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7.1 : Introduction - Biologie


Dans cette conférence, nous définirons les chaînes de Markov et les HMM, en fournissant une série d'exemples motivants. Enfin, nous aborderons le problème de la détermination du chemin d'états le plus probable correspondant aux observations données, objectif atteint par l'algorithme de Viterbi.

Dans le deuxième cours sur les HMM, nous continuerons notre discussion sur le décodage en explorant le décodage a posteriori, qui nous permet de calculer l'état le plus probable à chaque point de la séquence. Nous explorerons ensuite comment apprendre un modèle de Markov caché. Nous couvrons à la fois l'apprentissage supervisé et non supervisé, en expliquant comment utiliser chacun pour apprendre les paramètres du modèle. Dans l'apprentissage supervisé, nous disposons de données d'apprentissage qui étiquettent les séquences avec des modèles particuliers. Dans l'apprentissage non supervisé, nous n'avons pas d'étiquettes, nous devons donc chercher à partitionner les données en catégories discrètes en fonction des similitudes probabilistes découvertes. Dans notre discussion sur l'apprentissage non supervisé, nous présenterons l'algorithme général et largement applicable de maximisation des attentes (EM).


7.1 Reproduction sexuelle

La reproduction sexuée était une innovation évolutive précoce après l'apparition des cellules eucaryotes. Le fait que la plupart des eucaryotes se reproduisent sexuellement est la preuve de son succès évolutif. Chez de nombreux animaux, c'est le seul mode de reproduction. Et pourtant, les scientifiques reconnaissent de réels inconvénients à la reproduction sexuée. À première vue, une progéniture génétiquement identique au parent peut sembler plus avantageuse. Si l'organisme parent réussit à occuper un habitat, une progéniture avec les mêmes traits connaîtrait le même succès. Il existe également un avantage évident pour un organisme qui peut produire une progéniture par bourgeonnement asexué, fragmentation ou œufs asexués. Ces méthodes de reproduction ne nécessitent pas un autre organisme du sexe opposé. Il n'est pas nécessaire de dépenser de l'énergie pour trouver ou attirer un partenaire. Cette énergie peut être dépensée pour produire plus de progéniture. En effet, certains organismes qui mènent un mode de vie solitaire ont conservé la capacité de se reproduire de manière asexuée. De plus, les populations asexuées n'ont que des individus femelles, donc chaque individu est capable de se reproduire. En revanche, les mâles des populations sexuées (la moitié de la population) ne produisent pas eux-mêmes de progéniture. Pour cette raison, une population asexuée peut croître deux fois plus vite qu'une population sexuelle en théorie. Cela signifie qu'en compétition, la population asexuée aurait l'avantage. Tous ces avantages pour la reproduction asexuée, qui sont aussi des inconvénients pour la reproduction sexuée, devraient signifier que le nombre d'espèces à reproduction asexuée devrait être plus fréquent.

Cependant, les organismes multicellulaires qui dépendent exclusivement de la reproduction asexuée sont extrêmement rares. Pourquoi la reproduction sexuée est-elle si courante ? C'est l'une des questions importantes en biologie et a fait l'objet de nombreuses recherches depuis la seconde moitié du vingtième siècle jusqu'à nos jours. Une explication probable est que la variation que la reproduction sexuée crée parmi la progéniture est très importante pour la survie et la reproduction de cette progéniture. La seule source de variation chez les organismes asexués est la mutation. C'est la source ultime de variation dans les organismes sexuels. De plus, ces différentes mutations sont continuellement remaniées d'une génération à l'autre lorsque différents parents combinent leurs génomes uniques, et les gènes sont mélangés en différentes combinaisons par le processus de méiose. La méiose est la division du contenu du noyau qui divise les chromosomes entre les gamètes. La variation est introduite pendant la méiose, ainsi que lorsque les gamètes se combinent dans la fécondation.

