Biologie du lycée · Grades 10–12

13Mutations et variation génétique

Un enfant naît sans le moindre pigment — cheveux blancs, peau pâle, yeux qui ne supportent pas la lumière vive — de deux parents ordinaires, dans une famille où rien de tel n’était connu. Une colonie de bactéries qui n’a jamais rencontré d’antibiotique contient, sur cent millions de cellules, quelques-unes qui y résistent déjà. Un jardinier trouve sur un rosier une seule branche portant des fleurs d’une autre couleur. Dans chaque cas, une séquence d’ADN a changé, une fois, dans une cellule ; et dans chaque cas, le changement est fidèlement copié par la suite. Ce chapitre porte sur ces changements : ce qu’ils sont, d’où ils viennent, comment la cellule les limite, et pourquoi la vie dépend de ce qu’ils ne cessent jamais tout à fait.

13.1 Ce qu’est une mutation

Définition 13.1 (Mutation)

Une mutation est un changement de la séquence de nucléotides d’une molécule d’ADN, transmis aux descendants de la cellule où il survient. Les plus fréquentes sont les mutations ponctuelles, qui touchent un ou quelques nucléotides :

une substitution : un nucléotide remplacé par un autre ;
une insertion : un ou plusieurs nucléotides ajoutés ;
une délétion : un ou plusieurs nucléotides retirés.

Des changements plus grands — un segment dupliqué, inversé, déplacé, ou un chromosome entier gagné ou perdu — sont aussi des mutations.

Trois mutations ponctuelles de la même séquence (les lettres sont groupées par trois pour une raison expliquée au ). Une substitution change une position ; une insertion ou une délétion décale tout ce qui suit. — Trois mutations ponctuelles de la même séquence (les lettres sont groupées par trois pour une raison expliquée au Chapitre 14). Une substitution change une position ; une insertion ou une délétion décale tout ce qui suit.

Proposition 13.2 (Où surviennent les mutations, et chez qui)

Une mutation survenue dans une cellule du corps (une mutation somatique) n’est transmise qu’aux descendants de cette cellule : une plage de tissu, tout au plus, chez un seul individu. Une mutation dans une cellule germinale — un gamète ou l’un de ses précurseurs — est transmise à la descendance conçue à partir d’elle et à chacune de ses cellules : une mutation germinale est la seule qui entre dans l’hérédité de l’espèce. La branche singulière du rosier est somatique ; l’état de l’enfant sans pigment vient d’une mutation germinale survenue chez un ancêtre, portée en silence pendant des générations.

Démonstration. Admis à ce niveau. ∎

Exemple 13.3 (La fréquence des mutations)

La réplication laisse environ une erreur pour $10^9$ nucléotides (Chapitre 11). Un gène de $3000$ paires de bases est donc mal copié à peu près une fois sur $300\,000$ réplications ; un humain, dont le génome est copié quelque $10^{16}$ fois au cours d’une vie, accumule des mutations dans chaque gène, dans de nombreuses cellules. Chaque enfant naît avec quelque 60 mutations nouvelles qu’aucun de ses parents ne portait — presque toutes dans les 98 % du génome qui ne sont pas des gènes.

13.2 Les causes : spontanées et induites

Proposition 13.4 (Mutations spontanées)

Des mutations apparaissent dans chaque cellule, en l’absence de tout agent extérieur : à partir des rares mésappariements qui échappent au contrôle de la polymérase, et de l’instabilité chimique de l’ADN lui-même, dont les bases sont abîmées des milliers de fois par jour et par cellule par l’eau et les molécules réactives du métabolisme ordinaire. Ces mutations spontanées sont aléatoires : elles surviennent à n’importe quelle position, à un rythme qui ne dépend pas de l’utilité que le changement aurait pour la cellule.

