Hardy-Weinberg et la dérive génétique

Les scientifiques se sont un jour demandé pourquoi les traits dominants comme les taches de girafe de couleur beige ne deviennent pas plus fréquents à chaque génération et ne remplacent pas les traits récessifs comme les taches brun foncé. En réfléchissant à cette énigme, en 1908, indépendamment l’un de l’autre, Godfrey H. Hardy et Wilhelm Weinberg ont indépendamment dérivé une théorie, aujourd’hui connue sous le nom de principe de Hardy-Weinberg et représentée par cette équation.

Le principe stipule qu’en l’absence d’évolution, c’est-à-dire à l’équilibre, les fréquences des allèles et des génotypes d’une population resteront constantes d’une génération à l’autre. Pour comprendre cette équation, revenons à l'exemple de la girafe. Le A majuscule représente l’allèle beige puisqu’il est dominant, et le a minuscule représente l’allèle brun car il est récessif. La fréquence de ces deux allèles dans la population est désignée respectivement par p et q. Alors, comment connaissons-nous la fréquence des allèles ? Eh bien, chaque individu a deux allèles. Dans cet exemple, 40 % des allèles du pool génétique sont beige. Ainsi, la fréquence de l’allèle bronzé, p, est de 0,4, et la fréquence de l’allèle brun, q, est de 0,6. Notez que p plus q est toujours égal à un.

Revenons maintenant à l'équation de Hardy-Weinberg. Chaque terme de l’équation représente la fréquence d’un génotype. La fréquence du génotype homozygote dominant est p carré, et le génotype homozygote récessif est représenté par q au carré. Le génotype hétérozygote est de deux pq. La raison pour laquelle nous multiplions par deux ici est qu’il existe deux façons différentes de générer un génotype hétérozygote. Ensemble, ils représentent tous 100 % des génotypes. Donc, une fréquence totale de un. En utilisant les valeurs de p et q de notre exemple de girafe, nous pouvons déterminer la distribution du génotype des allèles du gène de couleur dans notre population de girafes. Par conséquent, selon le principe de Hardy-Weinberg, à l’équilibre, 16 % de la population de girafes sera homozygote dominante, 48 % sera hétérozygote et 36 % sera homozygote récessive.

Pour maintenir cet équilibre, le principe d’équilibre de Hardy-Weinberg stipule qu’une population doit répondre à cinq hypothèses principales. Il devrait y avoir un accouplement aléatoire, une grande taille de population, aucune mutation, aucune sélection sur le gène en question et aucun flux de gènes à l’intérieur ou à l’extérieur de la population. La plupart des populations naturelles violent au moins une de ces hypothèses et l’équilibre est donc rare... mais malgré cela, le principe est utilisé comme un modèle nul pour la génétique des populations. En comparant ces valeurs attendues à la fréquence réelle du génotype dans une population, il est possible de déterminer si cette population est en équilibre de Hardy-Weinberg. Si ce n’est pas le cas, cela signifie qu’une certaine forme d’évolution ou de changement de fréquence allélique a lieu.

Une idée fausse générale sur l’évolution est qu’elle nécessite une sélection naturelle pour se produire. Cependant, ce n’est pas toujours le cas. La dérive génétique est un mécanisme par lequel l’évolution peut se produire sans sélection naturelle. Il est défini comme un changement de la fréquence allélique d’une population dû au hasard. Pour imaginer cela, reprenons l'exemple d'une population de girafes et imaginons que leurs allèles de beige et de brun soient représentés par des billes de deux couleurs différentes. Nous supposerons ici que chaque couleur commence par être également abondante. Si nous devions commencer une nouvelle génération à partir de cette population, nous aurions besoin d’élever des couples d’individus et donc de choisir parmi quatre allèles par couple. Si nous sélectionnons un couple reproducteur au hasard, nous pourrions nous retrouver avec deux billes de chaque couleur. Cependant, par hasard seul, certains appariements n’auront qu’une seule couleur de bille, ou trois d’une couleur et l’une de l’autre. Ces écarts aléatoires de 50-50 sur plusieurs appariements pour créer une nouvelle génération pourraient signifier que la génération suivante n’a plus un mélange égal de chaque allèle.

C'est cette variation des fréquences allèles relatives au fil du temps qui définit la dérive génétique. Par conséquent, contrairement à l’évolution adaptative, où la fréquence des allèles change pour sélectionner des traits adaptés à l’environnement, comme les coccinelles avec une plus grande quantité de mélanine qui survivent mieux dans les climats plus froids en raison d’une meilleure capacité à absorber la chaleur, la dérive génétique représente un type d’évolution purement dû au changement stochastique. Par exemple, l’élimination aléatoire d’une partie d’une population à la suite d’un événement catastrophique.

Dans cet atelier, vous allez effectuer des simulations informatiques et de billes colorées de l’équilibre de Hardy-Weinberg et de la dérive génétique dans une population, puis vous allez tester ce qui se passe lorsque les hypothèses de l’équilibre sont violées.