PHÉNOTYPE ET GÉNOTYPE

PHÉNOTYPE ET GÉNOTYPE

Les croisements entre individus d’une même espèce engendrent toujours des êtres de cette espèce: les caractères spécifiques, c’est-à-dire ceux qui permettent de reconnaître qu’un individu appartient à une certaine espèce, sont donc héréditaires. De même, à l’intérieur d’une espèce, les individus apparentés se ressemblent plus entre eux que des individus quelconques: les différences, même minimes, qui définissent la variation intraspécifique sont, au moins en partie, transmises des parents aux enfants.

Le fait que ces caractères (et leurs variations de détail) soient transmissibles d’une génération à la suivante constitue l’hérédité.

L’hérédité fut pendant très longtemps un phénomène mystérieux, et ce n’est qu’au XIX^e siècle, et surtout au début du XX^e, que l’on s’est rendu compte qu’elle obéit à des lois dont certaines, à la fois très simples et très générales, sont maintenant connues sous le nom de «lois de Mendel»: ainsi a pris naissance une discipline scientifique entièrement consacrée à l’étude de l’hérédité, la génétique.

Les lois de l’hérédité sont des conséquences de l’organisation cellulaire des êtres vivants: dans chacune de leurs cellules existent des structures qui en constituent le matériel génétique, dont la substance fondamentale est l’acide désoxyribonucléique (ADN) porté par les chromosomes. Le matériel génétique chromosomique consiste en un nombre élevé d’unités ou gènes qui collaborent, selon des modalités très variables, à la réalisation des caractères héréditaires. L’hérédité est donc une propriété cellulaire.

Le matériel génétique chromosomique, transmis par les gamètes lors de la fécondation, et constituant le génotype est responsable d’une forme d’hérédité appelée «hérédité mendélienne» ^{[cf. GÉNÉTIQUE]}. Celle-ci ne peut expliquer tous les phénomènes héréditaires, et c’est pourquoi on admet qu’il existe aussi une hérédité non mendélienne, ou extra-chromosomique, conséquence en particulier de la présence d’ADN dans d’autres organites cellulaires (plastes, mitochondries); des exemples classiques en sont fournis par certains cas de panachure chez des plantes vertes.

Les chromosomes ou les facteurs héréditaires cytoplasmiques n’apportent cependant que des potentialités héréditaires; la description d’un individu, variable avec l’âge et l’environnement, ne peut en aucun cas être réduite à une pure et simple juxtaposition de caractères héréditaires dont chacun résulterait de l’activité d’un seul gène. Cette description, à tous points de vue (anatomique, physiologique, psychique), constitue le phénotype de l’individu. La réalisation du phénotype est le fait d’une coopération entre tous les gènes chromosomiques, le matériel génétique extra-chromosomique et le milieu dans lequel se trouve l’organisme. Il faut souligner l’importance que les épigénétistes accordent aux interactions constantes du milieu et des organismes, en particulier dans l’étude des caractères psychiques pour lesquels il est plus difficile de déterminer ce qui revient à l’hérédité et à l’éducation, à l’inné et à l’acquis.

Tous ces phénomènes apportent des complications aux lois de l’hérédité; en particulier, le déterminisme génétique des caractères quantitatifs ne peut être étudié qu’au prix d’un lourd appareil mathématique.

1. Transmission des caractères héréditaires

Hérédité mendélienne

Puisque la majeure partie des caractères héréditaires dépend du matériel génétique chromosomique, il faut considérer comme un fait fondamental de l’hérédité la transmission de l’information génétique d’une cellule à ses descendantes au cours des divisions cellulaires (mitose ou méiose). C’est le fait que l’on retiendra pour définir de façon moderne l’hérédité: un caractère héréditaire est un caractère d’une cellule susceptible d’être transmis lors des divisions cellulaires.

