La variabilité génétique des populations

Thèmes abordés

Sciences - Ingénierie - Industrie, Variabilité génétique des populations, pool génique, polymorphisme génétique, caractères génétiques, modèle de HW, panmixie, système monogénique, déséquilibre de liaison, allèles récessifs, fréquence génotypique, maladies génétiques humaines

Résumé du document

Un pool génétique ou pool génique est l'ensemble de tous les allèles de tous les gènes des individus d'une population. Le polymorphisme génétique correspond à plusieurs variations, formes d'origine génétique dans une population. Il est plus ou moins stable dans le temps avec une variable discontinue (pas de choix intermédiaires, c'est l'un ou l'autre). Par exemple, le nombre de bandes sur les coquilles d'escargot, la phalène du bouleau noire ou blanche... Seuls les caractères génétiques sont héréditaires. On distingue les caractères génétiques discrets, continues (adoptent des états bien distincts ou est présent dans un intervalle) et les caractères quantitatifs (courbe).

Extraits

[...] C)Deux locus considérés simultanément (caractères polygénique) -Deux locus dialléliques : A/a (freq alléliques : B/b (freq alléliques : Si population en équilibre, fréquences génotypique pour chacun des locus p² AA / 2pq Aa / q² aa r² BB / 2rs Bb / s² bb -Génotype global pour les deux locus A et B : Il existe un état d'équilibre où les différents génotypes aux locus « A » et « B » sont associés au hasard Fréquence génotypiques : AA BB f(AA BB) = p²r² AA Bb f(AA Bb) = p² 2rs AA bb f(AA bb) = p² s² Aa BB f(Aa BB) = 2pq r² Aa Bb f(Aa Bb) = 2pq 2rs Aa bb f(Aa bb) = 2pq s² aa BB f(aa BB) = q² r² aa Bb f(aa Bb) = q² 2rs aa bb f(aa bb) = q² s² Mais les génotypes aux locus A et B peuvent ne pas être associés au hasard Leur fréquences peuvent révéler une association autre que aléatoire → Déséquilibre de liaison Même si chacun des locus A et B pris isolément suit l'équilibre de HW L'étude des déséquilibre de liaison donne des infos sur l'histoire de la population et des liaisons fonctionnelles entre gènes Il faut raisonner au niveau des gamètes : -Si les allèles au locus A et B sont associées au hasard dans les gamètes : fréquences génotypiques des gamètes : AB : pr Ab : ps aB : qr ab : qs freq totale : pr ps + qr + qs = 1 = Situation à l'équilibre -S'il y a déséquilibre : Par exemple excès de gamètes AB et ab par rapport à Ab et aB Excès = quantité D Gamètes : AB = pr + Q Ab = ps - Q aB = qr – D ab = qs + D Fréquence totale = 1 Pour les deux locus considérés simultanément : freq (AA BB) = (pr + D)² = p² r² + 2pr D + D² 2 prD = D² : correspond à la quantité supplémentaire de génotypes «AA BB» liée au déséquilibre de liaison freq ( aa bb) = (qs + D q²s² + 2 qsD + D² 2 prD + D² : correspond à la quantité supplémentaire de génotypes «aa bb» liée au déséquilibre de liaison ETC . [...]

