SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE

- Série S -

Polynésie - Juin 1999

Durée de l’épreuve : 3 h 30

Coefficient : 6 ou 8



Corrigés

Partie 1

Sujet

Mécanismes de l'immunité

Décrivez les mécanismes par lesquels des cellules infectées par un virus sont reconnues puis détruites par l'organisme au cours de la réponse immunitaire. Un exposé comprenant des schémas est exigé.

On n'envisagera pas l'action du complément.



Avant de commencer
Construire le plan en fonction des étapes de la réaction immunitaire à médiation cellulaire, principale modalité de défense spécifique contre une cellule infectée par un virus.


Corrigé

Introduction

L'introduction d'un agent infectieux dans l'organisme déclenche une réponse immunitaire spécifique dont les modalités diffèrent selon la nature de l'agent. Lorsqu'il s'agit de germes intracellulaires, ce sont principalement des réactions à médiation cellulaire qui sont déclenchées pour aboutir à la destruction de la cellule infectée, ce qui est le cas lorsque l'infection est due à un virus, parasite intracellulaire obligatoire formé d'un acide nucléique inclus dans une enveloppe protéique. Nous examinerons les mécanismes mis en jeu successivement : reconnaissance de la cellule parasitée et induction de la réponse, stimulation des clones immunocompétents et destruction de la cible (phase effectrice). Ces mécanisme assurent la distinction entre cellules non infectées et cellules infectées et leur destruction sélective.

Reconnaissance et induction

Lorsqu’un virus infecte des cellules, une première barrière non spécifique formée par les macrophages est mise en jeu. Les macrophages sont des cellules phagocytaires qui détruisent les cellules infectées par phagocytose. Toutefois, si cette barrière non spécifique s'avère insuffisante pour éradiquer les cellules infectées, elle constitue de toute façon une étape indispensable à l'initiation d'une réponse immunitaire spécifique. En effet, à la suite de la phagocytose, certains produits de dégradation de la cellule infectée, notamment des déterminants antigéniques viraux, sont exprimés sur la membrane des macrophages associés aux marqueurs du CMH (complexe majeur d'histocompatibilité, protéines marqueurs de l'identité biologique de la cellule) : c'est le soi modifié puisque l'identité moléculaire de la cellule est modifiée par la présence d'un déterminant antigénique étranger. Ainsi, le macrophage est également une cellule présentatrice d’antigène (CPA). Voir schéma 1.

Les antigènes viraux ainsi présentés peuvent être reconnus par une catégorie de lymphocytes, des lymphocytes T8 (LT8) spécifiques de l'antigène exprimé. Ces lymphocytes sont à l'origine des cellules effectrices de la réponse immunitaire, les lymphocytes T cytotoxiques (LTc). Cependant, cette reconnaissance n'est possible que si les LT possèdent le même CMH que le macrophage et le récepteur T adapté à l'antigène viral. En effet, les seuls lymphocytes en mesure de se lier à la CPA sont ceux dont le récepteur T a une forme complémentaire à la fois, non seulement, du HLA de la CPA, mais aussi de l’antigène qui lui est associé. On qualifie ce mécanisme de double reconnaissance (schéma 2).

Toutefois, si ce mécanisme permet de sélectionner les clones de LT spécifiques des antigènes viraux, il n'est pas suffisant et doit être complété par une stimulation des LT8.

Stimulation des clones immunocompétents

La transformation des LT8 en LTc nécessite au préalable leur activation par une autre catégorie de lymphocytes, les LT auxiliaires ou LTh (LTh = LT helper). Pour cela, les LTh doivent reconnaître le même antigène que les LT8. C'est encore un mécanisme de double reconnaissance qui permet l'activation des LTh et il obéit à des règles similaires à celles que nous avons vues pour les LT8. En effet, les LTh spécifiques d'un antigène viral reconnaissent l'antigène présenté par une CPA associé aux mêmes marqueurs du CMH que les leurs. Cette reconnaissance déclenche l'activation du clone de LTh correspondant c'est à dire la multiplication des cellules et la production de messagers chimiques intercellulaires, les interleukines. Le clone de LT8 préalablement sélectionné est alors stimulé par ces cytokines et les LT8 vont se transformer en LT cytotoxiques.

