Activité 8 - Les gènes homéotiques, des gènes bâtisseurs

Travail à rendre (un exemplaire par binôme)

Drosophile normale et mutant Ultrabithorax

Chez la Drosophile, le thorax présente trois "segments" : chacun porte une paire de pattes. Une Drosophile normale présente une seule paire d'ailes, sur le deuxième segment thoracique, et une paire de balanciers ("halteres") sur le troisième segment. Chez un mutant "Ultrabithorax", le troisième segment thoracique ressemble au deuxième : il porte une paire d'ailes et non un balancier.
On cherche à expliquer les origines génétiques d'un tel phénotype.

Cycle de développement de la Drosophile

Le développement de la Drosophile débute par un stade œuf. S'ensuivent trois stades larvaires mobiles. Le quatrième stade est une pupe qui reste immobile pendant 4 jours, et à l'intérieur de laquelle les organes de la mouche adulte (imago) se forment. Ces organes ont commencé à se différencier au début du 3ème stade sous forme de "disques imaginaux".

Document du manuel, p. 44. Le gène Ultrabithorax fait partie d'un ensemble de gènes dits homéotiques (gènes Hox), qui, chez la Drosophile, sont alignés sur le chromosome n°3. Le gène Ultrabithorax apparaît en vert sur ce schéma. A ces gènes homéotiques correspondent des gènes situés sur plusieurs chromosomes chez les Vertébrés. (Au gène Ultrabithorax de la Drosophile, correspondent les gènes Hoxb7 et Hoxc7 chez le Poisson zèbre, et Hoxa7 et Hoxb7 chez les Mammifères.)

Interaction entre un homéodomaine et la double hélice d'ADN

Les gènes homéotiques codent pour des protéines qui, toutes, contiennent un "homéodomaine" de 60 acides aminés (en rouge ici, constitué de deux hélices séparées par un coude) capable de se lier à la molécule d'ADN au niveau d'une séquence de nucléotides précise. On pense que ces protéines régulent l'expression d'autres gènes.
Cette séquence de 60 acides aminés (homéodomaine) est codée par une séquence de 180 paires de nucléotides dans le gène, nommée "homéobox".

Question 1 : Dans cette question, on va voir quelques généralités sur les gènes homéotiques et leur évolution au cours du temps.
Lancer le logiciel Anagène 2. Dans la banque de séquences, Terminale S, Parenté entre les êtres vivants..., Relations de parenté entre les êtres vivants, Au sein des Eucaryotes, Gènes homéotiques, ouvrir les séquences de nucléotides (".adn") des gènes Ubx (=Ultrabithorax), Dfd, AbdB et Antp de la Drosophile ainsi que des gènes HoxB7 de deux Vertébrés (Homme et Xénope, ce dernier étant un Amphibien).
N.B. : Ce qui s'affiche, ce n'est pas l'ensemble du gène, mais, à chaque fois, l'homéobox.

a. Comparer toutes ces séquences, en prenant pour référence le gène Ubx de la Drosophile (le mettre en premier dans la fenêtre "Affichage des séquences" avant de lancer la comparaison).

Appeler le professeur pour vérification

Construire un tableau dans lequel vous indiquerez le pourcentage d'identité entre le gène Ultrabithorax de la Drosophile et chacun des cinq autres gènes (pour afficher le pourcentage d'identité, sélectionner chaque gène dans la fenêtre de comparaison et cliquer sur "i" en haut de l'écran).

b. Comment qualifier l'ensemble formé par les gènes homéotiques de la Drosophile ? Comment cet ensemble a-t-il pu se former ?

c. Sachant qu'Insectes et Vertébrés ont divergé il y a environ 600 Ma, les gènes homéotiques ont-ils été peu ou très conservés au cours de l'évolution ?

d. Comparer maintenant entre elles la protéine codée par le gène Ultrabithorax de la Drosophile et celles codées par chacun des cinq autres gènes (ouvrir pour cela les fichiers ".pro" de Ubx, Dfd, AbdB et Antp de la Drosophile, et HoxB7 de l'Homme et du Xénope).

Appeler le professeur pour vérification

Construire un tableau indiquant le pourcentage d'identité des six protéines.

e. Si on regarde les trois dernières cases des deux tableaux, on constate que les protéines se ressemblent plus entre elles que les gènes entre eux. Comment expliquer cette constatation ?

Expression des gènes Hox dans l'embryon de Drosophile. (L'embryon est plié en deux.)

Les ARNm correspondant aux différents gènes ont été repérés par hybridation par des sondes fluorescentes spécifiques. Correspondance entre gènes et couleurs : "Labial"=turquoise, "Deformed"=rose, "Scr"=vert, "Antennapedia"=orange, "Ultrabithorax"=violet, "Abdominal-A"=rouge, "Abdominal-B"=jaune

Aile (a) et balancier (c) d'une Drosophile adulte, et à droite le disque imaginal correspondant chez une larve du 3ème stade.

La fluorescence verte indique les zones où le gène Ultrabithorax s'exprime.

Question 2 - A l'aide des deux documents ci-dessus, dire si le gène Ultrabithorax semble être impliqué dans la formation de l'aile ou au contraire ne pas être impliqué dans sa formation voire l'empêcher.

Schéma général de la structure d'un gène eucaryote

Le gène Ultrabithorax ne présente pas de mutation dans sa partie codante chez la Drosophile mutante à deux paires d'ailes : la protéine codée par le gène Ubx chez ces mutants est tout à fait fonctionnelle. En revanche, le gène ne s'exprime pas dans le troisième segment thoracique de l'embryon chez ces Drosophiles, alors qu'il s'y exprime chez un embryon normal. Le gène présente des mutations dans les séquences situées en amont de la partie codante.

Question 3 - Utiliser le schéma ci-dessus pour expliquer comment ces mutations peuvent avoir les effets constatés.