Connexion Évolution

L'hypothèse de la reine rouge

Il ne fait aucun doute que la reproduction sexuée offre des avantages évolutifs aux organismes qui utilisent ce mécanisme pour produire une progéniture. La question problématique est pourquoi, même face à des conditions assez stables, la reproduction sexuée persiste alors qu'elle est plus difficile et produit moins de progéniture pour les organismes individuels ? La variation est le résultat de la reproduction sexuée, mais pourquoi des variations continues sont-elles nécessaires ? Entrez l'hypothèse de la reine rouge, proposée pour la première fois par Leigh Van Valen en 1973. 1 Le concept a été nommé en référence à la course de la reine rouge dans le livre de Lewis Carroll, De l'autre côté du miroir, dans lequel la Reine Rouge dit qu'il faut courir à toute vitesse juste pour rester où l'on est.

Toutes les espèces coévoluent avec d'autres organismes. Par exemple, les prédateurs coévoluent avec leurs proies et les parasites coévoluent avec leurs hôtes. Un exemple remarquable de coévolution entre les prédateurs et leurs proies est la coadaptation unique des chauves-souris volantes de nuit et de leurs proies. Les chauves-souris trouvent leur proie en émettant des clics aigus, mais les papillons de nuit ont développé de simples oreilles pour entendre ces clics afin qu'ils puissent éviter les chauves-souris. Les papillons ont également des comportements adaptés, comme s'éloigner de la chauve-souris lorsqu'ils l'entendent pour la première fois, ou se laisser tomber soudainement au sol lorsque la chauve-souris est sur eux. Les chauves-souris ont développé des clics "silencieux" pour tenter d'échapper à l'audition du papillon de nuit. Certains papillons de nuit ont développé la capacité de répondre aux clics des chauves-souris avec leurs propres clics comme stratégie pour confondre les capacités d'écholocation des chauves-souris.

Chaque petit avantage obtenu par une variation favorable donne à une espèce un avantage sur ses concurrents proches, les prédateurs, les parasites ou même les proies. La seule méthode qui permettra à une espèce coévoluant de conserver sa propre part des ressources est aussi d'améliorer continuellement sa capacité à survivre et à produire une descendance. Lorsqu'une espèce obtient un avantage, d'autres espèces doivent également développer un avantage ou elles seront éclipsées. Aucune espèce ne progresse trop loin parce que la variation génétique entre les descendants de la reproduction sexuée fournit à toutes les espèces un mécanisme pour produire des individus adaptés. Les espèces dont les individus ne peuvent pas suivre s'éteignent. Le slogan de la reine rouge était : « Il faut tout le temps que tu peux courir pour rester au même endroit. » Il s'agit d'une description appropriée de la coévolution entre espèces concurrentes.

Cycles de vie des organismes se reproduisant sexuellement

La fécondation et la méiose alternent dans les cycles de vie sexuelle. Ce qui se passe entre ces deux événements dépend de l'organisme. Le processus de méiose réduit de moitié le nombre de chromosomes du gamète résultant. La fécondation, l'union de deux gamètes haploïdes, restaure l'état diploïde. Il existe trois catégories principales de cycles de vie chez les organismes multicellulaires : à dominance diploïde, dans laquelle le stade diploïde multicellulaire est le stade de vie le plus évident (et il n'y a pas de stade haploïde multicellulaire), comme chez la plupart des animaux, y compris les humains à dominance haploïde, dans lesquels le stade haploïde multicellulaire est le stade de vie le plus évident (et il n'y a pas de stade diploïde multicellulaire), comme pour tous les champignons et certaines algues et alternance de générations, dans laquelle les deux stades, haploïde et diploïde, sont apparents à un degré ou un autre selon sur le groupe, comme pour les plantes et certaines algues.

Presque tous les animaux utilisent une stratégie de cycle de vie à dominance diploïde dans laquelle les seules cellules haploïdes produites par l'organisme sont les gamètes. Les gamètes sont produits à partir de cellules germinales diploïdes, une lignée cellulaire spéciale qui ne produit que des gamètes. Une fois que les gamètes haploïdes sont formés, ils perdent la capacité de se diviser à nouveau. Il n'y a pas de stade de vie haploïde multicellulaire. La fécondation se produit avec la fusion de deux gamètes, généralement d'individus différents, rétablissant l'état diploïde (Figure 7.2une).

Connexion visuelle

Si une mutation se produit de sorte qu'un champignon n'est plus capable de produire un type d'accouplement négatif, sera-t-il toujours capable de se reproduire ?

