\thumb

\begin{qcm}{Vérification des connaissances}{5} % titre , temps
Choisissez la ou les réponses exactes pour chaque série de propositions :
\begin{questions}
\item Une mutation est une modification:

\choix de la séquence en nucléotides d'un allèle;

\choix de la longueur d'un gène;

\choix des caractéristiques héréditaires d'un individu;

\choix héréditaire.

\item Une mutation germinale est une mutation:\resetchoix

\choix qui se produit dans les gamètes d'un individu;

\choix qui est obligatoirement héréditaire;

\choix qui affecte une cellule de la lignée germinale;

\choix qui peut se produire sur un zygote.
\end{questions}
\end{qcm}

\begin{corrige}
\begin{questions}
\item Résponse \choix[a]. Les autres propositions ne sont pas toujours vraies.

\item Réponses \choix[c] et \choix[d]. Le zygote étant à l'origine de toutes les cellules de l'organisme, c'est, par voie de conséquence, la cellule-mère de toute la lignée germinale.
\end{questions}
\end{corrige}

%%% 2

\begin{vf}{Vérification des connaissances}{5} % titre , temps
Les affirmations suivantes sont erronées. Corrigez-les.
\begin{questions}
\item Une mutation par insertion se traduit par l'ajout d'une base azotée sur un gène.
\item les mutations se produisant au cours de la réplication modifient un nucléotide sur 100 environ.
\item Un cancer dû à une mutation est d'origine génétique et est donc héréditaire.
\item Le bunsen est un gaz cancérigène.
\end{questions}
\end{vf}

\begin{corrige}
\begin{questions}
\item Une mutation par insertion se traduit par l'ajout d'un nucléotide sur un gène.
\item Les mutations se produisant au cours de la réplication modifient un nucléotide sur $10^9$ nucléotides.
\item Un cancer provoqué par une mutation peut être dû à une mutation somatique. Il n'est alors pas héréditaire.

\begin{Remarque}
il est en revanche vrai que certains cancers sont héréditaires ; la
mutation concernée est alors germinale mais ce n'est pas une généralité.
\end{Remarque}

\item Le benzène est une substance cancérigène (à ne pas confondre avec le bec bunsen qui fonctionne avec du gaz).
\end{questions}
\end{corrige}

%%% 3

\begin{exo}{Vérification des connaissances}{Lycée La Bruyère, Versailles}{1}{5} 
%\enlargethispage*{2em}
Complétez les phrases suivantes :
\begin{questions}
\item Une mutation \ldots\ par substitution consiste en un \ldots\ d'une seule \ldots\ \ldots\ d'un gène par une autre.
\item Une mutation \ldots\ affecte une cellule n'appartenant pas à la \ldots germinale.
\item Un agent \ldots\ est aussi appelé agent \ldots\ lorsqu'il augmente la fréquence d'apparition d'un cancer.
\item À la suite d'une mutation, un nouvel \ldots\ apparait qui peut se transmettre à la \ldots\ d'un individu si la mutation est \ldots\ .

\item Les populations humaines vivant en \ldots\ sont issues d'une  \ldots\ entre\linebreak Homo \ldots\ et l'Homme de \ldots\ .
\end{questions}
\end{exo}

\begin{corrige}
\begin{questions}
\item Une mutation \textit{ponctuelle} par substitution consiste en un \textit{remplacement} d'une seule \textit{base azotée} d'un gène par une autre.
\item Une mutation \textit{somatique} affecte une cellule n'appartenant pas à la \textit{lignée} germinale.
\item Un agent \textit{mutagène} est aussi appelé agent \textit{cancérigène} lorsqu'il augmente la
fréquence d'apparition d'un cancer.
\item À la suite d'une mutation, un nouvel \textit{allèle} apparaît qui peut se transmettre à la \textit{descendance} d'un individu si la mutation est \textit{germinale}.
\item Les populations humaines vivant en Europe sont issues d'une hybridation entre Homo sapiens et l'Homme de Neanderthal.
\end{questions}
\newpage
\end{corrige}

%%% 4

\begin{exo}{Bactérie et rayonnement gamma}{Lycée Lavoisier, Paris}{1}{20} 
La bactérie Deinococcus radiodurans Rec a été identifiée dans les années 1950 car elle résistait aux tentatives de stérilisation de la viande par les\linebreak rayons $\gamma$. Ces rayonnements brisent la molécule d'ADN.

La bactérie intestinale Escherichia coli (E. coli) et deux souches de Deinococcus radiodurans (une souche témoin Rec et une souche Rec.A) ont été exposées à des doses croissantes de rayons $\gamma$. Le gène Rec qui contrôle un système de réparation de l'ADN existe sous deux versions : la version fonctionnelle nommée Rec et la version
mutée Rec.A.

\begin{figure}
\begin{center}
\includegraphics{062_3_exo4}
\figcaption{Taux de survie des différentes souches de bactéries.}
\end{center}
\end{figure}

À l'aide du document et de vos connaissances, expliquez le taux de survie des bactéries Deinococcus radiodurans Rec.A, lors de leur exposition aux rayons gamma ($\gamma$).
\end{exo}

\begin{corrige}
On constate que les bactéries E. coli et Deinococcus radiodurans Rec.A ont un taux de survie quasi nul respectivement pour une intensité d'irradiation de 0,25 UA et de 0,8 UA. Les bactéries Deinococcus radiodurans Rec ont, quant à elles, un taux de survie
proche de 100\% jusqu'à une intensité d'irradiation de 3 UA puis le taux de survie diminue progressivement pour atteindre 0,0001\% pour une intensité d'irradiation de 6 UA. Les bactéries Deinococcus radiodurans Rec ont donc un taux de survie bien supérieur aux deux autres souches de bactéries. Ce taux s'explique par le fait que les bactéries Deinococcus radiodurans Rec possèdent un gène Rec fonctionnel permettant la réparation de l'ADN, lors des rayonnements gamma.

