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

Corrigés



Partie 1 (8 points)

Sujet

Évolution biologique : la lignée humaine

Les Hominidés (exemple : Homme) et les Pongidés (exemple : Chimpanzé, Gorille) appartiennent à l'ordre des Primates.

Après avoir exposé de façon structurée les comparaisons anatomiques et chromosomiques montrant les différences entre ces deux familles, donnez les critères d'appartenance à la lignée humaine.



Avant de commencer
Présenter les comparaisons anatomiques sous forme de tableau et montrer que les critères d'appartenance à la lignée humaine résident dans les différences apparues entre familles issues d'un ancêtre commun.

Corrigé

Introduction
Les Hominidés partagent avec les autres Primates et notamment avec les Pongidés, les Primates les plus proches de lui, de nombreux caractères reçus d'un ancêtre commun vivant il y a 5 à 7 millions díannées. Ils possèdent également des caractéristiques propres, en particulier anatomiques et chromosomiques. Ces caractéristiques permettent de définir des critères díappartenance à la lignée humaine.

Comparaison anatomique
Même síil existe de nombreuses différences, certaines díentre elles sont particulièrement importantes car elles ont dû conditionner líévolution ultérieure de la lignée. Le tableau ci-dessous présente les principales différences anatomiques entre Hominidés et Pongidés.




Les principales différences anatomiques sont celles qui correspondent à la bipédie et au développement du cerveau. En effet, la libération de la main et le développement du cortex cérébral sont à l'origine des capacités proprement humaines à fabriquer des outils.

Comparaison chromosomique
Chez le Chimpanzé, il y a 2n chromosomes = 48 tandis que chez l'Homme, on trouve 2n chromosomes =  46. Ceci résulte de la fusion de deux chromosomes de Chimpanzé en un seul chez l'Homme. D'autre part, plus de la moitié des chromosomes sont identiques chez les deux espèces et les autres résultent pour la plupart de remaniements de segments homologues identifiables par la coloration des bandes. On estime que seulement 2 % de l'information génétique diffèrent entre les deux espèces. Ainsi, des modifications majeures conduisant à une nouvelle lignée ayant connu un grand succès évolutif ne correspondent pas nécessairement à des différences génétiques majeures.

Critères díappartenance à la lignée humaine
Ils découlent des différences entre Hominidés et Pongidés. Sur le plan anatomique, on considère comme appartenant à la lignée humaine les Primates ayant acquis la bipédie, un cerveau développé et, en conséquence, la capacité à fabriquer des outils, une des caractéristiques essentielles de líHomme. Ceci a été favorisé par la libération du membre antérieur, devenu inutile à la locomotion avec l'acquisition de la station verticale et de la bipédie. L'apparition du langage articulé rend possible une pensée abstraite, conceptuelle et logique, qui fait également partie des principaux critères de définition de líespèce humaine. Le langage et la pensée ont conduit, en outre, à la culture au sens large, cíest à dire à toutes les manifestations artistiques, magico-religieuses, sociales etc.
Si les Chimpanzés ne répondent à aucun des critères précédents, il níen est pas de même de divers fossiles de primates trouvés dans des couches datant au plus de 4 à 5 Ma. L'identification de caractéristiques comme la bipédie ou l'outillage lithique permet de les considérer comme faisant partie de la lignée humaine.

Conclusion
Les caractéristiques principales de líespèce humaine, bipédie, développement du cerveau et culture sont apparues progressivement chez les Hominidés successifs au cours d'une évolution de quelques millions d'années à partir d'un ancêtre commun avec les Pongidés. Au cours de cette période, des caractéristiques, comme la brachiation que líon trouve encore chez les singes, ont disparu dans la lignée humaine tandis que de nouvelles apparaissaient comme la bipédie. Cette acquisition progressive, líhominisation, a accentué les différences avec les Pongidés dont líévolution nía pas été marquée par de telles acquisitions nouvelles même síils restent très proches de nous sur le plan génétique.



Partie 2 (7 points)

Sujet

Fonctionnement d'un système de régulation

À partir de l'exploitation des documents 1 et 2 et de vos connaissances, expliquez les mécanismes hormonaux permettant l'ovulation.