Faits expérimentaux. Lederberg (1952) a étalé sur une boîte des bactéries jamais exposées à un antibiotique, les a laissées former des colonies, puis a pressé un tampon de velours sur la boîte et en a imprimé la marque — les mêmes colonies aux mêmes positions — sur plusieurs boîtes contenant l’antibiotique. Les quelques colonies résistantes sont apparues aux mêmes positions sur toutes les boîtes à antibiotique. Comme elles provenaient des mêmes colonies de la boîte d’origine, qui n’avait jamais vu l’antibiotique, la mutation de résistance existait avant l’exposition : l’antibiotique l’a révélée et ne l’a pas causée. Les mutations étaient survenues au hasard pendant la croissance des colonies, sans égard pour leur utilité future. ∎

Le repiquage sur velours. Des colonies poussées sans antibiotique sont imprimées sur des boîtes à antibiotique. Les colonies résistantes (en rouge) apparaissent à des positions identiques sur chaque réplique : la résistance existait dans les colonies d’origine, avant tout contact avec le médicament.

Définition 13.5 (Agent mutagène)

Un agent mutagène est un agent physique ou chimique qui élève le taux de mutation en abîmant l’ADN. Le rayonnement ultraviolet soude ensemble deux thymines voisines d’un brin ; les rayons X et la radioactivité rompent les brins ; des substances comme le benzopyrène de la fumée de tabac ou l’aflatoxine des grains moisis se fixent sur les bases et déforment l’hélice. Une cellule exposée à un agent mutagène porte des mutations induites en plus de ses mutations spontanées — toujours à des positions aléatoires, simplement plus nombreuses.

Exemple 13.6 (Ultraviolet sur des levures)

Des cellules de levure étalées sur des boîtes et exposées au rayonnement ultraviolet pendant des durées croissantes : après $10\,\mathrm{s}$ , la moitié des cellules ne forment plus de colonie, après $20\,\mathrm{s}$ le quart, après $30\,\mathrm{s}$ le huitième — chaque dose divise par deux le nombre de survivantes. Parmi les survivantes, la proportion de colonies au caractère visiblement changé (couleur, forme, incapacité à pousser sur un sucre donné) passe d’une sur un million à une sur mille. La lampe tue en abîmant l’ADN au-delà de toute réparation, et fait muter en l’abîmant juste en deçà.

Survie de cellules de levure en fonction de l’exposition aux ultraviolets. Les cellules normales perdent la moitié de leur effectif toutes les 10\, s ; une souche incapable de réparer les dommages dus aux ultraviolets en perd les neuf dixièmes toutes les 10\, s. La différence est l’œuvre de la réparation. — Survie de cellules de levure en fonction de l’exposition aux ultraviolets. Les cellules normales perdent la moitié de leur effectif toutes les $10\,\mathrm{s}$ ; une souche incapable de réparer les dommages dus aux ultraviolets en perd les neuf dixièmes toutes les $10\,\mathrm{s}$ . La différence est l’œuvre de la réparation.

Deux boîtes ensemencées avec les mêmes bactéries. À gauche : sans exposition, un tapis continu. À droite : après exposition aux ultraviolets, seules les cellules dont les dommages à l’ADN ont été réparés à temps ont donné des colonies.

13.3 La cellule contre-attaque : la réparation

Proposition 13.7 (La réparation de l’ADN)

Une cellule subit des dizaines de milliers de lésions de l’ADN par jour et n’en conserve presque aucune : des systèmes enzymatiques dédiés patrouillent la double hélice, reconnaissent une base abîmée ou mal appariée, découpent le segment fautif d’un brin et le reconstruisent en prenant l’autre brin pour matrice — la complémentarité du Chapitre 3, une fois de plus. Une lésion ne devient une mutation que si elle échappe à la réparation avant que la réplication suivante ne la copie. C’est grâce à la réparation que le taux de mutation vaut $10^{-9}$ et non $10^{-5}$ .

Faits expérimentaux. Les personnes atteintes de la maladie héréditaire appelée xeroderma pigmentosum sont privées de l’une des enzymes qui excisent les dommages dus aux ultraviolets. Leur peau, exposée à la simple lumière du jour, développe des cancers mille fois plus souvent qu’une peau normale, et dès la petite enfance ; protégée du soleil, elle est normale. Mêmes ultraviolets, mêmes lésions — mais sans la réparation, les lésions restent et les mutations s’accumulent dans les gènes qui contrôlent la division cellulaire (Chapitre 17). Des souches de levure et de bactéries privées d’enzymes de réparation montrent la même hypersensibilité au laboratoire. ∎

La course entre la réparation et la réplication. Une lésion excisée et reconstruite à partir de l’autre brin ne laisse aucune trace ; une lésion encore présente au passage de la fourche est copiée dans la séquence et devient une mutation.