Phase effectrice

Les LTc formés à la suite de la stimulation des LT8 sont aptes à reconnaître le même antigène que celui qui est à l'origine de la réponse immunitaire. Aussi, les cellules infectées exprimant à leur surface des antigènes viraux vont être reconnues par le clone de LTc. Là encore, c'est un mécanisme de double reconnaissance (antigène associé au CMH) qui assure la spécificité. Le LTc se fixe à la cellule cible et sécrète des protéines capables de perforer la membrane de la cellule infectée conduisant à la cytolyse de cette dernière. La cellule infectée par le virus étant détruite, la multiplication virale y est stoppée. Enfin, les débris issus de la destruction des cellules cibles sont éliminés par phagocytose par les macrophages.

Le schéma 3 résume les deux dernières phases.

Conclusion

Ainsi, lorsque des cellules sont infectées par un virus, l'organisme déclenche une réaction immunitaire spécifique dont les effecteurs sont des cellules spécialisées (médiation cellulaire). Celle-ci comporte une phase de reconnaissance permettant de sélectionner les clones de cellules effectrices, une phase de multiplication de ces cellules résultant de la stimulation par des LT auxiliaires et une phase effectrice aboutissant à la destruction des cellules infectées. La spécificité étroite de la réponse est assurée par un mécanisme de double reconnaissance permettant aux cellules immunocompétentes de distinguer les cellules infectées des cellules non infectées.



Partie 2

Sujet

Histoire et évolution de la Terre et des êtres vivants

La Phalène du Bouleau est un papillon qui présente deux phénotypes : clair et sombre, déterminés par un couple d'allèles : c "clair" récessif et S "sombre", dominant.

On a remarqué que l'importance relative de ces deux phénotypes a fluctué au cours du temps.

Montrez comment les informations présentées, complétées par vos connaissances, peuvent expliquer l'origine de ces variations.

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Avant de commencer
Montrer que la sélection naturelle peut être responsable de modifications de la fréquence de certains allèles et conduire ainsi à des variations de la répartition des phénotypes. S'agissant d'un exemple classique, il est indispensable de mener une étude rigoureuse des documents pour ne pas prendre le risque de réciter une question de cours.


Corrigé

Introduction

Parmi les mécanismes responsables de l'évolution des espèces, la sélection naturelle a été l'un des premiers à être identifié. L'exemple étudié va nous permettre de montrer qu'elle peut être responsable de modifications de la structure génétique d'une population à l'origine de fluctuations dans la répartition de certains phénotypes.

Génotypes et phénotypes

Les phénotypes clair et sombre de la Phalène du Bouleau sont déterminés par un couple d'allèles dont l'un, dominant, conduit au phénotype sombre (S) tandis que l'autre, récessif, conduit au phénotype clair (c). Ainsi, une Phalène de phénotype clair est nécessairement homozygote c/c tandis qu'une Phalène de phénotype sombre peut être homozygote S/S ou hétérozygote S/c.

Jusqu'en 1848, les populations anglaises de ce papillon étaient exclusivement composées de forme claires comme l'indique le document 1. Elles étaient donc toutes homozygotes c/c. La capture d'un individu de phénotype sombre à cette époque montre qu'une mutation a conduit à la formation de l'allèle S. Ce dernier étant dominant, la présence de ce seul allèle a suffi à conférer le phénotype sombre. Le document 1 montre que ce phénotype s'est inégalement répandu en Angleterre entre 1848 et le début du vingtième siècle puisqu'il ne restait dans les régions industrielles que 5 % de formes claires alors qu'il y en avait 80 % dans les régions rurales. On s'est donc posé le problème de l'origine de cette différence et de sa liaison avec l'environnement suggérée par ces observations. Les expériences présentées dans le document 2 ont été menées pour résoudre ce problème.