[...] Frequence du phénotype pipiens : Individus vivants = 834 / 887 = qv² Frequence des l'allèles pipiens → qv = 0,97 Individus morts = 1050 / 1089 = qm² → qm = 0,98 Les frequences des allèles pipiens et burnsi sont identiques dans les 2 groupes → pas de mortalité accrue liée à l'allèle burnsi IV)Cas particuliers de la panmixie Systèmes polyalléliques Nombreux systèmes génétiques polyalléliques en particulier ceux étudiés par électrohorèse Si codomiance entre tous les allèles : Tous les homozygotes et hétérozygotes sont identifiables Exemple : Locus tri-allélique allèles ( Génotypes homozygotes: 11 effectifs: N N N33 hétérozygotes: 12 N N N23 Total des effectifs = N Fréquences alléliques : p = ( N11 + N12 + N13 ) / N q = ( N22 + N12 + N23 ) / N r = ( N33 + N13 + N23 ) / N Fréquences génotypiques(qui correspondent à l'équilibre de Génotype: Total _ Nbr d'individus: N11 N12 N13 N22 N23 N33 : N Freq dans la pop: p2 2pq 2pr q2 2qr r2 : 1 (ces fréquences correspondent au développement du trinôme : ( p + q + r )² ) Dans un système polyallélique, la fréquence des hétérozygotes peut dépasser elle est maximum quand tous les allèles ont la même fréquence Ex: Un locus possède k allèles, tous de fréquence identique → frequence de chacun des k allèles dans la pop = 1 / k → Fréquence des homozygotes pour chacun des allèles = ( 1 / k )² = 1 / k² Pour k catégories d'homozygotes → Fréquence totale des homozygotes dans la pop = k x / k²) = 1 / k → Fréquence totale des hétérozygotes = H = 1 - / k ) Si k = 2 → H = 1 – ½ = ½ H = 0.5 = Si k = 5 → H = 1 – 1/5 = 4/5 H = 0.8 = Si k = 10 → H = 1 – 1/10 = 9/10 H = 0.9 = Si les allèles sont très nombreux, la fréquence de chacun d'eux est faible + la plupart sont à l'état hétérozygote Les hétérozygotes deviennent fortement majoritaires dans la population B)Gènes liés au sexe sexes différents : L'un est homogamétique = XX) L'autre est hétérogamétique = XY) -Pour un gène diallélique A : a de fréquence p : q porté par X → Dans le sexe homogamétique XX chaque individu possède 2 K X et 2 allèles au locus A Fréquence génotypiques : AA = p² Aa = 2pq aa = q² → Dans le sexe hétérogamétique XY chaque individu possède un K X et un allèle au locus A Fréquence génotypiques = Fréquence alléliques : A = p a = q Dans l'ensemble de la population s'il y a un même nombre de mâles et de femelles (sex ratio = 2/3 des K X sont portés par le sexe homogamétique XX 1/3 des K X est porté par le sexe hétérogamétique X -Si les fréquence alléliques sont différentes dans les 2 sexes : Estimation de la fréquence allélique dans l'ensemble de la population en pondérant par des coefficients: 2/3 femelles et 1/3 mâles et 1/3 sont les proportions des allèles du locus A qui sont localisés chez les XX et les X . [...]

[...] Génétique des populations La variation génétique A)Variations morphologiques Pool génétique/pool génique = Ensemble de tous les allèles de tous les gènes des individus d'une population Polymorphisme génétique = Plusieurs variations/formes d'origine génétique dans une population, est + ou – stable dans le temps, variable discontinue (pas de choix intermédiaires/ l'un ou l'autre) Exemple : Nombre de bandes sur les coquilles d'escargot/ phalène du bouleau noire ou blanche Seuls les caractères génétiques sont héréditaires On distingue les caractères génétiques discrets/continues (adoptent des état bien distinct ou est présent dans un intervalle) et les caractères quantitatifs (courbe) B)Variations chromosomiques Variabilité de la structure