13.4 Les conséquences d’une mutation

Proposition 13.8 (De la séquence au phénotype)

Une mutation change un allèle en un allèle nouveau. Son effet dépend de l’endroit où elle tombe et de ce qu’elle fait à la protéine que le gène code (le Chapitre 14 en donne les règles) :

hors de tout gène, ou à une position qui ne change pas la protéine : aucun effet — c’est la grande majorité ;
dans un gène, en changeant un acide aminé : une protéine qui fonctionne un peu différemment, ou pas du tout, ou parfois mieux ;
dans un gène, en décalant ou en tronquant le message : le plus souvent une protéine qui ne fonctionne pas.

Qu’une protéine changée soit nuisible, neutre ou utile dépend de l’environnement : le même allèle d’un gène de l’hémoglobine est un fardeau dans une région sans paludisme et une protection là où le paludisme sévit.

Démonstration. Admis à ce niveau. ∎

Exemple 13.9 (Pigment perdu, pigment gardé)

Le pigment mélanine est fabriqué par une enzyme. On connaît des dizaines de mutations différentes de son gène, chacune produisant une enzyme non fonctionnelle et, chez une personne porteuse de deux tels allèles, l’absence de pigment évoquée au début du chapitre. Chacune est apparue au hasard, une fois, dans une cellule germinale ; l’état visible n’apparaît que lorsque deux porteurs transmettent leurs allèles silencieux au même enfant. Le même gène, dans un autre allèle, donne une enzyme un peu moins active — et une peau plus claire, fréquente dans les populations qui ont vécu des millénaires aux hautes latitudes, où un peu moins de pigment laisse la peau fabriquer davantage de vitamine D sous un soleil faible.

Proposition 13.10 (La mutation, source de la diversité)

Chaque allèle de chaque gène a commencé par être une mutation d’un allèle antérieur. La mutation est le seul processus qui crée de l’information génétique nouvelle ; le brassage sexuel de la dernière année ne fait que recombiner ce que la mutation a produit. Rare, aléatoire et le plus souvent neutre ou nuisible pour l’individu, la mutation est néanmoins ce qui fournit, au fil des générations, la variation dont dépend l’évolution du Chapitre 5.

Démonstration. Admis à ce niveau. ∎

Méthode 13.11 (Analyser une mutation)

Comparer la séquence mutée à l’originale, lettre par lettre, et nommer le changement (substitution, insertion, délétion ; combien de nucléotides).
La localiser : dans un gène ou en dehors ; si elle est dans un gène, dire si la lecture du message est décalée.
Identifier la cellule où elle est survenue : somatique (un individu, un tissu) ou germinale (transmise).
Chercher une cause si le taux est inhabituel (exposition à un agent mutagène, réparation défaillante) ; sinon l’attribuer au hasard.
Juger la conséquence au niveau de la protéine, de la cellule, de l’organisme et de la population — dans cet ordre, et dans un environnement précisé.

Remarque 13.12 (Aléatoire, au sens précis)

« Aléatoire » ne signifie pas que toutes les positions mutent également — certaines séquences sont plus fragiles — ni que les mutations sont sans cause. Cela signifie que la survenue d’une mutation est indépendante de l’aide qu’elle apporterait à la cellule : les bactéries résistantes des répliques n’ont pas été rendues résistantes par l’antibiotique, et aucun organisme ne peut « décider » de muter dans une direction utile. C’est la sélection qui oriente, après coup ; la mutation ne fait que fournir.

13.5 Exercices

Exercice 13.1 ★

Définir la mutation et nommer les trois sortes de mutation ponctuelle.

Solution

Solution de Exercice 13.1.

