L'origine de la réduction ou de la perte des membres chez les serpents (sujet national, juin 2018, partie 2, ex. 2)

Énoncé

Synthèse
À partir de l'étude des documents et des connaissances, expliquer l'origine de la réduction ou de la perte des membres chez les serpents.
Document de référence
Arbre phylogénétique simplifié de quelques vertébrés
Arbre phylogénétique simplifié de quelques vertébrés
Document 1
Expression du gène de développement Sonic HedgeHog – Shh – dans les ébauches de membres postérieurs à différents stades du développement embryonnaire d'un python et d'un lézard
« Le gène Shh est un gène du développement participant à la formation des membres antérieurs et postérieurs des vertébrés. »

Python
Lézard
Sujet national, juin 2018, partie 2, exercice 2 - illustration 2
Sujet national, juin 2018, partie 2, exercice 2 - illustration 3

« Les pointillés délimitent l'ébauche du membre postérieur de l'embryon.
Les taches noires correspondent aux zones d'expression du gène Shh. »
Leal et Cohn, 2016, Current Biolog 26.

Document 2
Rôle de ZRS, séquence d'ADN régulatrice du gène Shh
Rôle de ZRS, séquence d'ADN régulatrice du gène Shh
Manipulations génétiques
Expression du gène Shh par localisation de l'ARNm de Shh (zones sombres) dans les bourgeons de membres antérieurs d'embryons de souris âgés de 10,5 jours.
Témoin : séquence ZRS de souris non modifiée (mZRS)
Sujet national, juin 2018, partie 2, exercice 2 - illustration 4
Suppression de la séquence ZRS de souris (mZRS)
Sujet national, juin 2018, partie 2, exercice 2 - illustration 5
Insertion de la séquence ZRS de python (pZRS) en remplacement de la séquence ZRS de souris (mZRS)
Sujet national, juin 2018, partie 2, exercice 2 - illustration 6

Kvon et al., 2016, Cell 167.
Document 3
Représentation schématique de la séquence ZRS de différents vertébrés
Représentation schématique de la séquence ZRS de différents vertébrés
Kvon et al., 2016, Cell 167.
Document 4
Réactivation de la séquence ZRS de souris « serpentisées » par génie génétique
« La séquence pZRS(r) est obtenue par génie génétique en insérant la portion E1 de la séquence ZRS de souris dans la séquence ZRS du python »

Séquences ZRS insérées en remplacement de la séquence ZRS de souris
Activité de ZRS
Phénotype des souris
Sujet national, juin 2018, partie 2, exercice 2 - illustration 8

« souris serpentisée » : membres antérieurs et postérieurs atrophiés
Sujet national, juin 2018, partie 2, exercice 2 - illustration 9
+
Membres antérieurs et postérieurs normalement développés

Kvon et al., 2016, Cell 167.
Comprendre la question
Cet exercice porte sur l'origine d'un exemple de diversification du vivant : la réduction ou la perte des membres locomoteurs chez les serpents. Il s'agit de comprendre le contrôle lors du développement embryonnaire de la construction de ces membres chez les Vertébrés. La mise en place de ces membres dépend en partie d'un gène de développement, qu'on étudie ici. L'expression de ce gène est contrôlée par des séquences régulatrices, qui varient selon les espèces étudiées. Il s'agit de construire un raisonnement, qui prend appui sur l'exploitation rigoureuse des documents, leur mise en relation entre eux et avec les connaissances. L'étude des documents dans l'ordre proposé dans l'énoncé permet de préciser au fur et à mesure le contrôle génétique de la mise en place des membres. Les principales difficultés sont la bonne compréhension des documents, notamment des constructions génétiques et l'utilisation du vocabulaire approprié pour décrire l'expression des gènes. Un faible nombre de connaissances est à apporter. La réponse attendue contient une introduction exposant la problématique, puis l'argumentation structurée et enfin la conclusion répondant à la problématique. Aucun schéma n'est exigé par l'énoncé.
Procéder par étapes
1re étape : identifier le type de réponse attendue.
2e étape : extraire des documents les informations en rapport avec le problème scientifique.
3e étape : construire une réponse structurée mettant en relation les informations issues des documents et des connaissances.
Le tableau suivant présente un exemple de démarche construite au brouillon :
Parties du problème
Éléments issus des documents
Éléments issus des connaissances
Introduction : Comment expliquer l'origine de la réduction ou de la perte des membres chez les serpents ?
Fonction du gène Shh
Document 1. L'expression du gène Shh est importante dans les ébauches de membres du lézard et réduite dans celles du python. L'expression du gène Shh entraîne la formation des membres.
Les gènes de développement contrôlent la mise en place des organes lors du développement.
Régulation de l'expression du gène Shh
Document 2. Chez la Souris, le gène Shh s'exprime dans les bourgeons de membres, mais pas ou peu lorsque la séquence régulatrice (ZRS) de Shh est supprimée ou remplacée par la séquence régulatrice du Python. La séquence ZRS du gène Shh de souris active l'expression du gène Shh.
Document 3. Les séquences ZRS de Vertébrés à quatre membres partagent cinq portions E0, E1, E2, E3 et E4 très conservées. Le boa et le python ont perdu les portions E0 et E1. Le cobra présente une séquence ZRS écourtée avec les seules séquences E3 et E4. Les portions E0 et E1 du ZRS semblent nécessaires à l'expression du gène Shh et donc à la présence des membres.
Document 4. Chez une souris, l'insertion de E1 dans une séquence ZRS de python restaure l'activité de ZRS et permet la présence des membres. La portion E1 est nécessaire à l'expression du gène Shh et donc à la présence des membres.
L'expression des gènes peut être sous le contrôle de séquences régulatrices.
Les modifications des séquences régulatrices des gènes de développement sont à l'origine d'une diversification du vivant.
Conclusion

