Structure et Organisation du Matériel Génétique PDF

Cours Génétique microbienne Chapitre1. Structure et organisation du matériel génétique. 1. Introduction : Le génome bactérien est composé d’un chromosome unique qui est le site de stockage et de réplication de l’information génétique nécessaire à l’ensemble des fonctions de l...

Cours Génétique microbienne Chapitre1. Structure et organisation du matériel génétique. 1. Introduction : Le génome bactérien est composé d’un chromosome unique qui est le site de stockage et de réplication de l’information génétique nécessaire à l’ensemble des fonctions de la croissance bactérienne. Parallèlement, les bactéries possèdent des plasmides qui sont des structures d’ADN extra-chromosomiques et autonomes, porteurs de gènes codant pour des fonctions additionnelles bénéfiques mais non vitales. Différents aspects importants caractérisent le génome bactérien. En effet, le chromosome est de taille relativement très réduite, par rapport aux chromosomes eucaryotes qui sont spécifiquement liés aux histones, protéines de stabilisation de l’ADN qui n’existent pas chez les procaryotes. Il est haploïde et ne possède donc pas de copie fonctionnelle. En outre, et contrairement aux cellules eucaryotes qui possèdent dans leur génome de nombreuses séquences redondantes d’ADN, le chromosome bactérien est dans sa presque totalité utilisé pour le codage ou la régulation. Quant aux plasmides, leur présence et leur mobilité confèrent aux bactéries une spécificité remarquable dans les échanges génétiques, inexistantes chez les organismes supérieurs. 2. Le chromosome bactérien: Dans la cellule procaryote l’appareil nucléaire n’est pas entouré d’une enveloppe contrairement au noyau de la cellule eucaryote. L'ADN chromosomique est constitué d'une double hélice d'ADN circulaire. Les bactéries du genre Borrelia ont la particularité d'avoir un génome linéaire et segmenté, ce qui est exceptionnel chez les procaryotes. D’après les observations réalisées essentiellement chez Escherichia coli et autres bactéries voisines, il était admis l’existence d’un seul chromosome par appareil nucléaire. En fait, les observations récentes chez d’autres souches montrent une diversité plus importante et l’existence toutefois de rares exception par exemple, la présence de deux chromosomes de tailles différentes chez Brucella melitensis, Vibrio cholerae et Rhodobacter sphaeroides. La taille du génome peut être très variable selon les espèces de bactéries étudiées. Le génome de la souche d’Escherichia coli séquencé en 1997 est constitué de 4,6 Mb, il code 4200 protéines. Le génome d’une autre souche d’E. Coli séquencé en 2001 comprend 5,5 Mb codant 5400 protéines. Certaines bactéries présentent un tout petit génome, comme la bactérie parasite Mycoplasma genitalium avec un génome de 580 000 pb. La molécule d’ADN d’E. Coli est donc de très grande taille: elle atteint lorsqu’elle est déroulée, 1360μm, soit 1.3 mm. Elle est donc associée à de petites protéines basiques analogues aux histones des eucaryotes. Dans les micrographies électroniques des cellules bactériennes, on voit l’ADN arrangé en une masse dense appelée un nucléoide. Lorsque les cellules sont cassées, l’empaquetage de ce nucléoide est perdu et l’ADN s’échappe en un écheveau désorganisé (Fig.1). Figure 1. Micrographie électronique du génome de la bactérie E. coli libéré de la cellule par un choc osmotique. (Dr. Gopal Murti/Science photo Library /photos Researchers). Dr. Aliliche K 2024/2025 L3 Microbiologie  Cours Génétique microbienne Chapitre1. Structure et organisation du matériel génétique. La possibilité d’empaqueter ce génome dans un espace cellulaire aussi réduit est due à deux facteurs ; le surenroulement de l’ADN et la présence de protéines liées à l’ADN. 2.1. Surenroulement de l’ADN : L’ADN isolé sous forme native présente une structure circulaire torsadée appelée super-hélice ou superenroulée. Elle se distingue de l’autre forme dite relaxée par une structure plus compacte (Figure 2). Des enzymes présentes dans la cellule, les topo-isomérases, sont capables de convertir une forme en l’autre. La topo-isomérase II, appelée aussi gyrase, permet le passage de la forme superenroulée à la forme relaxée. La topo-isomérase I réalise le passage inverse. 