Un changement de la séquence de nucléotides de l’ADN, transmis aux descendants de la cellule. Substitution, insertion, délétion.

Exercice 13.2 ★

Comparer ATGCCTGAAT aux mutants ATGCCAGAAT, ATGCCTGAT et ATGCCTTGAAT. Nommer chaque mutation.

Solution

Solution de Exercice 13.2.

ATGCCAGAAT : substitution (T en A à la position 6). ATGCCTGAT : délétion d’un A. ATGCCTTGAAT : insertion d’un T.

Exercice 13.3 ★

Quelle est la différence entre une mutation somatique et une mutation germinale ? Laquelle compte pour l’hérédité ?

Solution

Solution de Exercice 13.3.

Somatique : dans une cellule du corps, transmise aux seuls descendants de cette cellule chez l’individu. Germinale : dans un gamète ou son précurseur, transmise à la descendance et à toutes ses cellules. Seules les mutations germinales entrent dans l’hérédité.

Exercice 13.4 ★

Nommer trois agents mutagènes et, pour l’un d’eux, le dommage qu’il inflige à l’ADN.

Solution

Solution de Exercice 13.4.

Le rayonnement ultraviolet, les rayons X, le benzopyrène de la fumée de tabac (mais aussi la radioactivité, l’aflatoxine). L’ultraviolet soude ensemble deux thymines voisines d’un brin, ce qui déforme l’hélice.

Exercice 13.5 ★

Que prend un système de réparation pour matrice quand il reconstruit un segment abîmé ? Pourquoi est-ce possible ?

Solution

Solution de Exercice 13.5.

Le brin complémentaire intact : comme chaque brin détermine l’autre, la séquence correcte du segment abîmé peut être reconstruite à partir de son partenaire.

Exercice 13.6 ★★

D’après la figure de survie, quelle fraction des levures normales survit à $40\,\mathrm{s}$ d’ultraviolet ? Et de la souche déficiente en réparation ? De quel facteur la réparation améliore-t-elle la survie à cette dose ?

Solution

Solution de Exercice 13.6.

Normales : environ 6 % ; déficientes en réparation : 0.01 %. La réparation améliore la survie d’un facteur d’environ 600 à cette dose.

Exercice 13.7 ★★

Une culture de $10^9$ bactéries est étalée sur une boîte à antibiotique et 20 colonies poussent. Estimer la fréquence des cellules résistantes. Cela vous dit-il que la mutation a été causée par l’antibiotique ?

Solution

Solution de Exercice 13.7.

$20/10^9 = 2 \times 10^{-8}$ . Non : la boîte ne révèle que les cellules déjà résistantes ; savoir si l’antibiotique a causé la mutation demande le test des répliques.

Exercice 13.8 ★★

Expliquer avec vos propres mots pourquoi l’identité des positions des colonies résistantes sur les répliques prouve que les mutations sont survenues avant l’exposition.

Solution

Solution de Exercice 13.8.

Chaque réplique reçoit des cellules des mêmes colonies d’origine. Si l’antibiotique provoquait la résistance au contact, les cellules touchées seraient quelques-unes au hasard sur chaque réplique, à des positions sans rapport. Trouver la résistance toujours aux mêmes positions signifie que ces colonies d’origine, poussées sans le médicament, contenaient déjà des cellules résistantes.

Exercice 13.9 ★★

Un gène de $3000$ paires de bases est copié avec une erreur pour $10^9$ nucléotides. Dans un tissu de $10^{12}$ cellules, toutes descendues d’une seule cellule par 40 divisions, combien de cellules environ portent une mutation nouvelle dans ce gène ? (Ne compter que les erreurs de la dernière division.)

Solution

Solution de Exercice 13.9.

Erreurs par copie du gène : $2 \times 3000 \times 10^{-9} = 6 \times 10^{-6}$ (les deux brins). Parmi les $10^{12}$ cellules produites à la dernière division, environ $6 \times 10^{6}$ portent une mutation nouvelle dans ce gène.