Accès au sujet complet (documents)


Avant de commencer
Le fonctionnement de l'axe hypothalamo-hypophysaire se déduit des expériences présentées. Il faut faire ensuite appel aux connaissances pour expliquer l'action des gonadostimulines sur l'ovaire et les mécanismes de rétrocontrôle.

Corrigé

Introduction
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 avoir établi les relations hormonales entre les différents organes impliqués à partir de l'étude des documents, nous préciserons certains points essentiels du déterminisme hormonal de l'ovulation.

Document 1
La disparition des cycles après ablation de l'hypophyse et la restitution de fonction obtenue par injections d'extraits hypophysaires montre que le cycle ovarien et le cycle utérin sont sous le contrôle d'hormones hypophysaires. Toutefois, en ce qui concerne le cycle utérin, l'action des hormones hypophysaires nécessite un relais ovarien ce qui montre que ce sont des hormones ovariennes sécrétées sous le contrôle des hormones hypophysaires qui contrôlent le cycle utérin.
L'expérience B montre que les hormones sécrétées par l'hypophyse sont les gonadostimulines FSH et LH.

Document 2
La destruction du noyau arqué faisant disparaître les cycles et l'ovulation, et l'injection de Gn-RH étant susceptible de restituer les fonctions disparues, on en déduit que l'hypophyse est contrôlée par l'hypothalamus dont le noyau arqué produit du Gn-RH. Il s'agit d'une neurosécrétion des neurones du noyau arqué qui se déverse au niveau du système porte hypophysaire avant d'aller agir sur l'hypophyse. L'action sur l'hypophyse dépend du mode d'injection. Seules des injections répétées, mimant une sécrétion pulsatile sur un rythme horaire, rétablissent le cycle et l'ovulation. En effet, comme le montrent les graphiques, lorsque les injections sont discontinues, la sécrétion des gonadostimulines passe de 2,5 à 15 ng.mL-1 pour la LH et de 10 à 100 ng.mL-1 pour la FSH alors qu'elle diminue lorsque l'administration est continue.

Explications complémentaires
Étant donné que la sécrétion de FSH et LH augmente à la suite de l'administration de Gn-RH, l'ovaire va être stimulé et l'ovulation va se produire. C'est le pic de sécrétion de ces deux hormones qui déclenche naturellement l'ovulation. Dans les conditions physiologiques, le pic ovulatoire se produit lorsque l'axe hypothalamo-hypophysaire est soumis au rétrocontrôle positif de l'ústradiol. Ceci se produit peu avant l'ovulation lorsque la sécrétion d'ústrogènes augmente sous l'action des gonadostimulines hypophysaires. Alors que les ústrogènes freinaient l'axe hypothalamo-hypophysaire en début de cycle, leur action devient stimulatrice produisant un autorenforcement du système. Il y a dès lors une amplification considérable de la production des gonadostimulines aboutissant rapidement au pic ovulatoire.

Conclusion
On peut résumer la séquence des mécanismes hormonaux permettant l'ovulation à partir de l'hypothalamus. Les neurones du noyau arqué sécrètent sur un mode pulsatile la gonadolibérine Gn-RH qui stimule les cellules gonadotropes de l'hypophyse. Celles-ci répondent en sécrétant FSH et LH qui agissent sur les follicules ovariens. Ceux-ci produisent de plus en plus d'oestrogènes qui après avoir limité la production de FSH et LH la stimulent (rétrocontrôle positif) aboutissant au pic ovulatoire des gonadostimulines. Le pic de sécrétion des gonadostimulines provoque la rupture du follicule mûr et la libération de l'ovocyte.


Partie 3 (enseignement obligatoire, 5 points)

Sujet

Mécanismes de l'immunité

À partir de l'exploitation logique des documents fournis, montrez comment le fútus échappe aux mécanismes immunitaires de défense de sa mère pendant la grossesse.
Un schéma bilan est attendu.

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Avant de commencer
Les systèmes de reconnaissance présentés diffèrent de ceux étudiés en classe mais ils obéissent aux mêmes principes. Identifier dans les documents les interactions moléculaires possibles entre cellules immunitaires et cellules du trophoblaste pour montrer que ces dernières ne peuvent pas être attaquées par le système immunitaire. On peut analyser les documents dans l'ordre où ils sont donnés.