Mécanismes de sélection des Phalènes

L'hypothèse initiale à l'origine des expériences présentées était que les formes claires, moins visibles sur des troncs couverts de lichens tels qu'ils sont dans les zones rurales, étaient moins souvent la proie des oiseaux que les formes sombres tandis que dans les régions industrielles où les troncs sont noircis par la suie, les formes sombres, moins visibles, étaient moins souvent la proie des oiseaux.

Les résultats obtenus confirment ces hypothèses. Dans la région industrielle de Birmingham, on a lâché 71 % de papillons de phénotype sombre et 29 % de phénotype clair. Or, parmi les survivants capturés au cours des nuits suivantes, on dénombre 84 % de formes sombres et 16 % de formes claires. Ces dernières ont donc été éliminées davantage que les premières dont le phénotype sombre constitue un avantage sélectif. Inversement, en zone rurale (dans le Dorset) où 51 % de formes sombres et 49 % de formes claires ont été lâchées, on trouve 74 % de survivants de forme claire et seulement 26 % de survivants de forme sombre. Ainsi, lorsque les arbres sont clairs, le phénotype clair constitue un avantage sélectif.

Interprétation

Cet exemple illustre un cas contemporain de sélection naturelle. Dans une population, certains génotypes peuvent conférer un phénotype plus avantageux en fonction des conditions du milieu. Ainsi, dans les régions industrielles, le phénotype sombre est responsable d'une homochromie qui rend plus difficile la détection des papillons par leurs prédateurs. Inversement, dans les régions non polluées, c'est le phénotype clair qui conduit à l'homochromie. Dans ces conditions, le phénotype le mieux adapté tend à se répandre dans la population davantage que l'autre car l'allèle défavorable est contre sélectionné par rapport à l'allèle favorable. Toutefois, si les conditions de milieu changent de nouveau, la fréquence de l'allèle qui avait diminué peut de nouveau augmenter comme on l'observe de nos jours en Angleterre où la fréquence des formes claires augmente de nouveau depuis que le charbon ne constitue plus la première source d'énergie.

Les résultats montrent qu'une mutation apparue dans une population peut s'y maintenir dans certaines conditions d'environnement. Toutefois, aucun des deux allèles n'a disparu dans les populations de Phalènes, ce sont leurs fréquences qui ont changé.

Conclusion

La répartition des différents phénotypes possibles dans une population dépend à la fois des génotypes présents dans cette population et des conditions de milieu. En fonction de ces dernières, la sélection naturelle n'agit pas sur les mêmes phénotypes et conduit à des modifications des fréquences alléliques, donc de la structure génétique de la population. Ainsi, bien que la sélection agisse sur des phénotypes, elle peut aboutir à modifier la répartition des allèles dans la population.



Partie 3 (enseignement obligatoire)

Sujet

Fonctionnement d'un système de régulation

On cherche à établir l'existence d'un contrôle de la sécrétion des gonadostimulines hypophysaires par l'hypothalamus.

Exploitez les documents 1 à 3 pour proposer une réponse argumentée et nuancée à ce problème.

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Avant de commencer
Distinguer les effets de la GnRH sur la sécrétion de LH et FSH respectivement. On peut analyser les documents dans l'ordre de leur présentation. Les problèmes de rétrocontrôle par les hormones sexuelles sont hors sujet.


Corrigé

Introduction

Le fonctionnement de l'appareil génital est contrôlé principalement par le système hormonal. Ainsi, l'activité des gonades dépend notamment de deux hormones, la FSH (hormone folliculostimulante) et la LH (hormone lutéinisante) qui sont sécrétées par l'hypophyse antérieure, elle-même sous le contrôle de l'hypothalamus, comme vont nous permettre de le montrer les informations tirées des documents proposés.

