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3.2 : Conséquences des mutations - Biologie

3.2 : Conséquences des mutations - Biologie


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L'effet d'une mutation dépendra de la fonction de la séquence d'ADN.

Lorsque des mutations se produisent dans des séquences codantes, nous pouvons prédire l'effet à l'aide de la table de codons.

  • Mutations silencieuses : ne modifiez pas l'acide aminé codé
  • Mutations non-sens : changer un codon en codon STOP
  • Mutations faux-sens : changer un codon en un codon pour un acide aminé DIFFÉRENT
  • Mutations Frameshift : ajoutez ou supprimez des bases pour modifier tous les codons en aval

Trois est le nombre magique

L'ajout ou la suppression de bases par multiples de trois ne provoquera pas de mutation de décalage du cadre de lecture. Pourquoi pas?

Des mutations comme celle-ci affecteraient-elles la protéine? De quelles informations supplémentaires auriez-vous besoin pour faire une prédiction sur une telle mutation ?


Effet des mutations sur la structure des protéines | La biologie

Les mutations peuvent entraîner une addition, une délétion, une translocation ou une duplication de segment chromosomique. Elle peut également impliquer l'addition, la suppression ou le remplacement d'une ou plusieurs paires de bases d'un gène.

De telles mutations sont clairement observées dans les protéines. Les bases azotées de l'ADN sont modifiées en raison de mutagènes physiques tels que les radiations (c'est-à-dire les rayons X, les rayons UV, les rayons gamma) et certains mutagènes chimiques.

Par mutations chimiques, les changements suivants sont attendus :

(i) Désamination des bases :

Produits chimiques comme le désaminate d'oxyde nitreux (élimination du NH2 groupe) à partir de bases azotées et donc changer le codon.

(ii) Incorporation de l'analogue de base :

Deux analogues de base courants sont le 5-bromouracil (5BU) et le 5-fluorouracile (5FU). Les deux sont des bases analogues à la thymine de l'ADN.

(iii) Agent de méthylation :

Certains produits chimiques comme la moutarde à l'azote provoquent l'ajout de groupe méthyle aux bases azotées de l'ADN.

Certains colorants organiques comme l'orange d'acridine et la proflavine provoquent l'insertion ou la suppression de bases azotées dans un gène et peuvent conduire à des mutations de type décalage de cadre.

Par mutations, le mécanisme de réplication, de transcription et de traduction de la molécule d'ADN est perturbé. La paire de base A-T peut être changée en paire G-C. Parfois, le croisement et la recombinaison entre les brins d'ADN peuvent entraîner l'ajout ou la suppression de morceaux d'ADN. Dans des conditions particulières, un brassage de gènes d'un endroit à un autre peut se produire et ces gènes de brassage sont appelés gènes sauteurs.

Les protéines modifiées sont formées dans des mutations dues au fait que l'ARNm transcrit à partir du gène muté manquera d'un segment ou d'une base ou aura un segment ou une base supplémentaire ou modifié. L'ARNm anormal introduit différents acides aminés dans la chaîne polypeptidique formée avec un message modifié.

Dans un gène, une seule base est altérée, un seul codon de l'ARNm changera et conduira à un changement d'acide aminé unique dans la chaîne polypeptidique. Parfois, tout le cadre de lecture peut changer à partir du site de mutation et une molécule de protéine peut être formée avec un nouvel ensemble d'acides aminés.

Une telle mutation a été appelée mutation de décalage de cadre. Parfois, la mutation peut conduire à la formation d'un codon non-sens qui agit comme un signal d'arrêt. Cela peut conduire à la formation d'une chaîne polypeptidique incomplète.

Il existe également des cas où un seul changement de base peut ne pas former un nouvel acide aminé. Il se produit généralement lorsqu'un changement se produit dans la troisième base du codon triplet. Un tel codon interagit toujours avec l'anticodon de l'ARNt correspondant. Cette position d'un codon est appelée position de Wobble et le phénomène a été décrit sous le nom d'hypothèse de Wobble (Crick). Selon cette hypothèse, deux premières bases de l'anticodon d'ARNt subissent spécifiquement une liaison hydrogène. Cependant, la troisième base peut former un appariement de bases inhabituel. Parce que, il peut vaciller, la position s'appelle la position d'oscillation.


Point de mutation

L'altération qui se produit dans la séquence nucléotidique présente dans le génome d'un virus ou d'un organisme ou dans l'ADN extrachromosomique est appelée mutation. Il y a des chances que la mutation puisse produire des changements détectables qui sont observables dans un organisme ou qu'elle ne puisse pas les produire. Ils peuvent soit empêcher les gènes de fonctionner correctement, soit n'avoir aucun effet, soit altérer le produit du gène. Elle implique la duplication de l'ADN dans de grandes sections.

Il existe différents types de mutations qui se produisent dans un organisme, il s'agit de la mutation chromosomique et de la mutation ponctuelle. Si la mutation survient à la suite d'un croisement dans la méiose, on parle de mutation chromosomique. Lorsqu'il y a une altération dans la paire de bases unique, on parle de mutation ponctuelle.

La mutation ponctuelle, également connue sous le nom de substitution, est un type de mutation génétique où la base nucléotidique est insérée, supprimée ou modifiée dans l'ADN ou l'ARN du génome d'un organisme. Ceux-ci ont une variété d'effets sur les produits, dont les conséquences sont prévisibles avec la mutation spécifique.

En ce qui concerne la synthèse de la protéine, sa fonction et sa composition, la gamme de ces conséquences peut être déterminée de l'absence d'effet aux effets délétères. Les exemples de mutation ponctuelle comprennent l'anémie falciforme et la mucoviscidose.

[L'image sera bientôt téléchargée]

Types de mutations ponctuelles

Dans le cas des mutations ponctuelles, il existe deux types de mutations différents, qui sont ensuite divisés en fonction de la forme sous laquelle ils mutent.

