Mutations de l'ADN Première spé SVT : fiche de révision

Le fil du chapitre

Une mutation est un accident aléatoire de la séquence : un agent mutagène en change la fréquence, jamais la cible ; son effet dépend de sa nature et de sa position ; son destin dépend de la cellule qui la porte.

Notions couvertes

Mutation de l'ADN
Erreur de réplication
ADN polymérase
Mutation spontanée
Mutation induite
Agent mutagène
Systèmes de réparation de l'ADN
Mutation somatique
Mutation germinale
Allèle
Substitution, insertion et délétion
Décalage du cadre de lecture

Le tableau du chapitre

Nommer une mutation en un coup d'œil

Une colonne par effet. Comparez d'abord la LONGUEUR de l'allèle à celle de la référence, puis lisez les triplets à partir du début avec le code génétique fourni.

Critère	Silencieuse substitution	Faux-sens substitution	Non-sens substitution	Décalage insertion ou délétion	Sans décalage trois nucléotides
Longueur de l'allèle	identique	identique	identique	un ou deux nucléotides de plus ou de moins	trois de plus ou de moins
Ce que montre le code	même acide aminé	un acide aminé remplacé	un triplet stop plus tôt	tous les triplets suivants changent	un acide aminé en plus ou en moins
Protéine	inchangée	un acide aminé différent	raccourcie	modifiée après la mutation, souvent raccourcie	la suite intacte
Effet probable	aucun	nul à majeur, selon la position	souvent une protéine non fonctionnelle	souvent une protéine non fonctionnelle	variable

Silencieuse substitution

Longueur de l'allèle: identique
Ce que montre le code: même acide aminé
Protéine: inchangée
Effet probable: aucun

Faux-sens substitution

Longueur de l'allèle: identique
Ce que montre le code: un acide aminé remplacé
Protéine: un acide aminé différent
Effet probable: nul à majeur, selon la position

Non-sens substitution

Longueur de l'allèle: identique
Ce que montre le code: un triplet stop plus tôt
Protéine: raccourcie
Effet probable: souvent une protéine non fonctionnelle

Décalage insertion ou délétion

Longueur de l'allèle: un ou deux nucléotides de plus ou de moins
Ce que montre le code: tous les triplets suivants changent
Protéine: modifiée après la mutation, souvent raccourcie
Effet probable: souvent une protéine non fonctionnelle

Sans décalage trois nucléotides

Longueur de l'allèle: trois de plus ou de moins
Ce que montre le code: un acide aminé en plus ou en moins
Protéine: la suite intacte
Effet probable: variable

Légende : les mots du tableau

Triplet: Trois nucléotides consécutifs du brin codant, lus à partir du triplet d'initiation ATG ; chacun correspond à un acide aminé ou à un signal stop.
Triplet stop: Triplet qui ne code aucun acide aminé et termine la protéine : TAA, TAG ou TGA sur le brin codant.
Position: L'endroit de la protéine où tombe le changement : dans le site actif d'une enzyme, un seul acide aminé peut tout abolir.
Cadre de lecture: Le découpage de la séquence en triplets successifs, fixé par le premier triplet.

Avant toute colonne, comptez les nucléotides : une différence de longueur exclut la substitution, et un multiple de trois exclut le décalage.

L'essentiel

Une mutation : une origine, une nature, un effet, un destin

• ORIGINE : une erreur aléatoire de l'ADN polymérase lors de la réplication, ou une altération de l'ADN hors réplication. Elle survient sans but : ni « pour » s'adapter, ni en réponse au milieu.
• FRÉQUENCE : un agent mutagène, physique (UV, rayons X) ou chimique (certaines molécules), l'augmente. Il ne choisit ni le gène ni l'effet.
• RÉPARATION : la plupart des erreurs sont corrigées par des enzymes. Ordres de grandeur : une erreur pour $10^{5}$ paires copiées avant correction, une pour $10^{10}$ après.
• NATURE ET EFFET : substitution, insertion, délétion ; l'effet se lit sur la protéine avec le code génétique (tableau de synthèse).
• Une mutation crée un nouvel ALLÈLE, version d'un gène ou de tout segment d'ADN, codant ou non.

La même séquence et quatre mutations : la substitution peut ne rien changer, changer un acide aminé ou arrêter la protéine ; l'insertion d'un nucléotide change toute la suite.

Le correcteur attend le mot exact : « mutation faux-sens », « décalage du cadre de lecture », et non « la protéine est changée ».