Les lois classiques de l’hérédité mendélienne dans le cas d’une espèce à reproduction sexuée biparentale découlent des faits fondamentaux suivants:

– Lorsqu’une cellule se divise par mitose, chaque gène donne naissance, par duplication, à deux gènes qui lui sont identiques et qui seront incorporés dans le matériel génétique de l’une et de l’autre des deux cellules filles. En conséquence, une population de cellules issue par mitoses successives d’une seule cellule ancêtre est constituée de cellules génétiquement identiques.

– Lors de la méiose, chaque gène chromosomique subit encore une duplication, mais les produits ainsi formés sont répartis entre quatre cellules, dont chacune reçoit un matériel génétique identique à une moitié du matériel génétique de la cellule mère. La répartition est telle que, pour une paire de gènes homologues de la cellule mère, chacun des quatre produits de la duplication est incorporé dans le matériel génétique d’une des quatre cellules filles.

– Lors de la formation de l’œuf, cellule diploïde, chaque gamète apporte un lot de matériel génétique chromosomique; ces deux lots sont homologues l’un de l’autre, c’est-à-dire que (à l’exception des gènes portés par les chromosomes sexuels) à chaque gène apporté par le gamète mâle on peut faire correspondre un gène apporté par le gamète femelle.

Un individu est dit homozygote pour un gène si, dans chacune de ses cellules, ce gène est présent en deux exemplaires; il est dit hétérozygote si deux gènes homologues sont différents: deux tels gènes constituent un couple d’allèles.

Hérédité non mendélienne

Beaucoup des exemples actuellement connus d’hérédité non mendélienne relèvent de ce qu’on appelle en général l’hérédité cytoplasmique, dont le matériel génétique est situé dans le cytoplasme cellulaire, alors que le matériel génétique chromosomique est situé dans le noyau (cf. GÉNOME, PLASMIDES).

Si, dans l’hérédité mendélienne, les rôles joués par les gamètes mâles et femelles sont rigoureusement symétriques, sauf en ce qui concerne les caractères liés au sexe, dans l’hérédité cytoplasmique les gamètes présentent une dissymétrie fondamentale; en effet, chez la plupart des espèces, les gamètes femelles sont riches en cytoplasme et aptes à porter du matériel génétique cytoplasmique (plastes, mitochondries), alors que les gamètes mâles en sont à peu près totalement dépourvus. Ce cytoplasme peut aussi contenir des germes pathogènes transmissibles de génération en génération (sensibilité au gaz carbonique des souches de drosophile).

Certains cas de stérilité mâle chez les végétaux supérieurs relèvent de l’hérédité cytoplasmique: des individus qualifiés de «mâle-stérile» sont aptes à former des gamètes femelles, mais ne produisent qu’une très faible quantité de gamètes mâles, donc de grains de pollen, viables. La réalisation de croisements dits réciproques (femelle «mâle-stérile» 憐 mâle «mâle-fertile» et femelle «mâle-fertile» 憐 mâle «mâle-stérile») montre que les plantes issues d’une femelle «mâle-stérile» sont toutes «mâle-stérile», alors que les plantes issues d’une femelle «mâle-fertile» sont toutes «mâle-fertile». Le caractère «stérilité mâle» présenté par un individu est transmis par tous les gamètes femelles qu’il forme, mais n’est transmis par aucun gamète mâle .

L’importance de cette hérédité cytoplasmique ne semble pas considérable en ce qui concerne la transmission des caractères d’un individu à sa descendance. Mais elle joue sans doute un grand rôle au niveau cellulaire: toutes les cellules d’un embryon, bien qu’issues par mitoses successives d’un zygote unique, sont cependant héréditairement différentes, en ce sens qu’à partir d’un certain stade du développement certaines sont irréversiblement destinées à donner des cellules nerveuses, alors que d’autres sont irréversiblement destinées à donner des cellules hépatiques, par exemple. L’origine de ces différences est sans doute dans le fait que le cytoplasme du zygote n’est pas également réparti entre toutes les cellules de l’embryon (cf. ONTOGENÈSE).

