Pour exécuter une saisie Python, sélectionner la cellule et valider avec SHIFT+Entrée.
Diversité des immunoglobulines (Corrigé)
Les molécules d’anticorps (immunoglobulines) sont constituées de quatre chaînes d’acides aminés : deux chaînes lourdes ou H (pour « heavy ») et deux chaînes légères ou L (pour « light »), les séquences peptidiques des chaînes lourdes étant identiques entre elles, et de même pour les deux chaînes légères.
Des mécanismes génétiques particuliers sont à l’origine des gènes codant les chaînes H et L, et ainsi de la très grande diversité des anticorps produits par le système immunitaire. L’objectif de cette activité est de traiter l’un de ces mécanismes, de manière volontairement simplifiée, les processus mis en jeu étant complexes et multiples. Le mécanisme étudié correspond à la constitution d’un gène à partir de l’association de segments d’ADN issus d’un ensemble de segments différents disponibles dans le génome.
L’activité permettra de dénombrer les différentes combinaisons de segments possibles dans un gène codant pour une chaîne d’anticorps.
Activer le schéma interactif ci-dessous, qui permet de présenter de manière simplifiée les étapes aboutissant à la synthèse d'une molécule d'anticorps.
$\quad\;$Pour exécuter, sélectionner la cellule et valider avec SHIFT+Entrée.
In [ ]:
# Exécuter cette cellule pour obtenir le schéma interactiffromIPython.displayimportHTML;HTML("""<iframe scrolling="no" title="Immunoglobuline" src="https://www.geogebra.org/material/iframe/id/bk53haa6/width/1221/height/824/border/888888/sfsb/true/smb/false/stb/false/stbh/false/ai/false/asb/false/sri/false/rc/false/ld/false/sdz/false/ctl/false" width="980px" height="700px" style="border:0px;"> </iframe>""")
2. Génération des chaînes légères
2.1. Exécuter la cellule ci-dessous, qui permet de générer une structure liste_VL contenant les 37 segments $\text{V}_\text{L}$ possibles.
In [ ]:
# Exécuter cette celluleliste_VL=["VL"+str(k)forkinrange(1,37+1)]liste_VL
2.2. Écrire une instruction permettant de générer une structure liste_JL contenant les 5 segments $\text{J}_\text{L}$ possibles.
$\;\;\;$ Aide: On pourra commencer par effectuer un copier/coller de la cellule précédente.
In [ ]:
# Effectuer ici la saisie pour générer liste_JLliste_JL=["JL"+str(k)forkinrange(1,5+1)]liste_JL
2.3. Exécuter la cellule ci-dessous, qui permet de générer une structure liste_chaines_legeres représentant la liste des chaînes légères que l'on peut obtenir par combinaison.
In [ ]:
# Exécuter cette celluledefcombinaison_L():liste=[]forVLinliste_VL:forJLinliste_JL:liste.append(VL+"-"+JL+"-CL")returnlisteliste_chaines_legeres=combinaison_L()liste_chaines_legeres
2.4. Déterminer par le calcul le nombre de chaînes légères qui ont été ainsi obtenues. Justifier la réponse.
Écrire votre réponse ici.
Il y a 37×5×1 = 185 combinaisons de segments différentes possibles pour le gène codant la chaîne L
2.5. Exécuter la cellule ci-dessous, pour vérifier votre réponse à la question 2.4.
$\quad\;\;$À noter : En langage Python, la fonction len (pour length en anglais) permet d'obtenir le nombre d'éléments d'une liste.
In [ ]:
len(liste_chaines_legeres)
3. Génération des chaînes lourdes
Le mécanisme à l'origine du gène codant la chaîne lourde est similaire à celui qui vient d'être vu pour la chaîne légère.
Dans ce cas les segments d'ADN impliqués sont localisés sur le chromosome 14 et leurs nombres sont :
40 exemplaires différents de segments $\text{V}_\text{H}$ ;
27 exemplaires différents de segments $\text{D}_\text{H}$ ;
6 exemplaires différents de segments $\text{J}_\text{H}$ ;
un segment $\text{C}_\text{H}$.
3.1. Écrire une instruction permettant de générer une structure liste_VH contenant les 40 segments $\text{V}_\text{H}$ possibles.
$\;\;\;$ Aide: On pourra commencer par effectuer un copier/coller de la structure fournie dans la question 2.1.
In [ ]:
# Exécuter cette celluleliste_VH=["VH"+str(k)forkinrange(1,40+1)]liste_VH
3.2. Écrire une instruction permettant de générer une structure liste_DH contenant les 27 segments $\text{D}_\text{H}$ possibles.
