SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE
- Série S -
Polynésie, juin 2000

Corrigés



Partie 1 (8 points)

Sujet

Fonctionnement d'un système de régulation

Après avoir exposé, dans un devoir structuré et correctement illustré, les mécanismes de régulation hormonale de l'ovulation, vous montrerez en quoi leur connaissance a permis la mise au point d'une méthode de contraception orale.


Avant de commencer
S'appuyer sur un schéma pour expliquer les mécanismes de régulation hormonale de l'ovulation et montrer quels sont les mécanismes physiologiques servant de cible à la contraception hormonale.

Corrigé

Introduction
La contraception orale est fondée sur l'administration d'hormones de synthèse. En perturbant les mécanismes de régulation hormonale de l'ovulation, on aboutit à un cycle anovulatoire. L'ovulation dépend d'un déterminisme hormonal cyclique permettant la libération d'un ovocyte dans les voies génitales environ tous les 28 jours chez la femme. Après en avoir exposé les mécanismes de régulation hormonale, nous montrerons comment la contraception orale les modifie pour aboutir à une contraception efficace.

La régulation hormonale de l'ovulation
Le cycle ovarien, notamment le déclenchement de l'ovulation, est sous le contrôle d'hormones hypophysaires, les gonadostimulines FSH et LH. Le fonctionnement de l'hypophyse est lui-même contrôlé par l'hypothalamus dont les neurones du noyau arqué produisent, de façon pulsatile, du Gn-RH ou gonadolibérine, une neurosécrétion qui se déverse au niveau du système porte hypophysaire avant d'aller agir sur l'hypophyse. FSH et LH stimulent l'ovaire, notamment la maturation folliculaire, provoquant une augmentation de la sécrétion des oestrogènes. L'ovulation se produit à la suite d'un pic de sécrétion des gonadostimulines hypophysaires. Dans les conditions physiologiques, ce pic ovulatoire se produit lorsque l'axe hypothalamo-hypophysaire est soumis au rétrocontrôle positif des strogènes sécrétés par l'ovaire. Ceci se produit peu avant l'ovulation lorsque la sécrétion d'strogènes augmente sous l'action des gonadostimulines hypophysaires. Alors que les strogènes freinaient l'axe hypothalamo-hypophysaire en début de cycle aboutissant à une augmentation lente de la concentration sanguine en gonadostimulines, leur action devient stimulatrice au delà d'une concentration seuil, produisant un autorenforcement du système. Il en résulte une amplification considérable de la production des gonadostimulines aboutissant rapidement au pic ovulatoire. Ce pic de sécrétion des gonadostimulines provoque la rupture du follicule mûr et la libération de l'ovocyte ce qui lui vaut le nom de décharge ovulante.
Dans les conditions physiologiques, l'ovulation est suivie de la formation du corps jaune qui sécrète de la progestérone. Cette hormone, qui prépare l'organisme à la grossesse, a également une action inhibitrice sur l'axe hypothalamo-hypophysaire. La régulation hormonale de l'ovulation est résumée sur le schéma ci-dessous.

La contraception orale
On a vu que pendant la première partie du cycle les oestrogènes exercent une rétroaction négative sur l'axe hypothalamo-hypophysaire ce qui limite la production de FSH et de LH comme le fait aussi la progestérone dans la seconde partie du cycle. La connaissance de ces effets inhibiteurs a conduit à administrer par voie orale de l'oestradiol et de la progestérone de synthèse de façon à exploiter la rétroaction négative qu'elles provoquent pour maintenir un taux d'hormones circulantes capable d'inhiber la production des gonadostimulines hypophysaires. Dans ces conditions, le taux d'oestradiol obtenu ne permet pas d'obtenir une rétroaction positive sur l'axe hypothalamo-hypophysaire et il ne se produit pas de décharge ovulante des gonadostimulines. On obtient ainsi un cycle artificiel, sans ovulation. Toutefois, l'interruption de la prise du contraceptif à la fin du cycle permet l'apparition des règles et le cycle semble donc se dérouler normalement en apparence.

Conclusion
La contraception orale met à profit la connaissance des mécanismes de régulation hormonale de l'ovulation pour obtenir artificiellement un cycle anovulatoire. Pour cela, on exploite le rétrocontrôle négatif exercé par les hormones sexuelles sur l'axe hypothalamo-hypophysaire en administrant des hormones de synthèse.



