SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE

- Série S -

Asie - Juin 1999

Durée de líépreuve : 3 h 30

Coefficient : 6 ou 8



Corrigés

Partie 1 (8 points)

Sujet

Histoire et évolution de la Terre et des êtres vivants

L'innovation génétique conditionne l'évolution des êtres vivants.

Exposez les principaux événements génétiques, sources de cette innovation.

Avant de commencer

Distinguer les nouveaux gènes produits par les divers types de mutations de ceux produits par duplication qui permettent une complexification du génome.

Corrigé

Introduction

L'évolution des êtres vivants est conditionnée notamment par des modifications du patrimoine génétique des espèces qui se transmettent au cours des générations et peuvent conduire à la formation de nouvelles espèces. En effet, le génome peut subir des modifications conduisant à la formation de nouveaux gènes. Ces modifications correspondent à différents types de mutations que nous examinerons dans une première partie. En outre, de nouveaux gènes peuvent être formés par duplication de gènes existants. Conduisant souvent à des familles multigéniques, ils permettent une complexification du génome et de nouvelles fonctions. Nous examinerons ce deuxième type d'innovation génétique en second lieu.

1. Les mutations

Chaque espèce vivante, ensemble des organismes susceptibles de se reproduire entre eux et d'avoir des descendants interféconds, est caractérisée par son patrimoine génétique. Ce dernier est constitué par l'ensemble des gènes partagés par tous les individus appartenant à une espèce donnée. Ces gènes peuvent être modifiés à la suite de mutations. Chaque gène est constitué d'une séquence polynucléotidique déterminée. Bien que globalement très stable en raison de la fidélité des mécanismes de réplication, l'ADN est néanmoins susceptible de subir des modifications de séquence conduisant à de nouveau gènes. Ces modifications, statistiquement rares, sont des mutations. Affectant la séquence des nucléotides d'un gène, elles sont donc d'emblée héréditaires. Divers types de mutations ont été identifiées.

Mutations ponctuelles

Lorsqu'un seul nucléotide est modifié, on parle de mutation ponctuelle. S'il s'agit d'une substitution, un seul codon de l'ADN est modifié, le plus souvent sans conséquence, car soit le codon modifié code le même acide aminé soit la modification d'un seul acide aminé de la protéine ne change ni sa structure ni sa fonction. On parle alors de mutation silencieuse. Toutefois, si la protéine codée par le nouvel allèle voit ses propriétés modifiées, la mutation peut produire des effets phénotypiques majeurs comme dans le cas de l'allèle S de l'hémoglobine humaine qui diffère de l'allèle A par le changement d'un seul nucléotide. En revanche, une simple délétion ou une simple insertion d'un seul nucléotide produisent le plus souvent des effets importants car elles décalent le cadre de lecture du gène et conduisent à une protéine inactive, voire amputée d'une partie de sa séquence si le décalage produit un codon stop. C'est notamment le cas de certaines thalassémies.

Autres mutations

Des modifications importantes du génome résultent des délétions plus ou moins importante de nucléotides. Ainsi, la mucoviscidose est due à une importante délétion. Des insertions (ajout de nucléotides), notamment si elles aboutissent à un décalage du cadre de lecture, peuvent aussi conduire à des protéines non fonctionnelles. C'est notamment le cas de plusieurs formes de thalassémies. Enfin, des séquences particulières peuvent être dupliquées et ajoutées au génome formant des répétitions plus ou moins importantes. Là encore certaines peuvent provoquer de graves maladies génétiques (chorée de Huntington, syndrome de l'X fragile).

Ces innovations sont le plus souvent négatives et éliminées par la sélection naturelle. Toutefois, un gène considéré comme négatif dans un environnement donné peut se révéler positif dans un environnement différent. Il en est ainsi par exemple pour l'allèle S de la ?-globine, favorable ? l'état hétérozygote dans les zones d'endémie du paludisme alors qu'il est défavorable ailleurs car l'hémoglobine qui en résulte réagit en se polymérisant quand la concentration en dioxygène sanguin est insuffisante.

Cependant, l'innovation génétique peut aussi correspondre à l'apparition de nouveaux gènes, sans modification des gènes existant.

