Transferts horizontaux et endosymbioses

TRANSFERTS HORIZONTAUX DE GENES ET ENDOSYMBIOSES

TP 12

Lors de la reproduction sexuée, les gènes des parents sont transmis aux descendants, à chaque génération : on parle de transfert vertical de gènes. Mais du matériel génétique peut également être transféré de manière "horizontale", entre individus de la même espèce ou d'espèces parfois très différentes. Comment s'enrichisent les génomes en dehors de la reproduction sexuée ?

Mission

2. des transferts Horizontaux chez l'homme

1. les transferts horizontaux chez les bactéries

3. l'endosymbiose

4. l'origine endosymbiotique des chloroplastes et des mitochondries

les transferts horizontaux chez les bactéries

Des expériences historiques de transformation bactérienne

Info

Info

des transferts Horizontaux chez l'homme

Exemple du placenta des mammifères

lien vers Geniegen 2

L'endosymbiose

Exemple des coraux

Info

Info

l'origine endosymbiotique des chloroplastes et des mitochondries

Dans les années 1960, la biologiste Lynn Margulis proposa une théorie selon laquelle les organites énergétiques (mitochondries et chloroplastes) seraient des "descendants" de bactéries devenues après phagocytose et endosymbiose avec des cellules eucaryotes primitives, des composants permanents des cellules eucaryotes.

Info

Info

Comparaison mitochondrie bactérie

Comparaison chloroplaste cyanobactérie

Si tu AS bien répondu à toutes les questions, tu peux regarder les solutions ...

et maintenant les solutions ...

1. les transferts horizontaux chez les bactéries

2 .des transferts Horizontaux chez l'homme

4. l'origine endosymbiotique des chloroplastes et des mitochondries

3. l'endosymbiose

Des expériences historiques de transformation bactérienne

Réponse question 1

1. Refaire puis compléter le tableau ci-dessous à l'aide des informations de la vidéo concernant les différentes expériences réalisées sur les bactéries :

Des expériences historiques de transformation bactérienne

Réponse question 1

1. Refaire puis compléter le tableau ci-dessous à l'aide des informations de la vidéo concernant les différentes expériences réalisées sur les bactéries :

Des expériences historiques de transformation bactérienne

2. A partir de l'interprétation des expériences, démontrer l'existence d'un transfert horizontal de gènes entre bactéries et indiquer quelle modalité a permis la "transformation" des bactéries.

Réponse question 2 :

On peut en déduire qu’il s’est produit un transfert d’ADN et donc de gènes des pneumocoques S aux pneumocoques R. On parle de transfert horizontal pour le distinguer des transferts verticaux entre ascendants et descendants assurés par division cellulaire. D’après le document sur les modalités de transfert, l’ADN issu des bactéries S (mortes) a été transféré aux bactéries R vivantes : il s'agit donc d'une transformation.

3. Rappeler quelles propriétés de l'ADN expliquent l'efficacité des échanges de gènes entre espèces différentes.

Réponse question 3 :

C’est l’universalité de l’ADN dans le monde vivant (structure et mode d’expression, code génétique) qui permet les échanges de gènes entre bactéries de même espèce (dans cet exemple), ou entre organismes non nécessairement apparentés.

Des transferts horizontaux chez l'homme

1. Exposer les arguments qui suggèrent que les gènes des syncytines humaines sont d'origine virale. Les syncytines humaines présentent des similitudes de fonction avec des protéines d’enveloppe virale : elles permettent la reconnaissance et la fixation, par le biais d’un récepteur, entre cellules embryonnaires, tout comme le fait un virus à sa cellule cible (document C). Si le gène dirigeant la synthèse de la syncytine 1 est inactivé (expérience du document B, photo 2) et donc la syncytine 1 est absente des membranes des cellules du trophoblaste, alors la fusion des cellules n’a pas lieu contrairement aux cellules témoins, dans lesquelles le gène de la syncytine 1 est actif. A l'aide du logiciel Anagène (en présentiel) ou du logiciel GenieGen (en distanciel) et des séquences des protéines de la syncytine humaine et de la protéine virale MPMV (fichier syncytine-MPMV dans Moodle - TP13), rechercher des arguments en faveur de l'hypothèse émise. La comparaison des séquences de la syncytine 1 et d’une protéine d’enveloppe du MSRV (multiple-sclerosis-associated retrovirus, virus retrouvé chez des sujets atteints de sclérose en plaque) révèle 87 % d’acides aminés identiques, donc une homologie forte, suggérant une origine commune. Ces similitudes de séquence et de fonction constituent des arguments en faveur d’une origine virale de la syncytine 1 humaine (mais aussi de la syncytine 2). Il faut envisager un transfert horizontal de gènes entre un virus et les cellules d’un ancêtre des humains voire même des mammifères euthériens. Ces gènes d’enveloppe virale, intégrés au génome des cellules cibles, en sont devenus partie intégrante.

3. Proposer un scénario expliquant leur présence dans le génome des primates.

– Infection rétrovirale de cellules d’un ancêtre commun des mammifères ; si elle concerne des cellules somatiques, les gènes transférés n’existent que chez l’individu concerné. Pour qu’ils soient transmis verticalement entre générations, il faut que les gènes aient été transférés à des cellules de la lignée germinale. – Par transfert vertical, grâce à la reproduction sexuée, le gène se répand dans les populations et finit par faire partie du génome de l’espèce : il y a endogénisation et enrichissement du génome avec acquisition d’une nouvelle potentialité.