des K d'un individu à l'autre (délétions, inversions, duplications) C)Polymorphisme biochimique Variation génétique totale = Séquence d'ADN de chaque individu Polymorphisme biochimique = Estimation de la variation génétique totale Polymorphisme des protéines = Variation des différents types protéiques (système enzymatiques, antigènes des groupes sanguins ou types tissulaires ) Polymorphisme électrophorétique = Détecté grâce aux propriétés physiques des molécules protéiques de différentes tailles, charges électrique ou forme D)Polymorphisme de l'ADN Des enzymes de restriction coupent l'ADN aux sites de restrictions (ce sont des séances nucléotidiques déterminées) S'il y a un changement d'une base nucléotidique (mutation) au sein du site de restriction ce dernier ne sera pas reconnu par l'enzyme et donc pas coupé Polymorphisme de restriction = Polymorphisme de la longueur des fragments de restrictions Il existe plusieurs centaines d'enzymes de restrictions différentes La variabilité génétique est révélée indépendamment de l'expression phénotypique II) Mesure de la variabilité génétiques A)Au niveau des locus Calcul des fréquences alléliques, taux d'homozygotie et taux d'hétérozygotie Les fréquences alléliques et génotypiques sont utilisées pour décrire la structure génétique des populations La fréquence phénotypique peut aussi être utilisée mais elle donne moins d'informations Calcul des fréquences alléliques : N individus / Locus dialléliques / Codominance Aa AA=N1 Aa=N2 aa=N3 N1+N2+N3= N (Effectif total) Fréquence = 2N1 + N2 / 2N = N1 + N2 / 2N = p Car 2 fois cette allèle Fréquence = 2N3 + N2 / 2N = N3 + N2 / 2N = q Calcul des fréquences génotypiques fréquences phénotypiques) : P = N1 / N H = N2 / N Q=N3 / N Avec P + H + Q = 1 Fréquences alléliques en fonction des fréquences phénotypiques : Fréquence p = P + H / 2 Fréquence q = Q + H / 2 Les fréquences alléliques contiennent moins d'informations que les fréquences génotypiques Exemple 1 : Soit une population de plantes dont les fleurs ont 2 couleurs possibles (jaunes ou blanches), ce caractère est gouverné par 1 seul gène (locus) qui présente 2 formes (allèles) = caractère monogénique diallélique L'allèle A produit des fleurs jaunes L'allèle a produit des fleurs blanches AA = jaune Aa = jaune aa = blanche AA=N1 freq(AA) = P = N1 / N Aa=N2 freq(Aa) = H = N2 / N aa=N3 freq(aa) = Q = N3 / N N = N1 + N2 + N3 et P + H + Q = 1 Soit une population de 500 fleurs dont 20 sont blanches (N3=20) et 480 sont jaunes Parmi les 480 jaunes → 320 AA (N1=320) et 160 Aa (N2=160) Calcul de la fréquence génotypique et de la fréquence allélique du gène « couleur » : Puisque la plante et diploïde il y a dans la populations 500*2=1000 copies du gènes « couleur » Parmi ces 1000 copies : → 320*2 = 640 A chez individus AA + 160 A chez individu A → Soit 800/1000 copies du gène sont d'allèle A → Freq(A) = 800/1000 = 0,8 → 20*2 = 40 a chez individus aa + 160 a chez individus Aa → Soit 200/1000 copies du gène sont des allèles a → freq(a) = 200/1000 = 0,2 Exemple 2 : Soit une population de plantes dont les fleurs ont 2 couleurs possibles (jaunes ou blanches), ce caractère est gouverné par 1 seul gène (locus) qui présente 2 formes (allèles) = caractères monogénique diallélique L'allèle A produit des fleurs jaunes L'allèle a produit des fleurs blanches AA = jaune Aa = jaune aa = blanche Soit une population de 500 fleurs dont 20 sont blanches (N3=20) et 480 sont jaunes Calcul de la fréquence génotypique et de la fréquence