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Thème La Terre, la vie et l’organisation du vivant

Publié le 7 juil. 2022

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Le  jeudi 7 juillet 2022

Scénario pédagogique intégratif s’articulant autour de la « tolérance au lactose ».

Scénario articulant plusieurs problématiques avec la présentation des activités associées autour de la tolérance au lactose.

  • Comparaison des allèles du gène de la lactase en amont de la zone de transcription

    Niveau :

    Première Spécialité/La Terre, la vie et l’organisation du vivant/Transmission, variation et expression du patrimoine génétique

     

    Compétences :

    Connaissances

    Mutations de l’ADN et variabilité génétique

    L’expression du patrimoine génétique

    Les enzymes, des biomolécules aux propriétés catalytiques

    L’histoire humaine lue dans son génome

    Capacités

    Formuler et résoudre une question ou un problème scientifique.

    Concevoir et mettre en œuvre des stratégies de résolution.

    Observer, questionner, formuler une hypothèse, en déduire ses conséquences testables ou vérifiables, expérimenter, raisonner avec rigueur, modéliser, argumenter.

    Interpréter des résultats et en tirer des conclusions.

    Communiquer dans un langage scientifiquement approprié : oral, écrit, graphique, numérique.

    Utiliser des outils numériques.

     

    Description du scénario :

    Prérequis : A faire après la partie sur les mutations du programme de 1ère

     Déficit congénital en lactase

     

    PROBLEME : Comment expliquer l’incapacité à digérer le lactose chez les nourrissons atteints de LCD ?

     

    Activités : L’étude des données familiales et des arbres généalogiques permet de montrer une transmission héréditaire de la maladie (monogénique autosomique récessive) ce qui conduit à envisager l’existence d’un gène responsable de cette maladie.

    Assignment of the Locus for Congenital Lactase Deficiency to 2q21, in the Vicinity of but Separate from the Lactase-Phlorizin Hydrolase Gene Author IrmaJärvelä1*NabilSabri Enattah1*JormaKokkonen3TeppoVarilo1ErkkiSavilahti2LeenaPeltonen1 

     

    La comparaison des séquences (anagène) permet de montrer l’existence d’une mutation à l’origine de la déficience du gène. (Fichier Famille-LCD.edi)

    comparaison des allèles dans une famille avec anagène 

    Comparaison des allèles LCD d'une famille avec genigen2

    D’après genigen2

     

    Quelques ressources :

    http://acces.ens-lyon.fr/acces/thematiques/evolution/dossiers-thematiques/la-tolerance-aulactose/variabilite-sante-deficience-en-lactase/deficit-congenital-en-lactase/index_html

     Irma Järvelä, Nabil Sabri Enattah, Jorma Kokkonen, Teppo Varilo, Erkki Savilahti, and Leena Peltonen, Assignment of the Locus for Congenital Lactase Deficiency to 2q21, in the Vicinity of but Separate from the Lactase-Phlorizin Hydrolase.

    https://core.ac.uk/download/pdf/82622930.pdf

     

    PROBLEME : Comment expliquer que la mutation au niveau du gène entraîne des répercussions à une position différente dans la séquence des acides aminés ?

     

    Variante 1 : comment expliquer la synthèse d’une lactase comportant un nombre d’acides aminés plus faible que la lactase fonctionnelle ?

     Variante 2 : En quoi la mutation du gène est-elle responsable de la synthèse d’une lactase inopérante ?

    Fenêtre anagène de conversion en ARN et protéines 

    Résultats de conversion en ARN et protéine avec genigen2 

    D’après GENEGEN2, après avoir demandé la transcription, la traduction et l’alignement des deux allèles du père.

     

    Apparition d’un codon stop et formation d’un peptide dont la séquence ne comporte que 1389 acides aminés au lieu de 1927. Nombreuses activités : anagène, documents historiques sur le transcription-traduction (déjà dans l’ancien programme).

     

    PROBLEME : comment expliquer qu’une enzyme comportant un nombre d’acides aminés différent ne puisse réaliser sa fonction d’hydrolyse du lactose ?

     

    Nombreuses activités possibles pour montrer le rôle de la configuration spatiale de l’enzyme. La lactase peut s’acheter en pharmacie. L’un des produits de la réaction enzymatique étant le glucose (+ galactose), on peut le détecter avec les tests classiques déjà utilisés avec l’amylase en spécialité SVT (lugol, liqueur de Fehling, bandelettes tests…)

     

    Quelques ressources : Le modèle moléculaire de la lactase humaine (combinée au galactose) format .pdb utilisable dans Rastop est disponible ici :

    http://www.rcsb.org/structure/3THC
     La lactase combinée avec son substrat est disponible mais uniquement chez E. Coli : http://www.rcsb.org/structure/1JYN

     http://www.rcsb.org/structure/4V44

     Logiciel lactase de Philippe Cosentino (un peu simpliste…) pour modéliser l’action du pH, de la température de la concentration en substrat ou enzyme lors de la réaction de la lactase sur son substrat :

    https://www.pedagogie.ac-nice.fr/svt/?p=661

     

    PROBLEME : Comment expliquer que certaines personnes soient incapables de digérer le lait à l’âge adulte alors qu’elles en étaient capables étant enfant ?

     Comment expliquer que certaines personnes soient intolérantes au lactose ?