1. Mutations de substitution : Si la mutation se produit par la substitution d'un nucléotide dans le génome d'un organisme, on parle alors de mutation de substitution. Il est encore subdivisé en trois types :

Dans le cas d'une mutation silencieuse, un nucléotide peut être substitué, ce qui entraîne la formation du même acide aminé, et cette situation peut faire en sorte que les codons multiples codent pour le même acide aminé. L'effet sur la protéine sera moindre, par exemple, les codons AAA et AAG codent pour la lysine, et dans le cas au lieu de 'G' si 'A' est produit alors le même acide aminé est formé donc l'effet sur la protéine n'est pas trouvé.

Dans le cas d'une mutation non-sens, le nucléotide est substitué, ce qui entraîne la formation d'un codon stop au lieu de la formation du codon qui code pour l'acide aminé. Ces codons d'arrêt sont certaines séquences de la chaîne de base qui ont la capacité d'arrêter la production de chaînes d'acides aminés. À la fin de la séquence d'ARNm dans la production de la protéine, elle est toujours trouvée et lorsque la substitution se produit, elle terminera la séquence d'acides aminés et empêchera la formation de la bonne protéine.

La mutation faux-sens se produit lorsque le nucléotide est substitué, ce qui entraîne la formation du codon différent. C'est le même que celui de la mutation non-sens mais dans ce cas, la différence est que le codon nouvellement produit n'est pas un codon stop mais c'est un acide aminé différent dans la séquence. Par exemple, si AAG est remplacé par AGG, alors ce codon se rapporte à l'arginine au lieu de la lysine. Ce type de mutation est dit conservateur si l'acide aminé qui doit être formé à la place de celui de l'acide aminé formé à partir de la mutation faux-sens partage des propriétés similaires. La mutation est dite non conservatrice si des propriétés différentes sont trouvées dans l'acide aminé qui doit être formé au lieu de celle de l'acide aminé qui est formé à partir de la mutation faux-sens.

2. Mutations d'insertion ou de suppression : lorsqu'une paire de bases supplémentaires est ajoutée à la séquence de l'acide aminé, la mutation d'insertion se produit. Si une paire de bases supplémentaires est retirée de la séquence de l'acide aminé, il s'agit alors d'une mutation par délétion. Ces types de mutations sont regroupés car ils peuvent affecter la séquence de l'acide aminé de manière drastique.

Lorsqu'une ou deux bases sont supprimées ou ajoutées, le changement dans les trois codons de base se produit, ce qui entraîne la mutation, elle est également connue sous le nom de mutation de décalage du cadre de lecture. Supposons que la séquence dans l'ADN soit CCT ATG TTT si 'A' est ajouté entre la cytosine et le changement dans la séquence sera comme CAC TAT GTT T cela change la structure et le fonctionnement de la protéine formée et peut parfois rendre cette protéine inutile . Le même effet peut être trouvé si une base est supprimée.

Conséquences de la mutation ponctuelle

Dans les séquences non codantes, la plupart du temps la mutation ponctuelle se produit sans aucune conséquence. Si la paire de bases mutée est présente dans la séquence promotrice, alors l'expression du gène variera. Si le site d'épissage d'un intron, la mutation ponctuelle est impliquée, alors elle interfère avec le site d'épissage de l'ARNm transcrit sous la forme correcte.

En modifiant un acide aminé, toute la chaîne peptidique changera cela, à son tour, changera la protéine entière. Ainsi, la protéine nouvellement formée est appelée variante de protéine. Si cette protéine originale est impliquée dans le fonctionnement de la reproduction cellulaire, alors la mutation ponctuelle unique implique le changement dans l'ensemble du processus de reproduction cellulaire.

Les mutations germinales ponctuelles peuvent être bénéfiques et provoquer des maladies. Selon l'environnement dans lequel vit l'organisme, les adaptations peuvent se produire. La théorie scientifique de l'évolution est entièrement basée sur la mutation ponctuelle qui se produit dans les cellules. Cette théorie explique l'histoire et la diversité des organismes présents sur Terre. Les mutations bénéfiques peuvent aider l'organisme à se reproduire là où les gènes affectés positivement sont transmis à la génération suivante. Les mutations nocives peuvent amener l'organisme à réduire le processus de reproduction ou à faire mourir l'organisme, cela se produit par le biais d'un phénomène appelé sélection naturelle.

Dans les mutations, les effets à long terme et à court terme peuvent survenir. Là où les effets à long terme sont permanents en changeant le chromosome qui conduit à la mutation, les effets à court terme sont impliqués dans l'arrêt du cycle cellulaire à différents stades. Par exemple, un codon qui code pour la glycine est modifié pour former un codon stop oblige la protéine à arrêter les tâches à effectuer. Les mutations peuvent affecter l'ADN et interdire le processus de mitose en raison de l'absence du chromosome complet. Un exemple des effets à long terme est le cancer.

Les autres effets de la mutation ponctuelle impliquent l'emplacement où la mutation se produit dans le gène. Si la mutation se produit dans le gène responsable du codage, la séquence d'acides aminés d'une protéine peut être altérée. Cette altération entraîne la localisation des protéines, des modifications de la fonction ou des complexes protéiques. De nombreuses méthodes ont été proposées dans la détermination des effets des mutations faux-sens. Alors que ces méthodes ne fournissent que la classification binaire des effets des mutations si elles sont bénignes ou dommageables, un autre niveau est nécessaire pour fournir l'explication du pourquoi et de la manière dont les mutations sont capables d'endommager les protéines.