allélique du gène « couleur » : Puisqu'on ne connaît pas le nombre d'homozygotie et hétérozygote il faut passer par les fréquences alléliques : On calcul d'abord la fréquence alléliques de l'allèle récessif a : f(aa) = q * q = q² q²= N3 / N = Q = 20 / 500 = 0,04 → q = √0,04 = 0,2 Si q = 0,2 → p + q = 1 → p = 1 - 0,2 p = 0,8 f(aa) = Q = q² = 0,04 f(AA) = P = p² = 0,8 * 0,8 = 0,64 f(Aa) = H = 2pq = 2*0,8*0,2 = 0,32 B)Au niveau du génome 1)Taux de polymorphisme =Proportion des gènes pour lesquels il existe une variation allélique dans la populations P = Nombre de gènes polymorphes / nombre de gènes étudiés -Il existe un seuil de fréquence minimale des allèles d'un gène polymorphe (arbitraire) -Le taux de polymorphisme ne tient compte que de la fréquence des gènes polymorphes et non du nombre d'allèles au gène étudié Exemple : -Gène A à 2 allèles = 3 génotypes différents -Gène B à 10 allèles = 55 génotypes différents Les deux gènes auront le même poids dans la mesure du taux de polymorphisme Individu avec des gènes hétérozygotes = Hi 0 Individu homozygote sur les gènes étudiés = Hi = 0 La variance de Hi est en général + faible que la variance HL Variance de HL + élevée = Certains gènes engendre de l'hétérozygotie tandis que d'autres ne sont pratiquement jamais hétérozygotes Variance de Hi + faible = Un minimum de variabilité génétique confère un avantage aux individus, on retrouve cette variabilité génétique chez tous les individus C)Valeurs numérique de P et H chez différentes espèces Exemple : Polymorphisme enzymatique étudié pour 49 enzymes sur 98 individus → P = 0,2 de gènes polymorphes) → H = 4*10-4 (hétérozygotie moyenne) Valeurs de P et H témoignent d'une grande homogénéité génétique confirmée par des greffes de peaux très bien tolérées même entre individus non apparentés → Cette population est monomorphe pour les gènes d'histocompatibilité Les gènes d'histocompatibilité sont très polymorphes chez tous les mammifères Chez certaines espèces le polymorphisme est presque absent, les espèces monomorphes posent un problème de dérive génétique (effet « bottle neck » + effet fondateur) Effet bottle neck = Populations très large qui devienne réduite, donc pas de diversité génétique III)Transmission de la variabilité génétique A)Du génotype de l'individu à la notion de génotype de la population (GDP) La GDP ne s'intéresse pas aux individus, elle s'intéresse au groupe et à son génotype collectif Les données de GDP s'expriment en fréquences géniques Génotype de la population = Somme des génotypes individuels La population se maintient, plusieurs générations qui se succèdent Il y a pérennité du génotype de la population celui de l'individu disparaît à sa mort Le génotype de l'individu est fixée celui de la populations peut évoluer B)La loi de Hardy-Weinberg 1)Le principe Locus diallélique : A/a → Fréquence de AA = P Freq Aa = H Freq aa = Q → P + H + Q = 1 p = P + H / 2 et q = Q + H / 2 Freq A = p et freq a = q → p + q = 1 Conditions d'application de la loi de Hardy-Weinberg : Les couples se forment au hasard Les fréquences génotypiques sont les mêmes dans les 2 sexes Couples formés à la génération G0 : Fréquences des couples formés : a : AA*AA (P²) b : AA*Aa c : AA*aa d : Aa*Aa (H²) e : Aa*aa f : aa*aa(Q²) Descendants des couples : Si tous les zygotes formés ont la même viabilité : a : P² croisement AA*AA → P² descendants AA b : 2*PH AA*Aa → 2PH (½ AA + ½ Aa) = 2PH * (½ AA) + 2PH * ½ Aa c : 2*PQ AA*aa → 2PQ * Aa d : H² AA*Aa → H² * (¼ AA + 1/3 Aa + ¼ aa) = H² * ¼ AA + H² * ½ Aa + H² * ¼ aa e : 2*HQ Aa*aa → 2HQ (½ Aa + ½ aa) = 2HQ (½ Aa) + 2HQ (½ aa) = HQ * Aa + HQ aa f : Q² aa*aa → Q² * aa Générations G1 : P² + PH + H² = + H /2)² f(Aa) = PH + 2PQ + H²/2 + QH = + H * + H/2 * f(aa) = H²/4 + QH + Q² = + H/2)² Freq génotypes en G1 : AA=(P+H/2)² = p² Aa= (Q+H/2)=2pq aa=(Q+H/2)²=q² Freq alléliques en G1 : Les fréquences sont stables d'une génération à la suivante et correspondent aux fréquences génotypiques p², 2pq, q² stables elles aussi Le modèle de Hardy-Weinberg prévoit la stabilité des fréquences alléliques et génotypique des populations Si les fréquences alléliques sont les mêmes dans les 2 sexes l'équilibre s'établit dès la 1ere génération Si les fréquences alléliques sont différentes dans les 2 sexes l'équilibre est atteint à la 2eme génération Exemple : En G0, freq génotypique : f0(AA) = P0 = 0,2 f0(Aa)= H0 = 0,4 f0(aa)= Q0 = 0,4 freq alléliques : f0(A) = p0 q0 = Q0 + H0 / 2 = 0,4 + 0,4 / 2 = 0,6 En G1 : freq génotypique: f1(AA) = P1 = p0² = (0,4)² = 0,16 f1(Aa) = H1 = 2 * p0 * q0 = 2 * 0,4 * 0,6 =0,48 f1(aa) = Q1 = q0² = (0,6)² =0,36 P1 + H1 + Q1 = 1 Freq allélique : f1(A) = p1 = P1 + H1/2 = 0,16 + 0.48 = 0,16 + 0,24 = 0,4 q1 = Q1 + H1/2 = 0,36 + 0,48/2 = 0,36 + 0,24 = 0,6 p1 + q1 = 1 p1 = p0 = 0,4 q1 = q0 = 0,6 Après une génération de croisements où la rencontre des gamètes se fait de façon aléatoire les fréquences alléliques et les fréquences génotypiques dans la population restent constantes au fil des générations 2)A quel type de populations s'applique la loi de HW 1)Reproduction sans formation de couples (pas d'appariement sexuel) - Les 2 gamètes sont libérées dans le milieu extérieur (ex :moules, huîtres, oursins ) - Seuls les gamètes mâles sont libérées dans le milieu extérieur (plantes) La rencontre des gamètes se fait au hasard 2)Formation de couples Si la formation de couples se fait au hasard le choix du partenaire ne dépend pas de son génotype et les fréquences des différents types de couples dépend uniquement des fréquences des génotypes dans les 2 sexes C'est le régime de la panmixie 3)Validité de l'hypothèse de panmixie dans la population naturelle Exemple de l'homme : Les couples se font indépendamment de l'apparence à tel ou tel groupe sanguin : il y a panmixie pour ce caractère, pour d'autres caractères les couples ne se forment pas au hasard comme : la taille, couleur de peau il n'y a plus panmixie, il y a Homogamie génotypique ou phénotypiques Il y a Homogamie positive si la fréquence des accouplements entre partenaires qui se ressemblent est supérieure à la fréquence attendue selon l'hypothèse panmictique Dans le cas contraire il y a Homogamie négative Exemple avec des hommes allèle A 90% et allèle B 10% Dans cette population il y a homogamie positive partielle pour ce caractère La panmixie peut concerner certains caractères et pas d'autres 4)Conditions d'application de la loi de HW 1 - Loi statistique : Ne s'applique que si les effectifs sont élevés (loi des grands nombres) les zygotes formés ne sont représentatifs des croisements aléatoires que s'il sont très nombreux 2 - Les couples se forment au hasard (panmixie) 3 - Les gamètes s'associent au hasard 4 - Tous les individus produisent le même nombre de gamètes (même fécondité) 5 - Tous les zygotes formés ont la même viabilité C)Propriétés de l'équilibre de H-W 1)Relation entre fréquence allélique et fréquence phénotypique à l'équilibre Valeurs particulières où p = q = 0,5 Dans ce cas selon HW le génotype