La méiose : étapes, brassage génétique et anomalies en prépa

Ce que recouvre la notion de méiose

Une division qui réduit le nombre de chromosomes

Une cellule diploïde possède ses chromosomes par paires. Chaque paire réunit deux chromosomes homologues, l'un d'origine paternelle, l'autre d'origine maternelle. On note 2n le nombre total de chromosomes d'une cellule diploïde. Chez l'espèce humaine, 2n vaut 46, soit 23 paires.

La méiose ramène ce nombre à n. Les cellules obtenues ne contiennent plus qu'un seul représentant de chaque paire. Elles sont dites haploïdes. C'est la raison pour laquelle on parle de division réductrice de la méiose.

Pourquoi cette réduction est nécessaire

La fécondation réunit deux gamètes en une cellule unique, le zygote. Si les gamètes étaient diploïdes, le zygote serait tétraploïde. Le nombre de chromosomes doublerait à chaque génération, ce qui rendrait la reproduction sexuée impossible sur la durée.

La méiose résout ce problème en amont. Elle produit des gamètes à n chromosomes. La fécondation de deux gamètes haploïdes restitue un zygote à 2n chromosomes, identique en nombre à celui des parents. Le caryotype de l'espèce reste donc stable au fil des générations.

Le vocabulaire à fixer avant tout calcul

Un chromosome répliqué comporte deux chromatides sœurs, reliées au niveau du centromère. Ces deux chromatides portent la même information génétique, sauf accident de réplication. Deux chromosomes homologues, en revanche, portent les mêmes gènes mais pas forcément les mêmes allèles.

Cette distinction est la clé de toute la suite. La première division sépare des chromosomes homologues, donc des allèles potentiellement différents. La seconde sépare des chromatides sœurs, donc en principe des copies identiques. Confondre les deux conduit à des erreurs d'interprétation systématiques.

Où et quand la méiose a lieu

La méiose se déroule dans les gonades chez les animaux. Chez l'homme, elle a lieu dans les tubes séminifères du testicule et aboutit à quatre spermatozoïdes par cellule engagée. Chez la femme, elle se déroule dans l'ovaire et aboutit à un seul ovule fonctionnel, accompagné de globules polaires.

Chez les végétaux et les champignons, la méiose produit des spores haploïdes et non directement des gamètes. La position de la méiose dans le cycle de développement varie selon les groupes. Ce point relève du programme de prépa plus que de celui du lycée.

Méiose et mitose : une différence de nature

Une seule réplication pour deux divisions

La cellule qui entre en méiose a d'abord répliqué son ADN pendant la phase S de l'interphase. Chaque chromosome comporte donc deux chromatides au départ. Cette réplication est unique.

Deux divisions successives suivent, sans nouvelle réplication entre elles. C'est cette absence d'intercinèse réplicative qui explique la réduction du nombre de chromosomes. La mitose, elle, enchaîne une réplication et une seule division, ce qui conserve le nombre de chromosomes.

Ce que chaque division fait au matériel génétique

La première division de méiose sépare les chromosomes homologues. Le nombre de chromosomes passe de 2n à n, chaque chromosome gardant ses deux chromatides. On la qualifie de réductionnelle.

La seconde division sépare les chromatides sœurs de chaque chromosome. Le nombre de chromosomes reste à n, mais chaque chromosome ne comporte plus qu'une chromatide. On la qualifie d'équationnelle, car elle conserve le nombre de chromosomes comme le fait une mitose.

Tableau comparatif des deux divisions

La première division de méiose, étape par étape

Prophase I : appariement des homologues et formation des bivalents

La prophase I est la phase la plus longue et la plus riche de la méiose. Les chromosomes se condensent et deviennent visibles au microscope. Chaque chromosome s'associe étroitement à son homologue, sur toute sa longueur. Cet appariement porte le nom de synapsis.

La structure obtenue réunit deux chromosomes homologues, soit quatre chromatides. On l'appelle bivalent, ou tétrade quand on insiste sur le nombre de chromatides. Une structure protéique, le complexe synaptonémal, stabilise l'appariement.

