Mutations, variabilité génétique et histoire humaine du génome
Cours · SVT (première), chapitre 3 · première, spécialité sciences de la vie et de la Terre · le début du chapitre, la suite sur Adloun
L'ADN de chaque cellule porte, dans l'ordre de ses nucléotides, l'information héréditaire. Cette molécule est remarquablement stable : elle est fidèlement copiée à chaque réplication et transmise de génération en génération. Pourtant, aucune copie n'est parfaite. De rares modifications de la séquence, les mutations, apparaissent au fil des divisions cellulaires ou sous l'effet d'agents extérieurs. Loin d'être de simples accidents, ces mutations sont la source première de la diversité des allèles : sans elles, tous les individus d'une espèce seraient génétiquement identiques et l'évolution serait impossible.
Ce chapitre étudie d'abord la nature moléculaire des mutations et leurs conséquences sur la protéine et le phénotype, puis leurs origines (spontanées ou induites) et leur réparation. Nous distinguerons ensuite les mutations somatiques des mutations germinales, avant de montrer comment la mutation, en créant sans cesse de nouveaux allèles, alimente la biodiversité. Enfin, nous verrons que la comparaison des génomes actuels et anciens permet de reconstituer une part de l'histoire humaine : migrations, métissages et parentés avec les autres formes d'Homo.
3.1 Les mutations : des modifications de la séquence de l'ADN
3.1.1 Définition et types de mutations
Une mutation est un changement de la séquence des nucléotides de l'ADN. Ce changement est héréditaire au niveau cellulaire : une fois installé, il est copié lors des réplications suivantes et transmis aux cellules filles.
Une mutation est une modification, rare et aléatoire, de la séquence de nucléotides de l'ADN. Elle constitue la seule source de nouveaux allèles et donc de variabilité génétique.
On distingue trois grands types de mutations ponctuelles selon la nature du changement affectant la séquence :
- la substitution : un nucléotide est remplacé par un autre. La longueur de la séquence ne change pas ;
- l'insertion : un ou plusieurs nucléotides sont ajoutés dans la séquence, qui s'allonge ;
- la délétion : un ou plusieurs nucléotides sont supprimés, la séquence se raccourcit.
Le schéma ci-dessous illustre ces trois cas à partir d'une même séquence de référence.
Trois types de mutations appliqués à la séquence de référence ATGCATG : substitution du G en T, insertion d'un C, délétion d'un G. Les cases orangées marquent le nucléotide modifié.}
3.1.2 Conséquences sur la protéine
La conséquence d'une mutation dépend de sa position et de son effet sur la séquence des acides aminés de la protéine codée. Rappelons que le code génétique est lu par triplets (codons) et qu'il est redondant (plusieurs codons codent le même acide aminé).
Une substitution peut avoir trois effets :
- mutation silencieuse (neutre) : le nouveau codon code le même acide aminé ; la protéine est inchangée ;
- mutation faux-sens : le nouveau codon code un acide aminé différent ; la protéine est modifiée ;
- mutation non-sens : le nouveau codon devient un codon stop ; la traduction s'arrête prématurément et la protéine est tronquée, souvent non fonctionnelle.
Les insertions et délétions ont une conséquence particulière. Si le nombre de nucléotides ajoutés ou supprimés n'est pas un multiple de trois, tout le cadre de lecture est décalé à partir du point de mutation : tous les codons situés en aval sont modifiés. On parle de mutation décalante (ou frameshift). La protéine obtenue est en général complètement différente et non fonctionnelle.
| Type de mutation | Effet sur la séquence | Effet possible sur la protéine |
|---|---|---|
| Substitution silencieuse | 1 nucléotide changé | aucune (même acide aminé) |
| Substitution faux-sens | 1 nucléotide changé | 1 acide aminé différent |
| Substitution non-sens | 1 nucléotide changé | protéine tronquée (codon stop) |
| Insertion / délétion | cadre de lecture décalé | protéine très souvent non fonctionnelle |
Enfin, une même mutation peut être sans effet sur le phénotype (mutation neutre), avantageuse (elle améliore l'adaptation) ou défavorable (elle est à l'origine d'une maladie génétique). C'est seulement dans un environnement donné que l'on peut juger de l'effet d'un allèle.
3.2 L'origine des mutations et leur réparation
3.2.1 Mutations spontanées et mutations induites
Les mutations ont deux origines principales.
- Les mutations spontanées résultent d'erreurs de la réplication de l'ADN. L'ADN polymérase se trompe très rarement, mais comme le génome humain compte environ 3 milliards de paires de bases, quelques erreurs subsistent à chaque division. Ces mutations sont rares et aléatoires.
- Les mutations induites sont provoquées par des agents extérieurs appelés agents mutagènes, qui augmentent fortement la fréquence des mutations.
Un agent mutagène est un facteur de l'environnement capable d'endommager l'ADN et d'augmenter la fréquence des mutations. On distingue :
- les agents physiques : rayonnements ultraviolets (UV) du Soleil, rayonnements ionisants (rayons X, radioactivité) ;
- les agents chimiques : substances de la fumée de tabac, benzène, certains pesticides, etc.