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Un phénotype, plusieurs génotypes

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Objectif :

Parce qu'ils contiennent des informations permettant la synthèse de protéines spécifiques, les gènes jouent un rôle fondamental dans l'établissement du phénotype. Pourtant un même phénotype peut être associé à des génotypes différents.

Quelle est la part des gènes dans la réalisation d'un phénotype ?
Peut-on prévoir les particularités des gènes d'un individu, uniquement à partir de ses caractères visibles ?

1. Le phénotype dépend de plusieurs gènes

On appelle caractères monogéniques, les caractères qui ne dépendent que d'un seul gène. L'existence d'un allèle défectueux du gène provoque une absence ou un mauvais fonctionnement de la protéine correspondante.

La plupart des caractères sont polygéniques, c'est-à-dire qu'ils dépendent de plusieurs gènes. C'est le cas de la couleur de la peau (albinisme) ou du diabète par exemple.

Le concept de gène est plus flou qu'on ne le pense généralement. La technique du « knock-out », qui consiste à inactiver un gène dans une lignée d'animaux de laboratoire, soulève plus de questions qu'elle n'en résout sur la fascinante complexité des interactions entre molécules. Ainsi, l'inhibition du gène d'une protéine qu'on croyait indispensable à la construction du squelette n'affecte pas les souris mutées. Pourtant, l'absence de cette protéine n'est pas compensée en apparence par la surexpression d'un autre gène.

Un même gène peut être impliqué dans des fonctions très différentes. La protéine NFAT participe à l'activation de globules blancs, mais un allèle muté du gène gouvernant sa synthèse provoque des malformations des valves cardiaques.

Plus les recherches scientifiques progressent, mieux on comprend combien il est difficile d'attribuer à un ou à plusieurs gènes la responsabilité d'un processus biologique précis, et ceci dans des domaines aussi divers que la génétique du développement, du vieillissement, des rythmes biologiques, des comportements...

2. Plusieurs génotypes possibles pour un même phénotype

Dans le cas d'une voie métabolique, plusieurs enzymes interviennent en cascade. Il suffit qu'une seule soit déficiente pour que le caractère de l'individu soit modifié.

a. Une chaîne de biosynthèse

Des chaînes de biosynthèse existent dans toutes les cellules du monde vivant. Un exemple nous permettra de mieux comprendre le rôle des gènes sur leur fonctionnement.

Chez les levures, champignons unicellulaires, la biosynthèse d'un acide aminé, le tryptophane, s'effectue selon la chaîne métabolique suivante :

Chaque cellule de levure contient dans son noyau un seul exemplaire de chaque chromosome (on dit qu'elle est haploïde), donc chaque gène y est représenté par un seul allèle.

Une mutation touchant le gène qui permet la synthèse de l'enzyme catalysant le passage de l'étape 1 à l'étape 2, ou une mutation de l'enzyme catalysant le passage de l'étape 2 à l'étape 3, ou une mutation de l'enzyme catalysant le passage de l'étape 3 à l'étape 4 pourront avoir la même conséquence : l'absence de fabrication du tryptophane.

b. Plusieurs voies métaboliques pour la réalisation d'un phénotype

Prenons l'exemple de la couleur de la peau. La synthèse d'une substance telle que la mélanine, pigment brun qui donne à la peau sa couleur foncée, résulte d'une succession de réactions chimiques transformant une substance initiale. Chaque étape est catalysée par une enzyme différente codée par un gène bien précis.
Pour que la peau prenne sa couleur, plusieurs événements doivent se conjuguer. D'une part une synthèse de mélanine par des cellules spécialisées, les mélanocytes, est nécessaire. D'autre part, il faut que la mélanine soit exportée vers les cellules superficielles de l'épiderme.
La synthèse de mélanine implique une chaîne de biosynthèse mettant en jeu plusieurs gènes. L'exportation des vésicules contenant la mélanine nécessite la synthèse d'une protéine proche de la myosine des muscles, qui dépend d'un autre gène encore.
Si au moins un gène codant pour une protéine impliquée dans la synthèse ou dans l'exportation de la mélanine est muté, la peau ne pourra pas être pigmentée : cette absence de pigmentation caractérise l'albinisme.

Ces exemples montrent que la simple observation du phénotype ne suffit pas à identifier le génotype.

L'essentiel

Le phénotype dépend du génotype. Il résulte de processus biologiques complexes dans lesquels interviennent des protéines provenant de l'expression de plusieurs gènes. La mutation d'un seul de ces gènes peut suffire à modifier le phénotype. En conséquence, plusieurs génotypes différents peuvent conduire à un même phénotype. Connaître le phénotype ne permet pas de déduire directement le génotype.

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