Exercice 13.10 ★★

Un rosier porte une branche dont les fleurs sont d’une autre couleur. Des boutures de cette branche donnent des rosiers de la couleur nouvelle ; les graines de ses fleurs donnent des rosiers ordinaires. Expliquer les deux résultats.

Solution

Solution de Exercice 13.10.

Une mutation somatique dans une cellule de bourgeon a donné sa couleur à la branche ; les boutures sont ce tissu et la gardent donc. Les cellules germinales des fleurs dérivent de la même branche, mais un changement dans un allèle n’est transmis qu’à la moitié des gamètes, et les ovules ont été fécondés par un pollen porteur de l’allèle ordinaire ; le nouvel allèle, s’il est récessif, reste caché chez les plantules.

Exercice 13.11 ★★

Pourquoi une personne atteinte de xeroderma pigmentosum développe-t-elle des cancers de la peau mais non, par exemple, des cancers de l’intestin ?

Solution

Solution de Exercice 13.11.

L’enzyme manquante répare les dommages dus aux ultraviolets ; les ultraviolets ne pénètrent que la peau. L’intestin ne reçoit aucun ultraviolet, ne subit aucune lésion de ce genre, et n’a pas besoin de cette réparation.

Exercice 13.12 ★★★

Une crème solaire absorbe les ultraviolets. À l’aide de la figure de survie, expliquer ce qu’une crème qui laisse passer un dixième des ultraviolets fait au nombre de lésions par cellule de peau en une heure de soleil, et pourquoi « pas de coup de soleil » ne veut pas dire « pas de mutations ».

Solution

Solution de Exercice 13.12.

Les lésions sont proportionnelles à la dose : un dixième des ultraviolets fait un dixième des lésions par cellule et par heure — soit encore des milliers. Le coup de soleil est la mort de nombreuses cellules ; en dessous de cette dose, les cellules survivent, mais les lésions qui échappent à la réparation deviennent des mutations. Pas de brûlure signifie que les dommages étaient survivables, non qu’ils étaient absents.

Exercice 13.13 ★★★

Un allèle du gène de l’hémoglobine protège du paludisme chez les porteurs d’un exemplaire mais provoque une maladie grave chez les porteurs de deux. Discuter du caractère « nuisible » ou « utile » de cette mutation, et de ce qui en décide.

Solution

Solution de Exercice 13.13.

Ni l’un ni l’autre en soi. Dans une région où sévit le paludisme, l’exemplaire unique élève la survie, et l’allèle reste fréquent malgré la maladie des porteurs doubles ; là où le paludisme est absent, il ne fait que provoquer la maladie et il est rare. C’est l’environnement, et le nombre d’exemplaires, qui décident de la valeur d’une mutation.

Exercice 13.14 ★★★

Des bactéries en bouillon sans antibiotique contiennent, après 30 générations, une cellule résistante par million. Si l’on ajoute alors l’antibiotique, qu’advient-il de la culture en une journée ? Expliquer pourquoi les médecins insistent pour qu’une cure d’antibiotique soit menée à son terme.

Solution

Solution de Exercice 13.14.

Les cellules sensibles meurent ; les résistantes, déjà présentes, se divisent librement et en une journée la culture est entièrement résistante. Une cure interrompue trop tôt laisse en vie les derniers survivants — les plus résistants — pour repeupler un corps désormais enrichi en résistance ; mener la cure à son terme les tue avant qu’ils ne se multiplient.

Exercice 13.15 ★★★

« Si les mutations sont presque toujours nuisibles, l’évolution ne peut pas être bâtie sur elles. » Discuter en un paragraphe, en utilisant les notions de hasard, de proportion de mutations neutres, d’environnement et d’échelle de temps.

Solution

Solution de Exercice 13.15.

La plupart des mutations sont neutres (hors des gènes ou sans effet sur la protéine), une minorité est nuisible, un très petit nombre est utile ; étant aléatoires, elles surviennent sans égard à leur utilité, mais la sélection garde les utiles et élimine les nuisibles. L’utilité dépend de l’environnement, si bien qu’une mutation nuisible aujourd’hui peut être celle qui compte quand les conditions changent. Sur des milliers de générations, avec des milliards d’individus, même des mutations utiles rares apparaissent à répétition : l’évolution est bâtie sur le reliquat trié, non sur la mutation moyenne.

