Méiose, crossing-over et fécondation : la loterie qui rend chaque génome unique

Sur une photo de famille, frères et sœurs se ressemblent, mais aucun n'est la copie d'un autre, sauf les vrais jumeaux. Pourtant, tous tiennent leurs chromosomes des deux mêmes parents. Le secret : la méiose, qui fabrique les gamètes, et la fécondation, qui les réunit, brassent les allèles comme on bat un jeu de cartes.

La méiose : de 2n à n

Tes cellules sont diploïdes : 2n = 46 chromosomes, soit 23 paires de chromosomes homologues, l'un venu de ta mère, l'autre de ton père, qui portent les mêmes gènes mais pas forcément les mêmes allèles. Les gamètes sont haploïdes : n = 23.

La méiose, c'est une seule réplication de l'ADN suivie de deux divisions :

• la méiose I, division réductionnelle : les homologues s'apparient en prophase I, puis se séparent en anaphase I ; on passe de 2n à n chromosomes, chacun encore formé de deux chromatides ;
• la méiose II, division équationnelle : les chromatides sœurs se séparent en anaphase II. Bilan : quatre cellules haploïdes, à chromosomes d'une seule chromatide.

Le brassage intrachromosomique, en prophase I

En prophase I, deux chromatides homologues (non sœurs) d'une paire appariée peuvent échanger des portions : c'est le crossing-over, qui crée sur un même chromosome des associations d'allèles nouvelles. Au microscope, chaque échange se voit comme un point de croisement, un chiasma. Chez l'humain, chaque paire en connaît au moins un, à des endroits qui varient d'une méiose à l'autre.

Le brassage interchromosomique, en anaphase I

En anaphase I, chaque paire se sépare indépendamment des autres : le pôle que rejoint ton chromosome 1 paternel ne dit rien du chromosome 2.

Exemple 1 : compter les combinaisons. Avec 2 paires, 2 × 2 = 4 gamètes différents ; avec 3 paires, 2³ = 8 ; avec n paires, 2ⁿ. Chez l'humain, 2²³ = 8 388 608 : plus de 8 millions de gamètes différents par ce seul mécanisme.

Voir les brassages : le croisement test

Pour « voir » les gamètes d'un individu, on le croise avec un homozygote récessif pour les deux gènes, qui ne fournit que des allèles récessifs : le phénotype de chaque descendant révèle le gamète venu de l'individu testé. Chez la drosophile, on teste une femelle, car le mâle ne fait pas de crossing-over.

Exemple 2 : deux gènes indépendants. La couleur du corps (gris dominant, ébène récessif) dépend d'un gène du chromosome 3 ; la longueur des ailes (longues dominant, vestigiales récessif), d'un gène du chromosome 2. Une femelle double hétérozygote [gris, longues] croisée avec un mâle [ébène, vestigiales] donne quatre phénotypes, environ 25 % chacun : quatre types de gamètes équiprobables, par brassage interchromosomique.

Exemple 3 : deux gènes liés. Le gène « corps gris ou noir » et celui des ailes sont tous deux sur le chromosome 2. Une femelle double hétérozygote, née de lignées pures [gris, longues] et [noir, vestigiales], croisée avec un mâle [noir, vestigiales], donne environ 41,5 % [gris, longues] et 41,5 % [noir, vestigiales], les phénotypes parentaux, mais seulement 8,5 % [gris, vestigiales] et 8,5 % [noir, longues]. Ces 17 % de recombinés viennent des crossing-over survenus entre les deux gènes ; plus les gènes sont éloignés, plus ce pourcentage est élevé.

La fécondation multiplie la diversité

La fécondation réunit au hasard deux gamètes et rétablit la diploïdie. Sans compter les crossing-over, un couple peut produire 2²³ × 2²³ = 2⁴⁶ combinaisons, environ 7 × 10¹³ : bien plus que le nombre d'humains ayant jamais vécu. Avec les crossing-over, chaque cellule-œuf est pratiquement unique.

Quand la méiose dérape

• Non-disjonction : si les deux chromosomes d'une paire ne se séparent pas en anaphase I, ou les deux chromatides en anaphase II, des gamètes à 24 ou 22 chromosomes se forment. Après fécondation par un gamète normal, la cellule-œuf compte 47 chromosomes (trisomie) ou 45 (monosomie). La plupart de ces embryons ne se développent pas. Anomalies viables : la trisomie 21 (chromosome en trop venu de l'ovocyte dans environ 9 cas sur 10, risque croissant avec l'âge de la mère), le syndrome de Turner (45,X), le syndrome de Klinefelter (47,XXY).
• Crossing-over inégal : entre homologues mal alignés, une chromatide reçoit un gène en double, l'autre le perd. Les copies divergent ensuite par mutations : c'est une origine des familles multigéniques, comme celle des globines.

À retenir

• La méiose (une réplication, deux divisions) donne, à partir d'une cellule diploïde (2n), quatre cellules haploïdes (n).
• Brassage intrachromosomique : les crossing-over de la prophase I échangent des portions de chromatides homologues et créent de nouvelles associations d'allèles.
• Brassage interchromosomique : en anaphase I, les homologues de chaque paire se répartissent au hasard, indépendamment des autres paires : 2ⁿ combinaisons.
• La fécondation, rencontre au hasard de deux gamètes, amplifie cette diversité : chaque génome est unique, sauf chez les vrais jumeaux.
• Les erreurs de méiose (non-disjonction, crossing-over inégal) donnent des anomalies du nombre de chromosomes ou des duplications de gènes.

★ Pour aller plus loin

En 1913, Alfred Sturtevant, étudiant de Thomas Hunt Morgan, utilise les pourcentages de recombinés pour dresser la première carte génétique, celle du chromosome X de la drosophile. L'unité de distance génétique, le centimorgan (1 % de recombinés), rend hommage à son maître.

Chez la femme, la méiose commence avant la naissance et s'arrête en prophase I : chaque ovocyte reste bloqué jusqu'à la veille de son ovulation, parfois plus de quarante ans. L'usure des protéines qui tiennent les homologues ensemble est l'une des explications de l'effet de l'âge maternel.

Sources pour creuser

• François Jacob, La Logique du vivant (Gallimard, 1970) : l'histoire de l'hérédité racontée par un prix Nobel.
• Campbell Biologie (Neil A. Campbell, Jane B. Reece et coll., Pearson) : le manuel de référence du début de la fac.
• Chaîne YouTube Les Bons Profs : cherche « brassage génétique méiose terminale ».
• planet-vie.ens.fr (site de l'ENS sur la biologie) et lumni.fr.