Croisements génétiques
Un croisement génétique est l’accouplement délibéré de deux individus résultant de la combinaison de matériel génétique dans la progéniture. Les croisements peuvent être effectués dans de nombreux systèmes modèles – y compris les plantes, les levures, les mouches et les souris — et peuvent être utilisés pour disséquer des processus génétiques ou créer des organismes à caractères nouveaux.
Cette vidéo couvrira certains des principes des croisements génétiques, examinera une méthode pour effectuer des croisements connue sous le nom d’analyse des tétrades et discutera de plusieurs applications de cette technique.
Tout d’abord, introduisons les principes de base de l’héritage qui rendent les croisements génétiques possibles.
Le phénotype d’un organisme, ou la composition de traits, est influencé par sa constitution génétique ou son génotype. Chez la plupart des organismes se reproduisant sexuellement, la génération parentale produit des cellules de gamètes haploïdes, qui ont une copie de chaque chromosome distinct. Ceux-ci fusionnent ensuite pendant l’accouplement pour produire une progéniture diploïde avec deux copies homologues de chaque chromosome. Si les deux chromosomes contiennent le même allèle, ou variante d’un gène, alors l’organisme est « homozygote » à ce locus génétique; sinon, il est « hétérozygote ». »
Pour recommencer le cycle, l’organisme diploïde génère à nouveau des gamètes haploïdes par méiose. Au cours de ce processus, les deux chromosomes homologues subissent une « recombinaison », où des bits de séquences équivalentes sont échangés entre la paire. Ce processus mélange les allèles parentaux hérités de chaque progéniture, augmentant ainsi leur diversité génétique.
L’un des premiers à effectuer des croisements génétiques systématiques a été le « père de la génétique », Gregor Mendel. En utilisant la plante de pois facilement manipulable et en examinant une série de traits avec des schémas d’héritage cohérents, Mendel a pu dériver trois lois fondamentales de l’héritage qui constitueraient la base de la génétique.
La première loi de Mendel est la Loi de l’uniformité, qui stipule que la progéniture hétérozygote de la première génération, ou F1, de deux individus homozygotes aura le phénotype d’un seul parent. L’allèle établissant ce phénotype est appelé « dominant », tandis que l’allèle « caché » est « récessif. »Nous savons maintenant que les relations de dominance sont souvent moins claires, avec des cas tels que la dominance incomplète, où les hétérozygotes expriment un phénotype mélangé; et la codominance, où les deux phénotypes sont affichés.
La loi de ségrégation stipule qu’un allèle est attribué aléatoirement à chaque gamète. En observant que la progéniture F2 issue de l’autofécondation d’individus hétérozygotes F1 présentait un 3:1 rapport phénotypique, mais que deux des individus dominants phénotypiquement sont en fait des hétérozygotes, Mendel en a déduit que les deux allèles parentaux doivent être hérités séparément. Aujourd’hui, nous savons que la ségrégation se produit lors de la méiose, lorsque les deux chromosomes homologues du parent diploïde sont divisés aléatoirement en cellules filles haploïdes, chacune héritant de l’un des deux allèles.
La troisième loi de Mendel est la Loi de l’Assortiment indépendant, qui stipule que les traits individuels sont hérités indépendamment. Nous savons maintenant que l’indépendance absolue n’existe que pour les traits contrôlés par des gènes sur des chromosomes séparés dans l’ensemble haploïde, qui sont distribués indépendamment aux cellules filles pendant la méiose. Pour deux gènes sur le même chromosome, la distance entre eux est inversement proportionnelle à la probabilité qu’ils soient recombinés sur différents chromosomes homologues et, par extension, à la probabilité qu’ils soient hérités ensemble dans la même progéniture. Par conséquent, l’analyse des quatre produits méiotiques d’un organisme diploïde permet aux scientifiques de cartographier l’emplacement des gènes.
Après avoir examiné les principes qui sous-tendent les croisements génétiques, examinons un protocole pour l’analyse des tétrades.