Si la mutation se produit dans la région où les protéines sont liées à la machinerie transcriptionnelle, alors la mutation peut affecter les facteurs de liaison. Ainsi, le taux d'efficacité de la transcription du gène peut être affecté. Cela modifie à son tour les niveaux d'ARNm et de protéines. Le mécanisme de transcription de la liaison à une protéine passe par la reconnaissance de la séquence nucléotidique courte. Selon la région de la séquence d'acides aminés de la protéine, la mutation ponctuelle peut affecter le comportement et la reproduction de la protéine de plusieurs manières. Si la mutation se produit dans la région où le gène est responsable du codage de la protéine, alors l'altération de l'acide aminé peut être trouvée. Ce changement peut affecter l'activation de la protéine, c'est-à-dire la manière dont la protéine est liée à l'enzyme ou le changement de fonction.

Maladies causées par des mutations ponctuelles

1. Fibrose kystique : Elle se rencontre le plus souvent chez les personnes d'origine européenne, il s'agit d'une maladie héréditaire récessive. Il existe de nombreux types de mutations pouvant causer la mucoviscidose, mais la plus courante est la suppression des trois bases nucléotidiques du gène CFTR, abrégé en gène régulateur de la conductance transmembranaire de la mucoviscidose. Cela entraîne la perte de l'acide aminé phénylalanine et rend le repliement des protéines incorrect. Les symptômes sont un mucus épais et collant trouvé dans les poumons. Sueur salée, difficultés respiratoires, espérance de vie raccourcie et, chez certaines personnes, cela peut provoquer l'infertilité.

2. Anémie falciforme : La seule substitution dans le gène de l'hémoglobine qui transporte l'oxygène dans le sang provoque l'anémie falciforme. C'est un trouble récessif. La valine est produite à la place de l'acide glutamique dans la chaîne par la substitution. Lorsqu'il y a la présence de deux copies chez la personne, cela entraîne le changement des cellules sanguines de la forme de disque à la forme de faucille qui manque d'apport d'oxygène au sang. Près de 80 pour cent des personnes atteintes de cette maladie peuvent se protéger contre le paludisme. Les symptômes sont des douleurs thoraciques, une obstruction des vaisseaux sanguins et une anémie.

3. Tay-Sachs: Il s'agit d'un autre trouble récessif dû à une mutation ponctuelle où les effets se trouvent sur le gène HEXA du chromosome 15. Il peut entraîner une détérioration des cellules nerveuses, ce qui entraîne le déclin du fonctionnement mental et physique du corps.

Conclusion

Les mutations ponctuelles peuvent également être bénéfiques, elles peuvent également causer des effets nocifs. Cela dépend de l'environnement auquel il est adapté. Les mutations ponctuelles sont parfois causées par la réplication de l'ADN. Le taux de ces mutations peut augmenter lorsqu'elles sont exposées à des agents mutagènes tels que la chaleur extrême, les rayons X, les rayons UV ou à cause de certains produits chimiques tels que le benzène.


Changements au niveau de l'ADN

Les mutations ponctuelles sont classées en termes moléculaires dans le tableau 7-1, qui montre les principaux types de modifications de l'ADN et leurs effets fonctionnels au niveau des protéines.

Tableau 7-1

Mutations géniques au niveau moléculaire.

Au niveau de l'ADN, il existe deux principaux types de changements mutationnels ponctuels : substitutions de base et ajouts de base ou suppressions. Remplacements de base sont les mutations dans lesquelles une paire de bases est remplacée par une autre. Les substitutions de base peuvent à nouveau être divisées en deux sous-types : les transitions et les transversions. Pour décrire ces sous-types, nous considérons comment une mutation modifie la séquence sur un brin d'ADN (le changement complémentaire aura lieu sur l'autre brin). Une transition est le remplacement d'une base par l'autre base de la même catégorie chimique (purine remplacée par purine : soit A à G soit G à A pyrimidine remplacée par pyrimidine : soit C à T ou T à C). Une transversion est le contraire&# x02014le remplacement d'une base d'une catégorie chimique par une base de l'autre (pyrimidine remplacée par purine : C à A, C à G, T à A, T à G purine remplacée par pyrimidine : A à C , A à T, G à C, G à T). En décrivant les mêmes changements au niveau double brin de l'ADN, nous devons énoncer les deux membres d'une paire de bases : un exemple de transition serait G୼ →𠂊·T celui d'une transversion serait G&# x000b7C → T୺.

Une addition ou mutations de délétion sont en fait de nucléotide paires néanmoins, la convention est de les appeler base-ajouts ou suppressions de paires. Les plus simples de ces mutations sont des additions d'une seule paire de bases ou des délétions d'une seule paire de bases. Il existe des exemples dans lesquels des mutations surviennent par addition ou suppression simultanée de plusieurs paires de bases à la fois. Comme nous le verrons plus loin dans ce chapitre, les mécanismes qui produisent sélectivement certains types d'additions ou de suppressions de paires de bases multiples sont à l'origine de certaines maladies génétiques humaines.

Quelles sont les conséquences fonctionnelles de ces différents types de mutations ponctuelles ? Tout d'abord, considérons ce qui se passe lorsqu'une mutation survient dans une partie codant pour un polypeptide d'un gène. Pour les substitutions à base unique, il existe plusieurs issues possibles, qui sont des conséquences directes de deux aspects du code génétique : la dégénérescence du code et l'existence de codons de terminaison de traduction.

Remplacements silencieux : la mutation change un codon pour un acide aminé en un autre codon pour ce même acide aminé.

Mutations faux-sens : le codon d'un acide aminé est remplacé par un codon d'un autre acide aminé.

Mutations non-sens : le codon d'un acide aminé est remplacé par un codon de terminaison (stop) de la traduction.