2. Duplication génique

C'est parfois l'ensemble d'un gène qui est dupliqué et qui s'ajoute au génome. Ainsi, chez les Vertébrés, la famille des globines est constituée de plusieurs protéines différentes codées par des gènes différents qui se sont ajoutés au cours du temps à un gène de globine initial. Étant donné que le gène initial n'est pas modifié par la duplication, le nouveau gène peut évoluer indépendamment en accumulant des mutations. Il peut ainsi conduire à une nouvelle protéine sans que la fonction du gène initial soit altérée. Plusieurs familles multigéniques sont ainsi connues dont on suppose qu'elles ont favorisé l'apparition de nouvelles caractéristiques.

Chromosomes

Des modifications héréditaires peuvent affecter non seulement la séquence nucléotidique d'un seul gène mais aussi un chromosome entier. Ainsi, la perte ou le gain d'un chromosome peuvent se produire mais se traduisent le plus souvent par de graves affections. C'est le cas par exemple de la monosomie X (syndrome de Turner) ou de la trisomie 21 (syndrome de Down ou mongolisme). Il en est de même des translocations de segments chromosomiques hétérologues. Toutefois, les remaniements chromosomiques ne sont pas seulement source de maladies héréditaires. Ainsi, les caryotypes de l'Homme et du Chimpanzé diffèrent par un nombre limité de modifications chromosomiques aboutissant à un caryotype à 46 et à 48 chromosomes respectivement. Cette observation montre une parenté entre les deux espèces impliquant l'existence d'un ancêtre commun dont le génome a évolué de différentes manières.

Les modifications héréditaires peuvent être encore plus importantes et toucher la totalité de l'équipement chromosomique. On connaît ainsi de nombreuses espèces végétales formées par polyploïdie, c'est à dire par multiplication du nombre de chromosomes.

Conclusion

Divers événements sont source d'innovation génétique. Agissant au niveau des gènes, il s'agit souvent de petites modifications le plus souvent défavorables. Toutefois, des modifications de grande ampleur peuvent se produire, notamment lorsque les mutations affectent des gènes stratégiques comme ceux intervenant dans le développement et certaines d'entre elles peuvent s'avérer favorables notamment lorsque changent certaines conditions de l'environnement. En fin de compte, la sélection naturelle aboutit à la conservation de certaines d'entre elles et à l'élimination de la majorité.



Partie 2 (7 points)

Sujet

Mécanismes de l'immunité

Expliquez les modes d'action des lymphocytes T cytotoxiques lors d'une réponse immunitaire à médiation cellulaire, en exploitant les documents proposés et en utilisant vos connaissances.

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Avant de commencer
Les photographies montrent la phase effectrice tandis que les expériences montrent la double spécificité des lymphocytes T (antigène et CMH). Utilisez vos connaissances pour les interpréter et les compléter.


Corrigé

Introduction

L'immunité à médiation cellulaire, dont les effecteurs sont des lymphocytes T cytotoxiques (LTc), est mise en jeu lorsque le système immunitaire détecte du soi modifié à la surface des cellules soit parce qu'elle sont infectées par un germe cellulaire, soit parce qu'elles expriment une mutation comme les cellules tumorales. Les LTc qui sont alors formés détruisent les cellules cibles de façon étroitement spécifique. Les documents proposés permettent d'expliquer le mode d'action de ces lymphocytes.

Document 1.

Le document 1 illustre la double spécificité de l'immunité à médiation cellulaire assurée par les lymphocytes T (LT). Lorsqu'une souris de lignée A est infectée par le virus de chorioméningite (VCM), une réponse immunitaire est déclenchée. Les LT produits par cet animal sont prélevés et testés pour leur immunocompétence vis à vis de diverses cibles. Le cas n° 1 montre que ces LT rendent possible la destruction de fibroblastes d'une souris de lignée A infectés par le VCM. En revanche, le cas n° 2 montre que ces LT ne permettent pas la destruction de ces fibroblastes s'ils ne sont pas infectés. Il en est de même s'ils sont infectés par un autre virus, celui de la vaccine, comme le montre le cas n° 3. De même, les fibroblastes ne sont pas détruits s'ils proviennent d'une autre lignée de souris même s'ils sont infectés par le VCM.