2.2. Protéines liées à l’ADN : Les domaines de l’ADN sont retenus davantage par une interaction avec des protéines liées à l’ADN. Les plus répondues sont les HU ; petites protéines qui se lient à l’ADN de façon non spécifique par le bobinage de l’ADN autour de la protéine. La H-NS ; elle se fixe également de façon non spécifique sur le squelette, mais qui semble favorisée les régions reliées de l’ADN. Ces protéines sont dites « analogues aux histones », elles agissent pour compacter l’ADN et permettent ainsi de le contenir au niveau du nucléoide. Elles ont également un effet sur la stabilité du surenroulement de l’ADN. Figure 2. Les trois formes de l’ADN. a : forme native : double hélice circulaire superenroulée. b : forme partiellement dénaturée : double hélice circulaire relaxée. c : forme dénaturée : double hélice linéaire. 3. les plasmides : A côté du chromosome, support de l'hérédité, les bactéries contiennent également souvent un ou plusieurs plasmides qui sont des molécules d’ADN extra-chromosomique de petite taille (0,5 à 5 % du chromosome bactérien). Les cellules bactériennes isolées dans la nature contiennent souvent ces petits éléments d’ADN qui ne sont pas essentiels au fonctionnement élémentaire de la cellule. Ces plasmides bactériens contiennent souvent des gènes extremement utiles à l’hote bactérien. Certains conferent une résistance à un antibiotique ou encore produisent des toxines par exemple. Ils se répliquent indépendamment et en général plus rapidement que le chromosome bactérien. Chaque plasmide contient au moins une séquence d'ADN qui sert d'origine de réplication, ou ori. On les détecte lorsque les gènes qu'ils transportent confèrent à la bactérie de nouvelles propriétés. Dr. Aliliche K 2024/2025 L3 Microbiologie Cours Génétique microbienne Chapitre1. Structure et organisation du matériel génétique. Une cellule bactérienne peut en contenir une copie, pour les grands plasmides, ou généralement 5 à 30 copies (Figure 3). Plusieurs plasmides différents peuvent coexister dans une même cellule sous condition de leur compatibilité mutuelle. Certains plasmides sont capables de s'intégrer aux chromosomes; ils sont appelés des épisomes. Les plasmides peuvent se transmettre d'une bactérie mère à une bactérie fille grâce à la conjugaison bactérienne par l'intermédiaire de pili sexuels. Lors de la division cellulaire, les plasmides se répartissent de façon totalement aléatoire (contrairement aux chromosomes) ainsi, même si la probabilité reste faible, il se peut qu'une des deux cellules filles ne possède aucun plasmide. La probabilité augmente avec la diminution du nombre de plasmides présents dans la cellule mère. Figure 3. Micrographie électronique des plasmides d’E. Coli (Dr. Gopal Murti/Science photo Library /photos Researchers). Les plus connus de ces plasmides sont les suivants : 3.1. Les plasmides conjugatifs : Ceux sont les premiers plasmides qui ont été découverts chez la bactérie Escherichia coli dans les années 1950. Ils sont en faible nombre dans la cellule, 1 à 3 copies. On les appelle aussi facteurs de fertilité ou plasmides F. Ces plasmides confèrent à la bactérie hôte la capacité de synthèse de pili dit sexuels. Par l'intermédiaire de ces pili, la bactérie porteuse (donneuse) peut transférer une copie du plasmide F par processus de conjugaison bactérienne. Sa taille est supérieure à 30 kb, chez E. coli il est de 90 kb dont 30 à 50 nécessaires au transfert conjugatif. L’ensemble des gènes nécessaires au transfert sont organisés en opéron appelé tra ; ces gènes codent pour les pili sexuels et les protéines nécessaires à la conjugaison. De même que les F possèdent au minimum une origine de réplication. Certains plasmides F sont des épisomes, c'est-à-dire qu'ils peuvent s'intégrer dans le génome chromosomique. 