hétérozygote est le plus fréquent dans la population : La moitié des individus sont hétérozygotes Si p = q = 0,5 P = p² = 0,25 Q = q² = 0,25 P + Q = H H = 2*pq = 0,5 Si on s'écarte de cette valeur la fréquence des hétérozygotes diminue H a -Allèles récessifs «a» à l'état hétérozygote ne s'expriment pas (cachés) Proportion d'allèles «a» qui s'expriment -freq totale de «a» : -freq de «a» chez homozygotes f(aa)=q² → q² / q = q Proportion des allèles a qui s'expriment parmi l'ensemble des allèles a dans la population Proportion des allèles «a » cachées -freq totale de a = q -freq de a chez hétérozygotes Aa = 2pq / 2 = pq → pq / q = p Proportion des allèles a qui ne sont pas exprimé en phénotype Exemple : « a » récessif avec q = 0,01 - q² / q = q = des allèls «a» exprimées (chez homozygotes) - pq / q = p = 1-q = 99% des allèles «a» cachées (chez hétérozygote) Exemple de l'albinisme chez l'Homme : Gène de l'albinisme : A > a Individus «aa» albinos (homozygotes récessifs) Freq des albinos = 1 / = 0,0001 = q² = 10-4 → q = √10-4 = 10-2 = 0,01 q = 0,01 et p = 0,99 H = 2 * pq = 2 * 0,01 * 0,99 = 0,0198 = (freq des hétérozygotes) → individu est albinos (génotype aa) mais → de la population sont porteurs sains de l'allèles → q² / q = q = des allèles «a» sont à l'état homozygotes et s'expriment d'individus albinos) → pq / q = p = 99% des allèles «a» sont cachés chez les hétérozygotes de la population) D)Application aux maladies génétiques humaines : estimation du risque -Maladies monogéniques le plus souvent controlées par un allèle récessif rares Probabilité pour qu'un enfant soit touché par une maladie génétique : dépend de sa fréquence dans la population Exemple 1 : Si H = freq des hétérozygotes est connue pour une maladie génétique «X» : -Généralement les fréquences de l'allèle mutée (récessif) est faible : q [...]

[...] ) On peut dater en nombre de générations ces déséquilibres si l'on dispose de marqueurs génétiques La réduction de l'écart par le seul processus de la recombinaison méiotique, peut être freiné ou annulé si certaines associations sont avantageuses par rapport aux associations Gènes entre lesquels persiste un très fort «déséquilibre de liaison» : = systèmes géniques «co-adaptés» = super-gènes = familles multigéniques Se transmettent comme une seule unité fonctionnelle, à l'intérieure de laquelle les recombinaisons sont défavorisées, voire éliminées Exemple : Gènes du système majeur d'histocompatibilité = MHS(Major HistocompatibilitySystem) = HLA (HumanLeucocyte locus HLA: Polymorphisme d'une série de 5 gènes du chromosome 6 : Chacun des gènes est poly-allélique avec un grand nombre d'allèles tous co- dominants par locus : A (20 allèles) C allèles) B (32 allèles) DR (10 allèles) D (11 allèles) → Infinité de phénotypes différents possibles, cependant prédominance en Europe de certains génotypes → Les différents allèles aux différents locus ne sont pas associés au hasard, certains haplotypes sont plus fréquents que ce que l'on attend selon l'hypothèse d'équilibre, les haplotypes «privilégiés» sont différents dans différentes populations. [...]

[...] (Hypothèse de conformité au modèle = H0) p = freq = * 445) + 550 / 1200 * 2 = 0,6 q = freq = 1 – 0,6 = 0,4 Si la population suédoise est à l'équilibre (loi de fréquences génotypiques attendues : MN = p² * 1200 = 0,6² * 1200 = 432 MM = 2 * pq * 1200 = 2 * 0,4 * 0,6 * 1200 = 576 NN = q² * 1200 = 0,4² * 1200 = 192 Test Khi² : ∑(o – 2 / c observés calculés MM MN NN Total : Khi² = 2.44 ddl? [...]