Corrigé

Introduction
Un fútus présente à la surface de ses cellules des protéines HLA différentes de celles de sa mère puisque la moitié de ses gènes lui sont apportés par le gamète paternel. Pour le système immunitaire de la mère, il constitue donc du non soi et devrait être éliminé s'il n'existait pas des mécanismes de protection. Les documents proposés permettent d'en mettre certains en évidence.

Le trophoblaste
Les données indiquent que les cellules du fútus ne sont pas en contact direct avec le système immunitaire maternel en raison de la présence d'un tissu particulier, le trophoblaste. Elles ne peuvent donc être ni identifiées comme du non soi ni détruites par le système immunitaire maternel. En revanche, le trophoblaste est en contact avec le système immunitaire maternel mais les caractéristiques de ses marqueurs membranaires lui permettent d'échapper aux défenses immunitaires. En effet, l'absence de marqueur HLA classique laisse supposer que ces cellules ne seront pas reconnues comme du non soi. Quant à l'antigène HLA-G, il leur permet, comme on le verra, d'échapper aux cellules tueuses NK.

Document 1
Les lymphocytes T cytotoxiques (LTc) surveillent les populations cellulaires de l'organisme et détruisent par cytolyse les cellules étrangères (non soi) ou les cellules de l'organisme exprimant un antigène étranger (soi modifié). Les cellules trophoblastiques devraient donc être détruites comme une allogreffe par l'immunité à médiation cellulaire. Cependant, comme la reconnaissance nécessite l'association de l'antigène à une protéine HLA, marqueur du soi, et que les cellules du trophoblaste n'expriment pas de HLA classique, elles ne peuvent être identifiées comme étrangères par les LTc et elles échappent à leur action. L'expérience confirme cette absence de reconnaissance et de destruction par les LTc, cellules effectrices spécifiques de l'immunité cellulaire, pour lesquelles les cellules du trophoblaste sont donc indétectables.

Document 2
Ce document présente une catégorie de cellules, les NK, qui ont une action sur les cellules dépourvues de marqueurs HLA classiques, ce qui est le cas des cellules du trophoblaste. On pourrait donc s'attendre à ce qu'elles soient détruites par les NK. Toutefois, les NK sont dotés d'un système de reconnaissance du marqueur HLA-G qui inhibe leur action cytolytique (récepteur KIR). Comme les cellules du trophoblaste possèdent le marqueur HLA-G, elles inhibent l'action des NK qui se lient à ce marqueur par leur récepteur KIR. Les expériences menées in vitro vérifient ces hypothèses et confirment l'importance de HLA-G pour la protection. En effet, si on empêche cette protéine d'être reconnue par le récepteur KIR avec des anticorps qui la reconnaissent, les cellules sont détruites malgré la présence du marqueur parce que les NK ne sont plus inhibés. La deuxième série d'expériences confirme l'innocuité des NK pour les cellules trophoblastiques et montre que le récepteur KIR reconnaît les protéines HLA-G d'individus différents. Ainsi, quel que soit le groupe HLA du père, le fútus restera protégé de l'action du système immunitaire maternel.

Conclusion
La protection des cellules fútales est assurée par une barrière cellulaire, le trophoblaste, dont les caractéristiques des marqueurs membranaires permettent à ses cellules, à la fois d'échapper aux LTc par l'absence de HLA classique et aux cellules NK par leur marqueur HLA-G qui neutralise les NK en se liant au récepteur KIR. Ces mécanismes non spécifiques protègent le fútus quel que soit le groupe HLA du père.



Partie 3 (enseignement de spécialité, 5 points)

Sujet

Unicité génétique des individus et polymorphisme des espèces

Corentin, fils d'Alain et de Béatrice, est atteint de retard mental. Le couple attend un second enfant et souhaite savoir s'il sera affecté du même retard mental que son frère.
Une analyse d'ADN est pratiquée. Le résultat est donné par le document 3.
À partir des informations tirées des trois documents, précisez l'origine biochimique de la déficience de Corentin et faites un diagnostic pour l'enfant à naître.