     

     Activités pour comparer la séquence codante du gène de la lactase chez des personnes lactase persistante (LP) et lactase non persistante (LNP) :

     

    Etude anagène avec le fichier Famille-LP-LNP.edi  qui ne montre aucune différence des séquences codantes.

    La comparaison des ARN montre que les sujets LNP n’ont pas d’ARN donc il y a un arrêt de l’expression du gène à l’âge adulte. On réinvestit les connaissances acquises lors de l’étude de l’expression des gènes.

     

    ARNM-LP-LNP.edi 

     L’étude de la séquence régulatrice permet d’enrichir la notion de gène en montrant l’existence chez les sujets européens intolérants au lactose d’une mutation dans cette zone régulatrice, à la position -13910, le nucléotide C (la paire C-G), alors que les personnes LP possèdent au même site au moins un allèle avec le nucléotide T (la paire T-A).

     

    Reg-Famille-LCT.edi 

    Comparaison nucléotidique en amont de la zone de transcription 

    Des études ont révélé dans le noyau des cellules intestinales la présence de protéines, notamment la protéine Oct1 (facteur de transcription connu), qui se lie à la région amplificatrice du gène de la lactase. La liaison de cette protéine avec la région comprenant le variant T-13910 est beaucoup plus forte que sa liaison avec la région du variant C-13910.

     

    PROBLEME : Comment expliquer la répartition des phénotypes LP et LNP ?

     

    Les deux cartes ci-dessous illustrent l’une la fréquence du phénotype LP et l’autre la fréquence de l’allèle -13910T dans l’ancien monde.

     

    Gerbault, P., Liebert, A., Itan, Y., Powell, A., Currat, M., Burger, J., ... & Thomas, M. G. (2011). Evolution of lactase persistence: an example of human niche construction. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 366(1566), 863-877. 

    Gerbault, P., Liebert, A., Itan, Y., Powell, A., Currat, M., Burger, J., ... & Thomas, M. G. (2011). Evolution of lactase persistence: an example of human niche construction. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences366(1566), 863-877.

     

     

    Activités :

    Le fichier de séquences (Allèles lactase.edi ) comprenant les 4 allèles associés au phénotype LP permet, au terme d’une comparaison des séquences d’établir les trois allèles africains et leurs polymorphismes -14010G/C ; -13915T/G et -13907C/G. Le premier nucléotide de chaque séquence est situé à la position -13934 par rapport au site d'initiation de la transcription du gène de la lactase.

     

     Etude d’ADN anciens permet de montrer que le phénotype ancestral était LNP. Le fichier Reg-Neo-LCT-Europe.edi  ajoute aux séquences de la famille européenne la séquence régulatrice de fossiles du néolithique européens datés de -8000 ans. La comparaison révèle que les fossiles ont tous le génotype C/C en -13910, ce qui suggère que c’est le génotype ancestral.

     

    Etude documentaire pour associer le phénotype LP au pastoralisme et à la consommation de lait et montrer l’impact de la sélection naturelle (fromages et yaourts étant très pauvres en lactose, le critère culturel a également joué un rôle dans la sélection positive ou non des phénotypes LP. De ce fait, il est difficile d’identifier le ou les avantages sélectifs : meilleur apport en calcium, ressources alimentaires supplémentaires, boisson relativement non contaminée etc… cela fait encore débat).

     

    Ressources / Sitographie :

    - http://acces.ens-lyon.fr/acces/thematiques/evolution/accompagnementpedagogique/accompagnement-au-lycee/terminale-2012/un-regard-sur-levolution-delhomme/evolution-dans-la-lignee-humaine/quelques-aspects-genetiques-de-levolutiondes-populations-humaines-homo-sapiens-sapiens/culture-et-selection-naturelle-aucours-de-lhistoire-des-populations-humaines/lactase/plan-lactase

    - http://acces.ens-lyon.fr/acces/thematiques/evolution/dossiers-thematiques/la-toleranceau-lactose/variabilite-sante-deficience-en-lactase/phenotypes-deficience-lactase

    - https://www.ucl.ac.uk/mace-lab/gallery/lactase

    - https://www.ucl.ac.uk/mace-lab/resources/glad

    - Oddny Osk Sverrisdottir, Adrian Timpson, Jamie Toombs, Cecile Lecoeur, Philippe Froguel, Jose Miguel Carretero, Juan Luis Arsuaga Ferreras, Anders Götherström, and Mark G. Thomas, Direct Estimates of Natural Selection in Iberia Indicate Calcium Absorption Was Not the Only Driver of Lactase Persistence in Europe

    https://www.ucl.ac.uk/mace-lab/publications/articles/2014/SverrisdottirMBE14_LP_IBERIA.pdf

     - Gerbault et al. Evolution of lactase persistence: an example of human niche construction. https://royalsocietypublishing.org/doi/full/10.1098/rstb.2010.0268

     - Yuval Itan, Bryony L Jones, Catherine JE Ingram, Dallas M Swallow and Mark G Thomas, A worldwide correlation of lactase persistence phenotype and genotypes

     https://bmcevolbiol.biomedcentral.com/articles/10.1186/1471-2148-10-36

     - J. Burger, M. Kirchner, B. Bramanti, W. Haak, and M. G. Thomas, Absence of the lactase-persistence-associated allele in early Neolithic Europeans

    https://www.pnas.org/content/104/10/373

     

    Nom des auteurs et mail : GALY F. et PHILIPPON A.