Interprétation

La réponse immunitaire à médiation cellulaire résulte de la coopération entre différents types de cellules. Initiée par la présentation des antigènes, ici d'origine virale (VCM), par des cellules spécialisées, notamment les macrophages, aux LT, elle se poursuit par la prolifération de clones de LT. Ces LT sont capables de reconnaître et de lier un déterminant antigénique viral associé aux molécules du complexe majeur d'histocompatibilité (CMH), marqueur de l'identité biologique individuelle. De cette façon, les LT qui se forment ne peuvent agir que sur des cellules ayant le même CMH (celles de l'hôte de la réponse) exprimant le même déterminant antigénique que celui ayant déclenché la réaction. Deux catégories de LT coopèrent au cours de cette réaction. Les LT auxiliaires produisent des cytokines qui stimulent des LT précytotoxiques. Ces derniers donnent naissance à des clones de LTc, les véritables effecteurs de la réaction.

Document 2.

Le document 2 est une photographie prise au microscope électronique de deux LTc à proximité d'une cellule cible dans une culture in vitro. Le document 2.a montre un contact étroit entre les membranes cytoplasmiques du LTc et de la cellule cible qui forment par ailleurs quelques pseudopodes. Dans le document 2.b, montrant des cellules à un autre stade après quelques heures de culture, la cellule cible a été cytolysée et son contenu se disperse dans le milieu de culture.

Interprétation

Les LTc agissent sur leurs cellules cibles en y accolant leur membrane et en produisant des substances qui perforent la membrane plasmique de la cellule cible. Le milieu extracellulaire pénètre alors en masse dans la cellule cible qui éclate.

Conclusion

L'immunité à médiation cellulaire surveille les populations cellulaires de l'organisme. Lorsqu'elle détecte du soi modifié sur des cellules, une coopération cellulaire s'engage entre deux sous populations de LT, les LT auxiliaires et les LT cytotoxiques. Ces deux sous populations reconnaissent et lient le même déterminant antigénique à condition qu'il soit associé à des molécules du CMH identiques à celles des LT. Les LT auxiliaires provoquent alors la différenciation des LTpré-Tc en LTc. Ces derniers détruisent les cellules cibles.


Partie 3 (enseignement obligatoire) (5 points)

Sujet

Fonctionnement d'un système de régulation

Au cours des cycles sexuels féminins, l'utérus présente des variations de masse et d'aspect sous la dépendance des hormones ovariennes.

Montrez comment l'effet des hormones ovariennes, au niveau cellulaire, rend compte des modifications de la masse de l'utérus.

(On rappelle que l'utérus est composé du myomètre ou muscle utérin et de l'endomètre ou muqueuse utérine).

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Avant de commencer
On n'est pas obligé de prendre les documents dans l'ordre de leur présentation ce qui permet de suivre une argumentation logique sous forme d'enchaînement de causes et d'effets (document 1, puis 4, puis 2, puis 3).


Corrigé

Introduction

L'utérus est un organe creux dont la paroi comporte deux couches, une couche interne, l'endomètre et une couche externe, le myomètre. Le myomètre est une couche musculaire tandis que l'endomètre est une muqueuse au sein de laquelle s'implante l'embryon au début de la gestation (nidation). Au cours des cycles sexuels, l'utérus se modifie ce qui rend possible la nidation. Ces modifications, notamment de masse, sont sous le contrôle des hormones ovariennes. Nous examinerons comment les hormones ovariennes agissent sur les cellules de l'utérus.

Document 1.

On constate que l'injection d'ústradiol à des rates impubères ou castrées provoque une augmentation de masse de l'utérus d'autant plus importante que le nombre d'injections a été plus important. Ainsi, si les injections sont répétées, la masse de l'utérus atteint un maximum d'environ 90 mg alors qu'elle reste voisine de 15 mg en l'absence d'injections. Ainsi, jusqu'à un maximum, l'augmentation de masse de l'utérus dépend de la quantité d'ústradiol reçue. Toutefois, on ne sait pas quelle sont les contributions respectives de l'endomètre et du myomètre à cette augmentation de masse.