4e étape : rédiger la réponse sur la copie.

Corrigé

Synthèse
Parmi les Vertébrés, le groupe des lézards possède quatre membres locomoteurs, constitués de deux membres antérieurs et de deux membres postérieurs. Les serpents du groupe des boas et des pythons et ceux du groupe des couleuvres et des cobras n'ont pas de membres antérieurs. Les serpents du groupe des boas et des pythons présentent une régression importante de leurs membres postérieurs, sous forme de vestiges, tandis que ceux du groupe des couleuvres et des cobras ont perdu totalement leurs membres postérieurs. Comment expliquer l'origine de la réduction ou de la perte de ces membres chez ces groupes ? Pour répondre à cette question, nous étudierons les caractéristiques de l'expression d'un gène de développement impliqué dans la mise en place des membres chez les Vertébrés, puis nous étudierons l'effet de différentes constructions obtenues par génie génétique pour caractériser la régulation de l'expression de ce gène.
Lors du développement embryonnaire chez les Vertébrés, se mettent en place les ébauches des membres antérieurs et des membres postérieurs. Le document 1 permet de comparer la localisation de l'expression du gène de développement Shh (pour Sonic HedgeHog) dans les ébauches de membres postérieurs au cours du développement embryonnaire du lézard et du python. Le gène Shh est impliqué dans la formation des membres antérieurs et postérieurs chez les Vertébrés. Chez le lézard, le gène Shh s'exprime dans la partie inférieure de l'ébauche du membre postérieur de manière importante et prolongée le long du développement embryonnaire. Chez le python, le gène Shh s'exprime légèrement dans une région peu étendue de la partie inférieure de l'ébauche du membre postérieur. Cette expression n'a lieu qu'au début du développement embryonnaire. Or, un gène de développement, comme le gène Shh, est un gène qui contrôle la mise en place des structures lors du développement. Ainsi, on peut penser que lors du développement embryonnaire, l'expression marquée et prolongée du gène Shh dans l'ébauche des membres postérieurs est responsable de la mise en place de ces membres chez le lézard. Chez le python, l'expression brève et réduite du gène Shh dans l'ébauche du membre postérieur entraînerait la réduction de ce membre. Comment expliquer alors les différences d'expression du gène de développement Shh dans les ébauches de membres de ces Vertébrés ?
Le document 2 compare la localisation de l'ARNm de Shh dans les bourgeons de membres antérieurs d'embryons de souris en fonction de la nature de la séquence régulatrice ZRS du gène Shh. La quantité d'ARNm traduit l'intensité de l'expression du gène correspondant. Chez le témoin, où la séquence régulatrice ZRS est celle non modifiée de souris (appelée mZRS), l'ARNm de Shh est localisé en grande quantité dans la partie inférieure du bourgeon du membre antérieur de l'embryon de souris. La suppression de la séquence régulatrice mZRS de souris du gène Shh entraîne l'absence d'ARNm de Shh dans le bourgeon. Enfin, le remplacement de la séquence mZRS de souris par la séquence pZRS issue du python entraîne une faible présence d'ARNm de Shh. Ainsi, la séquence régulatrice mZRS de souris est responsable d'une forte expression du gène Shh dans l'ébauche du membre antérieur, à l'origine de la présence de ce membre chez la souris. À l'inverse, la séquence pZRS, issue du python, entraîne une très faible expression du gène Shh, ce qui expliquerait la réduction des membres chez le python. Comment expliquer que les différentes séquences régulatrices contrôlent l'expression du gène Shh ?