Document 1

Ce document présente en parallèle l'évolution des concentrations en GnRH et LH chez une brebis en fin de phase folliculaire et pendant la phase préovulatoire. La GnRH ou gonadolibérine est une hormone sécrétée par des neurones hypothalamiques et déversée au niveau de l'hypophyse par le système porte hypophysaire. On constate que pendant les 20 premières heures, la sécrétion de GnRH est maintenue à un niveau faible avec des pulses atteignant 1 à 2 pg/mL. Simultanément, on observe que la concentration de LH est également pulsatile avec des valeurs maximales atteignant 1.5 à 2 ng/mL. Après la vingtième heure, on constate une augmentation importante de la fréquence et de l'intensité des pulses de GnRH avec des valeurs dépassant 6 pg/mL et une augmentation considérable de la sécrétion de LH dont les pulses montent jusqu'à 80 ng/mL. C'est le pic préovulatoire de LH.

Bien qu'il semble exister une corrélation entre la sécrétion de GnRH et celle de LH, il n'est pas possible d'apporter la preuve d'une relation de cause à effet entre elles à ce stade.

Document 2

Lorsque des cellules hypophysaires sont cultivées in vitro et qu'on leur administre de la GnRH de façon pulsatile, on constate qu'elles sécrètent de la LH et de la FSH sur un mode pulsatile également et de façon totalement synchrone. En outre, la suppression de la GnRH induisant une diminution de la sécrétion des gonadostimulines, on en déduit que la GnRH stimule la sécrétion des gonadostimulines par les cellules hypophysaires. Toutefois, l'action de GnRH n'a pas exactement le même effet sur la sécrétion des deux hormones puisque l'arrêt de son administration conduit à la diminution régulière de LH tandis que la sécrétion de FSH finit par se stabiliser.

Ainsi, la sécrétion de LH apparaît étroitement dépendante de la GnRH tandis que celle de FSH n'en est que partiellement dépendante puisque les cellules en produisent aussi en son absence.

Document 3

Chez les témoins castrés (groupe A), on constate une sécrétion pulsatile de LH et de FSH autour de valeurs moyennes égales respectivement à 250 ng/mL et 850 ng/mL. Chez les animaux dont la GnRH ne peut exercer son action en raison de l'injection d'anticorps anti-GNRH (groupe B), on observe que la sécrétion de LH est presque totalement abolie tandis que son caractère pulsatile disparaît. Il n'en est pas de même pour la FSH dont la concentration diminue environ de moitié seulement et donc le caractère pulsatile est conservé. Ceci confirme que la sécrétion de LH dépend étroitement de la sécrétion de GNRH tandis que celle de FSH n'est que diminuée par son absence. Enfin, les injections d'un analogue structural de GnRH (groupe C) rétablissent la sécrétion de LH avec des pulses de même fréquence que ceux des injections tandis qu'elles augmentent la sécrétion de FSH sans qu'un parallélisme évident s'observe entre pulses de FSH et rythme des injections.

Ceci confirme l'indépendance partielle de la sécrétion de FSH par rapport à la GNRH.

Conclusion

Ainsi, bien qu'agissant sur un seul type de cellules cibles, les cellules hypophysaires sécrétrices de gonadostimulines, l'hormone hypothalamique GnRH n'a pas exactement les mêmes effets sur la sécrétion de LH et sur celle de FSH. La sécrétion de LH semble étroitement contrôlée tant dans la fréquence des pulses que dans l'intensité de sécrétion par celle de la GnRH tandis que celle de FSH en paraît plus indépendante. Les cellules hypophysaires restent en effet capables de sécréter FSH en l'absence de stimulation hypothalamique et le rythme des pulses apparaît, in vitro, indépendant de celui de GnRH.



Partie 3 (enseignement de spécialité)

Sujet
Fonctionnement d'un système de régulation

Toute variation de pression artérielle consécutive à un changement de volémie (volume sanguin) met en jeu divers mécanismes régulateurs. On étudie un aspect des régulations hormonales impliquées dans une telle situation.