Partie 2 (7 points)

Sujet

Histoire et évolution de la Terre et des êtres vivants

Le document 1 est un tableau présentant des caractéristiques de trois espèces fossiles appartenant à la lignée humaine.

En utilisant les données fournies par l'analyse rigoureuse du document complétée par vos connaissances, expliquez quelles ont été les grandes étapes de l'hominisation.
(Votre exposé ne s'appuiera que sur les seules espèces présentées dans le document 1).

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Avant de commencer
Les trois grandes caractéristiques de l'hominisation, bipédie, développement du cerveau, fabrication d'outils sont clairement indiquées sur le document. Penser à utiliser l'ensemble des données y compris la localisation des fossiles et l'échelle de temps et compléter les données manquantes sur les fossiles par vos connaissances.

Corrigé

Introduction
L'hominisation est l'ensemble des processus évolutifs ayant conduit à lacquisition des principales caractéristiques propres à lHomme parmi les Primates. Ces caractéristiques sont essentiellement la bipédie, le développement du cortex cérébral et la culture, notamment la capacité à fabriquer des outils. Les grandes étapes de l'hominisation sont caractérisées par des fossiles appartenant à la lignée humaine dont certains sont présentés dans le document 1. Même si l'hominisation a été progressive, certains fossiles marquent des étapes majeures.

Australopithecus afarensis
Les Australopithèques correspondent à la première étape de l'hominisation, celle qui a vu l'acquisition de la bipédie. Il y a 3,2 millions d'années, en Afrique, A. afarensis présentait déjà un bassin et des membres inférieurs révélant la bipédie, comme le montre le document. En effet, le bassin est élargi par rapport aux singes, comme dans l'espèce humaine, et l'articulation du fémur avec le bassin, déterminant l'angle de la jambe avec la verticale, est caractéristique de la station bipède. Bien qu'il s'agisse d'une bipédie encore imparfaite, comme le suggèrent le fémur plus court et le bassin, par rapport à ceux d'Homo sapiens, et bien que les Australopithèques aient dû être capables de circuler aussi dans les arbres, c'est une étape capitale de l'hominisation car elle a engagé la libération de la main, occupée chez les autres Primates à la locomotion. On sait aussi que le trou occipital était situé plus en avant que chez les singes et que les membres antérieurs étaient plus courts, caractéristiques liées à la bipédie.

Homo erectus
Comme l'indique son nom, H. erectus était parfaitement bipède. Il s'agit d'un mode de locomotion efficace ayant permis à H. erectus de migrer sur de longues distances puisque le fossile présenté vient d'Indonésie. Née en Afrique selon des indices convergents, la lignée humaine, notamment H. erectus, aurait gagné ensuite les autres continents, Europe et Asie. Le document ne présente que le squelette crânien dont le volume, beaucoup plus important que celui de l'australopithèque, révèle un développement considérable du cortex traduisant un accroissement des performances psychomotrices. Ce développement du cerveau constitue également une des caractéristiques de l'hominisation. Une des conséquences est la capacité à fabriquer des outils. Le document montre un biface, outil de pierre taillée, caractéristique d'une industrie encore primitive avec des éclats de grande taille. On sait également que H. erectus maîtrisait le feu ce qui lui a permis de coloniser des contrées froides. L'apparition de la culture dans la lignée humaine constitue une autre caractéristique de l'hominisation. Elle s'est manifestée initialement par une industrie de la pierre taillée. L'apparition de cette dernière, antérieure à H. erectus, est une étape essentielle de l'hominisation. Après l'industrie lithique, d'autres industries apparaîtront ultérieurement (bois, os, puis pierre polie, métaux, etc.).

Homo sapiens sapiens
Dernier représentant de la lignée humaine datant de quelques dizaines de milliers d'années, H. sapiens est l'espèce à laquelle nous appartenons. Le fossile présenté, daté de 16 000 ans et trouvé en Dordogne, possède un volume crânien de 1 400 cm3 et, une industrie diversifiée (éclats retouchés, os). On sait également que ces hommes, identiques à nous sur tous les plans, étaient capables de réaliser des uvres d'art de grande qualité (grottes de Lascaux) et avaient des croyances magico-religieuses puisqu'ils enterraient leurs morts selon des rituels précis. Ils ont eux aussi migré sur de longues distances atteignant tous les continents et la plupart des îles océaniques. Le développement de la culture (industries, arts, croyances) constitue la dernière étape de l'hominisation dont on connaît les développements historiques (révolution agricole, révolution industrielle, révolution de la communication et des échanges ?).