En effet, les rayons gamma qui augmentent la fréquence des erreurs ou altérations de l'ADN sont des agents mutagènes. Donc, du fait de ce rayonnement, le nombre d'erreurs qui échappent au système de réparation de l'ADN augmente et donc le nombre de mutations augmente aussi, entrainant la mort des bactéries.

Ainsi, chez Deinococcus radiodurans Rec.A, la version mutée du gène, ne permet pas le fonctionnement du système de réparation de l'ADN, donc il s'accumule de nombreuses mutations dans l'ADN expliquant ainsi le faible taux de survie des souches
Deinococcus radiodurans Rec.A.
\end{corrige}

%%% 5

\begin{exo}{Mutations – Allèles}{Lycée La Bruyère, Versailles}{2}{10} 
\label{ch3exo5}
Filiation des allèles du gène de l'$\alpha$-antitrypsine.

L'$\alpha$-antitrypsine est une protéine du sang, secrétée par le foie. Le gène de\linebreak l'$\alpha$-antitrypsine, localisé sur le chromosome 14, a été étudié de façon approfondie et huit allèles différents de ce gène ont été identifiés dans l'espèce humaine. Certaines données permettent de penser que l'allèle M'1 est celui qui était présent dans les premières populations humaines.

À partir des données du document à étudier, proposez un ordre chronologique d'apparition des allèles M1, M2 et M3 à partir de l'allèle M'1 du gène de l'$\alpha$-antitrypsine.

\Par
\begin{figure}
\begin{center}
\begin{tabular}{|Zc|Zl|}
\tabulartitle\hline
Allèles AT & \centering\arraybackslash Différence / M'1 – Type de mutation\\
\hline
M1 & Sub 710 (C en T)\\\hline
M2 & Sub 374 (G en A) ; Sub 710 (C en T) ; Sub 1200 (A en C)\\\hline
M3 & Sub 710 (C en T) ; Sub 1200 (A en C)\\\hline
\end{tabular}

\Par

*Sub = substitution – Nombre (ex 710) : n° d'ordre du nucléotide dans la séquence de l'allèle.

\tabcaption{Tableau de comparaison des allèles de AT}
\end{center}
\end{figure}
\end{exo}

\begin{corrige}
On se propose d'établir la filiation des allèles du gène de l'$\alpha$- antitrypsine à partir de l'allèle ancestral M'1.

On constate que l'allèle M1 ne diffère de M'1 que par un nucléotide en position 710 de la séquence. M1 est donc apparu au cours de l'histoire de l'espèce humaine à partir de M'1 du fait d'une mutation par substitution de C en T en position 710.

On constate que M3 diffère de M'1 pour 2 nucléotides et parmi ceux-ci, une différence est commune avec M1 : la substitution de C en T en position 710.

Une mutation étant un événement aléatoire et rare, il est beaucoup plus vraisemblable que la mutation ayant fait apparaître M3 se soit produite chez un individu qui possédait déjà M1 que chez un individu possédant M'1 chez qui il faut admettre alors que se soient produites deux mutations et, fait (peu probable) du hasard, qu'une de ces
mutations ait justement aussi affecté le 710\ieme nucléotide. M3 descend donc de M1 par une seule substitution de A en C en position 1200.
\newpage
On constate, enfin, et selon le même principe que précédemment, que M2 ne diffère de M3 que par une substitution de G en A en position 374. C'est donc à partir de M3 que M2 est apparu par mutation chez un individu et non pas directement M'1 ou M1.

On peut donc représenter la filiation des allèles du gène de l'$\alpha$- antitrypsine de la façon suivante :

\Par

\begin{figure}
\begin{center}
\includegraphics[height=80mm]{073_3_exo5}
\figcaption{Filiation de quatre allèles du gène de l'$\alpha$-antitrypsine.}
\end{center}
\end{figure}
\end{corrige}

%%% 6

\begin{exo}{Ultra Violets et mutations}{Lycée La Bruyère, Versailles}{2}{10} 
Expérience de mutagenèse chez la levure ADE 2.

\Par

La levure ADE 2 est une souche de levure dont la caractéristique est d'accumuler dans son cytoplasme une molécule de couleur rouge.

\Par

\textit{Description de l'expérience :} on met en culture sur une boîte de pétri une goutte de suspension de levures ADE 2, répartie de façon uniforme sur l'ensemble de la boîte. À l'aide d'un dispositif particulier, on irradie aux ultra-violets des secteurs correspondant à 1/4 de la surface de la boîte pendant des temps différents. Après
une semaine de culture dans des conditions favorables, on observe les colonies obtenues ; chaque colonie étant le résultat de la multiplication par mitose d'une seule levure. Le schéma ci-dessous rend compte du résultat (les temps d'irradiation, exprimés en secondes, sont indiqués à côté de chaque secteur irradié).

\Par

\begin{figure}
\begin{center}
\includegraphics[height=35mm]{063_3_exo6}
\figcaption{Schéma de la boîte de pétri après irradiation aux rayons UV}
\end{center}
\end{figure}

\begin{questions}
\item À partir d'informations précises, extraites explicitement du document ci-dessus (texte et schéma), montrez que:
\begin{questions}
\item la couleur d'une levure est une caractéristique génétique;
\item une mutation peut se produire spontanément;
\item Les UV ont un effet mutagène;
\item certaines mutations sont létales (syn : mortelles).
\end{questions}

\item Critiquez les commentaires suivants :
\begin{itemize}
\item « Plus il y a de rayons UV, plus le nombre de colonies tuées augmente »;
\item « Le nombre de colonies mutantes augmente avec le temps d'exposition aux rayons UV ».
\end{itemize}
\end{questions}
\end{exo}

\begin{corrige}
\begin{questions}
\item
\begin{questions}
\item Chaque colonie est issue par mitoses successives d'une seule cellule. Une colonie est donc un clone de cellules, une population de cellules génétiquement identiques.

La couleur de la colonie étant celle de la cellule d'origine, c'est donc une caractéristique qui se transmet de cellule-mère à cellules-filles; c'est une caractéristique métabolique héréditaire donc d'origine génétique.

