Introduction a la genetique

UNIVERSITE D’ORLEANS
Examen SC-L2BO-02 Introduction à l’analyse génétique
Sujet D. LOCKER M. DECOVILLE durée 2h
1 ère session le 14 mai 2007
1 er sujet : Environ 70 % des Nord-Américains blancs peuvent percevoir le goût du phénylthiocarbamide, alors que le restant ne lui trouve aucun goût. La
capacité de déceler le goût est un caractère mendélien dominant T, et son incapacité est due à l'allèle récessif t. Quelles sont les fréquences génotypiques et
alléliques liées à ce caractère dans cette population ? (3pts)
2 ème sujet : Une jeune femme a un frère qui est mort en bas âge des suites d'une maladie héréditaire rare. Cette maladie est causée par un gène récessif
qu'on trouve à l'état hétérozygote chez environ 1/10000 individu de la population. Quelle est la probabilité que cette femme ait un enfant atteint de cette
maladie ? Quelle est la probabilité qu'elle ait un enfant atteint de cette maladie si elle se marie avec son cousin germain ? (4pts)
3 ème sujet : Le pelage du mutant yellow (Y) de la souris est jaune. Le type sauvage est dit type agouti (+). Quand une souris (Y) est croisée avec une souris
(+), la descendance est constitué d'individus (Y) et (+) dans un rapport de 1:1. Quand deux souris (Y) sont croisées, on obtient une descendance constituée
d'individus (Y) et (+) dans un rapport de 2:1. Si l'on croise chaque individu (Y) issu du croisement précédent avec une souris (+), chaque descendance est
constituée d'individus (Y) et (+) dans un rapport de 1:1. Comment expliquer ces résultats ? (3pts)
4 ème sujet : Dans les populations naturelles le nombre d'individus n'est jamais infini. Des exemples de populations d'effectif limité se rencontrent par exemple
dans des situations de culture ou d'élevage. Examinons un cas extrême où une population initiale de moutons n'aurait été constituée que d'un couple
d'individus, hétérozygotes en un locus A (A/a), puis maintenue à chaque génération par 2 individus pris au hasard dans la descendance. Après une
cinquantaine de générations, pensez vous que les deux descendants auront plus de chance d'être homozygote A, homozygote a ou hétérozygote au locus
A ? (3pts)
5 ème sujet : Une dame propriétaire d'un caniche blanc de race pure (un phénotype autosomal récessif) désireuse d'obtenir des chiots blancs, mena le chien
chez un éleveur qui lui déclara qu'il accouplerait le chien femelle avec un mâle albinos aussi de race pure. A la naissance de six chiots tous noirs, cette dame
intenta un procès à l'éleveur en prétendant qu'il avait remplacé le mâle albinos par un chien noir, ce qui avait conduit à lui fournir six chiots d'une couleur non
désirée. Vous êtes requis par la défense comme expert, et celle-ci vous demande s'il est possible d'obtenir une descendance noire à partir de deux parents
albinos récessifs et de race pure. Quel sera la teneur de votre témoignage? (2pts)
6 ème sujet : Dans le but d’étudier le contrôle génétique de la biosynthèse de la cystéine chez la levure Saccharomyces cerevisiae, des généticiens ont utilisé
différentes souches dont les phénotypes sont les suivants :
Souche A : souche de référence non mutée
Souche B : [cys - ], exigeante en cystéine
Souche C : [cys - ], exigeante en cystéine
Souche D : [cys - , ade - ], exigeante en cystéine et en adénine
Ils ont croisé les différentes souches entre elles et déterminé les effectifs des tétrades inordonnées obtenues à partir de chaque croisement :
Croisement Phénotype des 4 spores de la tétrade Pourcentage
A X B 2[cys - ], 2[cys + ] 100
A X C 2[cys - ], 2[cys + ] 100
A X D 2[cys - , ade - ], 2[cys + , ade + ] 81
1 [cys - , ade - ], 1[cys + , ade + ], 1 [cys - , ade + ], 1[cys + , ade - ] 19
B X C 4[cys - ] 181
3[cys - ], 1[cys + ] 19
Quelles informations sur les différentes souches pouvez-vous déduire de ces résultats? (5pts)
2