13.6 Problème : le tampon de velours

Problème 13.1

Problème du week-end — le repiquage sur velours de Lederberg reconstitué : colonies comptées, résistances cartographiées, origine des mutations tranchée, et taux mesuré

Un élève étale environ 200 bactéries, issues d’une culture qui n’a jamais rencontré l’antibiotique streptomycine, sur une boîte sans antibiotique. Après une nuit, 200 colonies ont poussé, chacune à partir d’une cellule et contenant chacune environ $10^7$ cellules. Un tampon de velours est pressé sur la boîte puis imprimé sur trois boîtes contenant de la streptomycine. Le lendemain, la boîte A montre deux colonies résistantes, la boîte B deux, la boîte C deux — aux deux mêmes positions sur les trois.

Partie I — L’expérience.

Pourquoi les colonies de la boîte d’origine doivent-elles provenir de cellules isolées, et pourquoi garde-t-on faible le nombre de bactéries étalées ?
Expliquer ce que le velours transfère, et pourquoi la position d’une colonie est conservée.
Deux positions sur 200 donnent des colonies résistantes sur chaque réplique. Que montre l’accord entre les trois répliques ?
Supposons au contraire que l’antibiotique induise la résistance chez une petite fraction des cellules au contact. Décrire le motif que montreraient alors les trois répliques.
Laquelle des deux hypothèses — mutation avant contact, ou induction par le contact — le motif observé soutient-il ? Énoncer l’argument en une phrase.

Partie II — Retour à la boîte d’origine.

L’élève prélève des cellules aux deux positions résistantes de la boîte d’origine (qui n’a jamais touché l’antibiotique) et à deux autres positions, et teste chaque échantillon sur streptomycine. Prévoir les résultats.
Les deux colonies des positions résistantes contiennent chacune environ $10^7$ cellules. Toutes leurs cellules sont-elles résistantes, ou seulement une partie ? Que faudrait-il savoir pour trancher ?
Une colonie pousse à partir d’une cellule par environ 23 divisions. Si la mutation est survenue à la 20^e division, quelle fraction des cellules de la colonie la porte ? Et si c’était à la 3^e ?
Expliquer pourquoi tester une colonie entière peut révéler une mutation survenue dans une fraction seulement de ses cellules.
Pourquoi l’expérience ne fonctionne-t-elle que si les colonies des boîtes répliques poussent exactement là où étaient celles d’origine ?

Partie III — Mesurer le taux.

L’élève refait l’expérience avec 50 boîtes d’origine de 200 colonies chacune : 10 000 colonies, dont 30 donnent des répliques résistantes. Quelle fraction des colonies porte au moins une cellule résistante ?
Chaque colonie est issue d’une cellule par environ $10^7$ divisions cellulaires. Estimer la probabilité qu’une division donnée produise une mutation de résistance.
La résistance à la streptomycine exige un changement à une position précise d’un gène. Comparer votre estimation au taux d’erreur de réplication de $10^{-9}$ par nucléotide, et commenter.
Une culture de $10^9$ cellules est obtenue à partir d’une seule cellule dans un bouillon sans antibiotique. À l’aide de votre taux, estimer combien de cellules résistantes elle contient probablement quand l’antibiotique est enfin ajouté.
Si la mutation de résistance est survenue tôt dans la croissance de cette culture, comment le nombre de cellules résistantes change-t-il ? Pourquoi des cultures répétées donnent-elles des comptages très différents ?

Partie IV — Ce que cela signifie.

Expliquer la différence entre « les mutations sont aléatoires » et « les mutations sont rares », et laquelle des deux l’expérience établit.
L’antibiotique n’a pas créé la résistance. Qu’a-t-il fait à la population ?
Traduire l’expérience dans le langage de la Proposition 13.10 : qu’est-ce qui a fourni la variation, et qu’est-ce qui l’a triée ?
Un élève objecte que les deux colonies résistantes de la boîte d’origine « ressemblaient exactement aux autres ». Expliquer pourquoi une mutation peut rester invisible tant que l’environnement ne change pas.
Énoncer le résultat : ce que les positions identiques sur trois répliques au velours ont prouvé de l’origine des mutations, et le taux par division que vous avez mesuré.