\item On observe que dans le quart de boîte non irradié, s'est développée une colonie blanche. S'est donc déposée à cet endroit une levure blanche, génétiquement différente de la souche d'origine; il s'agissait donc d'une levure ayant changé spontanément d'information génétique : une cellule mutante.

\newpage

\item On constate sur les quarts de boîte irradiés que des colonies blanches, issues de levures mutées, se sont développées.
\begin{itemize}
\item Pour 30 s : 3 colonies blanches pour un total de 30 soit 10\%.
\item Pour 45 s : 3 colonies blanches pour un total de 18 soit 17\%.
\item Pour 60 s : 2 colonies blanches pour un total de 8 soit 25\%.
\end{itemize}
Le taux de mutation spontané (0s) est de 1/ 40 soit 2,5\%. On voit donc que le temps d'irradiation aux rayons UV augmente la fréquence d'apparition de levures blanches donc mutantes. Cet effet correspond bien à la définition d'un agent mutagène qui augmente la fréquence d'apparition des mutations.

\item Lorsque le temps d'irradiation augmente, on constate que le nombre de colonies total qui se développent baisse (40 sans irradiation, 30 pour 30s, 18 pour 45s et enfin 8 pour 60s) or il est dit que la quantité initiale de levures a été répartie de façon uniforme sur la boîte, ce qui signifie que sur chaque quart de boîte, 40 colonies auraient dû se développer. Si l'on prend en compte l'effet mutagène des UV, on peut penser que certaines mutations provoquées ont perturbé suffisamment le métabolisme des cellules touchées pour les empêcher de se développer et de se multiplier. Ces mutations étaient donc mortelles.
\end{questions}

\item 
\begin{itemize}
\item Ce sont des levures qui ont été ensemencées sur la boîte et non des colonies entières. Lorsqu'une colonie ne se développe pas, c'est la cellule-mère initiale qui est morte et non une colonie.
\item C'est la proportion de colonies de levures mutantes qui augmente avec le temps d'exposition aux rayons UV et non le nombre.
\end{itemize}
\end{questions}
\end{corrige}

%%% 7

\begin{exo}{Cancer - Mutations - Environnement}{Lycée La Bruyère, Versailles}{2}{20} \label{ch3exo7}
Suite à l'accident nucléaire de Tchernobyl le 26 avril 1986 et à l'émission d'un nuage de poussières radioactives par la centrale, une étude a été menée sur la fréquence d'apparition de certains cancers.

À partir de l'étude des documents 1 à 3, montrez comment on explique l'évolution de la prévalence du cancer de la thyroïde en Ukraine et en Biélorussie.

\Par

\begin{figure}
\begin{center}
\includegraphics[width=\linewidth]{064_3_exo7-1}
\figcaption{Localisation de la centrale de Tchernobyl.}
\label{fig03-1}
\end{center}
\end{figure}

\vfil\hfil\textit{Suite des documents page suivante.}

\newpage

\begin{figure}
\begin{center}
\includegraphics[height=50mm]{065_3_exo7-2}
\figcaption{Document 1 : évolution du nombre annuel de nouveaux cas de cancer de la thyroïde pour \numprint{100000} habitants.}
\label{fig03-2}
\end{center}
\end{figure}

\Par

\begin{figure}
\begin{center}
\includegraphics[height=50mm]{065_3_exo7-3}
\figcaption{Document 2 : contribution de quelques radionucléides à la radioactivité des poussières émises par le réacteur de Tchernobyl.}
\label{fig03-3}
\end{center}
\end{figure}

%\newpage
\enlargethispage*{4em}

\Par

\begin{figure}
\begin{center}
\includegraphics[height=45mm]{065_3_exo7-4}
\label{fig03-4}
\end{center}

La thyroïde est une glande située à la base du cou et fabriquant des hormones contenant de l'iode. Une des particularités de la thyroïde est de stocker les hormones qu'elle fabrique en fonction des besoins de l'organisme et de la disponibilité de l'iode (I) dans l'alimentation.

\figcaption{Document 3 : structure fonctionnelle de la thyroïde.}
\end{figure}
\end{exo}

\begin{corrige}
On cherche à montrer que le taux de cancers de la thyroïde en Ukraine et en Biélorussie est lié à l'accident nucléaire de la centrale de Tchernobyl, celle-ci étant située, comme le montre la figure \ref{fig03-1} à la frontière de ces deux pays de l'ex-Union Soviétique.

Le document 1 montre que, par rapport à la moyenne européenne qui est restée constante et égale à 0.3, le nombre annuel de cancers de la thyroïde a fortement augmenté depuis 1989 pour atteindre, en 2002, 2 à 3 nouveaux cas de cancer chaque année pour \numprint{100000} personnes en Ukraine et 6 à 8 en Biélorussie.

Comment mettre en relation cette évolution et la radioactivité du nuage de poussières émises par l'explosion de la centrale nucléaire ?

Le document 2 montre que ces poussières contiennent différents radionucléides qui pendant les quelques mois qui ont suivi l'explosion, ont participé à la pollution radioactive de l'environnement. L'un de ces radionucléides est-il plus particulièrement responsable du cancer de la thyroïde ?

Le document 3 montre le fonctionnement de la thyroïde. Il y est mentionné que cette glande intègre de l'iode d'origine alimentaire dans les hormones qu'elle fabrique, or le document 2 montre que l'iode 131 et l'iode 132 sont justement des radionucléides qui ont pollué l'environnement pendant 3 mois environ après l'explosion du réacteur.

De plus, le document 3 précise que les hormones contenant l'iode sont stockées dans la thyroïde. On peut donc penser que les cellules de la thyroïde peuvent être durablement irradiées par les isotopes radioactifs de l'iode stockés dans la colloïde.