Les documents présentés dans ce cours sont issus :
• soit de travaux personnels
• soit de travaux présentés sur le web
Ils Leur sont utilisation à l’usage ne exclusif doit donner des étudiants lieu à aucune en dehors exploitation de toute commerciale exploitation
commerciales
D. LOCKER
Professeur D. LOCKER des Universités
Spécialité: PRGénétique
Université Génétique d’Orléans Orléans
UFR/Faculté des Sciences
3

La génétique
Introduction
4

C'est quoi la génétique?
Bateson: "The method and scope of genetics" (1908) :
La génétique se définit par ses méthodes et par son objet
5

La génétique consiste à étudier :
• Les lois de transmission des caractères
héréditaires
• La nature et la fonction de ce qui est
transmis
6

Toutes les définitions en génétique sont des définitions
opérationnelles
Elle est abstraite et l’a toujours été depuis Mendel parce qu’elle
traite des règles (lois) de transmission des caractères héréditaires
7

L’analyse génétique est liée aux
différences :
Sans différences pas de génétique
La génétique est une science différentielle
Les gènes ne sont pas observables directement
mais uniquement par leurs effets
8

conclusions
La génétique est à la biologie ce que les mathématiques sont à la physique (Alain
Ghysen) :
C’est une science abstraite qui n’utilise que des définitions opérationnelles
Elle s’occupe des règles PAS de comment et à quelle fin elles sont utilisées !
Autre conclusion importante :
utilité des définitions
Évitez d'utiliser des mots pour lesquels vous ne pouvez pas donner de définitions
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Les différents états de la génétique
Formelle Populations
GENETIQUE
Physiologique
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• Génétique formelle
- Etude de la transmission des caractères héréditaires au sein
des familles
• Génétique des populations
- Etude de la transmission des caractères héréditaires au sein
des populations
• Génétique physiologique ou moléculaire
- Etude de la nature chimique du gène
11

Introduction à la génétique formelle
12

Questions posées sur l’hérédité
1. Qu’est ce qui est transmis pendant la fécondation ?
Qui est responsable de la formation de l’individu ?
2. Génération spontanée oui ou non?
3. Contributions du père et de la mère pour les
enfants? La mère transmet elle quelque chose ?
4. Comment le sexe est il déterminé?
5. Comment le milieu joue –t-il sur la transmission des
caractères ?
6. ……………………
13

Les plus vieilles spéculations connues sur l’hérédité
remontent à Pythagore : une vapeur descend des
différents organes de l’homme puis se concentre dans les
testicules pour former le sperme. Celui-ci se coagule dans
le vagin et forme l’embryon qui va grossir dans l’utérus. La
mère ne sert qu’a nourrir l’embryon la théorie est dite
patrocline.
Ces notions vagues de l’hérédité vont perdurer jusqu’au
19 ème siècle.
14

Apport d’Aristote
Aristote étudiant les
animaux rapportés par
Alexandre
15

• Aristote suppose que la contribution
mâle/femelle est très différente
• le mâle contient l’information pour les formes
et l’âme
• la femelle est juste le support du
développement du foetus
• Aristote observe que parfois les enfants
ressemblent plus à des ancêtres qu’a leurs
parents.
• Comment se transmettent les caractères?
• Il est contre la préformation
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• Il croit en l’hybridation (la girafe est un
hybride entre le chameau et le léopard!!!)
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1868 Théorie de la pangénèse par Darwin
(pas très éloignée des théories d’Aristote)
1) Dans toutes les cellules germinales, l’ensemble des
ltraits héréditaires de tout l’organisme sont présents
sous la forme de gemmules. Ces gemmules sont
multipliées pendant la division cellulaire et transmis
de cellule à cellule.
2) Toutes les cellules du corps au cours du
développement envoient des gemmules vers les
cellules germinales. Possibilités de perte des
gemmules conduisant aux variations d’individu à
individu.
18

