7.Notion de " variations "

9. CONSIDERATIONS SUR LA NOTION DE " VARIATION "

Actuellement on sait que les variations de Darwin sont des mutations. 

---

Définition

Les mutations sont des modifications du matériel génétique. 
Elles peuvent avoir des conséquences délétères (rarement avantageuses) sur l'organisme.
Elles intéressent le généticien qui crée des mutations pour en étudier les processus.
Elles sont à l'origine des modifications évolutives.
On doit distinguer entre les mutations germinales qui affectent les gamètes et les mutations somatiques qui affectent les autres cellules : les premières sont transmissibles, les autres sont une cause importante de cancers.
Une mutation est rarement réversible : le plus souvent le gène muté est réparé ou détruit.

Chez l'Homme, la détection des mutations germinales et l'estimation de leur taux est confronté au problème de la diploïdie. La plupart des mutations sont récessives et non décelables jusqu'à la formation d'une cellule-œuf homozygote. 

Pour avoir une idée du taux de mutations, on s'intéresse aux mutations dominantes intervenant sur les autosomes ou aux mutations dominantes et récessives intervenant le chromosome X (puisque dans ce cas le mâle est hemizygote). Le taux, chez l'Homme, est très variable. Les calculs donnent une moyenne de 1x 10 ^-6 par gène et par génération. Ce taux est semblable à celui estimé chez les micro-organismes eucaryotes et procaryotes.

La fréquence des mutations est liée, d'une part à la dimension du gène (plus le géne est "volumineux" ou plus il renferme de régions codantes et plus la probablité de mutation est forte), d'autre part à l'existence dans le gène de séquences fortement mutagènes ou "points chauds" ( exemple : une séquence CpG dans le gène impliqué dans l'achondroplasie).

Les types de mutations

Une mutation peut être de forte amplitude (quelquefois vivible au niveau du chromosome) ou très ponctuelle. Cest ce dernier cas qui est envisagé ici .

1- Les substitutions de paires de nucléotides Elles sont de deux types :

• les transitions  : purine remplacée par une purine (A<->G) ou pyrimidine par une pyrimidine (T<->C)
• les transversions  : pyrimidine remplacée par une purine ou l'inverse (ex : A<->C).

Elles peuvent être silencieuses c'est à dire ne pas engendrer de modification d'acide aminé dans la protéine (ce qui est le plus souvent pour les modifications affectant la troisième bases du triplet). Elles peuvent aussi engendrer le remplacement d'un acide aminé par un autre (ex : CTC->Glu ; CAC-> Val dans le cas de la drépanocytose) ou générer un codon "stop" écourtant prématurément la protéine : c'est une mutation efficace.

Des substitutions peuvent intervenir dans le promoteur ou la zone régulatrice du gène ou encore dans un intron et affecter la transcription, la traduction ou l'épissage de l'ARNm (cas de nombreuses hémoglobinopathies).

2 - Les modifications du cadre de lecture Ce sont les délétions ou les insertions.  Ex : avec la séquence d'ARNm :   AUG CAG AUA AAC GCU GCA UAA On obtient                                     met    gln     ile     asn     ala     ala    stop Une délétion du A initial donne  :   UGC AGA UAA ACG CUG CAU ...                                                       cys   arg    stop Les protéines résultantes sont donc écourtées et souvent non fonctionnelles.

L'origine des mutations spontanées

Une mutation spontanée résulte d'un processus naturel. On doit les distinguer des mutations induites qui résultent d’une interaction entre l’ADN et un agent extérieur ou mutagène. Cependant, dans les deux cas, la plupart des mécanismes sont identiques. Toutefois les mutations qui résultent d’erreurs de réplication sont vraiment spontanées.

1- La fiabilité de la polymérase et les erreurs de réplication Une erreur de réplication avec mise en place d’un nucléotide incorrect entraîne une mutation lors de  la réplication suivante. La fréquence des erreurs de la polymérase influe sur la fréquence des mutations spontanées. Il existe une 3’-5’ exonucléase dont le rôle est  veiller aux erreurs d’incorporation des nucléotides durant la réplication. Des mutations peuvent résulter de la présence d’une exonucléase « correctrice » qui supprime à tort des paires de bases insérées par la polymérase.

2 - Des altérations affectant les bases Les bases de l’ADN sont l’objet d’altérations structurales spontanées apellées tautomérisations. Chaque base peut exister sous deux formes : ainsi la guanine peut revêtir la forme « keto » ou la fome « enol ». Ces deux  formes sont appelées tautomères ou isomères structuraux. La forme « keto » est plus courante. La forme « enol » peut apparaître par transfert d’un proton et d’électrons.

