A la base de la génétique : les lois de l'hérédité de Mendel

La Drosophile est l'animal idéal pour l'étude des lois de l'hérédité, formulées initialement par Mendel en 1865. Jusqu'alors, on favorisait la théorie selon laquelle les caractères hérédités sont déterminés par le mélange dans la descendance de substances provenant de chacun des parents. Mendel suggéra que le matériel déterminant les caractéristiques de la descendance consistait en un nombre fini d'unités séparées : les gènes. Ces gènes ne se mélangent pas entre eux et peuvent donc être transmis intacts aux générations suivantes. Ces gènes sont portés par les chromosomes. Comme les chromosomes vont généralement par paires, chaque gène est représenté deux fois dans une cellule, au même locus - c'est à dire à la même position - sur chacun des chromosomes. Deux gènes présents au même locus sont appelés allèles.

Parfois, des génes ne sont pas transmis exactement à l'identique à la génération suivante. On dit que ces gènes ont subi une mutation. Cela affecte les caractéristiques des descendants et produit des formes mutantes de l'espèce considérée. Les individus mutants peuvent transmettre leurs gènes mutants à leur progéniture. C'est ainsi que des populations de mouches mutantes peuvent se maintenir. Chez D. melanogaster, un très grand nombre de mutants sont disponibles.

Première loi de Mendel : loi de ségrégation

Si un individu de D. melanogaster issu d'une lignée normale (on dit qu'il est de type sauvage) est croisé, par exemplr, avec un individu issu d'une lignée portant le caractère mutant ebony, leurs descendants ont tous une apparence normale.
Toutefois, si l'on croise deux de ces mouches à l'apparence normale, il apparaît dans leur descendance aussi bien des individus normaux que des individus portant la mutation ebony. Ces deuc types d'individus sont répartis selon une proportion caractéristique : il y a environ trois fois plus d'individus à l'apparence normale que d'individus ebony.
L'explication génétique est simple : lors de la formation des gamètes, chaque paire de chromosomes se sépare. Ainsi, le nombre de chromosomes dans les gamètes est moitié moindre que dans les cellules non sexuelles. Chaque gène n'est donc représenté qu'une fois dans chaque gamète. Ce n'est qu'à la fécondation que la fusion des gamètes mâles et femelles restaure la diploïdie.
La mutation ebony est due à un allèle mutant responsable de la coloration noire du corps, tandis que les individus normaux possèdent l'allèle normal au locus correspondant. Par conséquent, un parent normal transmet l'allèle normal à la descendance, tandis qu'un parent ebony transmet l'allèle mutant. Ainsi, toute la descendance (appelée génération F1) possède à la fois un allèle normal et un allèle mutant pour la coloration du corps. Ces individus F1 peuvent transmettre à leur progéniture (la génération F2) les deux types d'allèles, de manière aléatoire. Les rapports de dominance et de récessivité (voir ci-dessous) entre allèles homologues expliquent le rapport 3:1 observé pour les phénotypes de la génération F2.

Croisement n'impliquant qu'un seul gène porté par un autosome

Parents : type sauvage (+ / + ) par corps ébène (e / e)
F1 : uniquement des hétérozygotes d'apparence normale
F2 : les proportions observées dans les phénotypes (3 : 1)
sont expliquées par l'échiquier de croisement ci-dessous :

gamètes femelles gamètes mâles   + e + + / + + / e e + / e e / e	25 % normal + / +	50 % normal + / e	25 % ebony e / e
	75 % normal		25 % ebony

Les individus possédant des allèles similaires sont appelés homozygotes (le génotype est noté + / + ou e / e), et les individus possédant des allèles différents sont appelés hétérozygotes (+ / e).

Dans l'exemple donné ci-dessus, l'allèle ebony n' aucun effet sur les hétérozygotes, et pour cette raison il est appelé caractère récessif, le caractère normal étant ici dominant. Les allèles récessifs sont représentés avec une lettre minuscule et les allèles dominants avec une majuscule.
On remarque que parmi les mouches présentant un phénotype - en apparence - normal, seulement un tiers sont homozygotes. Les deux tiers sont hétérozygotes et possèdent donc un génotype (combinaison des gènes) différent des précédentes. Ainsi; des mouches présentant un même phénotype peuvent posséder des génotypes différents.

Seconde loi de Mendel : association indépendante des gènes

Etudions maintenant ce qu'il advient lorsque l'on croise un individu normal avec un individu possédant deux caractères mutants déterminés par des gènes situés sur des chromosomes différents. Utilisons par exemple la mutation ebony qui est récessive et située sur le chromosome trois et la mutation vestigial wings qui est aussi récessive mais située sur le chromosome 2.

Croisement impliquant deux gènes libres
- Les deux gènes sont portés par deux autosomes -

Les chromosomes sont des autosomes : il n'y a pas d'hérédité liée au sexe
Parents : mâle ou femelle aux ailes vestigiales et au corps normal (vg / vg ;+ / +)
avec mâle ou femelle aux ailes normales et au corps ébène (+ / + ; e / e).
La génération F1 est d'hétérozygotes (vg / + ; e / +) d'apparence normale.
La génération F2 se répartit selon le ratio 9 : 3 : 3 : 1, indépendamment du sexe.

