaison (plasmides), transduction (virus), transformation (ADN libre)
- Exemple : acquisition de gènes de résistance aux antibiotiques entre bactéries d'espèces différentes
- Aussi observé chez les eucaryotes : des gènes bactériens ont été intégrés dans le génome de certains insectes
- Les transferts horizontaux compliquent la reconstruction des arbres phylogénétiques
Exemple
Une bactérie E. coli résistante à l'ampicilline transfère son plasmide R (portant le gène de résistance) à une Salmonella par conjugaison. La Salmonella devient résistante sans jamais avoir été exposée à l'antibiotique.
Piège à éviter
Le transfert horizontal ne suit PAS l'arbre généalogique des espèces. Un gène peut « sauter » d'une bactérie à une autre espèce très éloignée. C'est pourquoi les arbres phylogénétiques bactériens sont parfois des « réseaux » plutôt que des arbres.
La théorie de l'endosymbiose (Lynn Margulis, 1967) est l'une des plus importantes en biologie : nos mitochondries étaient autrefois des bactéries libres ! De même pour les chloroplastes des plantes.
- Théorie de l'endosymbiose (Lynn Margulis) : les mitochondries et chloroplastes descendent de bactéries
- Une cellule eucaryote ancestrale a englobé une bactérie aérobie → mitochondrie (respiration cellulaire)
- Plus tard, une cellule a englobé une cyanobactérie → chloroplaste (photosynthèse)
- Preuves : ADN circulaire propre, double membrane, ribosomes similaires aux bactéries, division autonome
- Au cours du temps, de nombreux gènes de l'endosymbionte ont été transférés au noyau de la cellule hôte
- L'endosymbiose est un événement fondateur des eucaryotes et de la vie complexe
Exemple
4 preuves de l'origine endosymbiotique des mitochondries : (1) ADN circulaire propre (comme une bactérie), (2) double membrane (membrane externe = vésicule de phagocytose), (3) ribosomes 70S (taille bactérienne, pas 80S eucaryote), (4) division par scissiparité.
Piège à éviter
L'endosymbiose n'est PAS un transfert horizontal classique. C'est l'intégration d'un organisme ENTIER dans un autre, avec maintien durable de la relation. Les mitochondries ne peuvent plus vivre seules car trop de gènes ont migré vers le noyau.
Quiz - Complexification des génomes
10 questions
Notions clés — SVT (Spé)
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Questions fréquentes
Les points clés à retenir sur Complexification des génomes, extraits du quiz de révision.
Une famille multigénique est un ensemble de gènes :
Réponse : Issus d'un gène ancestral commun par duplications
Les gènes d'une famille multigénique dérivent d'un gène ancestral par duplications successives. Ils ont des séquences similaires mais peuvent avoir divergé fonctionnellement.
La famille des globines illustre :
Réponse : La duplication génique et la diversification
Les globines (α, β, γ, δ...) sont issues de duplications successives d'un gène ancestral, suivies de mutations. Chaque gène code une chaîne de globine avec des propriétés légèrement différentes.
L'endosymbiose explique l'origine de :
Réponse : Les mitochondries et les chloroplastes
Selon la théorie de l'endosymbiose, les mitochondries dérivent d'une bactérie aérobie et les chloroplastes d'une cyanobactérie, englobées par une cellule eucaryote ancestrale.
Une preuve de l'origine endosymbiotique des mitochondries est :
Réponse : Elles ont leur propre ADN circulaire
Les mitochondries possèdent un ADN circulaire propre, une double membrane, des ribosomes de type bactérien et se divisent de façon autonome — comme les bactéries.