Conclusion
Ainsi, A. afarensis, H. erectus, H. sapiens sont chacun caractéristiques d'une étape importante de l'hominisation : bipédie (A. afarensis, - 3,2 Ma), développement du cerveau et capacité à fabriquer des outils (H. erectus, - 200 000 ans), étape actuelle avec l'extraordinaire développement de la culture, notamment scientifique et technique (H. sapiens, - 16 000 ans). L'être humain actuel est anatomiquement identique à son ancêtre H. sapiens apparu il y a entre 50 000 et 100 000 ans.



Partie 3 (enseignement obligatoire) (5 points)

Sujet

Unicité génétique des individus et polymorphisme des espèces

La Drosophile est une petite mouche très utilisée pour l'étude de la transmission des caractères génétiques.

À partir de l'exploitation rigoureuse et de la mise en relation des 3 documents proposés, montrez qu'il est possible de mettre en évidence l'existence de brassages génétiques au cours de la méiose chez la Drosophile.

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Avant de commencer
Utiliser la carte chromosomique pour localiser les gènes impliqués dans les croisements présentés et montrez que les croisements proposés sont la preuve d'un brassage interchromosomique (gènes indépendants) et d'un brassage intrachromosomique (gènes liés).

Corrigé

Introduction
Au cours de la méiose, ensemble de deux divisions précédées d'une seule biosynthèse d'ADN, permettant la formation de gamètes haploïdes, les allèles portés par les chromosomes homologues des cellules subissant la méiose sont redistribués entre les cellules filles puis dans les gamètes. On appelle ce phénomène brassage génétique. Nous montrerons que les informations tirées des documents  permettent d'identifier un brassage interchromosomique, lié à la ségrégation indépendante des chromosomes, et un brassage intrachromosomique, lié à des échanges de segments chromosomiques entre chromatides surs. Il en résulte la formation de nouvelles combinaisons alléliques pouvant conduire à des génotypes et à des phénotypes différents de ceux des parents.

Gènes et allèles considérés dans les croisements
Les croisements présentés dans le document 2 concernent des gènes que l'on peut localiser sur la carte chromosomique du document 1. Les mutations black et cinnabar concernent deux gènes, contrôlant respectivement la couleur du corps et celle de l'il, situés sur le même chromosome, le chromosome II, à 9 centimorgans de distance l'un de l'autre. Il s'agit donc de gènes liés puisque situés sur un même chromosome. En revanche, la mutation cardinal, qui concerne un autre gène contrôlant la couleur de l'il, se trouve sur le chromosome III. Ainsi, les allèles black/corps sauvage et cardinal/il normal, correspondent à des gènes indépendants puisque situés sur des chromosomes différents.

Brassage interchromosomique
Le brassage interchromosomique est révélé par les croisements réalisés entre souches qui diffèrent par les allèles de gènes indépendants. En effet, dans ce cas, lors de la méiose, les gènes ont le même comportement que les chromatides individuelles et les différents allèles se répartissent de manière équiprobable dans les gamètes. Considérons la deuxième série de croisements où sont en cause les mutations black et cardinal. La génération F1 étant entièrement sauvage, les deux allèles mutés sont récessifs par rapport aux allèles sauvages correspondants. En effet, les mouches P1 sont homozygotes pour black (c'est indiqué dans le texte) et pour cardinal puisqu'il s'agit d'un allèle récessif qui s'exprime. Quand elles sont croisées avec des mouches sauvages, la génération F1 qui en résulte présente un phénotype sauvage, ce qui montre que les parents sauvages étaient homozygotes. Les descendants F1 doivent avoir un génotype hétérozygote puisqu'ils reçoivent de leurs parents un allèle sauvage et un allèle muté de chacun des deux gènes. Le croisement F1 x P1, qui est un croisement test (croisement en retour) le confirme. On obtient quatre phénotypes en proportions semblables (corps sauvage, il sauvage ; corps black, il sauvage ; corps sauvage, oeil cinnabar ; corps black et corps cinnabar) traduisant la répartition au hasard dans les cellules filles des chromosomes homologues lors de la première division et des chromatides surs lors de la seconde. Les croisements effectués peuvent être résumés de la façon suivante :

Les proportions attendues des quatre phénotypes étant égales aux proportions observées, elles confirment la ségrégation indépendante des chromosomes II et III qui portent les gènes considérés.