Au sein de ce bivalent, des chromatides non sœurs entrent en contact. Les points de contact visibles sont appelés chiasmas. Chaque chiasma correspond à un échange réciproque de segments entre deux chromatides homologues.

Métaphase I : les bivalents sur la plaque équatoriale

Les bivalents migrent vers le plan équatorial de la cellule. Ils s'y alignent de part et d'autre de ce plan. Chaque chromosome d'un bivalent est relié par ses fibres du fuseau à un seul pôle.

Cette disposition est un point souvent mal restitué. En métaphase I, ce sont des paires d'homologues qui sont alignées, pas des chromosomes isolés. L'orientation de chaque bivalent est indépendante de celle des autres, et c'est elle qui prépare le brassage interchromosomique.

Anaphase I : séparation des chromosomes homologues

Les chiasmas se résolvent et les deux homologues de chaque bivalent se séparent. Chacun migre vers un pôle de la cellule, avec ses deux chromatides intactes. Les centromères ne se divisent pas à ce stade.

Le choix du pôle vers lequel part chaque homologue est aléatoire et indépendant pour chaque paire. Chaque pôle reçoit donc un lot de n chromosomes, mais la composition de ce lot varie d'une cellule à l'autre. C'est le cœur du brassage interchromosomique.

Télophase I et cytodiérèse

Les enveloppes nucléaires se reforment autour de chaque lot chromosomique. Le cytoplasme se divise, ce qui donne deux cellules filles. Chacune contient n chromosomes à deux chromatides.

Ces deux cellules sont déjà haploïdes. Elles ne sont déjà plus génétiquement identiques entre elles, ni à la cellule mère. Aucune réplication de l'ADN ne précède la division suivante.

Les deux brassages génétiques

Le brassage intrachromosomique par crossing-over

Le crossing-over est un échange réciproque de segments d'ADN entre deux chromatides non sœurs de chromosomes homologues. Il se produit en prophase I, au niveau des chiasmas. Il nécessite une cassure des deux brins d'ADN, puis une réparation croisée.

Le résultat est une chromatide recombinée. Elle porte des allèles d'origine paternelle sur une partie de sa longueur et des allèles d'origine maternelle sur l'autre. Les combinaisons alléliques créées n'existaient chez aucun des deux parents.

Ce brassage est dit intrachromosomique parce qu'il remanie l'intérieur d'un chromosome. Il concerne donc des gènes situés sur une même paire de chromosomes, dits gènes liés. Plus deux gènes liés sont éloignés, plus la probabilité qu'un crossing-over les sépare est élevée.

Fréquence de recombinaison et distance génétique

On estime la distance entre deux gènes liés à partir de la proportion de descendants recombinés. La relation s'écrit ainsi.

d = 100 × nᵣ ÷ N

Ici, d est la distance génétique en centimorgans (cM), nᵣ le nombre de descendants de phénotype recombiné, et N l'effectif total des descendants analysés. Une distance de 1 cM correspond, par convention, à 1 % de descendants recombinés.

Cette estimation reste fiable pour des gènes proches. Au-delà d'environ 20 cM à 25 cM, les crossing-over multiples la font sous-estimer la distance réelle. Les cartes génétiques se construisent donc par additions de petits intervalles.

Le brassage interchromosomique en anaphase I

Chaque paire de chromosomes s'oriente indépendamment des autres en métaphase I. En anaphase I, chaque homologue part vers un pôle au hasard. Pour une paire donnée, deux répartitions sont possibles.

Comme les paires sont indépendantes, le nombre de lots chromosomiques différents se calcule par une puissance de deux.

Nombre de combinaisons = 2ⁿ

Ici, n est le nombre de paires de chromosomes de l'espèce, soit le nombre de chromosomes d'une cellule haploïde. Le résultat est un nombre de lots chromosomiques différents produits par le seul brassage interchromosomique, sans unité.

Chez l'espèce humaine, n vaut 23. Le calcul donne 2²³, soit 8 388 608 lots possibles. Chez la drosophile, n vaut 4, et le calcul donne 2⁴, soit 16 lots possibles.

