Lorsque deux gènes sont portés par le même chromosome, ils ne ségrègent plus indépendamment : les combinaisons parentales sont majoritaires et les recombinées, dues aux crossing-over, minoritaires. Ce chapitre explique comment Morgan a établi le linkage chez la drosophile, comment la fréquence de recombinaison mesure une distance génétique et comment le test à trois points permet d'ordonner les gènes sur une carte. C'est le chapitre le plus calculatoire du module et l'un des plus notés.
1. Morgan et la drosophile, organisme modèle
Thomas Hunt Morgan (prix Nobel 1933) a établi le phénomène des gènes liés et du crossing-over chez Drosophila melanogaster. La mouche du vinaigre est un modèle idéal : petite taille (2 à 4 mm), élevage facile sur milieu sucré, dimorphisme sexuel net qui facilite les croisements, femelles pondant environ 200 œufs et cycle d'environ 10 jours à 25 °C, nombre chromosomique réduit (2n = 8) et grand nombre de souches mutantes disponibles. Particularité utile en exercice : chez le mâle de drosophile, il n'y a pas de crossing-over, ce qui impose de choisir la femelle comme parent hétérozygote dans un test-cross.
2. Linkage complet et linkage incomplet
On dit que deux gènes sont liés (linkage) lorsqu'ils sont portés par le même chromosome. Le test-cross d'un dihybride [AB] par le double récessif aa bb distingue trois situations. Gènes indépendants : quatre classes à 25 % chacune. Linkage incomplet : quatre classes mais inégales, par exemple 40 % [AB], 40 % [ab] (types parentaux, gamètes sans crossing-over entre A et B) et 10 % [Ab], 10 % [aB] (types recombinés, issus d'un crossing-over entre les deux gènes). Linkage complet : seulement deux classes parentales à 50 %, aucun crossing-over n'ayant lieu entre les gènes (cas du mâle de drosophile ou de gènes très proches). Les recombinés sont toujours minoritaires et les deux classes recombinées sont équifréquentes, de même que les deux classes parentales.
3. Couplage (cis) et répulsion (trans)
Morgan étudie chez la drosophile les gènes purple (pr, yeux pourpres) et vestigial (vg, ailes vestigiales), tous deux récessifs et autosomiques. Croisement pr vg / pr vg × pr+ vg+ / pr+ vg+ : la F1 est en position cis (ou couplage), les deux allèles sauvages sur le même chromosome. Son test-cross donne 1 339 sauvages, 1 195 pourpres vestigiales (parentaux) et 151 + 154 recombinés sur 2 839 mouches. Croisement pr+ vg / pr+ vg × pr vg+ / pr vg+ : la F1 est en position trans (ou répulsion), et ce sont alors les phénotypes [pr+ vg] et [pr vg+] qui sont majoritaires (965 et 1 067) tandis que sauvages et doubles mutants sont minoritaires (157 et 146). Les mêmes gamètes sont donc parentaux ou recombinés selon l'arrangement de départ : la phase (cis ou trans) de la F1 se déduit toujours des classes majoritaires du test-cross, et la fréquence de recombinaison est identique dans les deux cas (environ 11 %).
4. Fréquence de recombinaison et distance génétique
La distance génétique entre deux gènes liés est définie par la fréquence de recombinaison : (nombre de descendants recombinés / nombre total) × 100. L'unité est le centimorgan (cM) ou unité de carte (U.C.) : 1 cM correspond à 1 % de recombinés. Dans l'exemple d'un test-cross donnant 165 + 191 parentaux et 23 + 21 recombinés sur 400, la distance est 44/400 × 100 = 11 cM. Plus deux gènes sont éloignés, plus la probabilité d'un crossing-over entre eux est grande. La fréquence de recombinaison ne peut cependant pas dépasser 50 % : au-delà d'une certaine distance, les crossing-over multiples ramènent le résultat à celui de gènes indépendants, et des gènes situés sur le même chromosome mais à plus de 50 cM se comportent comme indépendants. Les distances ainsi obtenues sont approximativement additives, ce qui permet de construire des cartes.