Somatique ou germinale : la cellule touchée décide de tout

• Une erreur non réparée est recopiée sur les deux brins à la réplication suivante, puis transmise à chaque division : toutes les cellules issues de la cellule touchée la portent, elles forment un CLONE.
• Mutation SOMATIQUE (peau, œil, foie...) : elle reste dans ce clone et disparaît avec l'individu.
• Mutation GERMINALE (cellules à l'origine des gamètes) : elle peut passer à l'enfant, qui la porte alors dans TOUTES ses cellules.
• Plus une mutation somatique est précoce, plus son clone est grand : une cellule mutée parmi 32 donne environ un trente-deuxième de l'organe.

À gauche, la mutation touche une cellule du corps : un clone rouge, et un enfant sans mutation. À droite, elle touche un gamète : toutes les cellules de l'enfant la portent.

Les pièges qui coûtent des points

Les erreurs ci-dessous sont celles que je corrige le plus souvent en séance. Chacune coûte des points sur une copie, même quand le raisonnement est juste.

1. Donner un but à une mutation

1 à 2 points, et la conclusion entière

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Exposées aux UV, les levures ont muté pour mieux résister au rayonnement. »

Ce qu'il faut écrire

« Les UV ont augmenté la fréquence des mutations, au hasard dans tout le génome ; certaines touchent le gène ADE2 et colorent la colonie en rouge. »

Pourquoi : Une mutation est un accident de la réplication ou une altération de l'ADN. Elle ne vise rien ; c'est ensuite le milieu qui peut avantager ou non ses porteurs (série, exercices 7 et 8).

2. Comparer des nombres bruts de mutants

2 points : la lecture du document est fausse

Ce qu'il ne faut pas écrire

« C'est à 45 s d'UV qu'il y a le plus de colonies rouges : c'est la dose la plus mutagène. »

Ce qu'il faut écrire

« Rapportée aux survivantes, la fréquence des mutants passe de 18,6 pour 1000 à 45 s à 44,4 pour 1000 à 90 s : elle augmente avec la dose. »

Le même comptage : en nombres bruts, un faux maximum à 100 Gy ; rapporté aux survivants, une fréquence qui croît avec la dose.

Pourquoi : À forte dose, il reste peu de cellules vivantes, donc peu de mutants en nombre, même si leur proportion augmente (série, exercice 7).

3. Calculer une survie sans témoin

1 point

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Après 60 s, il reste 320 colonies sur 2000 levures étalées : 16,0 % de survie. »

Ce qu'il faut écrire

« Le témoin donne 1960 colonies : la survie à 60 s vaut 320 sur 1960, soit 16,3 %. »

Pourquoi : Même sans UV, toutes les cellules étalées ne donnent pas une colonie. Le témoin isole l'effet du seul facteur testé (série, exercice 6).

4. Transmettre une mutation somatique

1 point

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Cette mutation des cellules de la peau sera transmise à ses enfants. »

Ce qu'il faut écrire

« Survenue dans une cellule somatique, elle reste dans le clone issu de cette cellule ; seule une mutation germinale peut être transmise. »

Pourquoi : Les gamètes proviennent de la seule lignée germinale. La tache blanche sur l'œil d'une drosophile ne se retrouve pas chez ses descendants (série, exercice 4).

5. Croire que toute insertion décale le cadre

1 point par allèle mal classé

Ce qu'il ne faut pas écrire

« L'allèle a trois nucléotides de plus : le cadre de lecture est décalé. »

Ce qu'il faut écrire

« Trois nucléotides forment un triplet : la protéine gagne un acide aminé et la suite est lue dans le bon cadre. »

Un nucléotide ajouté change tous les acides aminés suivants ; trois nucléotides ajoutés n'en ajoutent qu'un, Lys, et la suite Gly, Trp est conservée.

Pourquoi : Le décalage n'existe que si le nombre de nucléotides ajoutés ou retirés n'est pas un multiple de trois (série, exercices 2 et 8).

6. Prendre un mésappariement pour une mutation

1 point sur le schéma à légender

Ce qu'il ne faut pas écrire

« La paire T-A de la molécule fille est un mésappariement. »

Ce qu'il faut écrire

« T-A est une paire complémentaire : c'est la paire mutée, installée sur les deux brins à la réplication suivante. Le mésappariement était le T placé en face d'un G. »

Pourquoi : Une erreur n'est d'abord que sur un brin, en face d'une base non complémentaire. Après une réplication, plus rien ne la signale : elle est devenue une mutation (série, exercice 3).