\Par

\textit{Synthèse :} il est plus que vraisemblable que l'augmentation de la fréquence des cancers de la thyroïde en Biélorussie et en Ukraine soit due à l'explosion du réacteur de Tchernobyl. Suite à cette explosion, de l'iode 131 et 132 radioactifs ont été émis
dans l'environnement, absorbés d'une façon ou d'une autre par les habitants. L'iode radioactif se fixant sur la thyroïde, c'est sur cet organe que l'effet mutagène et cancérigène de la radioactivité s'est manifesté. L'apparition d'un cancer étant multifactoriel, des cancers de la thyroïde sont ainsi apparus de nombreuses années après l'accident de Tchernobyl.
\end{corrige}

%%% 8

\begin{exo}{Variabilité de l'ADN}{Lycée Guynemer, Compiègne}{2}{20} 
Une maladie orpheline : la progeria.

\Par

La progeria se caractérise par un vieillissement prématuré et accéléré des enfants, dont l'espérance de vie ne dépasse pas 13 ans. Elle touche 1 enfant sur 4 à 8 millions.

Des analyses génétiques ont permis d'associer cette maladie au gène LMNA, nécessaire à la structure du noyau cellulaire et à la division des cellules. Deux allèles de ce gène ont été identifiés : LMNA+ et LMNA-.

\begin{figure}
\begin{center}
\includegraphics{066_3_exo8}
\figcaption{Analyse du gène LMNA chez un enfant atteint de progeria et chez ses parents. Toutes les cellules de l'enfant possèdent les mêmes allèles du gène LMNA. Les allèles des parents ont été identifiés à partir de cellules sanguines.}
\end{center}
\end{figure}

\enlargethispage*{2em}

\begin{questions}
\item Après avoir nommé l'événement à l'origine de la différence entre les deux allèles du gène LMNA, identifiez les allèles présents chez l'enfant malade et chez ses parents, écrivez les trois génotypes.
\item En vous appuyant sur vos connaissances et sur les données de l'exercice, déterminez si l'anomalie génétique à l'origine de l'allèle LMNA- a pu apparaître chez les parents ou chez l'enfant, dans une cellule somatique ou une cellule germinale.
\end{questions}
\end{exo}

\begin{corrige}
\begin{questions}
\item Deux allèles d'un même gène se distinguent par quelques différences dans leur séquence en nucléotides. Un allèle apparaît accidentellement à partir d'un allèle préexistant. L'événement à l'origine de la différence entre deux allèles est une mutation. On peut observer sur le document, que l'enfant malade possède un
exemplaire de l'allèle LMNA- qui se caractérise par la substitution d'une cytosine par une thymine en position 1825 du gène. Il possède comme deuxième allèle du gène LMNA+. Il est hétérozygote et son génotype peut donc s'écrire de la façon suivante :
\begin{center}
LMNA-/LMNA+
\end{center}
Le père comme la mère possèdent, d'après le document, deux allèles LMNA+ ; ils sont donc homozygotes pour cet allèle et leur génotype peut s'écrire :
\begin{center}
LMNA+/LMNA+
\end{center}

\item L'allèle morbide n'est présent ni chez la mère ni chez le père de l'enfant. La mutation à l'origine de cet allèle, puisqu'elle touche toutes les cellules de l'enfant est cependant une mutation germinale et non une mutation somatique. Pour expliquer cette apparente contradiction, plusieurs possibilités peuvent être envisagées.

La mutation a pu toucher spécifiquement le zygote (cellule-œuf) dont sont issues l'ensemble des cellules de l'enfant.

La mutation a pu aussi affecter une cellule de la lignée germinale chez l'un des parents.

Rappelons que la lignée germinale est l'ensemble des cellules dont la multiplication et la différenciation aboutit à la formation des gamètes (cellules reproductrices) : spermatozoïdes ou ovules. Si un gamète porteur d'une mutation participe à la fécondation, le zygote sera également porteur de mutation.
\end{questions}
\end{corrige}


%%% 9

\begin{exo}{\fontsize{11}{11}\selectfont Variabilité de l'ADN et intolérance au lactose}{Lycée Guynemer, Compiègne}{2}{15} \label{ch3exo10}
\enlargethispage*{1em}
Le lactose est un des sucres du lait. Chez la majorité des humains, le gène LCT, qui permet la digestion du lactose, n'est plus actif chez l'adulte et la consommation de lait entraîne des diarrhées : c'est l'intolérance au lactose. Toutefois, certaines populations
sont peu touchées par ce phénomène. Afin de comprendre pourquoi, des chercheurs ont comparé la séquence du gène LCT chez des personnes tolérant ou non le lactose (document 1). D'autres chercheurs ont analysé la fréquence de l'intolérance au lactose chez des populations de traditions alimentaires différentes (document 2).
\begin{questions}
\item Déterminez combien d'allèles du gène LCT ont été observés dans cette étude, puis montrez que la capacité à digérer le lactose dépend des allèles du gène LCT présents chez un individu (document 1).
\item Montrez que la fréquence de l'intolérance au lactose est associée à la domestication et l'élevage d'animaux dans l'histoire des populations étudiées (document 2).
\item Formulez une hypothèse pour expliquer le résultat précédent.
\end{questions}

\begin{figure}
\begin{center}
\begin{tabular}{|Zl|*3{Zc|}}
\tabulartitle\hline
Nucléotide sur le 1\ier / le 2\ieme chromosome &G/G &G/A &A/A\\\hline
Personnes intolérantes au lactose &53 &6& 0\\\hline
Personnes tolérant le lactose &0 &63& 74\\\hline
\end{tabular}
\tabcaption{Document 1 : intolérance au lactose et séquence du gène LCT sur les deux exemplaires du chromosome n° 2. La nature du nudéotide n° 22 018 du gène LCT a été déterminée chez 196 individus finlandais.}
\end{center}
\end{figure}

\begin{figure}
\begin{center}
\includegraphics[scale=0.8]{067_3_exo10}
\figcaption{Document 2 : fréquence de l'intolérance au lactose et traditions alimentaires chez certaines populations du Soudan et de la Tanzanie (Afrique).}
\end{center}
\end{figure}
\end{exo}

\begin{corrige}
\begin{questions}
\item Le document 1 montre qu'il existe, chez les 196 personnes testées deux allèles possibles du gène LCT se distinguant l'un de l'autre par la base azotée présente en position 22018. Un allèle porte la base azotée Guanine (G), que nous appellerons allèle G; et l'autre une base azotée Adénine (A) que nous nommerons allèle A.