Accès au sujet complet (documents)


Avant de commencer
Retrouver l'anomalie génétique correspondant au phénotype "retard mental" et démontrer que le phénomène cellulaire responsable de la destruction des neurones est l'excès de purines. Montrer que l'anomalie est responsable des événements biochimiques conduisant à cet excès en raison d'une enzyme 2 anormale. Le diagnostic repose sur l'identification du nombre d'exemplaires de 21 q 22.1.


Corrigé

Introduction
L'analyse de l'ADN, notamment par l'analyse de Southern, permet d'identifier, dès avant la naissance, certaines anomalies génétiques à l'origine de pathologies graves. Après avoir déterminé les causes génétiques et les mécanismes biochimiques à l'origine du retard mental de l'enfant, un diagnostic fondé sur l'analyse de l'ADN pourra être établi pour le fútus.

Origine génétique du retard mental de Corentin
Les résultats des dosages sanguins du document 1 montrent que le retard mental est associé à une suractivité de l'enzyme 2 de la chaîne de biosynthèse des purines, une enzyme qui catalyse la transformation de la phosphoribosylamine en glycinamide ribonucléotide. Cette suractivité semble liée à la présence de trois exemplaires du fragment 21 q 22.1 du chromosome 21, donc à trois exemplaires du gène Gart puisque la carte cytogénétique du document 1 montre que le locus du gène Gart correspond à la bande 21 q 22.1. Lorsqu'il n'existe que deux exemplaires de ce fragment chromosomique, l'activité de l'enzyme 2 est plus faible et il n'y a pas de retard mental. Les résultats du test de Southern présentés sur le document 3 confirment l'existence chez Corentin de trois exemplaires du gène Gart, c'est à dire de trois allèles. Un a été reçu de sa mère, un de son père et le troisième peut venir de l'un ou l'autre. Ils correspondent à trois fragments 21 q 22.1 différents. La présence de trois exemplaires d'un même fragment chromosomique suggère que Corentin possède de l'ADN en excès à l'origine de sa maladie.
Quelles sont les conséquences biochimiques de cette anomalie génétique ?

Anomalies des neurones liées à la biosynthèse des purines
Les dosages sanguins montrent que la suractivité de l'enzyme 2 est associée à une augmentation du taux sanguin de purines de l'ordre de 50 % par rapport à l'activité normale. Or, comme l'indiquent les résultats des cultures présentés au document 2, le fonctionnement correct des neurones dépend de la concentration en purines. Lorsque le milieu est enrichi en purines (culture 1), les neurones dégénèrent. Un excès de purines conduit donc à la mort neuronale. Inversement, les cellules ayant perdu la capacité à fabriquer des purines, par exemple par mutation de l'enzyme 2 (culture 2, cellules CHO), dégénèrent si on ne leur fournit pas de purines dans le milieu. En revanche, les hybridomes réalisés avec les cellules CHO et les cellules humaines subsistent lorsqu'ils conservent le chromosome humain 21, donc lorsqu'ils sont en mesure de fabriquer une enzyme 2 normale.

En résumé, chez l'enfant atteint, un exemplaire en surnombre du gène Gart conduit à un excès d'enzyme 2 responsable d'une synthèse excessive de purines. L'excès de purines est à l'origine de la mort de neurones dans le système nerveux central qui explique le retard mental affectant l'enfant Corentin.

Diagnostic de l'enfant à naître
Le document 3 présente les résultats du test de Southern effectué chez les membres de la famille. On constate que le fútus possède deux exemplaires du gène Gart correspondant à deux allèles différents, l'un reçu de son père, l'autre de sa mère, donc deux fragments 21 q 22.1. On en déduit que l'enzyme 2 chez cet enfant aura une activité normale (100 u.a.) conduisant à un taux de purines normal, de l'ordre de 79 mmol.L-1. Il ne présentera donc pas de retard mental puisque ce dernier apparaît seulement lorsque sont présents trois exemplaires de 21 q 22.1 dans son génome.

Conclusion
Le défaut génétique conduisant au retard mental chez Corentin est absent chez le fútus. L'anomalie correspond à la présence d'ADN en excès conduisant à une synthèse excessive de purines responsable de la mort des neurones. Il pourrait donc s'agir d'une trisomie 21 à l'origine d'un Syndrome de Down (Mongolisme) ou d'une duplication de la bande 21 q 22.1 dans le génome des malades.