Définition de la mutation
Au niveau le plus simple, une mutation est un changement ou une transformation. En biologie, les mutations font référence à des changements dans les chromosomes et les gènes, qui se manifestent généralement physiquement.
L’effet d’une mutation peut dépendre de la région dans laquelle la séquence du matériel génétique a été modifiée. Les plus simples et les plus inoffensives sont les substitutions d’une seule paire de bases par une autre, sans effet sur la séquence des protéines. À l’autre extrémité se trouvent les mutations par insertion ou par délétion qui conduisent à des produits génétiques non fonctionnels. Les mutations peuvent également se produire à grande échelle, de longs tronçons d’ADN (ou d’ARN lorsqu’il s’agit du matériel génétique) étant inversés, insérés, dupliqués, supprimés, transposés ou transloqués.
Le résultat d’une mutation peut être nocif, bénéfique, neutre ou même silencieux. La mutation peut conduire à la perte ou au gain d’une fonction spécifique, à des modifications des niveaux d’expression ou, dans des cas extrêmes, même à la létalité embryonnaire.
Types de mutation
Les mutations peuvent être classées de différentes manières selon la cause de la mutation, son effet sur la fonction du produit du gène ou le type de modifications de la structure du gène lui-même.
Les agents mutagènes tels que les substances cancérigènes ou les rayonnements à haute énergie entraînent des modifications du matériel génomique. Certaines mutations se produisent comme un sous-produit naturel du taux d’erreurs dans les mécanismes de réplication de l’ADN ou de l’ARN.
Une mutation pourrait être une mutation de perte de fonction ou de gain de fonction, selon que le produit du gène est inactivé ou a une activité accrue. Chez les hétérozygotes possédant deux copies de chaque allèle, certains produits génétiques mutés peuvent supprimer l’effet de l’allèle de type sauvage. On parle alors de mutations négatives dominantes.
Tous ces effets résultent d’une modification de la structure d’un gène ou du matériel chromosomique allié. Ces changements structurels peuvent être classés en substitutions, délétions, insertions, amplifications ou translocations.
Mutations de substitution
Les mutations de substitution sont des situations où un seul nucléotide est changé en un autre. Chez les organismes ayant un ADN ou un ARN double brin, cela signifie généralement que la paire de bases correspondante est également modifiée. Par exemple, une paire de bases A:T peut être mutée en une paire de bases G:C ou même une paire de bases T:A. Selon la position de cette modification, elle pourrait avoir divers effets.
Dans les régions hautement conservées, à la fois dans les tronçons codants et régulateurs de l’ADN, les mutations entraînent souvent des effets délétères. D’autres tronçons, plus variables, sont plus accommodants. Dans la région du promoteur ou dans d’autres parties régulatrices du génome, une mutation par substitution peut modifier l’expression du gène ou la réponse du gène à un stimulus. Dans la région codante, une substitution en troisième position ou en position d’oscillation d’un codon est appelée mutation silencieuse car elle ne modifie pas la séquence d’acides aminés. Lorsqu’une mutation de substitution donne lieu à un nouvel acide aminé mais avec des propriétés similaires, il s’agit d’une mutation neutre ou conservée. Par exemple, si l’on remplace l’acide aspartique par l’acide glutamique, il y a une chance raisonnable qu’il y ait très peu de changements dans la biochimie de la protéine.
Enfin, la mutation par substitution la plus radicale est celle qui entraîne la fin prématurée de l’élongation des acides aminés en raison de l’apparition soudaine d’un codon stop au milieu de la séquence codante. Par exemple, si le codon UAC codant pour la thréonine est muté en un codon UAA, en particulier dans l’extrémité 5′ de la séquence codante, cela conduira probablement à une protéine extrêmement courte, éventuellement non fonctionnelle.
Insertions et délétions
Les insertions et les délétions font référence à l’ajout ou à la suppression de courts tronçons de séquences nucléotidiques. Ces types de mutations sont généralement plus délétères que les substitutions car elles peuvent provoquer des mutations par décalage de cadre, altérant toute la séquence d’acides aminés en aval du site de mutation. Elles peuvent entraîner une modification de la longueur des polypeptides, créant soit des protéines anormalement longues à l’origine d’agrégats, soit des polypeptides tronqués, non fonctionnels, susceptibles d’encombrer la machinerie de traduction de la cellule.
