Exercice 2 · Bac Sciences de la Vie et de la Terre Amérique du Nord 2025 (jour 2)
Thème : Reproduction sexuée, brassage des génomes et génétique mendélienne · Tiré du sujet Jour 2 (2025)
Énoncé
EXERCICE 2 (8 points)
La complexification du cortex humain
La complexification du cortex constitue un élément majeur de l'évolution du cerveau des mammifères. Cette évolution a pris une ampleur particulière chez l'être humain que l'on peut relier à ses capacités cognitives.
Expliquer les mécanismes à l'origine de la différence d'organisation du cortex humain par rapport à d'autres mammifères.
Vous organiserez votre réponse selon une démarche de votre choix intégrant des données issues des documents et les connaissances complémentaires nécessaires.
Document 1 – Répartition et rôle des épines dendritiques d'un neurone de mammifère
Document 1a – Photographie d'un neurone pyramidal de rat
On trouve dans le cortex des neurones pyramidaux qui possèdent un très grand nombre de dendrites qui reçoit un grand nombre de synapses.
On observe en microscopie optique après un traitement fluorescent un neurone pyramidal isolé du cerveau de rat.
Document 1b – Épine dendritique
On cherche à caractériser la structure d'une épine dendritique.
Document 2 – Taille et densité des épines dendritiques du cortex
Il est possible par observation et comptage de comparer la taille et la densité des épines dendritiques dans le cortex de différentes espèces. Cette comparaison sur une portion de dendrite de 10 µm chez l'être humain et le chimpanzé est schématisée ci-dessous.
Document 3 – Étude des gènes SRGAP2 chez les primates
Document 3a – Expression des gènes SRGAP2 chez certains primates
On réalise une étude des gènes SRGAP2 dans le cortex de l'être humain et du chimpanzé. La technique utilisée permet de déterminer si de l'ARNm est produit ou pas à partir de différents gènes. La présence d'une bande atteste d'une production d'ARNm. L'eau est utilisée comme un témoin négatif c'est-à-dire sans ARNm.
Document 3b – Histoire évolutive récente des gènes SRGAP2 chez les primates
Document 4 – Interaction entre les protéines SRGAP2 chez la souris
Chez la souris, on mesure la production de la protéine issue du gène SRGAP2A présent chez la souris.
Cette mesure est réalisée en absence (témoin) et en présence de la protéine issue du gène humain SRGAP2C dans différentes parties des neurones du cortex.
La souris ne produit pas de protéine SRGAP2C.
Document 5 – Longueur et densité des épines dendritiques chez la souris
Document 5a – Expression du gène SRGAP2A
Des souris mutantes nommées KO ont une expression du gène SRGAP2A diminuée de presque 90 %.
Les mesures de la longueur des épines et de leur densité (nombre par unité de surface) dans le cortex de ces souris comparées à celles de souris sauvages (WT) sont présentées dans les graphiques ci-dessous.
Document 5b – Expression du gène SRGAP2C
Le gène SRGAP2C a été transféré dans des cellules du cortex des souris sauvages. La taille et la densité des épines dendritiques ont été mesurées dans les cellules de souris ayant reçu le gène (SRGAP2C) et dans les cellules de souris ne l'ayant pas reçu (Témoin).
Corrigé
Corrigé proposé par AprenAI (non officiel)
Expliquer les mécanismes à l'origine de la différence d'organisation du cortex humain par rapport à d'autres mammifères.
Réponse : Synthèse argumentée intégrant l'analyse structurée des documents et les connaissances : 1. Une organisation corticale humaine caractérisée par une forte densité synaptique : - Les neurones pyramidaux du cortex portent des dendrites garnies d'épines dendritiques (Doc 1a). Ces épines constituent les éléments postsynaptiques de synapses chimiques : une tête porteuse de récepteurs, face à une terminaison présynaptique riche en vésicules de neurotransmetteur (Doc 1b). - Chez l'humain, les épines dendritiques sont plus denses : environ 10 épines pour 10 µm de dendrite, contre 5 chez le chimpanzé, soit deux fois plus. Elles sont aussi plus longues, avec un cou allongé (Doc 2). - Cette architecture permet un nombre de connexions synaptiques nettement accru, donc un réseau neuronal plus complexe, support des capacités cognitives humaines. 2. Origine génétique et histoire évolutive de la famille de gènes *SRGAP2* : - Chez le chimpanzé, seul le gène ancestral *SRGAP2A* est exprimé dans le néocortex. Chez l'humain, les trois gènes *SRGAP2A*, *SRGAP2B* et *SRGAP2C* sont transcrits en ARNm. Le témoin eau, sans bande, valide la technique (Doc 3a). - L'arbre phylogénétique (Doc 3b) montre que *SRGAP2A* est le seul gène présent chez l'orang-outan et le chimpanzé. Dans la lignée humaine, après la séparation d'avec la lignée du chimpanzé, deux duplications successives ont eu lieu : - vers 3,4 Ma, une duplication de *SRGAP2A* a donné *SRGAP2B* ; - vers 2,4 Ma, une duplication de *SRGAP2B* a donné *SRGAP2C*. - Ces copies ont ensuite divergé par mutations. C'est l'origine d'une famille multigénique propre à l'espèce humaine (innovation génétique par duplication). 3. Mécanismes moléculaires et cellulaires : - Chez la souris, la protéine SRGAP2A limite la longueur et la densité des épines. Lorsque son expression est réduite de 90 % (souris KO, Doc 5a) : - la longueur du cou passe d'environ 0,52 µm à environ 0,76 µm ; - la densité passe d'environ 1,2 à environ 1,8 épine/µm. SRGAP2A a donc un effet freinateur sur la longueur et la densité des épines. - La présence de la protéine humaine SRGAP2C diminue significativement la quantité de SRGAP2A : d'environ 50 % dans le corps cellulaire (de 100 à environ 52 %) et d'environ 35 % dans les épines (de 100 à environ 64 %) (Doc 4). - En conséquence, le transfert de *SRGAP2C* chez la souris augmente significativement la longueur des épines (de 0,65 µm à 0,90 µm) et leur densité (de 1,4 à 2,6 épines/µm) (Doc 5b). Cela reproduit le phénotype des mutants KO pour SRGAP2A et rapproche les épines de souris du phénotype humain. Conclusion : Des duplications géniques survenues dans la lignée humaine ont produit *SRGAP2B* puis *SRGAP2C*. Le gène *SRGAP2C* code une protéine qui inhibe la protéine ancestrale SRGAP2A. Cette inhibition lève le frein exercé par SRGAP2A sur le développement des épines dendritiques : les épines sont plus longues et plus denses. Le nombre de connexions synaptiques du cortex humain augmente ainsi fortement, ce qui explique la différence d'organisation par rapport aux autres mammifères.
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