7. Juger une mutation au nombre de nucléotides touchés

2 points sur la question de synthèse

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Ces deux allèles ne diffèrent que d'un nucléotide : leurs effets sont forcément faibles et semblables. »

Ce qu'il faut écrire

« Les deux sont des faux-sens, mais l'un remplace une histidine du site actif et abolit l'activité ; l'autre, loin du site actif, la réduit à 20 %. »

Pourquoi : L'effet dépend de la nature de la mutation et de sa position dans la protéine, pas de sa taille (série, exercice 10).

8. Écrire « le gène de » un caractère

1 point de rigueur

Ce qu'il ne faut pas écrire

« TYR est le gène de la couleur des cheveux. »

Ce qu'il faut écrire

« Le gène TYR code la tyrosinase, une enzyme nécessaire à la synthèse des mélanines ; la pigmentation dépend aussi d'autres gènes et du milieu. »

Pourquoi : Un gène code une protéine. Un caractère dépend de plusieurs protéines et de l'environnement, comme l'exposition au soleil.

9. Oublier les mutations spontanées

1 point

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Sans agent mutagène, l'ADN ne subirait aucune mutation. »

Ce qu'il faut écrire

« Des erreurs de réplication et des altérations spontanées produisent des mutations sans mutagène ; chaque enfant porte quelques dizaines de mutations nouvelles. »

Pourquoi : Le témoin non exposé donne lui aussi des mutants, et les trios père, mère, enfant mesurent environ un pour cent millions par paire de nucléotides et par génération (série, exercices 7 et 9).

Quelle méthode choisir

Nommer une mutation à partir de deux séquences

On compare la référence et l'allèle, nucléotide par nucléotide, puis on lit les triplets avec le code fourni.

Si même longueur, un nucléotide différent, même acide aminé → substitution silencieuse

Exemple : GGC devient GGT : Gly reste Gly.
Si même longueur, un nucléotide différent, autre acide aminé → substitution faux-sens

Exemple : GGC devient AGC : Gly devient Ser.
Si même longueur, un triplet devient TAA, TAG ou TGA → substitution non-sens : protéine raccourcie

Exemple : CAA devient TAA : la protéine s'arrête après Met.
Si un ou deux nucléotides de plus ou de moins → insertion ou délétion avec décalage du cadre de lecture

Exemple : Un T ajouté après le rang 4 : Met, puis Leu, Arg, Leu au lieu de Gln, Gly, Trp.

Après une insertion, toutes les colonnes semblent différer : c'est la longueur qui dit la nature.
Si trois nucléotides de plus ou de moins → insertion ou délétion sans décalage : un acide aminé en plus ou en moins

Exemple : TTC retiré : la phénylalanine manque, le reste est conservé.

Si la mutation tombe hors de la séquence codante, le code ne dit rien : la mutation crée quand même un allèle.

Somatique ou germinale : quelle question poser

C'est la cellule où la mutation est survenue, et non l'organe où elle se voit, qui décide.

Si la mutation n'est présente que dans une partie de l'organisme (une tache, une tumeur) → mutation somatique, dans un clone

Exemple : 25 ommatidies blanches sur 800 : un clone, survenu quand l'œil comptait 32 cellules.
Si la mutation est absente des deux parents et présente dans toutes les cellules de l'enfant → mutation germinale nouvelle, dite de novo

Exemple : Un A chez l'enfant, G / G chez le père comme chez la mère.
Si plusieurs descendants d'un même parent partagent un nouvel allèle → mutation germinale survenue tôt dans la lignée germinale de ce parent

Exemple : 3 descendants sur 60, soit 5 %.

Une mutation germinale est potentiellement héréditaire : elle peut passer aux générations suivantes, mais aucun gamète n'est sûr de la porter.

La rédaction attendue

Le correcteur coche des étapes. Les voici dans l'ordre, avec la phrase de conclusion qu'il attend mot pour mot.

Exploiter un protocole d'exposition à un agent mutagène

Quand l'utiliser : « Montrer que les UV (ou une molécule) sont mutagènes » à partir de comptages de colonies.

1 Nommer la variable testée et le témoin, et dire ce qui reste identique d'une série à l'autre.
2 Calculer la survie, rapportée au témoin.
3 Calculer la fréquence des mutants rapportée aux SURVIVANTS, pour chaque dose.
4 Comparer chaque fréquence à celle du témoin, qui mesure les mutations spontanées.
5 Conclure sur le problème : l'agent augmente la fréquence des mutations, sans viser le gène observé.