Document 4.

Le texte du document indique que la progestérone provoque aussi une augmentation de masse de l'utérus, plus spécifiquement de l'endomètre, mais que son action s'exerce uniquement s'il y a eu au préalable un traitement par l'ústradiol. Ainsi, les deux hormones ovariennes, ústradiol et progestérone participent à l'augmentation de masse de l'utérus mais la progestérone agit sur l'endomètre et son action ne se produit qu'à la suite de celle de l'ústradiol. De plus, l'expérience montre que cette action séquentielle est liée à l'effet de l'ústradiol sur les cellules de l'endomètre. En effet, cette hormone provoque la multiplication des récepteurs protéiques à la progestérone sur les cellules de l'endomètre ce qui explique que l'action de la progestérone ne peut s'effectuer sans une imprégnation ústrogénique préalable. D'autre part, puisque l'ústradiol provoque l'apparition de nouvelles molécules protéiques, on peut supposer qu'il agit au niveau des gènes. Le document 2 confirme cette hypothèse.

Document 2.

Les résultats de l'expérience du document 2 montrent que l'efficacité respective de la fixation d'ústradiol et d'aldostérone sur la chromatine diffère en fonction de l'origine de cette dernière. La chromatine provenant de l'utérus fixe l'ústradiol avec une efficacité supérieure à la chromatine de rein. Inversement, la chromatine de rein fixe l'aldostérone, une hormone sécrétée par le rein, plus efficacement que l'ústradiol. Ceci montre d'une part que ces hormones stéroïdes interagissent avec la chromatine et d'autre part qu'elles ont plus d'affinité vis à vis de la chromatine de leurs cellules cibles respectives et donc une meilleure efficacité. On peut supposer que l'interaction hormone-chromatine va déclencher l'activation de certains gènes à l'origine des effets observés. C'est ce que confirme le document 3.

Document 3

On observe qu'à la suite d'une injection d'ústradiol, deux catégories de molécules augmentent progressivement au cours du temps. D'abord des ARN messagers (ARNm) puis des protéines. Ce profil est caractéristique d'une stimulation de la machinerie de biosynthèse protéique de la cellule. Elle résulte vraisemblablement de la stimulation de la transcription puis de la traduction produites par l'ústradiol au niveau des cellules de l'endomètre et pourrait rendre compte de l'apparition des récepteurs à la progestérone. Cependant, comme l'ústradiol provoque secondairement la multiplication des cellules de l'endomètre, ce dernier phénomène pourrait être aussi la conséquence de l'activation de la protéosynthèse, condition nécessaire à la prolifération des cellules.

Conclusion

L'ensemble des documents suggère que les modifications de la masse de l'utérus ont pour origine l'action des hormones ovariennes, principalement sur l'endomètre. L'ústradiol produit par l'ovaire agit sur les cellules de l'endomètre en se liant à la chromatine. L'hormone active certains gènes, vraisemblablement ceux des récepteurs à la progestérone et ceux nécessaires à la prolifération des cellules. Ceci se traduit dans un premier temps par une augmentation des ARNm correspondants puis par l'apparition de protéines. Il s'agit sans doute d'une part des récepteurs de la progestérone et d'autre part des protéines nécessaires à la prolifération des cellules endométriales. Ainsi, le nombre de récepteurs à la progestérone augmente, permettant ainsi l'action de la progestérone, et la masse de l'utérus continue à augmenter.


Partie 3 (enseignement de spécialité, 5 points)

Sujet

Fonctionnement d'un système de régulation

Déterminez le mécanisme mis en jeu dans la correction de la pression artérielle suite à une hémorragie, à partir de l'exploitation des documents 1 à 4.

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Avant de commencer
Démonter les mécanismes de la boucle de régulation nerveuse présentés dans les documents. On peut mener leur exploitation dans l'ordre de leur présentation.


Corrigé

Introduction

Divers mécanismes nerveux et hormonaux concourent à la régulation de la pression artérielle. Lors d'une hémorragie, l'organisme corrige rapidement les perturbations de la pression artérielle. Quels document 1mécanismes sont mis en jeu ?