Les insertions et les délétions dans les régions régulatrices d’une séquence codant pour un polypeptide ou dans les gènes codant pour un ARN non codant sont moins évidemment nuisibles. Là encore, la position de la mutation importe – dans les régions hautement conservées, la mutation est plus susceptible d’entraîner des effets négatifs.
Mutations à grande échelle
Les modifications de la séquence nucléotidique du matériel génétique peuvent également se produire à grande échelle, impliquant parfois des milliers de paires de bases et de nucléotides. Ces types de mutations comprennent les amplifications, où des segments de matériel génétique sont présents en plusieurs copies, et les délétions, où un gros morceau de matériel génétique est supprimé. Parfois, certaines parties du génome sont transloquées sur un autre chromosome, ou réinsérées à la même position, mais dans une orientation inversée. Les translocations et les délétions peuvent rapprocher des gènes qui sont normalement placés très loin les uns des autres, conduisant soit à la formation de polypeptides en mosaïque, soit à la régulation différentielle des gènes à l’intérieur du segment.
Exemples de mutation
La drépanocytose et le paludisme
La drépanocytose, ainsi nommée en raison de son effet de falsification caractéristique sur les globules rouges, se manifeste généralement par des caillots sanguins, de l’anémie et des accès de douleur appelés « crises drépanocytaires ». Si nombre de ces symptômes peuvent être traités par des médicaments, ils n’en diminuent pas moins considérablement la qualité de vie de leurs porteurs.
Bien que considérée comme rare et relevant d’une mutation, la drépanocytose est relativement bien étudiée. Elle a lieu sur le 11e chromosome, et est catalysée par l’héritage d’un gène anormal de l’hémoglobine des deux parents. En ce qui concerne la prévalence globale, le SCD est le plus répandu parmi les populations d’Afrique de l’Ouest, avec un taux d’incidence d’environ 4,0%
Les recherches suggèrent que la prévalence du SCD en Afrique de l’Ouest n’est pas un phénomène fortuit. Malgré ses effets sur la santé, il a également été démontré que le SCD réduit le risque de contracter le paludisme à cause des moustiques. Comme le climat de l’Afrique de l’Ouest permet au paludisme de prospérer, le SCD sert de moyen de protection de la population.
Au total, le SCD sert d’exemple de mutation génétique bénéficiant aux populations qu’il affecte. C’est, en partie, la raison pour laquelle certaines mutations génétiques perdurent pendant des décennies, voire des siècles.
Calicos de Klinefelter
Le syndrome de Klinefelter, également connu sous le nom de syndrome XXY, est une mutation génétique dans laquelle un sujet masculin est porteur d’un chromosome X supplémentaire, donc porteur du génotype féminin XX en plus du génotype masculin traditionnel XY. De même, les hommes atteints du syndrome de Klinefelter présentent souvent des caractéristiques féminines, comme des tissus mammaires, et peuvent ne pas être en mesure de se reproduire.
Comme il se situe dans le code génétique, qui est homologue entre la plupart des espèces, le syndrome de Klinefelter n’est pas exclusif aux humains. Par conséquent, les chats, les chiens et même les baleines peuvent hériter du génotype XXY.
Chez les chats, le chromosome X porte plus que des informations liées au sexe. La couleur de la fourrure, par exemple, est portée par le chromosome X.
De plus, la couleur de la fourrure est codominante. Comme les chats mâles héritent généralement d’un seul chromosome X et les chats femelles de deux chromosomes X, les chats femelles sont plus susceptibles d’avoir des motifs de fourrure multicolores que les chats mâles.
C’est particulièrement vrai pour le calico, un chat connu pour sa fourrure orange et noire saisissante. Le gène de la fourrure noire ne peut pas être porté sur le même chromosome X que le gène de la fourrure orange, ce qui fait que les calicots sont presque exclusivement des femelles.