Phrase de conclusion

« Je vois que la fréquence des mutants passe de 0,51 pour 1000 chez le témoin à 44,4 pour 1000 après 90 s d'UV. Je sais qu'une colonie rouge provient d'une levure mutée dans le gène ADE2. J'en déduis que les UV augmentent la fréquence des mutations, d'autant plus que la dose est forte. »

Le piège : Conclure sur le document (« il y a plus de colonies rouges ») au lieu du problème posé (« les UV sont mutagènes »).

Barème : Le plus souvent : 1 point pour les relevés chiffrés, 1 point pour la comparaison au témoin, 1 point pour la conclusion qui répond au problème.

Vérifier avant de rendre

Cinq minutes de vérification récupèrent plus de points qu'un exercice de plus commencé à la hâte.

La longueur avant les lettres

Comptez les nucléotides de l'allèle et de la référence avant de nommer la mutation.

Un allèle de 25 nucléotides contre 24 ne peut pas porter une « substitution ».
Le dénominateur d'une fréquence

Une fréquence de mutants se divise par les survivants de la MÊME série, jamais par les cellules étalées ni par le témoin.

4 mutants pour 90 survivants donnent 44 pour 1000, et non 2 pour 1000.
Le témoin n'est pas à zéro

Vérifiez que votre conclusion laisse une place aux mutations spontanées du témoin.

« Sans UV, aucune mutation » est contredit par la colonie rouge du témoin.
Le mot qui transmet

Relisez chaque « transmise aux enfants » : la cellule touchée est-elle germinale ?

Une mutation des cellules du foie transmise aux enfants signale une confusion somatique et germinale.

L'exercice type décortiqué

Des spores de moisissure sous les rayons X

Une souche de moisissure (souche fictive) forme des colonies à spores vertes ; ses mutants pour un gène de pigmentation forment des colonies à spores blanches. On étale 1250 spores par série, puis on expose chaque série à une dose de rayons X : 0, 50, 100 ou 200 grays (Gy). Après incubation, on obtient 1200, 840, 510 et 150 colonies, dont 2, 13, 17 et 9 colonies blanches. Montrez que les rayons X sont un agent mutagène.

Étape 1

Variable : la dose de rayons X. Témoin : la série à 0 Gy, étalée et incubée de la même façon. Tout le reste est identique.

Pourquoi

On nomme le témoin d'abord : toutes les comparaisons qui suivent s'y rapportent, et la consigne le demande presque toujours.

Étape 2

Survie rapportée au témoin : $\dfrac{840}{1200}=70\ \%$ à 50 Gy, $\dfrac{510}{1200}=42{,}5\ \%$ à 100 Gy, $\dfrac{150}{1200}=12{,}5\ \%$ à 200 Gy.

Pourquoi

La baisse de survie montre que les rayons X endommagent les cellules ; elle explique aussi la chute du nombre brut de mutants à 200 Gy.

Étape 3

Fréquence des mutants pour 1000 survivants : $\dfrac{2}{1200}\times 1000\approx 1{,}7$ ; $\approx 15{,}5$ à 50 Gy ; $\approx 33{,}3$ à 100 Gy ; $60$ à 200 Gy.

Pourquoi

C'est l'étape qui rapporte le point : le nombre brut de mutants (17 puis 9) ferait croire à tort que 200 Gy est moins mutagène que 100 Gy.

Étape 4

Comparaison au témoin : à 200 Gy, la fréquence est multipliée par $\dfrac{60}{1{,}67}\approx 36$ .

Pourquoi

Le témoin mesure les mutations spontanées ; seul l'écart avec lui mesure l'effet des rayons X.

Étape 5

Vérification : la fréquence augmente avec la dose à chaque étape (1,7 ; 15,5 ; 33,3 ; 60), et les survivants restent assez nombreux pour que le comptage ait un sens (150 colonies à 200 Gy).

Pourquoi

Une fréquence qui monterait puis redescendrait signalerait une division par le mauvais effectif ; un comptage de quelques colonies ne donnerait qu'un ordre de grandeur.

Conclusion rédigée

Les rayons X augmentent la fréquence des mutants de 1,7 à 60 pour 1000 survivants quand la dose passe de 0 à 200 Gy : ils sont un agent mutagène physique, et leur effet croît avec la dose. Ils n'ont pas visé le gène de pigmentation : seules ses mutations se voient.