F2	+ +	vg +	+ e	vg e
+ +	+ / + ; + / + normal	+ / vg ; + / + normal	+ / + ; + / e normal	+ / vg ; + / e normal
vg +	vg / + ; + / + normal	vg / vg ; + / + vestigial	+ / vg ; + / e normal	vg / vg ; + / e vestigial
+ e	+ / + ; e / + normal	+ / vg ; + / e normal	+ / + ; e / e ebony	+ / vg ; e / e ebony
vg e	+ / vg ; + / e normal	vg / vg ; + / e vestigial	+ / vg ; e / e ebony	vg / vg ; e / e vestigial et ebony

Remarquons que, comme les paires d'alèlles impliquées sont sur des chromosomes différents, les lignes séparant les symboles ne sont pas continues.

A la génération F1, les mouches sont toutes hétérozygotes mais ont une apparence normale puisque les deux mutations sont récessives. Par conséquent, elles ne peuvent exercer leur influence que lorsqu'il y a homozygotie.
Les individus F1 peuvent produire quatre type de gamètes qui, réunis au hasard, donnent neuf génotypes. Cependant, à cause de la dominance de l'allèle normal, seulement quatre phénotypes apparaissent dans les proportions 9:3:3:1.
L'échiquier de croisement illustre le fait que lorsque des paires d'allèles sont situées sur des chromosomes différents, ils sont distribués aux gamètes de façon indépendante.

Gènes liés

Les gènes sont portés par les chromosomes et donc leur distribution dans les gamètes est contrôlée par la distribution des chromosomes. Si deux locus de gène sont suffisamment proches sur le même chromosome, ils seront transmis ensemble dans le même gamète et ne seront donc pas distribués indépendamment.

Croisement impliquant deux gènes liés
- Les deux gènes sont portés par les autosomes -

On croise un mâle ou une femelle au corps noir et aux ailes vestigiales (b vg / b vg)
avec un mâle ou une femelle de type sauvage homozygote (+ + / + +).
Puis, on effectue un "back-cross" entre une femelle F1 (dont certains gamètes sont obtenus par recombinaison) avec un mâle homozygote "noir / vestigial" double récessif.

F2	+ +	b vg	+ vg	b +
b vg	+ + / b vg type parental	b vg / b vg type parental	+ vg / b vg recombinant	b + / b vg recombinant

Le taux de recombinaison est donc de 17 %. Nous verrons plus loin comment, à partir de cette information, Morgan et ses étudiants sont parvenu à construire les premières cartes génétiques.

Toutefois, lors de la division cellulaire qui accompagne la séparation des chromosomes homologues et la production des gamètes, du matériel génétique peut être échangé entre les chromosomes de chaque paire homologue, selon un processus appelé crossing-over.

Le crossing-over :

Les étapes successives d'un crossing-over :
A : appariement des chromosomes homologues (stade 4 chromatides)
B : une cassure intervient sur deux des chromatides
C : échange des extrêmités cassées entre ces deux chromatides
D : les quatres chromatides résultant du crossing-over

Chaque chromosome s'est clivé en deux brins identiques appelés chromatides. Deux divisions cellulaires séparent les quatres chromatides. Ainsi, quatre types de gamètes contenant chacun un des quatres chromatides sont formés.

• AB et ab sont identiques aux chromosomes parentaux et sont dits de type parental
• Ab et aB sont de nouvelles combinaisons et sont appelés recombinants.

Si un crossing-over a lieu, une petite proportion de gamètes Ab et aB sont produits. Ces gamètes sont statistiquement en nombre égal puisque chacun résulte d'un seul crossing-over. Par conséquent, on observe dans la descendance les quatres génotypes possibles : une majorité de (A / a ; B / b) et
(a / a ; b / b) en nombre égal et une minorité de (A / a ; b / b) et (a / a ; B / b) en nombre égal.

On peut déduire des proportions de chaque génotype obtenu le taux de recombinaison - c'est à dire le pourcentage d'individus chez lesquels il y a eu crosing-over. On verra plus loin que ce taux de recombinaison est une mesure de la distance génétique entre deux gènes sur un chromosome.

Hérédité liée au sexe

Le sexe de la mouche est déterminé par les chromosomes sexuels notés X. Ainsi, les gènes situés sur les chromosomes X sont caractérisés par une forme d'hérédité "liée au sexe", illustrée par le croisement suivant :

Croisement impliquant un seul gène
- Hérédité liée aux chromosomes sexuels -

Hérédité d'un caractère liée au sexe ("criss-cross")
On croise une femelle aux yeux blancs (w / w) avec un mâle de type sauvage (yeux rouges, W / W)

Les drosophiles mâles n'ont qu'un seul chromosome X, dont le chromosome homologue est appelé chromosome Y. Au contraire les drosophiles femelles possèdent deux chromosomes X (et donc pas de chromosome Y). Ces mouches femelles sont homozygotes pour la mutation white-eyed qui est liée au sexe, c'est à dire déterminée par un gène porté par le chromosome X.
A la génération F1, seuls les mâles présentent le caractère mutant, ce qui est propre à l'hérédité liée au sexe. A la génération suivante, des mâles et des femelles sont de phénotype mutant en proportions équivalentes.

Croisement impliquant deux gènes liés
- Les deux gènes sont portés par le chromosome X -

On croise une femelle aux yeux blancs et au corps jaune (yw / yw)
avec un mâle de type sauvage (+ / +)

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