Les substitutions silencieuses ne modifient jamais la séquence d'acides aminés de la chaîne polypeptidique. La gravité de l'effet des mutations faux-sens et non-sens sur le polypeptide différera au cas par cas. Par exemple, si une mutation faux-sens provoque la substitution d'un acide aminé chimiquement similaire, appelée substitution synonyme, alors il est probable que la modification aura un effet moins grave sur la structure et la fonction de la protéine. Alternativement, des substitutions d'acides aminés chimiquement différentes, appelées substitutions non synonymes, sont plus susceptibles de produire des changements sévères dans la structure et la fonction des protéines. Des mutations non-sens conduiront à l'arrêt prématuré de la traduction. Ainsi, ils ont un effet considérable sur la fonction des protéines. Typiquement, à moins qu'elles ne se produisent très près de l'extrémité 3 du cadre de lecture ouvert, de sorte que seul un polypeptide tronqué partiellement fonctionnel soit produit, les mutations non-sens produiront des produits protéiques complètement inactifs.

Comme les mutations non-sens, les additions ou suppressions de base unique ont des conséquences sur la séquence polypeptidique qui s'étendent bien au-delà du site de la mutation elle-même. Étant donné que la séquence d'ARNm est « créée par l'appareil de traduction en groupes de trois paires de bases (codons), l'ajout ou la suppression d'une seule paire de bases d'ADN modifiera le cadre de lecture à partir de l'emplacement de l'ajout ou de la suppression. et s'étendant jusqu'à l'extrémité carboxy de la protéine. Par conséquent, ces lésions sont appelées décalage de cadre mutations. Ces mutations font que la séquence d'acides aminés entière en aval du site mutant n'a aucune relation avec la séquence d'acides aminés d'origine. Ainsi, les mutations de décalage du cadre de lecture présentent généralement une perte complète de la structure et de la fonction normales des protéines.

Passons maintenant aux mutations qui se produisent dans les séquences régulatrices et autres séquences non codantes. Les parties d'un gène qui ne codent pas pour une protéine contiennent une variété de sites fonctionnels cruciaux. Au niveau de l'ADN, il existe des sites auxquels des protéines spécifiques de régulation de la transcription doivent se lier. Au niveau de l'ARN, il existe également des séquences fonctionnelles importantes telles que les sites de liaison au ribosome des ARNm bactériens et les sites d'auto-ligature pour l'excision des introns dans les ARNm eucaryotes.

Les ramifications des mutations dans des parties d'un gène autres que les segments codant pour le polypeptide sont beaucoup plus difficiles à prévoir. En général, les conséquences fonctionnelles de toute mutation ponctuelle (substitution ou addition ou délétion) dans une telle région dépendent de sa localisation et du fait qu'elle perturbe ou non un site fonctionnel. Les mutations qui perturbent ces sites ont le potentiel de changer le modèle d'expression d'un gène en termes de quantité de produit exprimé à un certain moment ou en réponse à certains signaux environnementaux ou dans certains tissus. Nous verrons de nombreux exemples supplémentaires de tels sites cibles au fur et à mesure que nous explorerons les mécanismes de régulation des gènes plus tard (chapitres 14�). Il est important de réaliser que de telles mutations régulatrices affecteront la quantité de produit protéique d'un gène, mais elles n'altéreront pas la structure de la protéine. Alternativement, certaines mutations peuvent complètement inactiver la fonction (telle que la liaison à la polymérase ou l'excision d'intron) et être mortelles.

Il semble que les gènes contiennent également des séquences non codantes qui ne peuvent pas être mutées en un point pour produire des phénotypes détectables. Ces séquences sont entrecoupées de sites mutables. Ces séquences sont soit fonctionnellement non pertinentes, soit protégées des dommages mutationnels d'une manière ou d'une autre.

Les nouvelles mutations sont classées comme induit ou spontané. Mutations induites sont définis comme ceux qui surviennent après un traitement intentionnel avec mutagènes, agents environnementaux connus pour augmenter le taux de mutations. Mutations spontanées sont ceux qui surviennent en l'absence de traitement mutagène connu. Ils représentent le « taux de fond de mutation » et sont vraisemblablement la source ultime de variation génétique naturelle observée dans les populations.

La fréquence à laquelle les mutations spontanées surviennent est faible, généralement de l'ordre d'une cellule sur 10 5 à 10 8 . Par conséquent, si un grand nombre de mutants est requis pour l'analyse génétique, les mutations doivent être induit. L'induction de mutations est accomplie en traitant des cellules avec des mutagènes. Les agents mutagènes les plus couramment utilisés sont les rayonnements à haute énergie ou des exemples chimiques spécifiques de ces agents mutagènes et leur efficacité est indiquée dans le tableau 7-2 à la page suivante. Plus la dose de mutagène est élevée, plus le nombre de mutations induites est important, comme le montre la figure 7-1. Notez que la Figure 7-1 montre un linéaire dose-réponse, qui est souvent observée dans l'induction de mutations ponctuelles. Les mécanismes moléculaires par lesquels les mutagènes agissent seront traités dans les sections suivantes.

Tableau 7-2

Fréquences de mutation directe obtenues avec divers mutagènes dans Neurospora.

7-1

Relation linéaire entre la dose de rayons X à laquelle Drosophila melanogaster ont été exposés et le pourcentage de mutations (principalement mortelles récessives liées au sexe).

Reconnaître que la distinction entre induit et spontané est purement opérationnelle. Si nous savons qu'un organisme a été mutagénisé, alors nous déduisons que toutes les mutations qui surviennent après cette mutagenèse ont été induites. Cependant, ce n'est pas vrai dans un sens absolu. Les mécanismes qui donnent lieu à des mutations spontanées sont également en action dans cet organisme mutagénisé. En réalité, il y aura toujours un sous-ensemble de mutations récupérées après mutagenèse qui sont indépendantes de l'action du mutagène. La proportion de mutations qui entrent dans ce sous-ensemble dépend de la puissance d'un mutagène. Plus le taux de mutations induites est élevé, plus la proportion de mutations récupérées qui sont réellement d'origine "spontanée" est faible.