Les points communs des théories pré-mendéliennes
*Hérédité par mélange (d’humeur, de particules
ou de gemmules) soit une hérédité directe
*Hérédité des caractères acquis
19

Histoire des hybrideurs et de la génétique
1759 Linné effectue des croisements de salsifis
1761 Joseph Gottlieb Koelreuter effectue 500 hybridations sur 138 espèces.
Il note la stérilité fréquente des hybrides, la résurgence de caractères
ancestraux chez les descendants d’hybrides. Il conclut à la perfection de la
nature et au fixisme.
1824 Thomas Andrew Knight publie à la société horticole de Londres, sur le
Pois et ses qualités : variétés stables, autofécondation, hybrides d’une couleur
parentale si croisement de deux lignées de couleurs différentes, mais les
graines hybrides semées produisent des plantes dont les gousses contiennent
des graines des deux sortes parentales «en nombres indéterminés»
1845-52 Henri Lecoq hybride des Belles de nuit. «L’homme hybrideur prolonge
l’oeuvre de Dieu»
20

Histoire des hybrideurs et de la génétique
1849 Karl Friedrich Gaertner synthétise le tout dans «Expériences et
observations sur l’hybridation dans le règne végétal»qui sera lu par Mendel
1856 Louis de Vilmorin juge l’hybridation : «utile pour l’affolement de la plante».
Il estime qu’il faut choisir les étalons sur leur descendance et non d'après leurs
propres caractéristiques.
1861 Charles Naudin croise des Pétunias. Il obtient des hybrides semblables
entre eux et intermédiaires en F1. Il trouve que la F2 «n’a aucune constance», qu’il
y a retour aux types ancestraux qui «luttent pour se dégager l’un de l’autre» en
quelques générations. Ceci témoigne de l’«essence» de l’espèce, comme tout
cohérent et exclusif de caractères.
21

Gregor Mendel (1822-1884)
22

Mendel (1822-1884)
Mère fille de jardinier, père paysan, remarqué par un abbé instituteur qui l’envoie faire
des études secondaires au gymnasium, puis en 1840 à l’université d’Olmütz (prof.
Franz).
1843 novice au couvent des Augustins, à Brünn.
1847 prêtre, sous le nom de «frère Gregor» pour éviter l’«amertume de la lutte pour
l’existence»
1849 enseigne les maths
1850 rate ses examens de prof de zoologie, est pris comme remplaçant, puis étudie à
l’université de Vienne : la physiologie végétale, la physique et les probabilités.
1853 enseigne la physique et l’histoire naturelle à Brünn.
1856 échoue au professorat devient suppléant et peut faire des expériences sur les
pois.
1856-64 croise 12 000 plantes, récolte 300 000 graines
1864 destruction de ses plants de Pois par une invasion de charançons !
1865 deux exposés à la société des Sciences naturelles de Brünn, devant un public
nombreux et averti (dont Unger, Bunsen, Purkinje)
1866 publie ses conférences, envoie 40 TAP aux meilleurs spécialistes, dont Nägeli, qui
ne comprend pas
1867 lettre à Nägeli : «personne, à ma connaissance, n’a entrepris de refaire mes
expériences»
1869 expériences sur Hieracium, négatives
1884 mort de Mendel
23
Mendel a publié 9 articles sur météo, apiculture, variétés de Fuschia et de fruits

La méthode de Mendel
Ou pourquoi il a réussi là ou les autres ont échoué
• Analyse des caractères qualitatifs ou traits
•Choix du bon modèle
• Analyse sur des grands nombres
• Confrontation hypothèse/expérience
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Son modèle
expérimental
Pisum sativum
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Le plan expérimental de
Mendel
• Utilisation de lignées pures
• Sélection de lignées dont les différences
de caractères sont nettes
• Choix de caractères n’affectant pas la
viabilité ou la fertilité
• Un ou deux caractères (maximum) étudiés
par croisement
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Utilisation du pois pour les expériences
exp riences d’hybridation
hybridation
Matériel Mat riel très tr adapté adapt à ce type d’é ’étude tude
Hybridation possible
Autofécondation
Autof condation possible
•Fleur du pois
étamine
carpelle
•Fleur du pois
dissection