In [ ]:
# Effectuer ici la saisie pour générer liste_JLliste_DH=["DH"+str(k)forkinrange(1,27+1)]liste_DH
3.3. Écrire une instruction permettant de générer une structure liste_JH contenant les 6 segments $\text{J}_\text{H}$ possibles.
In [ ]:
# Effectuer ici la saisie pour générer liste_JLliste_JH=["JH"+str(k)forkinrange(1,6+1)]liste_JH
3.4. Exécuter la cellule ci-dessous, qui permet de générer une structure liste_chaines_lourdes représentant la liste des chaînes lourdes que l'on peut obtenir par combinaison.
In [ ]:
# Exécuter cette celluledefcombinaison_H():liste=[]forVHinliste_VH:forDHinliste_DH:forJHinliste_JH:liste.append(VH+"-"+DH+"-"+JH+"-CH")returnlisteliste_chaines_lourdes=combinaison_H()liste_chaines_lourdes
3.5. Déterminer par le calcul le nombre de chaînes lourdes qui ont été ainsi obtenues. Justifier la réponse.
Écrire votre réponse ici.
Il y a 40×27×6×1 = 6480 combinaisons de segments différentes possibles pour le gène codant la chaîne H
3.6. Exécuter la cellule ci-dessous, pour vérifier votre réponse à la question 3.5.
In [ ]:
# Exécuter cette cellulelen(liste_chaines_lourdes)
4. Assemblage des chaînes légères et lourdes
4.1.a. Exécuter la cellule ci-dessous, qui permet de générer (mais sans l'afficher) une structure liste_immunoglobulines contenant l'ensemble des immunoglobulines que l'on peut obtenir par assemblage.
4.1.b. Le nombre d'immunoglobulines ainsi générées est très important.
$\quad\;\;\;$Exécuter la cellule ci-dessous qui permet d'afficher les 10000 premiers éléments de la liste.
In [ ]:
liste_immunoglobulines[:10000]
4.2. Déterminer par le calcul le nombre total d'immunoglobulines qui peuvent être obtenues. Justifier la réponse.
Écrire votre réponse ici.
Il y a 185×6480 = 1198000 combinaisons de chaînes H et L différentes possibles
4.3. Exécuter la cellule ci-dessous, pour vérifier votre réponse à la question 4.2.
In [ ]:
len(liste_immunoglobulines)
4.4. À la question 4.1, on a obtenu l'affichage de 10000 chaînes lourdes.
$\quad\;$Quel pourcentage cette valeur représente-t-elle par rapport au nombre total obtenu à la question 4.3 ? (arrondir à 0,1% près)
Écrire votre réponse ici.
La proportion cherchée vaut 10000/1198000 ≃ 0,008 (arrondie à 0,001 près) soit 0,8% (arrondie à 0,1% près).
Les 10000 combinaisons affichées ne représentent que 0,8% de l'ensemble des combinaisons possibles.
Quelques compléments :
Comme on vient de le voir, la formation d’un gène fonctionnel codant pour une chaîne de la molécule d’anticorps implique la recombinaison de segments d’ADN et explique ainsi en partie la diversité des anticorps produits par le système immunitaire ; les possibilités sont encore multipliées par le fait que la molécule d’anticorps résulte de l’association de deux types de chaînes générées indépendamment l’une de l’autre.
À cela s’ajoutent d’autres mécanismes génétiques particuliers, modifiant encore les séquences nucléotidiques de l’ADN codant pour les chaînes. Par exemple l’association entre le segment $\text{V}_\text{L}$ et le segment $\text{J}_\text{L}$ (ou entre le segment $\text{D}_\text{H}$ et le segment $\text{J}_\text{H}$) ne se fait pas systématiquement de manière précise : lors du réarrangement, des nucléotides peuvent être ôtés à l’extrémité du segment $\text{V}_\text{L}$. À l’inverse un autre phénomène peut aboutir à l’ajout de quelques nucléotides au segment $\text{D}_\text{H}$. Par ailleurs, des mutations surviennent également et modifient là encore la séquence nucléotidique de l’ADN codant les chaînes d’anticorps.
Comme les mécanismes génétiques particuliers formant les gènes codant les chaînes $\text{H}$ et $\text{L}$ se produisent de manière aléatoire, certains aboutissent à former des gènes codant pour des anticorps se liant aux propres molécules de l’organisme : dans l’organisme existent des systèmes permettant d’inactiver et éliminer ces lymphocytes « auto-immuns ».