Les différentes  formes de tautomères ont des propriétés d’appariements différentes. Si durant la réplication, G est sous la forme « enol », la polymérase pourra positionner, en face, un T à la place d’un C parce que les modalités d’appariement ont changé (et ce n’est pas une erreur de la polymérase) . Le résultat est une transition du dinucléotide G-C en A-T.

Un autre processus de mutagénèse est la  dégradation spontanée d’une base. La déamination de C en U est fréquente. Elle peut être réparée par un processus qui détecte l’uracile. Dans le cas contraire, le U engendre en vis à vis l’insertion d’un A et entraîne une transition de G-C en T-A lors de la réplication.

La déamination de la methyl-cytosine en T peut aussi intervenir. La methyl-cytosine est présente dans le génome humain dans les séquences 5’CpG3’ qui n’existe normalement pas dans les séquences codantes des gènes. Cependant, si elle existe et si elle est déaminée en T, aucun système de réparation ne peut le reconnaître (car T est une base normale). CpG est donc un « point chaud ».

Le troisième type de mutation spontanée est constitué par les dégats causés par les radicaux libres de l’oxygène. Ceux ci, dans la cellule, proviennent du métabolisme oxydatif et sont aussi généré par des agents physiques tels que les radiations. Le résultat peut être la production de 8-hydroxyguanine qui s’apparie à tort avec A induisant uune transversion de G-C en T-A.

Un autre type enfin, est l’ alkylation(addition de groupes alkyl tels que methyl, ethyl ou propyl) sur des bases ou le squelette de l’ADN. Il peut en résulter la formation de complexes par exemple S-adenosyl-methionine avec l’ ADN. Les bases alkylées peuvent être des points de rupture ou de mauvais appariements.

3 - Les mutations spontanées du cadre de lecture Ce sont des secteurs avec un nucléotide répété :  ex : 5’AGT CAATCCATGAAAAAATCAG3’       3’T CAG TTAGGTACT TT TTT AGTC5’ Il peut s’agir d’un glissemententre le brin conservé de l’ADN et le brin en cours de synthèse lors de la réplication. De tels secteurs sont des « points chauds ».

---

 

Lorsque l'on parle de mutations , 2 caractères quantitatifs importants sont à envisager :

- L'étendue de leurs effets.

- Leur fréquence.

Deux cas extrêmes sont possibles :

1) Mutations à effets minimes mais très fréquentes : Micromutations

2) Mutations à effets importants mais très rares : Macromutations

a) Impact des micromutations

Souvent présentes, disponibles.Si elles sont avantageuses et au moins présentes chez un certains nombre d'individus dans la population→ la SN agira sur les organismes qui seront de la sorte parfaitement adapté à leur environnement, puis plus rien ne se passera tant que cet environnement est stable.

L'environnement est donc la force conductrice de l'évolution; on parle ainsi de pression de sélection. comme les changements de l'environnement se font au hasard, les variations évolutionnaires sont donc fortuites.

Conclusion : l'évolution n'est pas progressive , la SN en est la servante, la force créatrice.

b) Impact des macromutations 

Rares, pas toujours présentes.

Remarquons ainsi que c'est l'occurence des mutations qui influence le cours de l'évolution. On parlera de " pression de mutation "  

L'environnement et la SN entrent ainsi en jeu → deux possibilités :

1° Si l'environnement se modifie de façon défavorable : extinction.

2° La mutation sera soumise à évaluation, mais, dans certains cas des organismes pourraient acquérir, grace à une seule macromutation, la spécialisation qui permetla survie "isolé"de leur ancêtre. 

Remarque

La plupart de ces mutations sont défavorables donc éliminées.

Si la macromutation confère un avantage, sans permettre l'isolement ( changement de biotope, séparation des individus non mutants ) des individus qui la possèdent,il y a compétition avec les ancêtres.

Si la différence entre les ancêtres et les macromutants grandes → SN sévère : plus sévère qu'en cas de micromutation.

Dans cette optique des macromutations , ce sont donc les propriétés des organismes qui déterminent les résultats de la compétition ou de la sélection...

Et non les propriétés de l'environnement  

Conséquence : Sans rien créer, la sélection impose une direction progressive à l'évolution par élimination des êtres moins adaptés ( franchement inférieurs )

c) Conclusion : 2 théories menant à des prédictions différentes

Micromutations	Macromutations
Changements graduels mais fortuits	Changements brutaux
Adaptation complète à l'environnement	Pas nécessairement une adaptation
Evolution  non progressive	Evolution progressive
Pas d'extinctions	Extinctions importantes, élément naturel de l'évolution

 

 

 

Darwin n'a jamais accepté ces variations brusques : pourquoi ?

Parce que la fréquence élevée des micromutations permet de contourner l'écueil de l'hérédité dissolvante ( dissolution des variation par les croisements); les macromutations, très rares seraient donc rapidement perdues . Ces idées disparaissent avec la prise encompte des théories de Mendel.