Fécondation croisée facile
Parent 2
F1
Parent 1
graine
Autofécondation (F1 x F1)
F2
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Les variétés
de pois
Coloré vs blanc pour les fleurs
jaune vs vert pour la cosse
lisse vs ridée
pour la graine
29

Les 7 caractères
caract res étudi tudiés par Mendel

Par exemple
Croisement pourpre x blanc
Première génération hybride : pourpre
Autofécondation (seconde génération d’hybride):
pourpre et blanc en rapport 3:1
31

Lignée pure
pourpre
Hybridation
croisée
¾ pourpre
Hybride
(F1)
Fleurs
pourpres
Lignée pure
blanche
Génération
parentale
(P)
Génération
(F1)
¼blanc
Génération
(F2)

Les observations initiales de
Mendel
• Les descendants d’une hybridation
ressemblent à l’un des parents
• L’autre caractère parental réapparait
si les descendants sont croisés entre
eux
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Le modèle de Mendel
• Chaque caractère est contrôlé par une paire de
“facteurs”(bildungsfahigen Elementen)
• Le caractère qui s’exprime dans l’hybride est
dominant celui qui ne s’exprime pas est récessif
• Chaque hybride hérite d’un seul facteur provenant
de chacun des parents
• La ségrégation des facteurs est aléatoire
• 1ère loi de Mendel “Loi de pureté des gamètes”
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Modélisation de Mendel
• La ségrégation au hasard permet
d’obtenir la même probabilité
d’hériter l’une ou l’autre version du
facteur (A ou a)
• Si le croisement est : Aa x Aa
– P(AA) = 1/4
– P(Aa) = 1/2
– P(aa) = 1/4
P(A_) = 3/4
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P1 [Lisses] x [ridés] P2
L/L x r/r
F1 L/r [Lisses]
F2 (F1xF1) Echiquier de croisement
♀/♂
½ L
½ r
½ L
L/L [Lisses]
L/r [Lisses]
soit: en F2 (F1xF1)
¾ [Lisses]
¼[ridés]
½ r
L/r [Lisses]
r/r [ridés]
Représentation symbolique actuelle des générations P, F1 et F2 à
l’aide du carré de Punnett
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Le modèle Mendélien comme tout modèle biologique a une
valeur heuristique : il peut être testé par de nouvelles
expériences.
Par exemple si à partir de la F2 précédente on effectue
une autofécondation des individus lisses le modèle prédit
que les lisses ne donnent pour 1/3 que des lisses et pour
2/3, 3 lisses pour 1 ridé.
C’est effectivement ce que Mendel trouve en faisant
cette expérience.
37

Les croisements faisant intervenir deux caractères
• Croisement lisse jaune x ridé vert
• F 1 lisse jaune
• F 2 on obtient le rapport:
– 9 lisse jaune
– 3 lisse vert
–3 ridéjaune
–1 ridévert
• Ceci s’explique par la distribution des facteurs :
P(A_B_) = 3/4 x 3/4 = 9/16…
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Représentation symbolique des résultats d’un croisement dihybride
39

2 ème loi de Mendel
Pendant la formation des gamètes la ségrégation
des différentes formes
d’un caractère mendélien donné s’opère
indépendamment de celle d’un autre caractère.
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Rupture avec les anciennes théories de l’hérédité :
• Les particules (facteurs mendéliens) ne se mélangent pas
• Les particules restent pures
• L’hérédité devient une combinatoire de ces particules
• l’hérédité est indirecte
41

Mendel a été très chanceux !!!
• La loi de l’assortiment indépendant est
un cas particulier
• Mendel a étudié 7 caractères
• Le pois a 7 chromosomes
• Les caractères sont tous non liés et
n’interagissent pas entre eux
42