Les 53 personnes homozygotes (possédant deux fois le même allèle), et dont le génotype peut s'écrire de façon simplifiée G/G sont toutes intolérantes au lactose.

Les 74 personnes homozygotes A/A sont toutes tolérantes au lactose. On peut donc dire que la capacité à digérer le lactose est déterminée par la possession de cet allèle A.

Chez les personnes hétérozygotes G/A (69), environ 90\% sont aptes à digérer le lactose. Cette donnée confirme que l'allèle A donne aux individus qui le portent une aptitude à digérer le lactose.

\item Le document 2 établit une relation entre les traditions alimentaires de certains groupes humains et leur intolérance au lactose.\enlargethispage*{3em}

Dans les groupes de chasseur-cueilleurs, ne pratiquant donc pas l'élevage (et ne consommant donc pas de lait), les 3/4 des individus sont intolérants au lactose. Cette proportion est moindre dans les groupes\linebreak humains ayant un mode de vie agro-pastoral; c'est-à-dire pratiquant un peu d'élevage et consommant donc un peu de lait.

À l'inverse, le groupe humain de pasteurs testés au nord du Soudan sont dans l'extrême majorité tolérants au lactose.

Parmi les trois modes de vie décrits, le plus ancien dans les populations humaines est le mode chasseur/cueilleur. L'activité pastorale ne s'est développée que récemment.

Ainsi, il semble que la tolérance au lactose se soit développée, au cours de l'histoire, dans les populations ayant pratiqué la domestication d'animaux fournissant du lait.
\enlargethispage*{3em}
\item Pour expliquer comment les populations pratiquant l'élevage sont devenues tolérantes au lactose, on peut émettre comme hypothèse que le lait étant une source de divers nutriments (protéines, glucides, lipides, sels minéraux et vitamines), la capacité à le digérer a favorisé la survie et la reproduction des individus porteurs de l'allèle A au détriment des individus porteurs de l'allèle G. Au fil des générations cet avantage adaptatif aurait modifié les proportions des allèles A et G dans les populations pratiquant l'élevage.
\end{questions}
\end{corrige}


%%% 10

\begin{exo}{Origine du Xeroderma pigmentosum}{Lycée Pierre d'Ailly, Compiègne}{2}{20} 
\NathanLiveVideo[\PictoVideo\ Retrouvez le corrigé de cet exercice en vidéo avec \PictoNathanLive]{origine du Xeroderma pigmentosum}{}

Le Xeroderma pigmentosum est une maladie rare d'origine génétique, caractérisée principalement par une sensibilité extrême aux rayons ultraviolets (UV) et multipliant par \numprint{1000} le risque de développer un cancer de la peau. Il n'existe aucun traitement
de cette maladie qui frappe dès le plus jeune âge. Il est donc indispensable pour les personnes atteintes de supprimer ou limiter toute exposition aux rayons UV.

En utilisant les informations extraites des documents et vos connaissances, proposez une explication sur le mécanisme responsable de la maladie.

\Par

Les rayons ultraviolets ou UV (émis par le soleil ou les lampes à bronzer) sont absorbés par les nucléotides de l'ADN. Les UV provoquent comme les rayons X la formation de radicaux libres. Les UV-B ont pour effet de stimuler la formation de liaisons covalentes entre nucléotides adjacents (formation de dimères
T = T ou T = C par exemple). Ces dimères entraînent une modification importante de la structure de l'ADN.

\Par

\begin{figure}
\begin{center}
\includegraphics{068_3_exo12-1}
\figcaption{Document 1 : effet des ultra-violets sur l'ADN.}
\end{center}
\end{figure}

\Par

On a mesuré chez des malades et des individus sains la fréquence des dimères T = T pour différentes expositions aux rayons UV (graphique 1 ci-dessous) et l'évolution au cours du temps du pourcentage de dimères T = T dans les cellules après une exposition aux rayons UV (graphique 2 ci-dessous).

\enlargethispage*{5em}

\begin{figure}
\begin{center}
\includegraphics{068_3_exo12-2}
\figcaption{Document 2 : expériences d'exposition aux rayons UV.}
\end{center}
\end{figure}

\newpage

L'enzyme XPf intervient dans la réparation des dimères de thymine présents dans l'ADN. La séquence du gène permettant de produire cette enzyme XPf a été déterminée chez un individu sain et chez deux malades. Ces séquences ont été comparées grâce au logiciel Anagène et quelques portions sont présentées ci-après.


\begin{figure}
\begin{center}
\includegraphics{069_3_exo12-3}
\figcaption{Document 3 : Comparaison des allèles du gène codant l'enzyme XPf.}
\end{center}
\end{figure}
\end{exo}

\begin{corrige}
\rput(-0.5,0){\PictoNathanLive[Video]}
Le Xeroderma pigmentosum est une maladie se traduisant par un taux extrêmement élevé de cancers de la peau dus aux rayons UV. Afin de déterminer l'origine de cette maladie, nous étudierons les documents dans l'ordre proposé.

\begin{methode}
Dans cette étude linéaire, essayez d'enchaîner les différentes parties en introduisant une question à la fin de l'étude d'un document de telle sorte que l'étude du document suivant apporte un élément de réponse à cette question. Ce faisant, vous
ferez ressortir la logique de votre raisonnement. En synthèse, reprenez l'ensemble des données en faisant ressortir les liens de causes à effets.
\end{methode}


\begin{questions}
\item Effet des UV sur l'ADN : étude du document 1.