Pour les néo-darwinistes, les sources des mutations sont toujours les micromutations et les changements , et les changements sont les résultats de sommes de micromutations

d) Critique du darwinisme et du néo darwinisme : 5 critiques

1°Contrairement aux idées darwiniennes, une espèce ne donne pas naissance à de nouvelles espèces, mais à de nouvelles sous-espèces. 

2°Ces théories présupposent la reproduction sexuée, ce qui impliquerait que les espèces à reproduction asexuée ne subissent pas de changements évolutifs.

3° La SN ne peut qu'éliminer, elle ne peut donc être considérée comme l'agent créatif de l'évolution.hors l'évolution implique précisément la création de nouveautés → La vraie cause de l'évolution est à rechercher dans l'origine des variations : Variations = véritable origine des espèces

4° Tous les changements s'accomplissent grâce à l'accumulation de micromutations ......donc chacune d'elles pour être conservée doit conférer un avantage à l'organisme pour être conservée.

ex : membre antérieur d'insectivore ----------- aile de chauve souris  , intermédiaire avantageux ?????

5° l'évolution se caractérise par un phénomène d'émergence............... : ce qui ne peut s'expliquer que par une somme de micromutations.

Remarque : ces deux dernières critiques pourraient être levées si on envisageait des macromutations.    

e) Mutations ou sélection, quel est l'agent créateur ? 

1° Pour le Darwinisme, les mutations sont toujours disponibles(1) pour que s'effectue le travail de la sélection naturelle.

Que devient ce postulat au niveau moléculaire ?

- Beaucoup de mutations sont neutres ou quasiment neutres

- Les mutations particulières ne réapparaissent pas à des taux raisonnablement élevés. Donc une même espèce peut attendre des millions d'années avant qu'une mutation adaptative particulière ait lieu (2).

Contradiction entre (1) et (2)

2° Les mutations : sont des évènements créatifs mais elles sont aléatoires, plus de chance d'être nuisibles qu'utiles ..............→ chaos.

Mais on peut induire n'importe quel processus aléatoire dans une direction donnée, ce rôle d'inducteur est attribué à la SN :

- conserver les mutations bénéfiques

- rejet de toutes les mutations délétères

Réalisation par la SN d'une "élimination différentielle" ( aussi reproduction différentielle).

Dans ce mécanisme de création, la primauté doit être donnée à la mutation.

f) Peut-on prouver l'existence de macromutations ?   

Macromutations :

- probabilité d'apparition faible, donc temps énorme pour mettre en évidence.

- modifications mises en cause sont souvent telles que dans d'autres circonstances on les prendrait pour des différences spécifiques ou même génériques.

Si macromutations , l'évolution se serait réalisée par sauts dans une direction progressive.

Rq : Darwin le savait, mais pour sauver sa théorie il a postulé que les documents fossiles étaient extrêmement incomplets d'où cette apparence d'une évolution par sauts .

Arguments en faveur de cette évolution saltatoire ; examen des caractères quantitatifs, exemple des tailles corporelles.

Hypothèse : ce caractère ne change pas par petits accroissements , mais plutôt par doublements, cependant, la taille corporelle est aussi influencée par l'environnement.

Ex : les rapaces nocturnes  

 

 

Cet exemple ne met pas pour autant le Darwinisme en difficulté; l'explication qu'il en donne est la suivante :

Si ces animaux ne subissent plus de processus adaptatif, la distribution des tailles observées représente une distribution adaptative optimale des tailles corporelles.

Tournons nous vers les fossiles ; les tailles corporelles devraient également se présenter sous forme d'accroissements géométriques.

C'est le cas pour les chevaux, les chameaux, les reptiles ......... en conclusion, il existe des macromutations ciblées par SN 

g) Macromutations et épigénèse

- Epigénèse

Ensemble de processus de physiologie ontogénétique qui orientent l'activité génétique , déclenchent et coordonnent les informations émises par les gènes afin d'obtenir l'organisation de l'être spécifique souhaitée.

- Le processus de création épigénétique

Ce processus implique que lors de l'organisation d'un individu, il existe une interdépendance étroite entre toutes les parties en cours de croissance et de développement 

Darwin était conscient de ces variations corrélées. 

il est évident que des macromutations quelconques doivent provoquer souvent des modifications disharmoniques qui sont éliminées par la SN.

Mais des mutations modifiant ce processus épigénitique, c'est à dire agissant sur les agents contrôlant ce processus, ne doivent pas provoquer de disharmonie .On aurait alors des modififications évolutives..

N'oublions pas que chez les Insectes et les Vertébrés, par exemple, les processus  ontogénétiques sont sous le contrôle ( hormones de mue , de croissance, sexuelles , etc...).

Importance de toutes ces variations hormonales.