5. Le test à trois points
Avec deux gènes, on obtient une distance mais pas l'ordre par rapport à un troisième. Le test à trois points croise un trihybride (par exemple a b c / + + +) par le triple récessif ; la descendance comprend huit classes phénotypiques groupées en quatre paires. Les deux classes les plus nombreuses sont parentales ; les deux classes les moins nombreuses proviennent d'un double crossing-over. Comparer parentaux et doubles recombinants révèle l'ordre : le gène qui a « changé de côté » est le gène du milieu. On calcule ensuite les distances entre gènes voisins en comptant, pour chaque intervalle, les simples recombinants concernés plus les doubles recombinants, car un double crossing-over est une recombinaison dans chacun des deux intervalles. La distance entre les gènes extrêmes vaut la somme des deux distances partielles, et elle est sous-estimée si l'on ne compte pas deux fois les doubles recombinants.
6. Interférence et coïncidence
Si les crossing-over des deux intervalles étaient indépendants, la fréquence attendue de doubles recombinants serait le produit des deux fréquences de recombinaison (d1 × d2). En pratique, on en observe moins : un crossing-over gêne la formation d'un second à proximité. Le coefficient de coïncidence C = (doubles recombinants observés) / (doubles recombinants attendus) mesure cet écart, et l'interférence I = 1 − C. Une interférence de 1 signifie qu'aucun double crossing-over n'a lieu ; une interférence nulle, que les crossing-over sont indépendants. Les cartes génétiques ainsi construites reflètent l'ordre réel des gènes, mais les distances en cM ne sont pas proportionnelles aux distances physiques en paires de bases, car la fréquence des crossing-over varie le long du chromosome.
Unité de distance génétique correspondant à une fréquence de recombinaison de 1 % entre deux loci liés ; aussi appelée unité de carte (U.C.).
Réduction de la probabilité d'un second crossing-over au voisinage d'un premier ; I = 1 − C, où C est le rapport des doubles recombinants observés sur attendus.
| Situation | Classes phénotypiques | Proportions | Interprétation |
|---|---|---|---|
| Gènes indépendants | 4 | 25 / 25 / 25 / 25 | Brassage interchromosomique |
| Linkage incomplet | 4 | Parentaux > 25 %, recombinés < 25 % | Crossing-over entre les gènes ; d < 50 cM |
| Linkage complet | 2 | 50 / 50 (parentaux seulement) | Pas de crossing-over (mâle de drosophile, gènes très proches) |
| Trihybride lié | 8 | 2 fortes, 4 moyennes, 2 faibles | Test à trois points : la classe la plus rare = double crossing-over |
Résultats d'un test-cross dihybride selon la situation des gènes
- Gènes liés : test-cross avec parentaux majoritaires et recombinés minoritaires ; classes équifréquentes deux à deux.
- Cis (couplage) : les deux allèles dominants sur le même chromosome ; trans (répulsion) : sur des chromosomes différents ; la phase se lit dans les classes majoritaires.
- Distance = % de recombinés = cM ; maximum 50 % ; 1 cM = 1 % de recombinaison.
- Test à trois points : classes les plus rares = doubles crossing-over ; le gène du milieu est celui qui change de côté ; ajouter les DR à chaque intervalle.
- Coïncidence C = DR observés / DR attendus ; interférence I = 1 − C.
- Pas de crossing-over chez le mâle de drosophile : le parent hétérozygote du test-cross doit être la femelle.
Le test à trois points est l'exercice roi de l'examen de Génétique S4 : présente toujours un tableau des huit classes avec leurs effectifs, identifie parentaux et doubles recombinants, déduis l'ordre, puis calcule chaque distance en n'oubliant pas d'ajouter les doubles recombinants aux deux intervalles. Pièges fréquents : calculer une distance supérieure à 50 cM, oublier la phase cis ou trans de la F1, et inverser coïncidence et interférence.