Les mutations induites et spontanées surviennent par des mécanismes généralement différents, elles seront donc traitées séparément. Après avoir considéré ces mécanismes, nous explorerons le sujet de la réparation biologique des mutations. Sans ces mécanismes de réparation, le taux de mutation serait si élevé que les cellules accumuleraient trop de mutations pour rester viables et capables de se reproduire. Ainsi, les événements mutationnels qui se produisent sont ces événements rares qui ont été d'une manière ou d'une autre ignorés ou contournés par les processus de réparation.


Petite précision :

La norme contient cette déclaration de clarification :

L'accent est mis sur l'utilisation des données pour étayer les arguments sur la façon dont la variation se produit.

Regardons cette clarification d'un peu plus près pour comprendre ce qui n'est pas inclus :

Arguments à l'appui des origines de la variation

Les arguments originaux soutenant les méthodes de variation sont venus de Gregor Mendel et de ses célèbres expériences « Plante de pois ». Au cours des expériences, Mendel a montré empiriquement que la progéniture hérite de combinaisons de traits différentes de celles exprimées par leurs parents. Cela a conduit à la loi de la ségrégation et à la loi de l'assortiment indépendant, qui expliquent ensemble pourquoi la progéniture présente des variations dans les caractéristiques que l'on ne voit pas dans la génération parentale.

D'autres arguments simples peuvent inclure des traits humains facilement observables, tels que la couleur des yeux et des cheveux. Dans une classe de 30, il devrait être possible de localiser au moins 1 (sinon plus) élève qui a une combinaison couleur d'yeux / couleur de cheveux différente de celle de l'un de ses parents. Cela montre que les traits peuvent être répartis entre les lignées maternelles et paternelles et explore les mêmes mécanismes de base que Mendel recherchait dans les plants de pois.


3.2 : Conséquences des mutations - Biologie

Étant donné que toutes les cellules de notre corps contiennent de l'ADN, il existe de nombreux endroits où des mutations se produisent, cependant, certaines mutations ne peuvent pas être transmises à la progéniture et n'ont pas d'importance pour l'évolution. Les mutations somatiques se produisent dans les cellules non reproductrices et ne seront pas transmises à la progéniture. Par exemple, la couleur dorée de la moitié de cette pomme Red Delicious a été causée par une mutation somatique. Ses graines ne porteront pas la mutation.

Les seules mutations importantes pour l'évolution à grande échelle sont celles qui peuvent être transmises à la descendance. Celles-ci se produisent dans les cellules reproductrices comme les ovules et les spermatozoïdes et sont appelées mutations de la lignée germinale.

Effets des mutations de la lignée germinale
Une seule mutation de la lignée germinale peut avoir divers effets :

    Aucun changement ne se produit dans le phénotype.
    Certaines mutations n'ont aucun effet notable sur le phénotype d'un organisme. Cela peut se produire dans de nombreuses situations : peut-être que la mutation se produit dans un tronçon d'ADN sans fonction, ou peut-être que la mutation se produit dans une région codant pour une protéine, mais finit par ne pas affecter la séquence d'acides aminés de la protéine.

Des petites mutations aux grands effets : des mutations pour contrôler les gènes
Les mutations sont souvent les victimes d'une mauvaise presse — injustement stéréotypée comme sans importance ou comme cause de maladie génétique. Alors que de nombreuses mutations ont en effet des effets faibles ou négatifs, un autre type de mutation obtient moins de temps d'antenne. Les mutations pour contrôler les gènes peuvent avoir des effets majeurs (et parfois positifs).

Certaines régions de l'ADN contrôlent d'autres gènes, déterminant quand et où d'autres gènes sont activés. Des mutations dans ces parties du génome peuvent changer considérablement la façon dont l'organisme est construit. La différence entre une mutation vers un gène de contrôle et une mutation vers un gène moins puissant est un peu comme la différence entre chuchoter une instruction au trompettiste d'un orchestre et la chuchoter au chef d'orchestre. L'impact d'un changement de comportement du chef d'orchestre est beaucoup plus important et mieux coordonné que celui d'un changement de comportement d'un membre individuel de l'orchestre. De même, une mutation dans un gène « conducteur » peut provoquer une cascade d'effets dans le comportement des gènes sous son contrôle.

De nombreux organismes possèdent de puissants gènes de contrôle qui déterminent la disposition du corps. Par exemple, Hox les gènes se trouvent chez de nombreux animaux (y compris les mouches et les humains) et désignent où va la tête et quelles régions du corps développent des appendices. De tels gènes de contrôle maître aident à diriger la construction d'« unités » corporelles telles que des segments, des membres et des yeux. Ainsi, l'évolution d'un changement majeur dans la disposition corporelle de base n'est peut-être pas si improbable qu'elle peut simplement nécessiter un changement dans un gène Hox et la faveur de la sélection naturelle.


Causes des mutations de l'ADN (mutagènes physiques et chimiques)

Les causes de mutation de l'ADN peuvent être divisées en deux types :

Mutations spontanées résultent des interactions moléculaires qui se produisent naturellement au sein de la cellule.

Mutations induites sont causées par des agents extérieurs à la cellule.

Certaines substances ou certains événements qui augmentent le taux de mutation dans un organisme sont appelés mutagènes.