La plupart des champignons et des algues utilisent une stratégie de cycle de vie dans laquelle le « corps » multicellulaire de l'organisme est haploïde. Au cours de la reproduction sexuée, les cellules haploïdes spécialisées de deux individus se rejoignent pour former un zygote diploïde. Le zygote subit immédiatement la méiose pour former quatre cellules haploïdes appelées spores (Figure 7.2b).

Le troisième type de cycle de vie, utilisé par certaines algues et toutes les plantes, est appelé alternance de générations. Ces espèces ont à la fois des organismes multicellulaires haploïdes et diploïdes dans le cadre de leur cycle de vie. Les plantes multicellulaires haploïdes sont appelées gamétophytes car elles produisent des gamètes. La méiose n'est pas impliquée dans la production de gamètes dans ce cas, car l'organisme qui produit les gamètes est déjà haploïde. La fécondation entre les gamètes forme un zygote diploïde. Le zygote subira plusieurs cycles de mitose et donnera naissance à une plante multicellulaire diploïde appelée sporophyte. Les cellules spécialisées du sporophyte subiront une méiose et produiront des spores haploïdes. Les spores se développeront en gamétophytes (Figure 7.2c).


7.1 ADN et ARN

Votre ADN, ou acide désoxyribonucléique, contient les gènes qui déterminent qui vous êtes. Comment cette molécule organique peut-elle contrôler vos caractéristiques ? L'ADN contient des instructions pour toutes les protéines que votre corps fabrique. Les protéines, à leur tour, déterminent la structure et la fonction de toutes vos cellules. Qu'est-ce qui détermine la structure d'une protéine ? Il commence par la séquence d'acides aminés qui composent la protéine. Les instructions pour fabriquer des protéines avec la séquence correcte d'acides aminés sont codées dans l'ADN.

Qu'est-ce que l'ADN et comment fonctionne-t-il ?

Le vocabulaire de l'ADN : chromosomes, chromatides, chromatine, transcription, traduction et réplication est discuté sur http://www.youtube.com/user/khanacademy#p/c/7A9646BC5110CF64/6/s9HPNwXd9fk (18:23). Vidéo OPTIONNELLE !

Dogme central de la biologie moléculaire

L'ADN se trouve dans les chromosomes. Dans les cellules eucaryotes, les chromosomes restent toujours dans le noyau, mais les protéines sont fabriquées au niveau des ribosomes du cytoplasme. Comment les instructions de l'ADN parviennent-elles au site de synthèse des protéines à l'extérieur du noyau ? Un autre type d'acide nucléique est responsable. Cet acide nucléique est l'ARN, ou acide ribonucléique. L'ARN est une petite molécule qui peut se faufiler à travers les pores de la membrane nucléaire. Il transporte l'information de l'ADN dans le noyau à un ribosome dans le cytoplasme, puis aide à assembler la protéine. En bref:

ADN → ARN → Protéine

La découverte de cette séquence d'événements a été une étape majeure en biologie moléculaire. Il s'appelle le dogme central de la biologie moléculaire. Vous pouvez regarder une vidéo sur le dogme central et d'autres concepts de cette leçon sur ce lien : http://www.youtube.com/watch?v=ZjRCmU0_dhY&feature=fvw (8:07). BONUS : C'est en japonais, LOL, mais ça va, vous pouvez lire les sous-titres. Ma fille vit au Japon, elle sera donc ravie que vous regardiez quelque chose dans la langue qu'elle parle maintenant couramment !

L'ADN est le matériel génétique de vos cellules. Elle vous a été transmise par vos parents et détermine vos caractéristiques. La découverte que l'ADN est le matériel génétique a été une autre étape importante de la biologie moléculaire.

Griffith recherche le matériel génétique

De nombreux scientifiques ont contribué à l'identification de l'ADN en tant que matériel génétique. Dans les années 1920, Frederick Griffith a fait une découverte importante. Il étudiait deux souches différentes d'une bactérie, appelées souche R (rugueuse) et S (lisse). Il a injecté les deux souches à des souris. La souche S a tué (virulente) les souris, mais pas la souche R (non virulente) (voir Chiffre au dessous de). Griffith a également injecté à des souris des bactéries de souche S qui avaient été tuées par la chaleur. Comme prévu, les bactéries tuées n'ont pas nui aux souris. Cependant, lorsque les bactéries de souche S mortes ont été mélangées à des bactéries de souche R vivantes et injectées, les souris sont mortes.