2. Modalités d’expression des gènes

Les progrès fulgurants de la biologie moléculaire ont apporté des renseignements très précis sur ce qu’on peut appeler l’activité primaire des gènes. Pour la plupart d’entre eux, l’information, que chacun détient sous forme d’une séquence définie de nucléotides, est utilisée pour construire une chaîne polypeptidique constituée par une séquence définie d’acides aminés et douée, de ce fait, de propriétés chimiques extrêmement précises. Mais les caractères que l’on peut observer sur un organisme ne sont pas toujours susceptibles d’être exprimés en ces termes: lorsqu’on dit qu’un chat présente le caractère «poils longs» et que ce caractère est héréditaire et dû à un gène chromosomique, il est clair qu’on fait tout autre chose que décrire la séquence en acides aminés, ou même tout simplement les propriétés chimiques d’un polypeptide déterminé. De l’activité primaire d’un gène à la réalisation d’un caractère doit s’étendre toute une série de relations de cause à effet qu’il n’est pas toujours possible de connaître; mais on peut remarquer que, dans le milieu intérieur d’un organisme, ou dans le milieu intracellulaire, cohabitent de nombreux polypeptides, produits de l’activité primaire de différents gènes, et que leur comportement chimique dépend de facteurs liés aux variations de l’environnement. Les modalités de leur interaction seront souvent la conséquence du fait que les caractères observés ne sont que des effets très lointains de leur activité primaire.

Dominance

On appelle «phénomènes de dominance» toutes les conséquences des interactions entre gènes homologues. Dans le cas le plus simple, un individu hétérozygote pour un couple d’allèles est rigoureusement indiscernable d’un homozygote pour l’un des deux allèles.

Par exemple, chez la souris, on connaît un couple d’allèles C-c déterminant la coloration du pelage. Les homozygotes CC sont colorés; les homozygotes cc sont albinos; quant aux hétérozygotes Cc, ils sont colorés exactement de la même façon que les homozygotes CC. Tout se passe donc, chez l’hétérozygote, comme si le gène c n’existait pas: il ne s’exprime pas; seul le gène C s’exprime. On dit que C est dominant sur son allèle c, qui est dit récessif .

On sait que la coloration du pelage est due à des pigments appartenant à la famille chimique des mélanines, substances synthétisées par l’organisme grâce à une chaîne de réactions dont le point de départ est la tyrosine, chacune de ces réactions ayant lieu en présence d’une enzyme spécifique. Or les enzymes sont des protéines constituées par l’association de plusieurs polypeptides dont dépend leur spécificité. On peut supposer que le gène C a pour activité primaire la production d’un polypeptide qui entre dans la constitution d’une enzyme catalysant une des réactions de la chaîne de synthèse des mélanines; que c diffère de C, soit par l’inaptitude à produire le polypeptide, soit par la production d’un polypeptide tel que la protéine n’ait pas d’activité enzymatique, l’homozygote cc ne peut évidemment pas posséder l’enzyme active; la chaîne de synthèse des mélanines se trouve donc bloquée au niveau de la réaction catalysée par cette enzyme: l’individu, totalement dépourvu de pigment mélanique, est un albinos. Au contraire, chez l’hétérozygote, le gène C étant présent, il y a formation d’une certaine quantité d’enzyme active: si cette quantité est suffisante pour assurer une synthèse importante de mélanines, la coloration est indiscernable de celle d’un homozygote CC.

Les situations de ce type semblent fréquentes; cela signifie que, dans beaucoup de cas, un seul gène est suffisant pour assurer dans une cellule diploïde la production de polypeptide permettant son fonctionnement normal. Dans d’autres cas, l’hétérozygote pour un couple de gènes présente un phénotype intermédiaire entre ceux des deux homozygotes. Par exemple, chez la belle de nuit, il existe un couple de gènes tel que les deux homozygotes possèdent l’un des fleurs rouges, l’autre des fleurs blanches; l’hétérozygote est à fleurs roses. Ce couple de gènes agit sans doute par le moyen d’une enzyme catalysant une réaction d’une chaîne dont l’aboutissement est la synthèse de pigment rouge: l’un des allèles assure la production de cette enzyme. Chez l’hétérozygote, la quantité d’enzyme produite est insuffisante pour synthétiser le pigment rouge en abondance, d’où la coloration rose des fleurs. Une telle situation, en fait assez rare, est décrite sous les noms de dominance incomplète , ou d’absence de dominance.