Deux catégories générales de mutagènes sont les mutagènes physiques et les mutagènes chimiques :

Rayonnements ionisants (les rayons X, les rayons gamma et les particules alpha provoquent la rupture de l'ADN)

Rayonnements ultraviolets (une longueur d'onde supérieure à 260 nm peut être absorbée par les bases azotées de l'ADN, produisant des dimères de pyrimidine, ce qui peut provoquer des erreurs de réplication.)

une molécule qui peut entrer dans le noyau cellulaire et induire des mutations :

Espèces réactives de l'oxygène (ROS)

Amines et amides aromatiques peut provoquer une cancérogenèse

Benzène augmente le risque de cancer


Comprendre l'impact du stress

Pourquoi Kishony et Leibler observeraient-ils, en général, l'amélioration des effets mutationnels délétères par le stress, alors que d'autres ont trouvé que le stress a tendance à aggraver ces effets ? Kishony et Leibler discutent de trois explications possibles [1]. L'une est que des stress particuliers (par exemple, celui causé par les antibiotiques) conféreraient un avantage aux cellules à croissance lente. Cette possibilité a été immédiatement réfutée par leurs données, car elle impliquerait une corrélation positive entre la réduction de la fitness et le niveau d'amélioration des mutations par le stress, mais une telle corrélation n'a pas été observée. La deuxième explication possible est que l'amélioration est un artefact causé par l'effet mutagène de certains stress, qui masque l'effet de la ou des mutations originales à l'étude. La troisième possibilité est potentiellement la plus intéressante : que le stress et la mutation n'affectent pas toujours les mêmes fonctions cellulaires. Lorsque le stress n'affecte qu'une seule fonction ou voie, comme c'est le cas pour certains antibiotiques, et si le taux de croissance est déterminé par la plus lente d'un certain nombre de voies parallèles, alors un mutant ne peut pas croître plus lentement sous stress que le mutant se développant dans des conditions favorables ou le type sauvage sous stress. Par conséquent, l'effet mutationnel sous stress serait toujours plus petit que l'effet dans des conditions favorables. Bien que la distinction entre les contraintes qui ciblent une voie spécifique et celles qui ont des effets cellulaires étendus soit utile, le « modèle de voie parallèle » utilisé pour interpréter cette distinction est en quelque sorte une simplification excessive. Par exemple, elle repose sur l'indépendance des voies parallèles présumées, mais l'occurrence généralisée de l'épistasie [17] n'est pas cohérente avec cette notion.

Des explications alternatives pour l'écart entre les résultats de Kishony et Leibler et ceux des autres sont également possibles. Premièrement, les stress appliqués par Kishony et Leibler sont inhabituels, d'un point de vue évolutif, et différents des types de stress appliqués dans d'autres études, qui reposaient plutôt sur des stress tels que la famine, l'intensification de la compétition pour les ressources, la densité de population ou le parasitisme. La raison pour laquelle le stress causé par les antibiotiques, un agent réducteur ou les basses températures pourrait être essentiellement différent de ces autres stress n'est pas claire, mais cela mériterait d'être étudié dans de futures études. La distinction des auteurs entre les stress avec des effets cellulaires particuliers et larges peut aider à orienter de telles études. Une deuxième explication possible de l'écart est que Kishony et Leibler ont utilisé le taux de croissance à faible densité comme mesure de la fitness, alors que d'autres ont mesuré la fitness dans des conditions plus compétitives [2, 5, 6, 8, 9], ou même en compétition directe. expériences [14, 16]. Les conditions compétitives peuvent remettre en cause plus de fonctions d'un organisme que les conditions non compétitives, augmentant les chances que le stress et les mutations interagissent dans leur effet sur la condition physique. On ne sait pas pourquoi cette interaction devrait être synergique (de telle sorte que le stress amplifie les effets mutationnels) dans des conditions de compétition, mais les travaux théoriques [18] prédisent que l'épistasie synergique parmi les mutations délétères dépend des conditions de compétition.

En extrapolant leurs résultats, Kishony et Leibler [1] interprètent l'amélioration des effets mutationnels uniques par certains stress comme une preuve d'épistasie entre plusieurs mutations délétères, une question d'une grande pertinence pour la théorie de l'évolution [17]. Les auteurs fondent leur argumentation sur la diminution plus faible observée de la fitness des mutants dans des conditions stressantes que dans des conditions favorables. Si cette tendance est extrapolée aux mutants porteurs de mutations multiples, les mutants multiples auraient une meilleure aptitude sous stress que dans des conditions favorables. Les auteurs ont trouvé cette idée irréaliste et ont invoqué l'épistasie pour éviter que cette situation ne se produise et pour empêcher le croisement des lignes sur le graphique des normes de réaction de fitness. Des mutations conditionnellement bénéfiques ont en fait été observées précédemment [14-16], de sorte que le scénario n'est peut-être pas aussi irréaliste que les auteurs suggèrent que le soutien à l'épistasie à partir de ces données est donc faible.

En conclusion, l'opinion classique selon laquelle les effets mutationnels délétères sont amplifiés sous le stress environnemental s'avère quelque peu naïve. Au fur et à mesure que le nombre d'études précises sur cette question augmente, un tableau nouveau et plus complexe se présente. Certaines mutations ayant des effets délétères dans la plupart des environnements semblent avoir des effets bénéfiques dans d'autres environnements [14-16]. In addition, stressful environments appear to sometimes alleviate rather than aggravate the deleterious effects of unconditionally deleterious mutations [1]. Although the reasons for these discrepancies are not known at present, some interesting suggestions have been made that should stimulate further studies. In particular, experiments in which the number of introduced mutations is controlled, the evolutionary history of the strain used is known, and fitness is measured in direct competition with the unmutated progenitor, are needed to improve our understanding of the qualitative and quantitative details of genotype-environment interactions. We believe that microbes are well suited for such studies [19].


A Appendix

Here, we present the details of our analytic derivations.

A.1 Probability of fixation

According to [26], the probability of fixation vous(s) of a single allele with selection coefficient s est donné par

Pour s ≳ 1/N, this expression simplifies to

whereas for Ns ≫ 1, this expression simplifies to

vous(s) ≈ 1 - e -2s .