Sur la base de ses observations, Griffith a déduit que quelque chose dans la souche S tuée avait été transféré à la souche R auparavant inoffensive, rendant la souche R mortelle. C'était quoi ce quelque chose ? Quel type de substance pourrait changer les caractéristiques de l'organisme qui l'a reçue ?

L'équipe d'Avery apporte une contribution majeure

Au début des années 1940, une équipe de scientifiques dirigée par Oswald Avery a tenté de répondre à la question soulevée par les résultats de Griffith. Ils ont inactivé diverses substances dans les bactéries de la souche S. Ils ont ensuite tué les bactéries de souche S et mélangé les restes avec des bactéries de souche R vivantes. (N'oubliez pas que les bactéries de la souche R ne nuisaient généralement pas aux souris.) Lorsqu'elles inactivaient les protéines, la souche R était mortelle pour les souris injectées. Cela excluait les protéines comme matériel génétique. Pourquoi? Même sans les protéines de la souche S, la souche R a été modifiée ou transformée en la souche mortelle. Cependant, lorsque les chercheurs ont inactivé l'ADN de la souche S, la souche R est restée inoffensive. Cela a conduit à la conclusion que l'ADN est la substance qui contrôle les caractéristiques des organismes. En d'autres termes, l'ADN est le matériel génétique. Vous pouvez regarder une animation sur les recherches de Griffith et d'Avery sur ce lien :

Hershey et Chase concluent l'affaire

La conclusion que l'ADN est le matériel génétique n'a pas été largement acceptée au début. Cela devait être confirmé par d'autres recherches. Dans les années 1950, Alfred Hershey et Martha Chase ont fait des expériences avec des virus et des bactéries. Les virus ne sont pas des cellules. Ce sont essentiellement de l'ADN à l'intérieur d'une enveloppe protéique. Pour se reproduire, un virus doit insérer son propre matériel génétique dans une cellule (comme une bactérie). Ensuite, il utilise la machinerie de la cellule pour fabriquer plus de virus. Les chercheurs ont utilisé différents éléments radioactifs pour marquer l'ADN et les protéines des virus. Cela leur a permis d'identifier quelle molécule les virus ont inséré dans les bactéries. L'ADN était la molécule qu'ils ont identifiée. Cela a confirmé que l'ADN est le matériel génétique.

Chargaff écrit les règles

D'autres découvertes importantes sur l'ADN ont été faites au milieu des années 1900 par Erwin Chargaff. Il a étudié l'ADN de nombreuses espèces différentes. Il s'intéressait particulièrement aux quatre bases azotées différentes de l'ADN : l'adénine (A), la guanine (G), la cytosine (C) et la thymine (T) (voir Chiffre au dessous de). Chargaff a constaté que les concentrations des quatre bases différaient d'une espèce à l'autre. Cependant, au sein de chaque espèce, la concentration d'adénine était toujours à peu près la même que la concentration de thymine. Il en était de même pour les concentrations de guanine et de cytosine. Ces observations sont connues sous le nom de Les règles de Chargaff. La signification des règles ne serait révélée qu'une fois la structure de l'ADN découverte.

L'histoire tordue de l'ADN (facultatif) :

La double hélice

Après que l'ADN se soit avéré être le matériel génétique, les scientifiques ont voulu en savoir plus à ce sujet. James Watson et Francis Crick sont généralement crédités d'avoir découvert que l'ADN a une forme en double hélice, comme un escalier en colimaçon (voir Chiffre au dessous de). La découverte était basée sur les travaux antérieurs de Rosalind Franklin et d'autres scientifiques, qui avaient utilisé les rayons X pour en savoir plus sur la structure de l'ADN. Franklin et ces autres scientifiques n'ont pas toujours été crédités pour leurs contributions. Vous pouvez en savoir plus sur le travail de Franklin en regardant la vidéo sur ce lien : http://www.youtube.com/watch?v=s3whouvZYG8 (7:47).