Le document 3 présente la comparaison des séquences régulatrices ZRS du gène Shh chez différents Vertébrés. Les séquences ZRS de la souris et du lézard présentent cinq portions de séquences très conservées parmi les Vertébrés munis de quatre membres locomoteurs. Il s'agit des portions E0, E1, E2, E3 et E4, placées dans cet ordre le long de la séquence ZRS. Les séquences ZRS du boa et du python sont de même longueur que celles de la souris, mais les portions E0 et E1 sont absentes suite à des délétions de quelques dizaines de nucléotides. Chez le cobra, la séquence ZRS est fortement écourtée suite à une longue délétion au début de la séquence ZRS et les portions E0 et E1 sont donc absentes. Sur la partie restante de la séquence ZRS du cobra, la portion E2 est absente et seules demeurent les portions E3 et E4. On peut donc supposer que chez la souris et le lézard, la présence de E0 et de E1 permet l'expression du gène Shh dans l'ébauche des membres, conduisant à leur formation. L'absence de E0 et de E1 dans les séquences ZRS du boa et du python entraînerait une expression très faible voire nulle du gène Shh, d'où une réduction ou une absence des membres chez ces Vertébrés. Enfin, on peut supposer que la séquence très écourtée de ZRS du cobra, caractérisée par une absence de E0, de E1 et de E2, empêcherait toute expression du gène Shh, d'où l'absence totale de membres chez le cobra.
Le document 4 présente chez la souris l'activité de la séquence ZRS et le phénotype résultant pour deux séquences ZRS obtenues par génie génétique. Le remplacement de la séquence mZRS de souris par la séquence pZRS, issue du python et dépourvue de E0 et de E1, entraîne une activité nulle de la séquence ZRS : le gène Shh n'est pas exprimé. La souris porteuse de cette construction génétique est dite « serpentisée », car ses membres antérieurs et postérieurs sont atrophiés. Toujours chez la souris, l'insertion de la portion E1 de souris dans la séquence pZRS de python entraîne l'activation de la séquence ZRS : le gène Shh s'exprime et les membres antérieurs et postérieurs se développent normalement. Ainsi, on peut en conclure que la présence de la portion E1 (en présence des portions E2, E3 et E4 et en absence de E0) permet au sein de la séquence pZRS de rétablir l'expression du gène Shh et par conséquent le développement des membres.
Ainsi, chez les Vertébrés, la mise en place des membres locomoteurs est sous le contrôle du gène de développement Shh. L'expression importante et prolongée de ce gène dans les ébauches des membres de l'embryon est nécessaire à leur formation. L'expression du gène Shh dépend de sa séquence régulatrice ZRS. Chez les souris et les lézards, la présence de portions très conservées au sein de la séquence ZRS entraîne l'expression du gène Shh conduisant au développement des membres. En particulier, la présence de la séquence E1 semble être indispensable pour l'activation de la séquence ZRS. Chez les boas et les pythons, la délétion de E0 et de E1, et notamment l'absence de E1, empêche l'expression du gène Shh, d'où des membres réduits ou absents. Enfin, la séquence écourtée de ZRS du cobra, marquée par l'absence de E0, E1 et E2, serait responsable d'une absence d'expression du gène Shh, d'où une perte des membres antérieurs et postérieurs. L'étude de cet exemple montre que les caractéristiques de l'expression des gènes de développement (intensité, localisation, chronologie) sont contrôlées par les séquences régulatrices de ces gènes. Les modifications de ces séquences régulatrices sont à l'origine d'une diversification du vivant, à savoir ici la réduction ou la perte de membres locomoteurs parmi les Vertébrés.