A.2 A single allele drifting to fixation or loss

We first consider a single allele with selective advantage s drifting to fixation or extinction, and ask how many mutations this allele generates until it is either fixed or lost. We will treat these two cases separately. Laisser mréparer(s) be the expected number of mutations generated while the allele drifts to fixation, and let mperte(s) be the expected number of mutations generated while the allele drifts to extinction. We calculate these two quantities using diffusion theory, by integrating the sojourn times of the allele over all frequencies.

For an allele with selective coefficient s and starting at frequency p = 1/N, [50] calculated its mean sojourn time ??(oui) between frequencies oui et oui + dy comme

??(oui) = 2[V(oui)g(oui)] -1 [vousperte(1/N)g(0, oui)??(1/N - oui) + vousréparer(1/N)g(oui, 1)??(oui - 1/N)].

et ??(z) is the Heaviside step function. We want to integrate expressions involving ??(oui) de oui = 0 to oui = 1. Since oui = 1/N corresponds to a single copy of the allele that drifts to fixation, values of oui less than 1/N are not relevant for our analysis. Therefore, we discard the term proportional to ??(1/N - oui) in Eq. (A4), and use in what follows

??(oui) = 2vousréparer(1/N)g(oui, 1)/[V(oui)g(oui)] for oui > 1/N.

A.3 Number of mutations conditional on fixation

For the sojourn time conditional on fixation, ??réparer(oui), [50] finds

??réparer(y) = ??(oui)vousréparer(oui)/vousréparer(p).

Using this expression, we have

Plugging the expressions for V(oui)g(oui), g(une, b), vousréparer(p), et ??(oui) into ??réparer(oui), we arrive at

This expression corresponds to the one by [51]. Noter que réparer(oui) → 0 for oui → 0. Therefore, we can extend the lower limit of integration to 0 in Eq. (A11), and rewrite mréparer(s) comme

The integral je(une) can be rewritten as

je(une) = ?? - Ei(-une) + ln(une) + e -une [?? - Ei(une) + ln(une)],

?? ≈ 0.5772 is the Euler-Mascheroni constant and Ei(z) is the exponential integral,

Pour s ≲ 1/N, we find

Pour Ns ≫ 1, we obtain the asymptotic expansion

− e − z z ( 1 − 1 z + 2 z 2 − 6 z 3 ) for large z . [email protected]@[email protected]@+=feaafiart1ev1aaatCvAUfKttLearuWrP9MDH5MBPbIqV92AaeXatLxBI9gBaebbnrfifHhDYfgasaacPC6xNi=xI8qiVKYPFjYdHaVhbbf9v8qqaqFr0xc9vqFj0dXdbba91qpepeI8k8fiI+fsY=rqGqVepae9pg0db9vqaiVgFr0xfr=xfr=xc9adbaqaaeGaciGaaiaabeqaaeqabiWaaaGcbaqbaeqabeGaaaqaaiabbweafjabbMgaPjabcIcaOiabgkHiTiabdQha6jabcMcaPiabc6ha+jabgkHiTKqbaoaalaaabaGaemyzau2aaWbaaeqabaGaeyOeI0IaemOEaOhaaaqaaiabdQha6baakmaabmaabaGaeGymaeJaeyOeI0scfa4aaSaaaeaacqaIXaqmaeaacqWG6bGEaaGccqGHRaWkjuaGdaWcaaqaaiabikdaYaqaaiabdQha6naaCaaabeqaaiabikdaYaaaaaGccqGHsisljuaGdaWcaaqaaiabiAda2aqaaiabdQha6naaCaaabeqaaiabiodaZaaaaaaakiaawIcacaGLPaaaaeaacqqGMbGzcqqGVbWBcqqGYbGCcqqGGaaicqqGSba[email protected][email protected]

A.4 Number of mutations conditional on extinction

For the sojourn time conditional on extinction, ??perte(oui), [50] finds

??perte(oui) = ??(oui)vousperte(oui)/vousperte(p).

Using this expression, we have

Plugging the expressions for V(oui)g(oui), g(une, b), vousperte(p), et ??(oui) into ??perte(oui), we find

We rewrite mperte comme

The integral can be rewritten as

J(N, s) = -2e -2Ns (?? - Chi[2(N - 1)s] + ln [2(N - 1)s]),

where Chi(z) is the hyperbolic cosine integral,

Pour s ≲ 1/N, we find

Pour Ns ≫ 1, we obtain the asymptotic expansion

[This expansion follows directly from the definitions of Chi(z), cosh(z), and Ei(z).]

A.5 Number of mutations within a given time interval

We now extend the derivations in Section A.3 to calculate the number of mutations to allele 2 generated within a certain time interval T, conditional on fixation of allele 1. We assume that T is sufficiently large so that allele 1 has time to reach fixation within this interval. We only consider the case conditional on fixation because no new mutations are generated once allele 1 has gone extinct.

We calculate m(s) = mréparer(s) + mT(s), où mT(s) is the total number of mutations generated once the first mutation has reached fixation. We have

mT(s) = NU[T - tréparer(s)],

tréparer(s) is the time to fixation of a mutation with selective advantage s. This time is given by the integral over all sojourn times,

A partial fraction decomposition of the integrand reveals that je2(une) = 2je(une), and thus we have

Combining this result with Eqs. (A13) and (A30), we find

Noter que m(s) = mréparer(s) pour T = tréparer(s).

Pour s ≲ 1/N, we find

Pour Ns ≫ 1, using Eqs. (A15) and (A19), we obtain the asymptotic expansion

A.6 ξ pour sβ ≪ 1

De l'éq. (4), using Eqs. (A27), (A35), and (A2), we obtain to first order in

If further NU(T - N)vous(s) ≪ 1, we obtain

A.7 ξ pour Nsβ ≫ 1

Pour Nsβ ≫ 1, only the first term contributes to Eq. (2), and we obtain from Eqs. (A36) and (A3)

Likewise, in this limit we can simplify Eq. (3) to

Furthermore, for T → ∞, this expression simplifies to

Si NU ≪ 1, then ξN in the limit s → ∞.