Deux brassages qui se composent

Les deux brassages ne s'additionnent pas, ils se multiplient. Le brassage intrachromosomique crée d'abord de nouvelles combinaisons à l'intérieur de chaque chromosome. Le brassage interchromosomique répartit ensuite ces chromosomes remaniés dans les gamètes.

Le nombre de gamètes génétiquement différents qu'un individu peut produire dépasse donc largement 2ⁿ. Comme la position des crossing-over varie d'une méiose à l'autre, ce nombre n'est pas calculable de façon exacte. On se contente de dire qu'il est pratiquement illimité à l'échelle d'un individu.

L'amplification par la fécondation

La fécondation réunit au hasard un gamète parmi ceux du premier parent et un gamète parmi ceux du second. Elle multiplie donc les possibilités de part et d'autre. En ne considérant que le brassage interchromosomique, le nombre de zygotes différents s'écrit comme suit.

Nombre de zygotes = 2ⁿ × 2ⁿ = 2²ⁿ

Ici, n est encore le nombre de paires de chromosomes de l'espèce, et le résultat est un nombre de combinaisons chromosomiques distinctes de zygote, sans unité.

Chez l'espèce humaine, cela donne 2⁴⁶, soit environ 7 × 10¹³ combinaisons. Ce chiffre ne tient pas compte des crossing-over, qui l'augmentent encore. Il explique à lui seul que deux enfants d'un même couple ne soient jamais génétiquement identiques, sauf jumeaux monozygotes.

La seconde division de méiose et le bilan

Les quatre phases, dans le détail

La prophase II est brève. Les chromosomes, déjà condensés, se recondensent après la brève décondensation de la télophase I. Un nouveau fuseau se met en place dans chacune des deux cellules.

En métaphase II, les chromosomes s'alignent individuellement sur le plan équatorial. Chaque centromère est relié aux deux pôles, un pour chaque chromatide. La disposition ressemble à celle d'une métaphase de mitose.

En anaphase II, les centromères se divisent et les chromatides sœurs se séparent. Chaque chromatide devient un chromosome à une seule chromatide et migre vers un pôle. La télophase II reconstitue les enveloppes nucléaires et la cytodiérèse achève la séparation.

Le bilan : quatre cellules haploïdes différentes

Une cellule à 2n chromosomes a donné quatre cellules à n chromosomes. Chaque chromosome n'y comporte plus qu'une chromatide. La quantité d'ADN par cellule a été divisée par quatre par rapport à la cellule mère en fin de phase S.

Ces quatre cellules ne sont pas génétiquement identiques. Le brassage interchromosomique les distingue deux par deux. Le brassage intrachromosomique les distingue une par une, dès qu'un crossing-over a eu lieu sur le chromosome considéré.

Lire la quantité d'ADN au cours de la méiose

Un graphe de quantité d'ADN par cellule est un classique d'exercice. Note Q la quantité d'ADN d'une cellule haploïde à une chromatide par chromosome. Après la phase S, la cellule diploïde contient 4Q.

La première division ramène chaque cellule fille à 2Q. La seconde division ramène chaque cellule à Q. Entre les deux divisions, la quantité reste à 2Q, puisqu'il n'y a pas de réplication.

Exercice entièrement résolu : interpréter un croisement-test

L'énoncé

On étudie deux gènes chez la drosophile. Le premier contrôle la taille des ailes, avec l'allèle sauvage vg⁺ (ailes longues) dominant sur l'allèle muté vg (ailes vestigiales). Le second contrôle la couleur du corps, avec l'allèle sauvage b⁺ (corps clair) dominant sur l'allèle muté b (corps noir).

On croise une lignée pure à ailes longues et corps clair avec une lignée pure à ailes vestigiales et corps noir. Toute la génération F1 est à ailes longues et corps clair. On croise ensuite une femelle F1 avec un mâle à ailes vestigiales et corps noir. Ce second croisement est un croisement-test, ou test-cross.