La forme en double hélice de l'ADN, ainsi que les règles de Chargaff, ont conduit à une meilleure compréhension de l'ADN. L'ADN, en tant qu'acide nucléique, est composé de monomères nucléotidiques et la double hélice de l'ADN est constituée de deux chaînes polynucléotidiques. Chaque nucléotide est constitué d'un sucre (désoxyribose), d'un groupe phosphate et d'une base azotée (A, C, G ou T). Le squelette sucre-phosphate de la double hélice a été discuté dans le Chimie de la vie chapitre.

Les scientifiques ont conclu que les liaisons (liaisons hydrogène) entre les bases complémentaires maintiennent ensemble les deux chaînes polynucléotidiques de l'ADN. L'adénine se lie toujours à sa base complémentaire, la thymine. La cytosine se lie toujours à sa base complémentaire, la guanine. Si vous regardez les bases azotées dans Chiffre ci-dessus, vous verrez pourquoi. L'adénine et la guanine ont une structure à deux cycles. La cytosine et la thymine n'ont qu'un seul anneau. Si l'adénine devait se lier à la guanine et la cytosine à la thymine, la distance entre les deux chaînes d'ADN serait variable. Cependant, lorsqu'une molécule à un cycle se lie à une molécule à deux cycles, la distance entre les deux chaînes est maintenue constante. Cela maintient la forme uniforme de la double hélice d'ADN. Ces paires de bases (A-T ou G-C) s'enfoncent au milieu de la double hélice, formant, en substance, les marches de l'escalier en colimaçon.

Réplication de l'ADN

La connaissance de la structure de l'ADN a aidé les scientifiques à comprendre comment l'ADN se réplique. La réplication de l'ADN est le processus par lequel l'ADN est copié. Il se produit pendant la phase de synthèse (S) du cycle cellulaire eucaryote. La réplication de l'ADN commence lorsqu'une enzyme rompt les liaisons entre les bases complémentaires de l'ADN (voir Chiffre au dessous de). Cela expose les bases à l'intérieur de la molécule afin qu'elles puissent être «lues» par une autre enzyme et utilisées pour construire deux nouveaux brins d'ADN avec des bases complémentaires. Les deux molécules filles qui en résultent contiennent chacune un brin de la molécule mère et un nouveau brin qui lui est complémentaire. En conséquence, les deux molécules filles sont toutes deux identiques à la molécule mère. Le processus de réplication de l'ADN est en réalité beaucoup plus complexe que ce simple résumé.

Réplication de l'ADN (Amoeba Sisters) :

L'ADN seul ne peut pas « dire » à vos cellules comment fabriquer des protéines. Il a besoin de l'aide de l'ARN, l'autre acteur principal du dogme central de la biologie moléculaire. N'oubliez pas que l'ADN « vit » dans le noyau, mais les protéines sont fabriquées sur les ribosomes dans le cytoplasme. Comment l'information génétique passe-t-elle du noyau au cytoplasme ? L'ARN est la réponse.

ARN contre ADN

L'ARN, comme l'ADN, est un acide nucléique. Cependant, l'ARN diffère de l'ADN de plusieurs manières. En plus d'être plus petit que l'ADN, l'ARN

  • se compose d'une chaîne nucléotidique au lieu de deux,
  • contient la base azotée uracile (U) au lieu de thymine,
  • contient le sucre ribose au lieu du désoxyribose.

Pourquoi l'ARN est tout aussi cool et l'ADN :

Cette version imprimable vous aidera à vous souvenir du matériel de la vidéo ci-dessus :

Types d'ARN

Il existe trois principaux types d'ARN, tous impliqués dans la fabrication des protéines.

  1. ARN messager (ARNm) copie les instructions génétiques de l'ADN dans le noyau et les transporte vers le cytoplasme.
  2. ARN ribosomique (ARNr) aide à former des ribosomes, où les protéines sont assemblées.
  3. ARN de transfert (ARNt) apporte des acides aminés aux ribosomes, où ils sont réunis pour former des protéines.

Dans la leçon suivante, vous pourrez lire en détail comment ces trois types d'ARN aident les cellules à fabriquer des protéines.