Enfin, on parle de codominance si les deux allèles font preuve, chez l’hétérozygote, d’une activité positive; c’est une situation fréquente, sinon absolument générale, dans le déterminisme génétique des caractères antigéniques, en particulier des groupes sanguins. Un exemple classique dans l’espèce humaine est celui des gènes allèles I^A et I^B: l’homozygote I^A I^A possède sur ses hématies de l’agglutinogène A; il est de groupe sanguin A. L’homozygote I^B I^B possède l’agglutinogène B; il est de groupe B. L’hétérozygote I^A I^B possède à la fois les deux agglutinogènes A et B; son groupe est AB: le phénotype ne peut être ici décrit comme intermédiaire entre celui d’un individu de groupe A et celui d’un individu de groupe B, mais plutôt comme résultant de l’addition des deux phénotypes. Les gènes I^A et I^B sont codominants.

Les phénomènes de dominance prennent une forme bien plus complexe lorsqu’il s’agit du déterminisme génétique des caractères quantitatifs; le tableau présente un exemple particulièrement simple. Il n’est en général pas possible de connaître exactement le génotype d’un individu et les conclusions reposent sur des raisonnements indirects. Dans certains cas, on est conduit à admettre que les phénomènes de dominance prennent la forme particulière de l’hyperdominance : la mesure d’un caractère, chez un hétérozygote pour un couple de gènes, est extérieure à l’intervalle limité par les mesures du même caractère chez les deux homozygotes. C’est un phénomène sans doute assez répandu et qui est vraisemblablement en grande partie responsable de ce qu’on appelle la «vigueur hybride»: pour des caractères déterminant ce qui définit intuitivement la vigueur, c’est-à-dire la taille, la résistance à des conditions de milieu défavorables, la vitesse de croissance, etc., les individus de races pures présentent en général des valeurs plus faibles que ceux qui résultent de croisements entre ces races. Cette vigueur hybride est largement utilisée en génétique appliquée ^{[cf. HYBRIDATION]}.

Ces phénomènes de dominance-récessivité sont la cause d’effets connus en génétique humaine sous le nom d’atavisme, c’est-à-dire la présence chez certains individus de caractères qu’on ne trouve pas chez leurs parents, mais chez des ascendants plus ou moins lointains; c’est le cas pour certaines anomalies comme l’albinisme ^{[cf. HÉRÉDITÉ]}.

Pléiotropie

On dit qu’un gène est pléiotrope s’il détermine à lui seul plusieurs caractères. Il existe chez le hamster, par exemple, un gène dominant qui détermine l’aspect blanc du pelage; les individus qui le possèdent présentent simultanément un autre caractère: ils ont les yeux réduits. De même chez la drosophile, il existe un gène récessif qui détermine l’absence de pigmentation des yeux ainsi qu’un aspect anormal des spermathèques chez les femelles (les spermathèques sont des organes dans lesquels est stocké le sperme après l’accouplement).

Dans un certain nombre de cas, il est possible de fournir une explication biochimique précise de la pléiotropie. Chez le champignon Neurospora , un certain nombre de souches (dont on peut montrer qu’elles diffèrent chacune par un seul gène de la souche sauvage) ne sont aptes à croître qu’en présence d’un acide aminé déterminé: la souche sauvage possède un gène dont l’activité primaire est de produire une enzyme indispensable à la synthèse de cet acide aminé, alors que la souche mutante possède un allèle incapable de produire cette enzyme. Mais on connaît une souche, différant elle aussi par un seul gène de la souche sauvage, à laquelle il faut fournir à la fois deux acides aminés (valine et isoleucine): le gène présent dans cette souche mutante est pléiotrope, puisqu’il implique non pas une, mais deux exigences en acides aminés. On sait que cette double exigence est due ici au fait que c’est la même enzyme qui catalyse deux réactions chimiques, dont l’une conduit à la valine et l’autre à l’isoleucine.

