Polyhybridisme, test-cross et extensions du mendélisme

Les rapports de Mendel supposent une dominance complète, deux allèles par gène et des gènes agissant séparément. Ce chapitre généralise d'abord le raisonnement à n gènes indépendants, puis examine les situations où les rapports observés s'écartent du 3:1 et du 9:3:3:1 : dominance incomplète, codominance, allèles multiples, létalité et interactions entre gènes. Savoir reconnaître un rapport modifié est l'une des compétences les plus testées en S4.

1. Le polyhybridisme : généralisation à n gènes

Pour des gènes indépendants, chaque couple d'allèles hétérozygote double le nombre de gamètes. Un individu hétérozygote pour n gènes produit 2ⁿ types de gamètes équiprobables ; en F2, l'échiquier compte 4ⁿ cases, 3ⁿ génotypes et, en dominance complète, 2ⁿ phénotypes. Un trihybride AaBbCc donne ainsi 8 gamètes, un échiquier de 64 cases, 27 génotypes et 8 phénotypes dans le rapport 27:9:9:9:3:3:3:1 ; un tétrahybride, 16 gamètes et 81 génotypes, et la probabilité d'obtenir aabbccdd n'est que de 1/256. Pour énumérer les gamètes sans erreur, la méthode dichotomique sépare successivement chaque couple hétérozygote en deux branches, les couples homozygotes n'ouvrant aucune branche : aaBbCCddEe donne aBCdE, aBCde, abCdE, abCde. Une méthode plus rapide pour une classe précise consiste à multiplier les probabilités de chaque gène pris isolément (probabilité de [A ; b ; C] en F2 = 3/4 × 1/4 × 3/4).

2. Test-cross et back-cross

Le test-cross croise l'individu à tester avec un homozygote récessif pour tous les gènes étudiés : la descendance reproduit exactement la nature et les proportions des gamètes de l'individu testé, ce qui en fait l'outil de référence pour distinguer homozygote et hétérozygote, gènes indépendants et gènes liés. Le back-cross (croisement en retour) désigne le croisement d'un hybride F1 avec l'un de ses parents, quel qu'il soit ; il ne se confond avec le test-cross que si ce parent est le récessif. Un test-cross d'un trihybride indépendant donne huit classes phénotypiques équiprobables (1/8 chacune).

3. Dominance incomplète et codominance

La dominance incomplète (ou semi-dominance) décrit un hétérozygote au phénotype intermédiaire entre les deux homozygotes : chez la belle-de-nuit (Mirabilis jalapa), le croisement rouge × blanc donne une F1 rose et une F2 1 rouge : 2 roses : 1 blanc. Le rapport phénotypique 1:2:1 coïncide alors avec le rapport génotypique. Au niveau moléculaire, l'effet est souvent une question de dose : deux doses d'allèle fonctionnel produisent plus de pigment qu'une seule. Dans la codominance, l'hétérozygote exprime simultanément et distinctement les deux allèles : les groupes sanguins MN (M/N porte les deux antigènes) ou le groupe AB du système ABO. Dans les deux cas, chaque génotype a son phénotype propre, ce qui rend inutile le test-cross.

4. Allèles multiples et gènes létaux

Un gène peut posséder plus de deux allèles dans la population, même si chaque individu n'en porte que deux : c'est le polyallélisme. Le système ABO humain en est l'exemple classique : trois allèles I^A, I^B et i, avec I^A et I^B codominants et tous deux dominants sur i, donnent six génotypes et quatre phénotypes (A, B, AB, O). La couleur du pelage du lapin (série C > c^ch > c^h > c, du sauvage à l'albinos) illustre une série allélique à dominance hiérarchique. Un allèle létal provoque la mort du porteur avant la naissance ou l'âge d'observation : chez la souris, l'allèle jaune A^Y est dominant pour la couleur mais létal récessif à l'état homozygote, si bien que jaune × jaune donne 2 jaunes : 1 agouti au lieu de 3:1, la classe A^Y/A^Y ayant disparu. Un rapport 2:1 en F2 doit donc faire penser à un gène létal.

5. Interactions entre gènes : l'épistasie

Lorsque deux gènes indépendants contribuent au même caractère, la F2 reste fondée sur les 16 combinaisons du 9:3:3:1 mais certaines classes fusionnent. On parle d'épistasie lorsqu'un gène (épistatique) masque l'expression d'un autre (hypostatique). L'épistasie récessive donne 9:3:4 : chez la souris, le génotype c/c (albinos) empêche l'expression du gène agouti quel que soit l'allèle A. L'épistasie dominante donne 12:3:1 : chez la courge, l'allèle dominant W (blanc) masque la couleur due au gène Y. Les gènes complémentaires donnent 9:7 : chez le pois de senteur, la fleur n'est colorée que si les deux allèles dominants C et P sont présents, chaque gène codant une enzyme d'une même voie de biosynthèse. On rencontre encore les rapports 13:3 (épistasie dominante suppressive) et 15:1 (gènes dupliqués). Le raisonnement est toujours le même : partir des 16 cases, puis regrouper les génotypes selon la règle biologique proposée.

6. Pléiotropie, pénétrance et expressivité

Un gène est pléiotrope lorsqu'il affecte plusieurs caractères à la fois (chez l'homme, la mutation responsable de la phénylcétonurie touche le métabolisme, la pigmentation et le développement cérébral). La pénétrance est la proportion d'individus porteurs d'un génotype qui expriment effectivement le phénotype correspondant ; elle est complète (100 %) chez Mendel mais souvent incomplète dans les maladies humaines dominantes. L'expressivité désigne le degré variable d'expression du phénotype chez les individus qui l'expriment. Ces notions, avec l'influence du milieu (phénocopies), expliquent pourquoi un même génotype ne se traduit pas toujours par le même phénotype.