Exploitez les documents fournis pour expliquer comment l'ADH (hormone antidiurétique), neurohormone d'origine hypothalamique, contribue à régler la pression artérielle.

Vous compléterez votre exposé par un schéma fonctionnel limité aux seules informations apportées par les documents.

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Avant de commencer
Il s'agit de montrer le contrôle exercé sur la pression artérielle par la boucle neurohormonale prenant son origine dans les récepteurs cardiaques et aboutissant à la sécrétion d'ADH et à son action sur le rein. Les documents peuvent être analysés dans l'ordre de leur présentation.


Corrigé

Introduction

La pression artérielle est contrôlée en permanence par un ensemble de régulations permettant son maintien à un niveau adapté à l'activité de l'organisme. Les régulations hormonales mettent notamment en jeu l'hormone antidiurétique (ADH) produite par des neurones hypothalamiques. Cette hormone intervient notamment en cas de diminution de la volémie et agit sur l'équilibre hydrique par l'intermédiaire du rein. Les documents présentés permettent d'expliquer par quels mécanismes.

Document 1

Ce document présente l'évolution de la sécrétion d'ADH en fonction des variations de la volémie. On constate que pour une diminution du volume sanguin supérieure à 10 % (-10), l'augmentation de la concentration d'ADH est linéairement proportionnelle à la diminution du volume sanguin.

Le volume sanguin étant un des éléments responsables de la pression sanguine, on en déduit que la concentration plasmatique en ADH est inversement proportionnelle à la pression artérielle.

Document 2

Lorsque l'organisme est soumis à une surcharge hydrique, on constate tout d'abord une diminution rapide de la concentration en ADH qui passe de 2,5 mU/h à 0.5 mU/h en une demi heure puis qui s'annule pratiquement au cours de l'heure suivante. À ce moment, la diurèse qui était d'une vingtaine de mL/h passe en une heure à 2.5 mL/h. Le retour à une diurèse physiologique s'effectue beaucoup plus lentement et la concentration en ADH ne remonte qu'après.

On en conclut que la concentration en ADH semble contrôler la diurèse. Comme son nom l'indique, l'ADH s'oppose à la diurèse et lorsqu'elle est absente, la diurèse augmente considérablement. On en déduit que la composante volémique de la pression artérielle dépend, au moins en partie, de l'ADH.

Document 3

L'expérience présentée dans le document 3 confirme les conclusions précédentes. À la suite d'une injection d'ADH, la diurèse chute considérablement, passant de 4.5 mL/min à moins de 1 mL/mn. L'ADH peut donc intervenir dans le contrôle de la pression artérielle en régulant le volume plasmatique par l'intermédiaire de l'élimination urinaire.

Document 4

L'enregistrement de l'activités des fibres nerveuses issues des barorécepteurs de l'oreillette gauche montre comment les neurones hypothalamiques sécréteurs d'ADH sont mis en activité. On constate que la fréquence des potentiels d'action sur la fibre sensitive est proportionnelle à la pression dans l'oreillette gauche. Plus ces fibres sont actives et plus elles vont inhiber les neurones hypothalamiques avec lesquels elles font synapse. Lorsque ces neurones sont inhibés, ils diminuent voire arrêtent leur sécrétion d'ADH.

Conclusion

Lorsque la pression sanguine augmente dans l'oreillette gauche, suite à une augmentation du volume plasmatique par exemple par surcharge hydrique expérimentale, l'activité des barorécepteurs auriculaires augmente et la fréquence des potentiels d'action sur les fibres sensitives qui en sont issues augmente en conséquence. Il s'en suit une inhibition de l'activité des neurones hypothalamiques sécréteurs d'ADH. Moins d'ADH étant alors sécrétée, les reins éliminent plus d'eau provoquant le rétablissement du volume plasmatique et donc de la pression artérielle à son niveau physiologique. Le schéma suivant résume cette boucle régulatrice neuro-hormonale.