Le travail de Mendel n’aura
d’impact que 35 ans plus tard
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1901 LA SOI-DISANT «REDECOUVERTE» DES LOIS
DE MENDEL
44

LA SOI-DISANT «REDECOUVERTE» DES LOIS DE MENDEL
14.3.1900 Hugo de Vries communique sur «La loi de disjonction des hybrides». Cite
Mendel, mais prétend l’avoir connu après ses 11 expériences d’hybridation sur le
pois. Communiqué le 25.4 à la Société Allemande de Botanique :
1) décrit la dominance
2) les cellules sexuelles ont un seul caractère. Il conclut que la disjonction des
hybrides est générale chez les végétaux.
26 Mars : résumé de la communication publié aux CRAS : ne cite pas Mendel !
21 Avril Carl Correns reçoit le CRAS.
Le 22 Avril communique à la SAB « Sur la loi de Mendel relative à la progéniture des
hybrides de variétés » de Pois. Prétend aussi n’avoir lu Mendel qu’après ses
expériences.
2 Juin Erich von Tschermak publie à la SAB le résumé de sa thèse soutenue le
17.1.00 : « Le croisement artificiel chez Pisum sativum ». Sa thèse parue en Mai,
avant l’article, mentionne le CRAS.
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LA SOI-DISANT «REDECOUVERTE» DES LOIS DE MENDEL
1) Le 1er congrès sur l’hybridation a eu lieu à Londres en 1899. De Vries
et plusieurs autres y ont cité le mémoire de Mendel lu vers 1895. Mais il
n’a pas compris les ségrégations 3 : 1 et encore moins 1 : 2 : 1 . A rajouté
Mendel sur ses épreuves de la SAB.
2) Correns a lu Mendel en 1899, ne semble pas avoir compris non plus et
ne s’intéressera plus qu’à l’hérédité cytoplasmique après.
3) von Tschermack n’a pas compris la disjonction des caractères et les
explications de Mendel et ne s’intéresse qu’à la régularité des rapports 3 :
1 .
46

LA SOI-DISANT «REDECOUVERTE» DES LOIS DE MENDEL
1901-02 des centaines de chercheurs trouvent des rapports mendéliens, dont William
Bateson, hostile au gradualisme («la discontinuité des espèces résulte de la
discontinuité de la variation»), qui introduit les notions de pureté des gamètes,
allélomorphes, homozygotes et hétérozygotes.
1902 Lucien Cuénot, (1866-1951), zoologiste, présente aux CRAS les travaux de Melle
Barthelet, «jeune institutrice intelligente» qui réfutent l’imprégnation et montrent que
les lois de Mendel s’appliquent aux souris.
1909 Morgan, anti-Weismann, anti-mendélien, anti darwinien, antinéolamarckien,
embryologiste spécialiste de la régénération et des Pycnogonides. Il est contre « la
doctrine des particules » :
«Dans l’interprétation moderne du mendélisme, les faits sont transformés en
facteurs, si un ne suffit pas, on en invoque deux…quelle jonglerie ! On explique les
faits par les facteurs mêmes que l’on a créés pour les expliquer ! »
1915 Morgan, Bridges, Sturtevant et Müller : «Le mécanisme de l’hérédité
mendélienne»
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Pourquoi les lois de Mendel (1866) ne seront-elles
« redécouvertes »
qu’en 1901 ?
•La biologie cellulaire est à ses débuts
• La division cellulaire Mitose/Méiose est imparfaitement
comprise
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La redécouverte
• Confirmation des rapports mendéliens dans
d’autres espèces. Exemple de Lucien Cuénot
qui confirme les résultats de Mendel chez
la souris
• Extension des rapports mendéliens causée
par les interactions entre les caractères
• Application des statistiques aux travaux de
Mendel
49

1905 Lucien Cuénot généralise les lois de Mendel à un
animal : la souris. Il met en évidence les séries alléliques
et le premier allèle létal du gène de coloration du pelage.
La couleur du pelage, chez les Souris, est représentée dans le plasma germinatif par un
certain nombre de déterminants (caractères-unités), que l'expérience permet seule de mettre
en évidence et de compter ; jusqu'ici, on en connaît au moins 5, et il est très probable qu'il 50 y
en a encore d'autres. Chacun de ces déterminants peut présenter des mutations indépendantes.