Le document 1 montre que les UV provoquent la formation de dimères de bases azotées et que ces modifications entraînent une perturbation de la structure de l'ADN. Cette perturbation peut modifier la lecture des brins d'ADN au cours de sa réplication, ce qui peut entraîner l'apparition de nombreux mésappariements et finalement provoquer l'apparition de mutations. L'apparition d'une mutation dans une cellule de la peau est une mutation somatique. Elle peut conduire à l'apparition d'un cancer. L'effet délétère des UV sur l'ADN est donc à l'origine de leur caractère cancérigène.

Les enfants atteints de Xeroderma ont de nombreux cancers de la peau provoqués par les UV, on peut donc s'interroger sur l'origine de cette hypersensibilité aux rayons UV.

\item Origine de la sensibilité aux rayons UV des enfants atteints de Xeroderma pigmentosum : étude du document 2.

Sur le graphique 1, on peut observer que chez un individu atteint de Xeroderma l'augmentation de la dose d'UV reçus en 24 heures fait augmenter dans de grandes proportions (15 UA pour 100 UA d'UV) le nombre de dimères de thymine sur l'ADN. Comparativement, chez un sujet témoin sain, la quantité de dimères de thymine est environ 5 fois plus faible, quelle que soit la quantité d'UV reçue.

Le graphique 2 permet d'expliquer la différence constatée.

Chez un sujet sain, après une exposition aux rayons UV, la quantité de dimères de thymine baisse progressivement ce qui signifie que ces dimères sont éliminés de l'ADN.

Au contraire, chez un individu malade, le \% de dimères de thymine reste constant et élevé, 24 heures encore après l'exposition aux rayons UV. Chez les individus atteints de Xeroderma, les mécanismes d'élimination des dimères de thymine semblent donc ne pas exister. 

On comprend alors pourquoi les UV sont si dangereux pour ces malades : leurs cellules sont incapables d'en corriger les effets sur l'ADN; ce qui entraîne de nombreuses mutations (et cancers de la peau). Il reste cependant à identifier l'origine de cette inaptitude à éliminer les dimères de thymine chez les individus atteints de Xeroderma pigmentosum.

\item Réparation des dimères de thymine dans les cellules : étude du document~3.

D'après les informations apportées par ce document, la réparation des dimères de thymine sur l'ADN est le résultat de l'activité d'une enzyme appelée XPf.

Les enzymes étant des protéines, on peut chercher si le gène codant pour cette enzyme ne présente pas une anomalie chez les malades.
La comparaison par Anagène de l'allèle normal de XPf et des allèles retrouvés chez des malades, XPf1 et XPf2, permet de voir que l'allèle XPf1 diffère de l'allèle normal par une substitution d'une cytosine par une thymine en position 2362 du gène et que l'allèle XPf2 présente 2 mutations : une substitution d'une guanine par une adénine en position 1471 et une autre substitution en position 1554 (où une
cytosine remplace une thymine).

On peut donc supposer que ces allèles morbides codent pour une enzyme XPf non fonctionnelle ; ce qui expliquerait que les dimères de thymine ne soient pas éliminés chez les individus atteints de Xeroderma.
\end{questions}

\textit{Synthèse :}

À partir de l'ensemble des documents, nous avons pu montrer que les enfants atteints de Xeroderma pigmentosum possèdent les allèles très rares, XPf1 et XPf2, qui codent pour une enzyme de réparation des dimères de thymine inefficace. De ce fait, les cellules de la peau des malades sont incapables de réparer les dommages de l'ADN causés par les UV solaires. Les malades sont donc extrêmement sensibles au soleil et développent, sous l'effet des UV, de très nombreux cancers de la peau.
\end{corrige}

%%% 11

\begin{exo}{Variabilité de l'ADN}{Lycée Jean-Pierre Vernant, Pins Justaret}{2}{30} 
Expliquez ce qu'est une mutation et quelles sont ses caractéristiques, puis vous citerez les facteurs qui peuvent en augmenter la fréquence. Donnez un exemple concret à chaque fois. 
\end{exo}

\begin{corrige}
Le génome est l'ensemble des gènes d'une espèce. Ceux-ci sont responsables des caractéristiques héréditaires des organismes vivants. Un gène, unité d'information constitué d'ADN, peut cependant subir des modifications appelées mutations.

Nous expliquerons dans cet exposé ce qu'est une mutation puis nous verrons quels facteurs sont à l'origine d'une mutation.

\newpage

\begin{questions}
\item Caractéristiques des mutations.
\begin{questions}
\item Définition d'une mutation.

Un gène se caractérise par son locus (position sur un chromosome), par sa séquence en nucléotides et par le caractère phénotypique qu'il gouverne.

Une mutation est une modification accidentelle et rare de la séquence en nucléotides d'un gène :
\begin{itemize}
\item un nucléotide (ou plusieurs) peut être remplacé par un nucléotide porteur d'une base azotée différente, on parle dans ce cas de mutation par substitution.
\item un nucléotide (ou plusieurs) peut être retiré de la séquence, on parle alors de mutation par délétion.
\item un nucléotide (ou plusieurs) peut être ajouté à la séquence; on parle dans ce cas de mutation par insertion ou par addition.
\end{itemize}

\Par

\begin{figure}
\begin{center}
\includegraphics[width=\linewidth]{079_3_crs_1}
\figcaption{Mutations ponctuelles (un seul nucléotide affecté).}
\end{center}
\end{figure}

\Par

\item Mutations germinales et somatiques.

Une mutation peut survenir sur n'importe quel gène de n'importe quelle cellule, à tous les stades de développement d'un organisme. On distingue ainsi les mutations somatiques des mutations germinales en fonction du type de cellule affectée.

Une mutation germinale est ainsi qualifiée lorsqu'elle touche une cellule de la lignée germinale, c'est-à-dire une cellule qui participe à la reproduction de l'organisme : gamète (spermatozoïde et ovule) ou cellule-souche à l'origine des gamètes.