1- Point mutation (single base substitution)

  • Transition: In which one purine is replaced by another purine or one pyrimidine is replaced by another pyrimidine. (e.g. A⇔G or C⇔T)
  • Transversion: In which a purine is replaced by a pyrimidine or a pyrimidine is replaced by a purine. (e.g. T⇔A T⇔G, C⇔A C⇔G)

Changing a single nucleotide base on the mRNA can lead to any of the three results:

  1. Silent mutation:The codon containing the changed base may code for the same amino acid, for example, if the serine codon UCA is given a different third base (to become, say, UCU), it still codes for serine, therefore, this termed a silent mutation without any effect on the protein structure.
  2. Missense mutation:The codon containing the changed base may code for a different amino acid, the substitution of an incorrect amino acid may result in three variable effects on protein structure (e.g. hemoglobin β-chain).
    a- Acceptable missense mutation
    AAAAAU (codons)
    LysineAsparagine (amino acid) 61 (apparently normal functional hemoglobin)
    b- Partially acceptable missense mutation
    GAAGUA (codons)
    Acide glutamiqueValine (amino acid) 6 (Hb S it can bind and release O2 although abnormal).
    c- Unacceptable missense mutation
    CAU
    UAU (codons)
    Histidine
    Tyrosine (amino acid) 58 (Hb M it cannot transport O2).
  3. Non-sense mutation:The codon containing the changed base may become a termination codon, for example, if the serine codon UCA is given a different second base (to become, say, UAA), the new codon causes the termination of translation at that point, this results in protein which is shorter than normal and is usually non-functional.

2- Frameshift mutation

It results from deletion (removal) or insertion (addition) of one or more nucleotides in DNA that generates altered mRNAs with different effects on protein structure.

Regulation of Gene Expression

Gene mutations

Types of Gene expression

  1. Constitutive gene expression is the unvarying expression of a gene, it is responsible for the expression of House Keeping genes, these are genes for products that are required at all times, they are expressed at a more or less constant level in every cell of an organism, e.g. genes for the enzymes of central metabolic pathways, such as citric acid cycle.
  2. Regulated gene expression is the expression of genes in which the cellular level of their products varies in response to molecular signals, they are called inducible genes or repressible genes.

Inducible genes are the genes which their products increase in concentration under particular molecular circumstances. Repressible genes are the genes which their products decrease in concentration in response to molecular signals, the process of decreasing their expression is called repression, i.e. negative regulation.

Regulation of Gene Expression in Eukaryotic cells

I- Gene Loss

  • If the genes are completely or partially deleted from the cells, functional proteins can’t be produced
  • E.g: during the development of the red blood cells.
    Immature erythroblasts contain nuclei that produce mRNA for the globin chain of hemoglobin, as the cells maturate, the nuclei are extruded, so that the fully mature red blood cells have no genes, so they can no longer produce mRNA.

II- Transcriptional Regulation

DNA regulatory region

Each gene can be divided into coding and regulatory regions, as defined by the transcription start site. The coding region contains the DNA sequence that is transcribed into mRNA, which is translated into proteins. The regulatory regions consist of two classes of elements:

(A) Basal expression elements consist of the proximal element of the TATA box that direct RNA polymerase II to the correct start site (+1) and the upstream element e.g. CAAT box or GC box that specifies the frequency of initiation.

(B) Regulated expression elements: (Cis-acting elements): They are specific DNA sequences that are present on the same gene, so-termed Cis-elements, and are responsible for the regulation of expression, they can exert their effect on transcription even when separated by thousands of base pairs from a promoter, they include the following elements:

  • Enhancers are Cis DNA elements that facilitate or enhance initiation of transcription at the promoter, they interact with gene regulatory proteins or trans-factors (so termed because they are produced by other genes) and increase the rate of expression.
  • Silencers interact with gene regulatory proteins or trans-factors and decrease the rate of expression.
  • Other regulatory elements mediate response to various signals including hormones called hormone response elements (HRE), chemicals, and metals.

III- Post-Transcriptional Regulation:
Regulation can occur during the processing of the primary transcript (hnRNA) and during the transport of mRNA from the nucleus to the cytoplasm.

  1. Alternative splicing and polyadenylation sites:Processing of the primary transcript involves the addition of a cap to the 5´-end, removal of introns, and the addition of poly(A) tail to the 3´-end (polyadenylation) to produce mature mRNA. In certain cases, the use of alternative splicing and polyadenylation sites causes different proteins to be produced from the same gene, for example, in parafollicular cells of the thyroid gland, the calcitonin gene produces mRNA that codes for calcitonin.
  2. RNA editing:It is the processing of RNA in the nucleus by enzymes that change a single nucleotide either by insertion, deletion, or substitution, an example of RNA editing occurs in the production of β apoprotein (apoβ) that is synthesized in the liver and intestinal cells and serves as a component of the lipoproteins, although these apoproteins are encoded by the same gene, the version of the protein made in the liver (B-100) contains 4563 amino acid residues, while the (B-48) made in the intestinal cells has only 2152 amino acid.

IV- Regulation at the level of Translation:
Most eukaryotic translational controls affect the initiation of protein synthesis, the initiation factors for translation, particularly eukaryotic initiation factor 2(eIF2), are the focus of these regulatory mechanisms, the action of eIF2 can be inhibited by phosphorylation.

V- Post-Translational Regulation:
After proteins are synthesized, their lifespan is regulated by proteolytic degradation, proteins have different half-lives, some last for hours or days, others last for months or years, some proteins are degraded by lysosomal enzymes, other proteins are degraded by proteases in the cytoplasm. Some of these proteins appear to be marked for degradation by attachment to a protein known as ubiquitin, ubiquitin is a highly conserved protein, there is very little variation in its amino acid sequence between organisms.