3. l'endosymbiose

1. Justifier le terme d'endosymbiose donné à cet exemple. Dans cette associations durable, l’un des deux partenaires vit bien à l’intérieur des tissus de son hôte : c'est donc bien une endosymbiose. Cette association n’est pas obligatoire, mais très fréquente. Dans certaines conditions (température, stress…) les polypes rejettent leurs algues, qui elles-mêmes peuvent faire partie du phytoplancton. Les algues vivent à l’intérieur de phagosomes (vésicules de phagocytose) des cellules de l’endoderme des polypes, sans être détruites. 2. Montrez que ces associations apportent des avantages sélectifs. Les symbiotes tirent profit de leurs associations. En plus de l’hébergement et la protection assurés par les hôtes, ce sont essentiellement des avantages trophiques, entre un organisme hétérotrophe et un organisme autotrophe dans le cas des coraux. Les zooxanthelles fournissent aux polypes des molécules organiques élaborées par photosynthèse, ce qui leur permet de compléter leur alimentation, dans des eaux pauvres en plancton. Les polypes fournissent aux algues des nutriments minéraux azotés et phosphatés (issus de leur métabolisme) qui sont ainsi recyclés. Les échanges respiratoires du polype alimentent l’algue en dioxyde de carbone pour la photosynthèse. La photosynthèse de l’algue est un apport en dioxygène pour la respiration cellulaire du polype. Le prélèvement du dioxyde de carbone lors de la photosynthèse favorise également la précipitation des carbonates à l’origine du squelette calcaire du polype.

3. l'endosymbiose (suite)

suite réponse question 2 : Les coraux, pour garantir la photosynthèse de leurs algues, déploient une forme dans l’espace, près de la surface des eaux claires, ce qui les expose à des rayonnements solaires intenses (UVA) et toxiques. Les algues fabriquent des pigments et des molécules jouant le rôle de filtres solaires. Les polypes exposés à des taux élevés de dioxygène par la photosynthèse des algues élaborent des substances antioxydantes. Les algues, de leur côté, sont maintenues à un stade non mobile (dépourvu de flagelle) grâce à des substances élaborées par les polypes (lectines SLL-2), alors que les formes libres présentes dans le plancton sont flagellées.

3. Relevez des arguments attestant de modifications des génomes des symbiotes induites par l'association.

L’endosymbiose est à l’origine d’une modification des génomes des symbiotes. Le séquençage des génomes des Cnidaires et des zooxanthelles symbiotiques et non symbiotiques a montré qu’il existait des gènes propres aux formes symbiotiques, impliqués dans la synthèse de molécules permettant leur vie en commun (transport de substances, réactions au stress, au manque de lumière ou à la suroxygénation, diminution des réactions de rejet…).

l'origine endosymbiotique des chloroplastes et des mitochondries

1. Relever les divers arguments ayant permis de valider que les chloroplastes sont issus d'une cyanobactérie endosymbiotique et que les mitochondries sont issues d'une alpha-protéobactérie endosymbiotique. 1. Mitochondries, chloroplastes et bactéries ont de nombreux caractères en commun : – Leur taille comprise entre 1 et 10 μm (alors qu’une cellule eucaryote a une taille comprise approximativement entre 10 à 500 μm). – Présence d’un chromosome circulaire. L'ADN est fonctionnel chez mitochondries et chloroplastes puisque commandant la synthèse de protéines spécifiques de ces organites. – Possèdent des ribosomes – Ils sont capables de se multiplier (par étranglement médian) – Les chloroplastes et les cyanobactéries partagent en commun la présence de systèmes membranaires internes constitués de molécules, dont des pigments chlorophylliens, permettant la réalisation de la photosynthèse. De même, les mitochondries et certaines bactéries ont des métabolismes similaires de type aérobie. – La double membrane des organites constituerait le vestige d’un phénomène d’endosymbiose, la membrane interne correspondant à celle du procaryote endocyté, quand leur membrane externe proviendrait de l’invagination de la membrane plasmique à l’origine de l’endocytose.

Schémas légendés l'origine d'une cellule hétérotrophe puis celle d'une cellule autotrophe, selon la théorie endosymbiotique.

L''endosymbiose a joué un rôle évolutif majeur dans l'histoire du vivant.

La théorie endosymbiotique aujourd’hui validée par les scientifiques a permis d’établir que l’endosymbiose a joué un rôle majeur dans l’évolution du vivant, en permettant l’apparition de cellules eucaryotes et de nouvelles lignées évolutives par acquisition rapide de nouvelles fonctionnalités : celles d’utiliser le dioxygène atmosphérique ou de capter l’énergie lumineuse pour effectuer des synthèses organiques par photosynthèse « lignée verte ». En rapprochant des partenaires, l’endosymbiose a favorisé les transferts de gènes (des gènes bactériens ont été associés à des gènes nucléaires) et ainsi participer à la complexification des génomes donc à la diversité biologique actuelle.