Un autre exemple intéressant est fourni par le gène qui détermine, chez l’homme, une maladie très grave appelée anémie drépanocytaire. Les individus atteints de cette maladie sont homozygotes pour un certain gène désigné par H^s. Le gène H^s détermine trois caractères: l’anémie, la forme des hématies, l’hémoglobine S. Pour le premier caractère, il est récessif par rapport à H^A allèle de H^s; pour le second, il est dominant; pour le troisième, il est codominant. Ceci montre que la notion de dominance ne traduit absolument pas de façon objective l’activité d’un gène. L’activité primaire d’un gène a sur un organisme toute une série de conséquences, qui sont les caractères observés, et dont les rapports avec l’activité primaire sont souvent difficiles à établir. Dans cet exemple précis, ils sont bien élucidés: le gène H^A a pour activité primaire la production d’un polypeptide entrant dans la composition de la molécule de l’hémoglobine A, qui accomplit normalement les fonctions de transport de l’oxygène. Le gène H^s produit un polypeptide différent qui confère des propriétés anormales à l’hémoglobine dans laquelle il est incorporé: il s’agit de l’hémoglobine S qui, lorsque la concentration d’oxygène diminue dans le sang, devient insoluble (d’où l’anémie pour tout individu ne possédant que l’hémoglobine S).

Polymérie

On désigne sous le nom de polymérie une situation qui est, à première vue, la situation inverse de la précédente: plusieurs gènes non allèles collaborent à la réalisation d’un seul caractère. Il en existe de très nombreux exemples: chez la drosophile, l’absence de pigment brun dans les yeux (absence qui a pour conséquence une coloration rouge-orangé) peut être déterminée soit par le gène «vermillon» soit par le gène «cinnabar» soit par le gène «scarlet»; ces gènes ne semblent avoir le même rôle que parce que l’observation est effectuée très loin de leur activité primaire. On a démontré que chacun de ces trois gènes est en réalité responsable de l’absence d’une enzyme spécifique catalysant une des nombreuses réactions de la chaîne de synthèse du pigment brun; ils présentent donc des activités primaires différentes indécelables par une observation superficielle.

La polymérie semble être la règle dans le déterminisme des caractères à variation continue, par exemple la taille ou le poids d’un organisme. De tels caractères dépendent de plusieurs couples de gènes. Chez l’homme, les différences de coloration de la peau entre races noires et races blanches sont déterminées par au moins trois ou quatre couples de gènes: chaque couple comporte un allèle dont l’effet est un assombrissement de la peau et un allèle dont l’effet est, au contraire, un éclaircissement. Il n’y a pas de dominance, ce qui explique que les individus nés de parents dont l’un est de race blanche et l’autre de race noire présentent une coloration intermédiaire. Quant à l’union entre ces métis, elle engendre des individus présentant tous les intermédiaires imaginables entre la coloration d’un Noir et celle d’un Blanc.

Épistasie

S’il existe entre gènes allèles des interactions se traduisant par les phénomènes de dominance, il existe également des interactions entre gènes non allèles: elles se traduisent par les phénomènes d’épistasie.

Ceux-ci peuvent être expliqués simplement dans certains cas. Considérons, chez la souris, l’action de deux couples de gènes A-a d’une part, C-c d’autre part. Un individu de génotype AA CC présente un pelage gris (c’est la couleur des races sauvages); un individu de génotype aa CC a le pelage noir; un individu de génotype AA cc a le pelage blanc. À première vue, il semble qu’on puisse dire: le gène a détermine la couleur noire, le gène c détermine la couleur blanche. Dans ces conditions, on ne peut pas prévoir le phénotype d’un individu de génotype aa cc: or, l’expérience montre qu’il est blanc. Tout se passe comme si le gène c masquait complètement le gène a: on dit que c est épistatique sur a . Une observation plus approfondie permet de comprendre facilement le phénomène: l’effet du gène c est l’absence totale de synthèse de mélanines, donc l’absence totale de pigmentation; le gène a provoqué une répartition particulière des mélanines sur les poils, ce qui conduit à l’aspect noir: il est évident que, chez un individu cc, dépourvu de pigment, rien ne peut avoir d’effet sur sa répartition.