Les 1 000 descendants obtenus se répartissent en quatre classes. On compte 412 individus à ailes longues et corps clair, et 388 à ailes vestigiales et corps noir. On compte aussi 108 individus à ailes longues et corps noir, et 92 à ailes vestigiales et corps clair. La question est de dire si les deux gènes sont liés ou indépendants, et de quantifier.

Étape 1 : poser les génotypes

La F1 est issue de deux lignées pures. Elle reçoit vg⁺ et b⁺ d'un parent, vg et b de l'autre. Elle est donc double hétérozygote, de génotype (vg⁺ b⁺ // vg b) si les gènes sont liés, ou (vg⁺ // vg ; b⁺ // b) s'ils sont indépendants.

Le second parent du croisement-test est double homozygote récessif. Son génotype est (vg b // vg b). Il ne produit qu'un seul type de gamète, porteur de vg et de b.

L'intérêt du croisement-test tient entièrement à ce point. Le gamète du parent récessif n'apporte aucun allèle dominant. Le phénotype de chaque descendant révèle donc directement le gamète fourni par la F1.

Étape 2 : écrire les deux hypothèses et leurs proportions attendues

Si les gènes sont indépendants, le brassage interchromosomique les répartit au hasard. La F1 produit quatre types de gamètes en proportions égales. On attend donc quatre phénotypes à 25 % chacun, soit 250 descendants par classe.

Si les gènes sont liés et qu'aucun crossing-over n'a lieu, la F1 ne produit que deux types de gamètes. On attend deux phénotypes parentaux à 50 % chacun, et aucun recombiné.

Si les gènes sont liés avec crossing-over, les quatre phénotypes apparaissent, mais en proportions inégales. Les deux phénotypes parentaux sont majoritaires, les deux recombinés minoritaires et de fréquences voisines. C'est cette troisième situation qu'il faut comparer aux données.

Étape 3 : confronter aux résultats observés

Les deux classes majoritaires sont les phénotypes parentaux, à 412 et 388 individus. Leur total est de 800, soit 80 % des descendants. Les deux classes minoritaires, à 108 et 92 individus, totalisent 200 descendants, soit 20 %.

L'écart avec l'hypothèse d'indépendance est massif. Celle-ci prévoyait 250 individus par classe, et on en observe 412 dans une classe et 92 dans une autre. Un tel écart ne s'explique pas par le hasard d'échantillonnage sur 1 000 individus.

L'hypothèse de liaison sans crossing-over est également écartée. Elle prévoyait zéro recombiné, et on en observe 200. Seule l'hypothèse de gènes liés avec crossing-over rend compte des quatre classes et de leur déséquilibre.

Étape 4 : calculer la distance génétique et conclure

Les recombinés sont les descendants à ailes longues et corps noir, et ceux à ailes vestigiales et corps clair. Leur effectif total est de 108 + 92 = 200. L'effectif total analysé est de 1 000.

Le calcul donne d = 100 × 200 ÷ 1 000 = 20. Les deux gènes sont donc distants d'environ 20 cM sur le même chromosome.

La conclusion s'écrit en deux temps. Les gènes vg et b sont liés, portés par la même paire de chromosomes homologues. Un crossing-over s'est produit entre eux dans 20 % des méioses analysées, ce qui place les deux locus à environ 20 cM l'un de l'autre.

Les anomalies de la méiose

La non-disjonction en anaphase I

Une non-disjonction est l'absence de séparation de deux éléments qui devaient se séparer. En anaphase I, elle concerne une paire de chromosomes homologues. Les deux homologues partent alors vers le même pôle.

Le résultat est une cellule à n + 1 chromosomes et une cellule à n − 1 chromosomes. Après la seconde division, les quatre gamètes sont anormaux. Deux portent n + 1 chromosomes, deux portent n − 1 chromosomes.

La non-disjonction en anaphase II

En anaphase II, la non-disjonction concerne deux chromatides sœurs. Elles migrent vers le même pôle au lieu de se séparer. Une seule des deux cellules issues de la division I est touchée.

Le résultat diffère du cas précédent. Sur les quatre gamètes, deux sont normaux à n chromosomes, un porte n + 1 chromosomes et un porte n − 1 chromosomes. Cette différence de bilan permet, dans un exercice, de dater l'anomalie.