Solution

Solution de Problème 13.1.

1. Pour que chaque colonie soit un clone d’origine connue, et pour que les colonies soient assez séparées pour être distinguées sur les répliques.

2. Quelques cellules du sommet de chaque colonie, dans la même disposition géométrique que sur la boîte, parce que le tampon est pressé à plat sans glisser.

3. Que les cellules résistantes étaient présentes dans ces deux colonies d’origine : trois répliques indépendantes ne s’accordent pas par hasard.

4. Des colonies résistantes à des positions quelconques et sans rapport sur les trois boîtes, puisque les cellules induites ne seraient pas les mêmes d’une réplique à l’autre.

5. La mutation avant contact : la résistance se rapporte aux colonies d’origine, qui n’ont jamais rencontré le médicament.

6. Les cellules des deux positions résistantes poussent sur streptomycine ; celles des autres positions, non.

7. Une partie seulement, probablement : la mutation est survenue à une division quelconque pendant la croissance de la colonie, et seuls les descendants de cette cellule sont résistants. Pour trancher, il faudrait étaler un nombre connu de cellules de la colonie sur streptomycine et compter les survivantes.

8. À la 20^e des 23 divisions : $1/2^{20-1}$ …plus simplement, la cellule mutante se divise ensuite 3 fois de plus : $2^3 = 8$ cellules résistantes sur $2^{23}$ , soit environ une sur un million. À la 3^e division : l’une des 8 cellules alors présentes, soit un huitième de la colonie.

9. Même quelques cellules résistantes parmi les $10^4$ environ que le velours prélève suffisent à fonder une colonie sur la boîte à antibiotique ; le test détecte la présence de cellules résistantes, non leur proportion.

10. L’argument repose sur la position : ce n’est que si la géométrie est conservée qu’une colonie d’une réplique peut être identifiée à une colonie de la boîte d’origine.

11. $30/10\,000 = 3 \times 10^{-3}$ .

12. Environ $3 \times 10^{-3}$ mutation pour $10^7$ divisions : $3 \times 10^{-10}$ par division.

13. Du même ordre que le taux d’erreur sur un nucléotide : la mutation de résistance est essentiellement une substitution précise qui échappe à la réparation.

14. $10^9$ divisions à $3 \times 10^{-10}$ : en moyenne une fraction de mutation, si bien que la plupart des cultures n’en contiennent aucune ou quelques cellules résistantes seulement (chaque mutation étant ensuite multipliée par les divisions qui la suivent).

15. Une mutation survenue à une division précoce est héritée par une grande fraction de la culture, et le comptage est donc élevé ; une mutation tardive ne donne que quelques cellules résistantes. Comme le moment est aléatoire, des cultures répétées donnent des comptages très dispersés — ce qui est en soi un signe que les mutations apparaissent avant l’antibiotique, et non en réponse à lui.

16. Rares : les mutations surviennent peu souvent par division. Aléatoires : elles surviennent indépendamment de leur utilité. L’expérience établit le caractère aléatoire (l’argument des positions) ; les comptages de la partie III mesurent la rareté.

17. Il a trié la population : il a tué les cellules sensibles et laissé les résistantes se multiplier — c’est la sélection.

18. La mutation a fourni l’allèle de résistance, au hasard, avant tout besoin ; l’antibiotique a trié la population, en n’en gardant que les porteurs.

19. La mutation change une molécule impliquée dans l’action du médicament, non la croissance ni l’aspect de la colonie en l’absence de médicament ; une différence génétique n’a d’effet visible que dans un environnement où elle compte.

20. Les positions identiques sur les trois répliques ont prouvé que les mutations de résistance apparaissent avant l’exposition à l’antibiotique et indépendamment d’elle ; le taux mesuré vaut environ $3 \times 10^{-10}$ par division cellulaire.

Termes définis dans ce chapitre

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