3.2. Les plasmides de résistance : appelés aussi plasmides ou facteurs R, codent des résistances aux antibiotiques et aux métaux lourds. En 1959, au Japon, on a retrouvé chez les malades atteints de dysenterie bactérienne une insensibilité à tout traitement antibiotique. En fait, la bactérie responsable, Shigella dysentariae, portait des gènes de résistance à plusieurs antibiotiques encore jamais rencontrés. Par la suite, on en a retrouvé chez d'autres bactéries (comme E. coli) et on a appelé ces plasmides R. Ces plasmides peuvent protéger la cellule par différents moyens : La synthèse d'une protéine de résistance à la substance toxique : elle va neutraliser (en la dénaturant, hydrolysant, etc.) l'activité toxique de la substance. Les plasmides peuvent aussi modifier les propriétés d'enveloppe de la cellule et la rendre imperméable à la substance toxique (comme c'est le cas pour les métaux lourds). Dr. Aliliche K 2024/2025 L3 Microbiologie Cours Génétique microbienne Chapitre1. Structure et organisation du matériel génétique. 3.3. Les plasmides métaboliques : Les plasmides métaboliques portent des gènes permettant l'utilisation de certains nutriments. Chez E. coli, les gènes portés par ces plasmides sont par exemple : l'utilisation du citrate comme source de carbone, la production de soufre, l'hydrolyse de l'urée. Chez les salmonelles on a observé la dégradation du lactose ce qui est totalement inhabituel chez ce genre bactérien. La plupart de ces plasmides codent la synthèse d'une ou de plusieurs enzymes. 3.4. Les plasmides de virulence : Les plasmides de virulence portent des gènes codant des facteurs de virulence, ayant un rôle dans le pouvoir pathogène des bactéries. Par exemple les Escherichia coli entérotoxigéniques (ETEC) responsable de la diarrhée du voyageur (ou tourista) hébergent au moins deux plasmides, l'un portant les gènes codant un facteur de colonisation, l'autre codant des toxines. De même, les déterminants du pouvoir invasif des Shigella sont portés par un plasmide (pInv). Chez d'autres bactéries pathogènes (par exemple Salmonella), ces plasmides codent un complexe protéique situé sur la paroi de la bactérie : c'est le complexe pili-adhésine qui permet à la bactérie d'adhérer sur des récepteurs hydrocarbonés situés à la surface de certaines cellules eucaryotes notamment les anthérocytes. De même que les bactéries pathogènes hébergent très souvent des plasmides conjugatifs qui participent à la pathogénicité. 3.5. Les plasmides de bactériocines : Ces plasmides codent la synthèse d'une protéine extracellulaire dont la biosynthèse est létale pour la bactérie productrice ainsi que pour les autres bactéries non-productrices environnantes. Cependant, ces plasmides codent aussi une deuxième protéine intracellulaire de résistance à cette première toxine. Les bactériocines agissent sur des fonctions vitales de la bactérie. Chez E. coli, on trouvera différentes catégories de bactériocines (colicines codées par les plasmides col) et par exemple le gène colE2 code une endonucléase et le gène colE3, une ribonucléase qui inactive les ribosomes. Chez les bactéries lactiques : bactériocine Nisin A inhibant la croissance d’autres bactéries. Applications en agro-alimentaire: - Eliminer les bactéries pathogènes telles que listeria monocythogenes. - Utilisé comme conservateur. 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