• Inventée par:
Johannsen, Bateson:
• Gène, Génotype,
Phénotype
(Johannsen 1909)
• Allèle (Bateson
1902)
Terminologie
51

1905 William Bateson propose le terme de génétique
pour la science de l’hérédité
52

1909 Wilhelm Ludvig Johannsen propose de
remplacer le terme de pangène par celui de
gène du grec genos (naissance, origine) pour
désigner ce “quelque chose” présent dans les
gamètes qui est responsable d’un caractère.
53

1905 Reginald Crundall Punnett écrit le premier livre
sur la génétique mendélienne. Célèbre aussi pour son
formalisme d’étude des ségrégations (le célèbre carré
de Punnett)
54

Terminologie moderne
• Gène= unitéfondamentalede l’hérédité, 2
copies/cellule
• Allélomorphe = allèle = une forme alternative
d’un gène (dérivé du grec allel = un autre)
• Zygote = produit de la fusion de 2 gamètes
• Homozygote = 2 allèles identiques (AA)
• Hétérozygote = 2 allèles différents (Aa)
55

Extension de l’analyse mendélienne
Notion de phénotype et de génotype
56

Génotype = Ensemble de l’information
génétique (les gènes) portée par un
organisme
Phénotype = Ensemble des caractères
observables d’un individu
57

Importance de la place de l’observateur dans
l’analyse génétique
Génotype
Environnement
Phénotype
58

Interaction génotype/environnement
Influence de la température sur le nombre de facettes
de l’œil de la drosophile
Nombre de facettes
1000
500
200
100
50
Type sauvage
Infrabar
Ultrabar
15°C 20°C 25°C 30°C
59

La température d’élevage doit être strictement
contrôlée pour l’étude des ségrégations de ce type
de caractères chez la drosophile
60

Autre exemple de l’effet de
l’environnement sur le phénotype
Elevage à 2O° ou moins Elevage au dessus de 3O°C
A la température < à 20°C l’allèle hymalayen
s’exprime
61

Des phénotypes différents peuvent être
dus au même gène ou à des gènes différents
Des phénotypes identiques peuvent être dus
à des gènes différents
62

L’hérédité n’est pas toujours aussi
claire que les résultats de Mendel
….
1. Différents cas de dominance
2. Allèles multiples
3. Pléiotropie
4. Epistasie
5. Pénétrance
6. Expressivité
63

Dominance Récessivité
64

Semi dominance: exemple chez les plantes
65

Phénotype de A/a
Dominance Récessivité
a/a
A/A
Dominance a>A
Dominance partielle a>A
Dominance partielle ou semi-dominance
Dominance partielle A>a
Dominance A>a
βS /βS βA /βA βS /βA Individu anémie normal
normal
β A dominant sur β S
Hématies En faucille 20% en faucille
80% normale
normale
Séparation des
chaînes β de
l’hémoglobine
Exemple de l ’anémie falciforme
Dominance partielle de β A >β S
β A /β S
β A /β A
β S/ β S
Codominance
de β A et β S
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Dominance et récessivité sont des concepts
opérationnels
• On se réfère toujours à un hétérozygote et à un
phénotype particulier
• Le même allèle peut être dominant et récessif
exemple de l’anémie falciforme:
- l’anémie est récessive
- La résistance à la malaria est semi-dominante
- La protéine étudiée en electrophorèse est codominante
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Contrairement au trait observé, un gène ou un allèle
ne sera jamais dominant ou récessif
Dominance et récessivité ne sont pas des caractères
intrinsèques du gène ou de l’allèle
68