Aneuploïdie et trisomie

Un gamète anormal fécondé par un gamète normal donne un zygote à nombre anormal de chromosomes. On parle d'aneuploïdie. Si le zygote compte un chromosome surnuméraire, soit 2n + 1, il s'agit d'une trisomie.

La trisomie 21 correspond à la présence de trois exemplaires du chromosome 21. Les monosomies, à 2n − 1, sont généralement plus sévères que les trisomies correspondantes. Les études citées par les services de santé publique associent une augmentation de la fréquence des non-disjonctions à l'âge maternel, sans que l'ensemble des mécanismes soit établi.

Le crossing-over inégal

Un crossing-over normal est réciproque et symétrique. Chaque chromatide cède et reçoit un segment de même longueur. L'information génétique est redistribuée, mais pas modifiée en quantité.

Un crossing-over inégal survient quand l'appariement des homologues est décalé, souvent au niveau de séquences répétées. L'échange n'est plus symétrique. Une chromatide reçoit un segment supplémentaire, l'autre perd un segment.

Les conséquences portent sur le nombre de gènes. Une chromatide peut se retrouver avec un gène dupliqué, l'autre avec ce gène délété. Ce mécanisme est invoqué pour expliquer la constitution des familles multigéniques, comme celle des gènes des globines ou celle des gènes des opsines.

Erreurs classiques et place de la méiose aux examens

Les confusions les plus fréquentes en copie

La première erreur consiste à dire que la méiose sépare les chromatides sœurs en anaphase I. Elle sépare les homologues, et les chromatides restent associées jusqu'en anaphase II. Cette confusion fausse ensuite tout raisonnement sur la quantité d'ADN.

La deuxième erreur consiste à attribuer le brassage interchromosomique à la fécondation. Il a lieu en anaphase I, dans la cellule qui se divise. La fécondation amplifie ce brassage, elle ne le crée pas.

La troisième erreur consiste à conclure à une liaison génétique dès que les quatre classes de descendants sont inégales. Il faut vérifier que les deux classes majoritaires correspondent bien aux phénotypes parentaux. Il faut aussi que les deux classes minoritaires soient de fréquences voisines.

Ce que les correcteurs attendent sur un schéma

Un schéma de méiose doit montrer le nombre de chromosomes et le nombre de chromatides à chaque étape. Les chromosomes d'origine paternelle et maternelle doivent se distinguer par une couleur ou une trame. Les paires d'homologues doivent être repérables.

Pour illustrer un crossing-over, place le point d'échange entre deux chromatides non sœurs. Reporte ensuite le segment échangé sur les chromatides concernées, et uniquement sur elles. Un crossing-over dessiné entre chromatides sœurs n'a aucun effet visible sur les allèles.

Le programme au lycée et en prépa

Au lycée, la méiose figure au programme de l'enseignement de spécialité sciences de la vie et de la Terre de terminale. Ce programme a été publié au Bulletin officiel spécial n° 8 du 25 juillet 2019. Il associe la méiose au brassage génétique et à l'étude de croisements.

En classe préparatoire BCPST, le programme de biologie et de géologie est fixé par un arrêté publié au Bulletin officiel n° 26 du 1er juillet 2021. Le traitement y est plus détaillé qu'au lycée. Pour la rédaction en vigueur et les éventuelles mises à jour, consulte les textes sur le site du ministère.

La forme des questions aux concours

Les épreuves écrites de biologie des concours BCPST et les sujets de baccalauréat exploitent surtout deux formats. Le premier est l'analyse de résultats de croisements, avec calcul de fréquences de recombinaison. Le second est l'interprétation d'un caryotype ou d'un arbre généalogique.

En colle, l'exercice récurrent est la comparaison mitose et méiose, puis la justification du caractère réductionnel de la première division. Les sujets zéro et les rapports de jurys publiés par les écoles donnent une idée fidèle du niveau attendu. Ils sont accessibles sur les sites des banques d'épreuves et des écoles concernées.