Cependant, cela ne rend pas impossible l’existence d’un calicot mâle. Les chats mâles ayant deux chromosomes X, ou génotype XXY, peuvent très bien porter le gène de la fourrure orange sur un chromosome X et le gène de la fourrure noire, sur l’autre. Ainsi, ils sont bel et bien des « Calicos de Klienfelter ».
Tolérance au lactose
Nous avons mentionné précédemment comment le SCD, une mutation marquée par des symptômes physiques parfois mortels, permet également de prévenir le paludisme en Afrique de l’Ouest. La tolérance au lactose est une autre mutation qui profite à ceux qui la possèdent.
À l’origine, le corps humain était incapable de produire de la lactase, une enzyme qui digère les protéines du lait de vache, après les premiers mois de la vie. C’est pourquoi les humains ne consommaient souvent pas de lait – ou d’autres produits laitiers, d’ailleurs – jusqu’à l’âge adulte.
L’essor de la pasteurisation, ainsi que de l’agriculture commerciale, a presque fait disparaître cette vieille habitude. Comme nous pouvons le constater aujourd’hui, les humains de tous âges mangent du fromage et boivent du lait. Bien sûr, cela intervient après un changement corporel important. Une mutation qui prolonge la production de lactase chez les humains, qui est actuellement plus répandue dans les nations occidentales, permet aux humains de manger des produits laitiers sans douleurs d’estomac ou nausées.
Comme le SCD, cette mutation demeure parce qu’elle aide les humains à consommer des nutriments vitaux, comme le calcium et le potassium, par le biais d’une gamme plus diversifiée de sources.
- Chromosome – Partie de l’ADN qui porte l’information génétique.
- Homologue – Ayant la même fonction ou structure au sein d’un organisme, ou entre deux espèces.
Quiz
1. Les mutations comme le SCD, qui ont parfois des effets secondaires mortels, ne s’éteignent pas par sélection naturelle parce que :
A. Le gouvernement veut qu’elles restent.
B. Les mutations fonctionnent en dehors de la sélection naturelle. Contrairement aux traits, elles ne peuvent pas être éliminées par la reproduction.
C. Elles fournissent une résistance ou une immunité à d’autres maladies plus graves.
D. Les mutations constituent une superbactérie que les médicaments ne peuvent pas combattre.
2. Les mutations sont parfois portées par les chromosomes sexuels, X et Y. Pourquoi un homme pourrait-il hériter d’une mutation portée par sa mère, même si sa mère n’est pas atteinte de la mutation, elle-même ?
A. Le mâle a hérité de la mutation récessive sur son chromosome X, tandis que sa mère a hérité de la mutation récessive sur un chromosome X et d’une forme dominante du gène sur son autre chromosome X.
B. Le mâle a hérité de la mutation dominante sur son chromosome X, car sa mère était porteuse de la mutation dominante sur ses deux chromosomes X.
C. Le mâle a hérité de la mutation dominante sur son chromosome Y, parce que sa mère était porteuse de la mutation dominante sur son chromosome Y.
D. Le mâle a hérité de la mutation dominante sur son chromosome Y, parce que sa mère était porteuse de la mutation récessive sur son chromosome Y.
3. Les chats calico mâles sont rares parce que :
A. Le gène de la couleur de la fourrure est porté sur le chromosome X, et est hérité exclusivement de la mère. La mère devrait porter à la fois le gène de la fourrure orange et le gène de la fourrure noire pour que sa progéniture mâle soit un calico.
B. Le gène de la couleur de la fourrure est porté sur le chromosome X, et les chats mâles ne possèdent qu’un seul chromosome X. Un chat mâle devrait avoir deux chromosomes X, ou la mutation du syndrome de Klinefelter, pour hériter d’une fourrure orange et noire.
C. Le gène de la couleur de la fourrure est porté par le chromosome X, et les chats mâles n’héritent pas toujours de ce chromosome. C’est pourquoi il y a tant de chats mâles albinos.
D. Le gène de la couleur de la fourrure est porté par le chromosome Y, et les chats mâles n’héritent généralement pas de deux chromosomes Y. Un chat mâle doit donc avoir un génotype XYY pour être un calicot.
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