Cette technique est généralement appliquée à certaines algues unicellulaires ou à certains champignons, tels que la levure, pour disséquer les quatre produits méiotiques haploïdes, ou spores, qui, chez ces espèces, restent ensemble en tant que « tétrade » dans un seul corps cellulaire.
Pour effectuer l’analyse des tétrades dans la levure, les souches désirées sont d’abord cultivées sur des milieux appropriés. Les cellules de levure de colonies individuelles sont autorisées à s’accoupler, par exemple en striant chaque souche selon un motif croisé sur une nouvelle plaque. Cette plaque est ensuite repliquée sur un support sélectif pour isoler uniquement le produit diploïde de la croix.
Des cellules diploïdes sélectionnées sont cultivées sur des milieux pauvres en nutriments pour induire la sporulation et la formation de tétrades. Les asci, qui sont les structures qui retiennent les tétrades des spores, sont digérées dans des solutions contenant l’enzyme zymolyase. Après la digestion, les asques individuels sont manipulés à l’aide d’un microscope à dissection de tétrades. Ils sont disposés à des endroits spécifiques sur une plaque de croissance et perturbés pour libérer les spores individuelles. Ceux-ci peuvent être placés dans un motif en forme de grille, où chaque spore générerait une colonie individuelle qui pourrait être analysée plus en détail.
Maintenant que vous savez comment l’analyse des tétrades est effectuée, examinons quelques-unes des nombreuses applications ou modifications de cette technique.
La dissection manuelle des tétrades prend beaucoup de temps et les chercheurs ont mis au point des alternatives à haut débit, telles que le séquençage des tétrades par code-barres. Dans cette méthode, la descendance diploïde d’un croisement de levures a été transformée avec une bibliothèque de plasmides, dont chacun contient une courte séquence unique appelée « code-barres » qui sert d’identifiant pour chaque descendance. Les plasmides expriment également la GFP, ce qui permet de sélectionner les asci de levure par cytométrie en flux et de les trier sur des plaques de gélose. Les asques ont été lysés en masse sur les plaques et les spores ont pu se développer en petites colonies. Les colonies ont ensuite été réparties aléatoirement dans des plaques à 96 puits pour le génotypage. Le code-barres de séquence unique permet aux chercheurs de regrouper les quatre colonies issues de spores de chaque tétrade.
Les croisements génétiques peuvent également être utilisés pour générer des cellules de levure avec un grand nombre de délétions de gènes. Dans le processus du monstre vert, des levures mutantes haploïdes portant différentes délétions de gènes marquées par la GFP sont accouplées et sporulées. Ces descendants haploïdes, dont certains portent des délétions héritées des deux parents, sont triés par cytométrie en flux activée par fluorescence, où l’intensité de la GFP est en corrélation avec le nombre de délétions présentes dans une souche de levure particulière. Ces cellules sélectionnées ont ensuite été cultivées et recroisées. La répétition de ce cycle a généré des souches de levure contenant de nombreuses délétions.
Enfin, des croisements génétiques ont été adaptés pour une utilisation dans de nombreux systèmes modèles, tels que le parasite intracellulaire responsable du paludisme Plasmodium. Comme le parasite ne peut se reproduire qu’au sein d’autres cellules, toutes les étapes de croisement doivent être effectuées chez la souris ou les moustiques, respectivement l’hôte naturel et le vecteur du parasite. Ici, des souris ont été infectées par deux souches de Plasmodium uniques au stade du parasite sanguin. Les parasites ont ensuite été transférés dans les moustiques par alimentation sanguine, et une fois à l’intérieur, ils ont mûri en gamètes qui se féconderaient pour former des zygotes diploïdes. Les sporozoïtes matures ont ensuite été récoltés sur le moustique et utilisés pour infecter des souris naïves, où les parasites ont été propagés pour isoler la descendance croisée d’intérêt.
Vous venez de regarder la vidéo de JoVE sur les croisements génétiques. Dans cette vidéo, nous avons présenté les principes de l’héritage, comment les croisements génétiques chez certains organismes peuvent être analysés avec la dissection de tétrades, et quelques applications actuelles. Comme toujours, merci d’avoir regardé!