Résumé de la leçon

  • Le dogme central de la biologie moléculaire stipule que l'ADN contient des instructions pour fabriquer une protéine, qui sont copiées par l'ARN. L'ARN utilise ensuite les instructions pour fabriquer une protéine. En bref: ADN → ARN → Protéine.
  • Les travaux de plusieurs chercheurs ont conduit à la découverte que l'ADN est le matériel génétique. D'autres chercheurs ont découvert que l'ADN a une forme de double hélice, constituée de deux chaînes polynucléotidiques maintenues ensemble par des liaisons entre des bases complémentaires.
  • L'ARN diffère de l'ADN de plusieurs manières. Il existe trois principaux types d'ARN : l'ARN messager (ARNm), l'ARN ribosomique (ARNr) et l'ARN de transfert (ARNt). Chaque type joue un rôle différent dans la fabrication des protéines.

Questions de révision de la leçon

Rappeler

1. Énoncez le dogme central de la biologie moléculaire.

2. Décrire les recherches qui ont déterminé que l'ADN est le matériel génétique.

3. Quelles sont les règles de Chargaff ?

4. Identifiez la structure de la molécule d'ADN.

5. Pourquoi la réplication de l'ADN est-elle semi-conservatrice ?

Appliquer les concepts

6. Créez un diagramme qui montre comment se produit la réplication de l'ADN.

Pense de façon critique

7. Expliquez pourquoi l'appariement de bases complémentaires est nécessaire pour maintenir la forme en double hélice de la molécule d'ADN.


7.1 Objectifs du chapitre

Notre objectif pour ce chapitre est que vous commenciez à comprendre que la reproduction sexuée est coûteuse d'un point de vue évolutif, et qu'il existe des hypothèses pour expliquer pourquoi la reproduction sexuée existe malgré ces coûts. Plus précisément, à la fin de votre lecture et de notre discussion en classe, vous serez en mesure de :

  1. Définir les termes suivants:
    • reproduction asexuée
    • parthénogenèse
    • Le cliquet de Muller
    • La reine rouge
    • complexe majeur d'histocompatibilité (CMH)
    • polygénique
    • polymorphe
    • codominante
  2. Identifier trois hypothèses de persistance de la reproduction sexuée.
  3. Dans la mesure du possible, dressez la liste des prédictions vérifiables associées à ces hypothèses.
  4. Identifier les preuves à l'appui d'hypothèses spécifiques pour l'existence du sexe.

Réponse libre

Expliquez l'avantage que les populations d'organismes à reproduction sexuée ont sur les organismes à reproduction asexuée ?

Les descendants d'organismes à reproduction sexuée sont tous génétiquement uniques. Pour cette raison, les organismes à reproduction sexuée peuvent avoir une survie plus réussie de leur progéniture dans des environnements qui changent que les organismes à reproduction asexuée, dont la progéniture est génétiquement identique. De plus, le taux d'adaptation des organismes à reproduction sexuée est plus élevé, en raison de leur variation accrue. Cela peut permettre aux organismes à reproduction sexuée de s'adapter plus rapidement aux concurrents et aux parasites, qui développent de nouvelles façons de les exploiter ou de les surpasser.

Décrivez les deux événements communs à tous les organismes à reproduction sexuée et comment ils s'intègrent dans les différents cycles de vie de ces organismes.

Les deux événements communs à tous les organismes se reproduisant sexuellement sont la méiose et la fécondation. La méiose réduit une cellule diploïde à un état haploïde. La cellule haploïde peut se diviser par mitose pour produire un organisme, dont certaines cellules se combineront pendant la fécondation, ou les cellules haploïdes produites par la méiose peuvent se combiner immédiatement lors de la fécondation pour produire une cellule diploïde qui se divise pour produire un organisme.

Glossaire

alternance des générations : un type de cycle de vie dans lequel les stades diploïde et haploïde alternent

à dominance diploïde : un type de cycle de vie dans lequel le stade diploïde multicellulaire est répandu

à dominance haploïde : un type de cycle de vie dans lequel le stade haploïde multicellulaire est répandu

gamétophyte : une étape du cycle de vie haploïde multicellulaire qui produit des gamètes

cellules germinales: une cellule spécialisée qui produit des gamètes, tels que des ovules ou du sperme

cycle de la vie: la séquence d'événements dans le développement d'un organisme et la production de cellules qui produisent une progéniture

méiose: un processus de division nucléaire qui aboutit à quatre cellules haploïdes

sporophyte : une étape du cycle de vie diploïde multicellulaire qui produit des spores


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