Document 1.a.

Le document 1.a montre quíà la suite díune hémorragie la pression artérielle systolique chute passant de 12 cm de mercure à 8 cm. Cependant, à la suite de l'hémorragie, la pression systolique remonte à sa valeur initiale ce qui montre l'efficacité des mécanismes de régulation mis en jeu. Le document 1.b montre que le cúur constitue un effecteur de la correction de la pression artérielle.

Document 1.b.

Le document montre qu'avant l'hémorragie le débit cardiaque est de 5.25 L/min. Il chute à 2.8 L/min immédiatement après l'hémorragie pour remonter à 4.47 L/min cinq minutes plus tard ce qui rend compte des variations de pression systolique observées dans le document 1.a. En outre, les mesures du volume systolique et de la fréquence cardiaque montrent que l'hémorragie provoque une diminution du volume systolique de 75 mL à 40 mL sans que la fréquence cardiaque soit modifiée (70/min). C'est donc la chute du volume systolique qui explique la diminution du débit cardiaque à l'origine de la chute de pression artérielle lors de l'hémorragie. En revanche, les mécanismes régulateurs agissent à la fois sur la fréquence cardiaque et sur le volume systolique. Cinq minutes après l'hémorragie, le volume systolique est remonté à 53 mL et la fréquence cardiaque à 90/min ce qui explique la remontée du débit cardiaque à 4.47 L cinq minutes après l'hémorragie. Comment sont modifiés le volume systolique et la fréquence cardiaque lors de l'hémorragie ?

Documents 2 et 3.

Le document 2 présente une partie de l'innervation cardiaque chez un Mammifère dont les expériences du document 3 permettent de connaître les fonctions. La section du pneumogastrique provoque une augmentation de la pression artérielle. Ce nerf exerce donc un effet modérateur sur l'activité du cúur par l'intermédiaire de ses terminaisons cardiaques. Étant donné que la stimulation du bout central à la suite de sa section est sans effet alors que la stimulation du bout périphérique provoque une diminution de la pression artérielle, cela confirme que le pneumogastrique est un nerf efférent dont l'activité produit une baisse de la pression artérielle.

La section du nerf de Héring produit une augmentation de la pression artérielle. Toutefois, contrairement au pneumogastrique, c'est un nerf sensitif comme le montre l'absence d'effet de la stimulation de son bout périphérique après section alors que la stimulation de son bout central provoque une diminution de la pression artérielle. Compte tenu de l'organisation des neurones dans le bulbe rachidien, ces résultats indiquent que les messages transmis par le nerf de Héring ont pour effet de mettre en activité le pneumogastrique ce qui a pour effet de ralentir le cúur. On en déduit que le centre bulbaire indiqué sur le schéma du document 2 est un centre cardiomodérateur. Quelle est l'origine des messages transportés par le nerf de Héring qui activent le centre bulbaire ?

Document 4.

Les enregistrements du document 4 montrent que les messages transmis par le nerf de Héring dépendent de la pression dans le sinus carotidien. Lorsque l'on augmente artificiellement cette dernière, on constate que la fréquence des potentiels d'action enregistrés sur une fibre de ce nerf est proportionnelle à la pression dans le sinus. On en déduit que les terminaisons dendritiques des fibres de ce nerf sont barosensibles et informent le centre bulbaire de la pression sanguine dans le sinus.

Conclusion

Le contrôle de la pression artérielle lors d'une hémorragie est donc un mécanisme réflexe fondé sur une boucle de régulation nerveuse. La diminution de pression due à l'hémorragie est détectée par les barorécepteurs du sinus carotidien ce qui détermine une diminution de la fréquence des potentiels d'action sur les fibres afférentes du nerf de Héring. Il en résulte une baisse d'activité des neurones du centre cardiomodérateur bulbaire entraînant une baisse d'activité du nerf pneumogastrique. Ce dernier étant lui-même cardiomodérateur, il s'en suit une augmentation de la fréquence cardiaque et du volume systolique ce qui a pour conséquence d'augmenter le débit cardiaque et donc la pression artérielle corrigeant ainsi sa diminution initiale.