Les mutations germinales sont donc héréditaires et peuvent être transmises d'un individu à sa descendance. Ces mutations germinales sont, par exemple, à l'origine de maladies génétiques telles que la drépanocytose (due à une mutation du gène de la $\beta$-globine) ou la mucoviscidose (due à une mutation codant une protéine canal
de la membrane des cellules).

Les mutations somatiques sont les mutations affectant des cellules « banales » du corps ; c'est-à-dire non germinales. Une mutation somatique peut affecter une cellule et ses descendantes (si cette mutation n'est pas létale pour la cellule) mais ne sera pas transmise à la descendance de l'individu. Certaines mutations somatiques
sont aussi à l'origine de pathologies. Par exemple, les cellules cancéreuses sont des cellules mutées dont la mutation provoque une multiplication anarchique et incontrôlée qui aboutit à la formation d'une tumeur maligne. Les mutations peuvent apparaître spontanément mais certaines conditions, certains facteurs, peuvent en augmenter la fréquence.
\end{questions}

\item Facteurs augmentant la fréquence des mutations.

Comme nous l'avons dit précédemment, les mutations sont accidentelles, aléatoires et extrêmement rares. Cependant, certains facteurs peuvent provoquer des mutations. Ces facteurs appelés facteurs mutagènes sont des facteurs environnementaux : rayonnements ionisant tels que les UV solaires ou les rayons X, substances chimiques diverses qui agissent de façon directe ou indirecte sur l'ADN (benzène, psoralènes,...) en en modifiant les bases azotées.
Il existe dans les cellules des mécanismes détectant les nucléotides anormaux mais ces systèmes de réparation de l'ADN peuvent être défaillants ou insuffisants face à l'action de ces facteurs mutagènes.

Il existe ainsi divers types de mutations ainsi que des modifications plus importantes du patrimoine génétique d'une cellule (duplications de gènes entiers, changements de locus, voire modifications du nombre de chromosomes). Tous ces événements sont rares mais certains facteurs de l'environnement et aussi certaines prédispositions génétiques peuvent amplifier la fréquence des mutations.
\end{questions}
\end{corrige}

%%% 12

\begin{exo}{Expression à différentes échelles}{Lycée Sophie Germain, Paris}{2}{30} 
La molécule d'ADN peut subir certaines altérations, la plupart du temps prises en charge par un système de réparation. Il arrive toutefois que certaines altérations échappent au système de réparation.

Après avoir présenté brièvement les causes possibles de l'altération de l'ADN, exposez quelles peuvent en être les conséquences au niveau d'une cellule, d'un individu, et d'une espèce.
\end{exo}

\begin{corrige}
La remarquable stabilité de l'ADN qui constitue les gènes est la condition nécessaire au maintien des caractéristiques génétiques d'une cellule et d'un individu. Il arrive cependant que des altérations affectent accidentellement l'ADN, induisant ainsi des
mutations.

Après avoir donné les origines possibles de ces mutations nous verrons quelles en peuvent en être les conséquences dans l'organisme (à l'échelle cellulaire et macroscopique) et pour une population voire une espèce.

\newpage

\begin{attention}
Les notions d'évolution qui sont demandées dans cet exercice ne font pas partie explicitement du programme de 1ère mais elles ont été abordées en classe de 2nde et seront approfondies en Terminale. Quant aux conséquences des mutations sur la cellule, il est nécessaire que votre professeur ait d'abord traité l'expression de l'information génétique (qui correspond au chapitre 4 de cet ouvrage) pour que
vous puissiez y répondre de façon pertinente.
\end{attention}

\begin{questions}
\item Les causes de l'altération de la molécule d'ADN.

Les mutations sont des modifications accidentelles, aléatoires et rares de la séquence en nucléotides d'un gène (par substitution, délétion ou insertion d'un ou plusieurs nucléotides).

Au cours du cycle cellulaire, une mutation peut survenir à n'importe quel moment mais l'une des causes possibles est une erreur commise par les systèmes enzymatiques qui répliquent la molécule d'ADN en phase S. Des systèmes enzymatiques appelés \og systèmes de correction d'épreuve \fg détectent en général ces erreurs de réplication mais il demeure, sur l'ensemble des molécules d'ADN constituant les
chromosomes, quelques modifications dans la séquence des gènes recopiés. Le taux d'erreurs ainsi commises est très faible : moins de 1 erreur commise sur 109 paires de nucléotides répliqués. D'autres causes possibles des mutations sont des facteurs de l'environnement : ces facteurs peuvent être physiques (rayonnements UV, radioactivité) ou chimiques (substances réagissant avec l'ADN). Le point commun de ces agents dits « mutagènes » est leur aptitude à agir chimiquement
sur l'ADN au point d'en modifier la séquence en nucléotides.
Une mutation qui affecte l'ADN d'un gène transforme l'allèle initial de ce gène en un autre allèle. Quelles sont les conséquences sur l'organisme de la présence de cet allèle ?

\item Conséquences d'une mutation sur le fonctionnement de la cellule et de l'individu.

Si une mutation affecte un gène codant pour une protéine, la séquence de cette dernière peut s'en trouver modifiée.

Ce n'est pas systématique car le code génétique (système faisant correspondre des triplets de nucléotides de l'ARNm ou, par extension de l'ADN, aux acides aminés des protéines) est redondant; une modification de la séquence en nucléotides d'un gène peut donc ne pas affecter la
séquence en acides aminés de la protéine codée (une telle mutation est qualifiée de silencieuse).

Si l'on s'en tient au cas où une mutation affecte la séquence de la protéine codée par le gène, cette protéine, actrice moléculaire de la vie de la cellule et 1\ier niveau de définition d'un phénotype peut modifier, perturber le fonctionnement de la cellule.

Celle-ci peut, par exemple, fonctionner de façon anormale et déclencher des pathologies à l'échelle de l'individu. Un cas particulier est celui d'une mutation qui perturbe la régulation des mitoses de la cellule. Cette dernière peut dans certains cas se multiplier de façon anarchique et provoquer la formation d'une tumeur
cancéreuse.