Nos connaissances sont insuffisantes pour comprendre l’épistasie. Chez le chat domestique, on connaît un couple de gènes Aa se manifestant ainsi: A, dominant, détermine le phénotype «pelage tigré»; a, récessif, détermine le phénotype «pelage uniforme»; un autre couple de gènes o ⁺ o agit sur la couleur: les homozygotes oo sont jaunes. On pourrait s’attendre à ce que les individus aa oo soient jaunes et non tigrés: il n’en est rien, tous les chats jaunes sont tigrés, comme s’ils possédaient tous le gène A. Le gène o est épistatique sur a, puisqu’il l’empêche de s’exprimer.

Comme les phénomènes de polymérie, les phénomènes d’épistasie jouent un rôle important dans l’hérédité des caractères quantitatifs à variation continue et en compliquent l’étude de façon considérable.

3. Pénétrance et expressivité

Contrairement à ce qui a été vu précédemment, à un génotype déterminé ne correspond pas toujours un phénotype unique.

Certains gènes se comportent comme s’ils étaient, par rapport à un allèle déterminé, dominants chez certains individus, récessifs chez d’autres. Chez l’homme, la polydactylie (présence de doigts surnuméraires) est déterminée par un gène dominant: cela se traduit par le fait que tout individu atteint a au moins un parent atteint. Mais il arrive, dans certaines familles chez lesquelles sévit cette anomalie, que le caractère «saute» une génération: un individu atteint est issu de deux parents sains, mais l’un de ses grands-parents est atteint. Il faut admettre que l’un des parents possède, à l’état hétérozygote, le gène responsable, sans présenter l’anomalie: chez cet individu exceptionnel, le gène, normalement dominant, se présente comme s’il était récessif. On dit de tels gènes qu’ils ont une pénétrance incomplète . Les faits de pénétrance incomplète semblent relativement fréquents dans l’espèce humaine.

D’autres gènes, récessifs, ne produisent pas, lorsqu’ils sont à l’état homozygote, le même phénotype chez tous les individus. Chez la souris, le caractère «queue tordue» est déterminé par un gène récessif f; toutefois, dans une race pure pour le caractère, donc constituée exclusivement d’homozygotes ff, environ 1 p. 100 des individus présentent une queue normale. Le gène f ne s’exprime donc pas chez tous: on dit que son expressivité est variable . C’est aussi le cas, toujours chez la souris, d’un gène my qui détermine chez les homozygotes my my toute une série d’anomalies portant sur le cerveau, les yeux, les reins, les membres, etc.; certains individus présentent des anomalies du cerveau, d’autres des anomalies des yeux, etc., mais aucun ne présente toutes les anomalies possibles: le gène my ne s’exprime pas toujours de la même façon.

Pénétrance incomplète et expressivité variable sont des phénomènes qui, dans certains cas, peuvent être compris en tenant compte du fait que le phénotype est le résultat non seulement de la collaboration des gènes chromosomiques, mais encore de leur collaboration et de leurs interactions avec le matériel génétique non chromosomique et avec le milieu extérieur. Dans d’autres cas, il faut penser qu’ils ne font que traduire notre ignorance du déterminisme génétique précis d’un caractère: tel caractère semble déterminé par un seul gène, mais en réalité il existe un gène, connu, dont l’effet sur ce caractère est prépondérant (c’est un gène majeur ) et d’autres gènes, d’effets individuels faibles, qui agissent sur l’expressivité du précédent (ce sont des modificateurs ).

Encyclopédie Universelle. 2012.