Brassage intrachromosomique
La première série de croisements concernant des gènes liés illustre le brassage intrachromosomique. La distance de 9 centimorgans entre les locus des deux gènes donnée par la carte génétique indique que le pourcentage de recombinaison atteint 9 %. Lors d'un croisement test (effectué entre hétérozygotes pour les deux gènes black et cinnabar et doubles homozygotes), la recombinaison des gènes situés sur un même chromosome confirme que des échanges de segments chromosomiques se sont produits lors de la prophase I de la méiose chez les individus F1 puisque de nouvelles combinaisons d'allèles se manifestent (corps noir, il normal ; corps normal, il rouge). Si on obtient 8 % de recombinants au lieu des 9 % indiqués par la carte, c'est parce que le pourcentage observé est toujours légèrement sous évalué à cause des doubles crossing-over qui ne se manifestent pas dans le phénotype. La fréquence des recombinaisons est bien proportionnelle à la distance entre les locus des deux gènes, caractéristique à la base de la construction de la carte génétique. En outre, le document 3 montre, sur une photographie prise au microscope, les échanges de segments chromosomiques qui se produisent lors de la prophase I. Le cliché montre un bivalent, ensemble de deux chromosomes homologues réunis lors de la prophase I. Le bivalent comporte quatre chromatides identiques deux à deux puisque résultant de la réplication de l'ADN avant la méiose. Des chiasmas, entrecroisements des chromatides surs, sont visibles. Ils correspondent aux échanges de segments entre chromatides surs, les crossing-over, à l'origine de la recombinaison des gènes situés sur un même chromosome. La figure ci-dessous schématise un bivalent lors de la prophase I de la méiose avec un chiasma entre deux gènes liés A/a et B/b correspondant à bl+/bl et cn+/cn de l'exemple et leur destinée ultérieure.

Conclusion
Lors de la méiose, qui assure le passage de l'état diploïde à l'état haploïde nécessaire à la fécondation, les allèles sont redistribués dans les cellules filles. Chez les hétérozygotes, les cellules filles peuvent recevoir l'un ou l'autre de deux allèles différents. Si l'on considère plusieurs gènes, de nouvelles combinaisons alléliques vont pouvoir se former dans les gamètes en raison de mécanismes de brassage génétique. Selon leur localisation (sur un même chromosome : gènes liés ; sur des chromosomes différents : gènes indépendants), les mécanismes de brassage sont différents. Les gènes indépendants sont redistribués indépendamment avec une égale probabilité. Au contraire, la redistribution des allèles des gènes liés, qui dépend de la fréquence des crossing-over, se produit avec une probabilité proportionnelle à leur distance sur le chromosome. On parle respectivement de brassage interchromosomique et intrachromosomique.



Partie 3 (enseignement de spécialité) (5 points)

Sujet

Unicité génétique des individus et polymorphisme des espèces
Mucoviscidose et thérapie génique

Dans notre population, la mucoviscidose est la maladie génétique grave la plus fréquente. Depuis que les chercheurs ont isolé en 1989 le gène anormal qui perturbe le fonctionnement du pancréas et de l'appareil respiratoire, tous les espoirs sont permis de pouvoir soigner, bientôt, cette maladie.
Le gène impliqué dans la mucoviscidose, appelé CFTR, n'est essentiel que dans les cellules des bronches et du pancréas où il est responsable de la synthèse d'une protéine qui sert au transport du chlore à travers les membranes. Lorsque cette protéine est absente, comme c'est le cas chez un malade mucoviscidosique, les cellules des bronches produisent un mucus particulièrement collant, cause d'infections graves et fréquentes qui conduisent au décès prématuré du malade. Corriger les sécrétions bronchiques anormales semble un pari gagnable. Actuellement, il est techniquement possible de remplacer un gène défectueux par un gène sain.