\item Conséquences d'une mutation sur la structure génétique d'une espèce vivante.

Les cellules cancéreuses décrites précédemment sont le résultat d'une mutation sur une cellule « banale » du corps : une cellule dite somatique.

Si une mutation affecte les cellules reproductrices de l'individu (mutation germinale), elle peut être transmise à un descendant de cet individu. Dans ces conditions, toutes ses cellules étant mutées, le descendant est alors détenteur d'une nouvelle version allélique du gène. Si la nouvelle version allélique altère le fonctionnement
de l'organisme, le descendant peut être affecté d'une maladie dite génétique plus ou moins invalidante.

Inversement, le nouvel allèle porté par l'individu peut, dans certains cas, lui conférer un avantage (meilleure résistance à certaines maladies infectieuses, meilleure aptitude à exploiter certaines ressources alimentaires,...) sur les autres individus de
son espèce.

Dans ces conditions, l'individu aura une probabilité plus grande de survivre et de se reproduire et il est possible que, au fil des générations, le nouvel allèle, issu d'une mutation, voit sa fréquence augmenter dans l'espèce vivante considérée.

Ainsi nous avons vu qu'une mutation peut avoir des conséquences sur le fonctionnement de l'organisme à ses différentes échelles (moléculaire, cellulaire et macroscopique) mais peut aussi modifier la fréquence des allèles d'un gène au sein d'une espèce. Ce dernier aspect constitue l'un des moteurs, l'une des causes, de l'évolution des espèces vivantes.
\end{questions}
\end{corrige}

%%% 13

\begin{exo}{Histoire récente de la lignée humaine}{Lycée La Bruyère, Versailles}{2}{20}
En 2008, des paléoanthropologues découvrent dans les sédiments de la grotte de Denisova en Sibérie une phalange humaine. De l'ADN mitochondrial ayant été extrait du fossile puis séquencé, les chercheurs comparent cet ADN à celui de différents autres individus : des néanderthaliens (H. neanderthalensis), des Homo sapiens fossiles,  des hommes actuels. Le document 1 donne le résultat de cette comparaison.

En 2012, les chercheurs précisent leur étude en procédant à un séquençage de l'ADN nucléaire trouvé dans la phalange. Ils comparent cet ADN à celui de 4 néanderthaliens et de 5 sapiens. L'arbre phylogénétique établi est illustré dans le document 2 (page suivante).

\begin{questions}
\item \`A partir des données du document 1, retrouver les relations de parenté  que les chercheurs ont pu établir entre les différents humains étudiés. Représenter ces liens de parenté sous forme d'un arbre phylogénétique.
\item L'utilisation de l'ADN nucléaire donnant généralement des résultats plus nuancés  que  ceux obtenus par comparaison de l'ADN mitochondrial, les chercheurs conclurent de leurs travaux que l'Homme de Denisova, bien qu'étant une espèce à part entière avait pu s'hybrider tardivement  avec l'Homme de Néanderthal. Montrer comment la confrontation des résultats du document 2 et du document 1 a permis de parvenir à cette conclusion.
\end{questions}
\begin{figure}
\begin{center}
\includegraphics{070_3_exo16-1}
\figcaption{Document 1 -- Résultat de la comparaison des \numprint{16500} nucléotides l'ADN mitochondrial de différents types d'humains.}
\end{center}
\end{figure}

\Par

\begin{figure}
\begin{center}
\includegraphics{070_3_exo16-2}
\figcaption{Document 2 -- Phylogénie établie à partir d'une comparaison de l'ADN nucléaire de Dénisova et de divers humains.}
\end{center}
\end{figure}
\end{exo}

\begin{corrige}
\begin{questions}
\item Le document 1 montre que la moyenne du nombre de différences de paires de nucléotides  entre humains actuels  est en moyenne de 50 sur 16500  et de 100 pour la comparaison entre individus actuels et fossiles. La moyenne pouvant donc être située à environ 75 au sein de l'espèce H. sapiens si l'on prend l'ensemble des deux séries de comparaisons. Les résultats des comparaisons entre sapiens et néanderthaliens montre un nombre de différences  d'environ 200 pour toutes les comparaisons, ce résultat, nettement supérieur au précédent, justifie que l'on considère H. sapiens et H. neanderthalensis comme deux espèces différentes. Ce résultat traduit l'existence d'un ancêtre commun à ces deux espèces nettement plus éloigné dans le temps  que celui des sapiens actuels et fossiles. C'est en effet au cours du temps que des mutations affectant l'ADN mitochondrial ont fait diverger les deux lignées après que les échanges génétiques aient cessé entre les deux espèces.

L'étude de l'ADN mitochondrial  de l'homme de la grotte de Denisova montre que celui-ci est génétiquement très différent (environ 380 paires de nucléotides différentes  sur 16500) de l'Homo sapiens et de l'Homo neanderthalensis. Il constitue donc une troisième espèce dont le dernier ancêtre commun avec les deux espèces précédentes est encore plus ancien. Le résultat de l'analyse du document 1 peut être traduit sous la forme de l'arbre phylogénétique.

\Par

\begin{figure}
\begin{center}
\includegraphics{083_3_exo16-3}
\figcaption{Arbre phylogénétique résultant de l'étude du document 1.}
\end{center}
\end{figure}

\item Le document 2 propose, d'après l'étude sur l'ADN nucléaire, un arbre phylogénétique différent de celui établi grâce aux données sur l'ADN mitochondrial. Il confirme que l'Homme de Denisova est une espèce différente d'H.sapiens et d'H.neanderthalensis mais il montre une plus grande proximité de Denisova avec les neanderthaliens. Si l'on ne veut pas invalider le premier arbre, on peut admettre que cette proximité de l'ADN nucléaire entre néanderthaliens et Denisova peut provenir d'une hybridation tardive entre ces deux espèces qui n'apparaitrait pas dans l'ADN des mitochondries.
\end{questions}
\end{corrige}

\thumb
\AfficheCorrige