L'erreur classique sur cet exercice : Conclure, sur les nombres bruts, que 100 Gy est la dose la plus mutagène parce qu'elle donne le plus de colonies blanches.

À savoir par cœur

• MUTATION : modification de la séquence de l'ADN, au HASARD ; elle crée un nouvel allèle.
• Un agent MUTAGÈNE, physique ou chimique, augmente la FRÉQUENCE des mutations ; il ne choisit pas le gène.
• Ordres de grandeur : une erreur pour $10^{5}$ paires copiées avant correction, une pour $10^{10}$ après ; environ $10^{-8}$ par paire et par génération chez l'humain.
• SOMATIQUE : reste dans le clone. GERMINALE : peut passer à l'enfant, présente alors dans toutes ses cellules.
• Substitution : silencieuse, faux-sens ou non-sens. Insertion ou délétion : décalage du cadre SAUF pour un multiple de trois.
• Une fréquence de mutants se rapporte aux SURVIVANTS et se compare au TÉMOIN.
• L'effet d'une mutation dépend de sa NATURE et de sa POSITION, pas du nombre de nucléotides touchés.

Questions fréquentes

Quelle différence entre une mutation spontanée et une mutation induite ?

Une mutation spontanée survient sans cause extérieure, par une erreur aléatoire de l'ADN polymérase lors de la réplication ou par une altération naturelle de l'ADN. Une mutation induite est due à un agent mutagène, comme les rayons UV, les rayons X ou certaines molécules. Dans les deux cas, la mutation tombe au hasard dans le génome : le mutagène augmente seulement leur nombre.

Comment savoir si une mutation est somatique ou germinale ?

On regarde la cellule où elle est survenue. Si elle touche une cellule du corps, comme la peau ou le foie, elle est somatique : elle reste dans le clone de cellules issu de cette cellule et n'est pas transmise aux enfants. Si elle touche une cellule de la lignée germinale, à l'origine des gamètes, elle est germinale et peut passer à l'enfant, qui la porte alors dans toutes ses cellules.

Pourquoi une insertion d'un seul nucléotide est-elle souvent plus grave qu'une substitution ?

Parce que la séquence se lit par groupes de trois nucléotides à partir du début. Un nucléotide ajouté décale le découpage de tous les triplets qui suivent : tous les acides aminés en aval peuvent changer et un signal stop apparaît souvent plus tôt. Une substitution, elle, ne touche qu'un triplet. Une insertion de trois nucléotides ne décale rien : elle ajoute un seul acide aminé.

Comment montrer que les UV sont mutagènes avec des levures ?

On étale le même nombre de levures sur des boîtes, on expose chaque série aux UV pendant une durée différente, sans couvercle, et on garde une série témoin non exposée. Après incubation, on compte les colonies et les colonies mutantes, rouges chez une souche ade2. On rapporte les mutants au nombre de survivantes, puis on compare au témoin : la fréquence augmente avec la durée d'exposition.

Combien de mutations nouvelles un enfant reçoit-il de ses parents ?

Les études de trios, qui comparent les génomes d'un père, d'une mère et de leur enfant, comptent en moyenne quelques dizaines de mutations nouvelles par enfant, de l'ordre de soixante. La plupart viennent du père, et leur nombre augmente avec son âge, car les cellules à l'origine des spermatozoïdes se divisent toute la vie, et chaque réplication laisse quelques erreurs.

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© Ahmed Squalli Houssaini. Fiche publiée sur www.letuteurscientifique.ca/fiches/1svt-mutations-adn. Libre pour l'usage personnel et en classe ; sa republication ailleurs demande une autorisation écrite (mentions légales).

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8. Écrire « le gène de » un caractère

9. Oublier les mutations spontanées

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Somatique ou germinale : quelle question poser

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Des spores de moisissure sous les rayons X

À savoir par cœur

Questions fréquentes

Quelle différence entre une mutation spontanée et une mutation induite ?

Comment savoir si une mutation est somatique ou germinale ?

Pourquoi une insertion d'un seul nucléotide est-elle souvent plus grave qu'une substitution ?

Comment montrer que les UV sont mutagènes avec des levures ?

Combien de mutations nouvelles un enfant reçoit-il de ses parents ?

Exercices corrigés : Mutations de l'ADN et variabilité génétique : mutagènes, allèles, trios

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