À partir de la seule exploitation des 4 documents proposés et de leur mise en relation, expliquez les étapes nécessaires à la mise en place de la thérapie génique expérimentée dans le traitement de la mucoviscidose.

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Avant de commencer
Justifier chaque étape à partir de l'analyse des documents (construction du virus vecteur, modification du virus pour le rendre apte à pénétrer dans les cellules cibles). Les problèmes d'expression du gène inséré ne sont pas considérés par les documents.

 Corrigé

Introduction
La thérapie génique consiste à insérer par transgenèse un gène normal dans le noyau de cellules qui comportent un gène anormal pour corriger le défaut qui en résulte. En effet, l'expression du transgène doit permettre alors de rétablir la fonction défectueuse. Pour réussir, la thérapie génique nécessite différentes étapes : construction d'un vecteur apte à délivrer son ADN spécifiquement dans les cellules cibles, insertion du gène normal dans l'ADN du vecteur, expression du gène dans les cellules cibles. Nous expliquerons les étapes illustrées par les documents proposés dans le cas de la thérapie génique de la mucoviscidose.

Choix d'un vecteur
Pour faire pénétrer un gène dans une cellule, il faut d'abord disposer d'un vecteur, construction apte à pénétrer dans les cellules cibles. Le document 1 montre comment un adénovirus pénètre dans une cellule. Le virus doit reconnaître un récepteur membranaire de la cellule cible et s'y lier avant d'être ingéré par endocytose. Après rupture de la vésicule d'endocytose, le virus peut pénétrer dans le noyau et y délivrer son ADN. Dans le cas de la mucoviscidose, le premier problème à résoudre est donc d'obtenir un vecteur susceptible de reconnaître spécifiquement les cellules des bronches. Comme les adénovirus ne se lient pas aux cellules des bronches, il faut d'abord modifier le virus pour le rendre apte à pénétrer dans ces cellules.

Modification du virus
Pour rendre le virus capable de se lier aux cellules des bronches, on a cherché un récepteur spécifique de ces cellules. Le document 2 nous informe qu'il existe un tel récepteur, le P2Y2, présent en grandes quantités à la surface des cellules des bronches. Comme le virus ne se lie pas naturellement à cette protéine, on a cherché à en modifier l'enveloppe. Le document 3 indique comment le virus a été transformé. En modifiant les fibres portant les nodules, on peut remplacer certains d'entre eux par des nodules capables de se lier à P2Y2. Dans ces conditions, les nodules se lient à P2Y2 et l'adénovirus modifié peut pénétrer dans la cellule par endocytose. Pour être utile, le virus doit contenir le gène CFTR normal.

Insertion du transgène dans le virus
Le document 4 montre comment le gène CFTR peut être introduit dans le virus. L'ADN viral a la forme d'un anneau. Il est traité par des enzymes, des endonucléases de restriction, capables d'ouvrir l'anneau en coupant l'ADN en un seul site caractérisé par une courte séquence nucléotidique. Parallèlement, le gène à insérer est découpé par des enzymes similaires à partir d'ADN humain normal. Les enzymes utilisées permettent d'obtenir des extrémités simple brin complémentaires entre l'ADN humain et l'ADN viral. Quand les deux ADN sont mis en contact, il se forme une molécule recombinante circulaire comportant le gène CFTR. L'ADN recombinant doit alors être replacé dans des particules virales. Ces particules sont destinées à être administrées au patient.

Si le transgène s'exprime dans les cellules des bronches, le canal chlorure peut être synthétisé normalement et le mucus redevenir normal lui aussi, éliminant les symptômes les plus graves de la maladie.

Conclusion
Le traitement d'une maladie génétique par thérapie génique nécessite donc la construction de vecteurs capables de délivrer spécifiquement un gène normal dans des cellules cibles spécifiques. Le vecteur doit donc comporter l'ADN normal et doit pouvoir reconnaître spécifiquement les cellules cibles et y pénétrer. Toutefois, cela ne règle pas tous les problèmes. En effet, pour être efficace, il faut également que l'ADN étranger soit intégré dans l'ADN de l'hôte et qu'il s'exprime normalement dans les cellules cibles.