Génétique Bactérienne PDF

Génétique Bactérienne Le génome bactérien Chez les bactéries, le matériel génétique est organisé en : - Un chromosome unique (sauf exceptions), les bactéries étant haploïdes (1N). - Du matériel génétique extra-chromosomique (facultatif) portant des gènes non essentiels mais avantageux pour la ba...

Génétique Bactérienne Le génome bactérien Chez les bactéries, le matériel génétique est organisé en : - Un chromosome unique (sauf exceptions), les bactéries étant haploïdes (1N). - Du matériel génétique extra-chromosomique (facultatif) portant des gènes non essentiels mais avantageux pour la bactérie (plasmides et transposons). ✦ Le chromosome Le chromosome bactérien code pour tous les éléments indispensables (protéines essentielles, structure, réplication…). Il porte donc tous les gènes « d’entretien » ou « house-keeping genes ». ✦ Les éléments extra-chromosomiques Les plasmides sont des éléments génétiques extra-chromosomiques à réplication autonome. Contrairement au chromosome, ils ne portent pas de gènes essentiels à la survie de la bactérie car ils se perdent facilement. Ils codent pour des fonctions additionnelles qui confèrent un avantage à la bactérie (ex: résistance aux antibiotiques, facteurs de virulence…). Les transposons (gènes sauteurs) sont des molécules d’ADN mobiles capables de sauter d’une structure génétique à une autre. Ces éléments se transmettent par: - Transfert vertical pendant la multiplication cellulaire (scissiparité) lorsqu’il s’agit de la même espèce (de la cellule mère à la cellule). - Transfert horizontal entre bactéries de mêmes espèces ou d’espèces différentes. Ce type de transfert permet la transmission des gènes à grande échelle. Les mutations Les mutations sont des altérations brusques du matériel génétique. Elles correspondent à des erreurs ayant lieu lors de la réplication. Lorsqu’elles sont naturelles, les mutations sont: Aléatoires. Stables (transmissibles aux générations suivantes). Spontanées. NB : Les mutations peuvent également être induites expérimentalement par des agents physiques (UV, rayonnements radioactifs…) ou chimiques (fumée de cigarette, acide nalidixique…). - Indépendantes (la probabilité pour que deux mutations aient lieu simultanément est le produit des probabilités individuelles de ces deux mutations) - Rares : surviennent à une fréquence de 10-6 à 10-8 chez les bactéries (pour un gène donné). Cette fréquence est appelée taux de mutation et est plus élevé chez les bactéries que chez les eucaryotes. Remarque: Compte tenu du fait que les temps de génération bactériens sont courts (un grand nombre de bactéries voit le jour en très peu de temps), les mutations sont observables à l’échelle humaine. Par conséquent, les bactéries servent de modèle expérimental de l’évolution et de l’adaptation des espèces. Les mutations peuvent être délétères (mort de l’individu ou incapacité à survivre) ou avantageuses (adaptation à de nouvelles conditions). Les mutations avantageuses (permettant l’adaptation) sont sélectionnées par les conditions extérieures tandis que les mutants lésés sont voués à disparaître. Ce phénomène est appelé la sélection naturelle. Conclusion: Les mutations aléatoires spontanées sont peu nombreuses et ont lieu à un taux constant. Pourtant, elles font partie des principaux mécanismes permettant aux bactéries l’acquisition de nouveaux caractères et donc leur adaptation à de nouvelles conditions. Cependant, l’évolution des bactéries est fortement accélérée par leur capacité à acquérir des gènes complets obtenus d’autres individus. Les transferts génétiques Les transferts horizontaux correspondent à des acquisitions d’ADN étranger par une bactérie receveuse. Ces phénomènes aboutissent à une recombinaison génétique. Tandis que chez les eucaryotes le matériel génétique provient de deux sources différentes (la reproduction étant sexuée) donnant lieu à de nombreuses possibilités de recombinaison génétique, chez les bactéries les gènes sont transférés entre organismes matures et indépendants. Ce type de recombinaison génétique a lieu à une fréquence de 10 -4 et survient donc plus souvent qu’une mutation. Un transfert génétique se résume à: un fragment d’ADN donneur =exogénote qui entre dans une cellule receveuse (ou réceptrice) pour devenir une partie stable de son génome= endogénote. Contrairement au transfert vertical (d’une cellule mère aux cellules filles) qui se fait au sein de la même espèce, les transferts horizontaux peuvent se faire entre bactéries phylogénétiquement éloignées (ou pas) qui partagent la même niche écologique. ✦ La transformation La transformation résulte de l’incorporation d’ADN nu du milieu extérieur de manière héréditairement stable. Lorsque les bactéries se lysent, elles libèrent une importante quantité d’ADN dans le milieu extérieur sous forme de fragments de tailles variées. Si un fragment entre en contact avec une cellule bactérienne vivante, il peut s’y fixer et pénétrer. Ce processus est aléatoire (n’importe quelle portion d’ADN peut être transférée) et survient à une fréquence de 10-3. Remarque: La bactérie receveuse incorporera 1 ou quelques gènes. a. Notion de compétence Pour que l’ADN étranger puisse pénétrer dans la cellule, cette dernière doit se trouver dans un état particulier dit de compétence, c’est-à-dire, être capable de synthétiser des protéines spécifiques permettant l’intégration et l’attachement. Certaines espèces (ex: Streptococcus pneumoniae) sont naturellement compétentes (toujours ou à certains stades de leurs croissances) tandis que d’autres peuvent le devenir expérimentalement (E. coli). b. Mécanisme 1. Une cellule compétente se lie à une molécule d’ADN double brin 2. La nucléase hydrolyse un des deux brins, donnant naissance à un ADN monocaténaire. 3. Les protéines de compétence fixent le brin 4. L’ADN monobrin pénètre dans la cellule Après pénétration de l’ADN dans la cellule receveuse, il existe deux devenirs possibles :  S’il y a présence de région homologue sur l’endogénote alors il y a recombinaison, la bactérie acquiert un nouveau caractère cette transformation est dite transformation stable. S’il n’y a pas de région d’homologie alors la transformation est avortée, la bactérie receveuse n’est pas transformée. Remarque: Si l’ADN extérieur est un plasmide, le mécanisme est nommé transfection. Dans ce cas, l’ADN reste extra-chromosomique et se réplique de manière autonome. La transfection est toujours stable. ✦ La transduction La transduction est le transfert de gènes bactériens par le bais de bactériophages. Elle survient dans la nature à une fréquence de 10-6. Les bactériophages sont des particules de structure simple composées d’ADN (mono ou bicaténaire) ou d’ARN et d’une capside protéique, capables d’infecter les bactéries. Il existe une spécificité entre les bactéries hôtes et les phages qui les infectent. En effet, pour qu’il puisse pénétrer dans la cellule hôte, le phage reconnaît des récepteurs spécifiques présents uniquement sur la paroi des bactéries cibles. En fonction du type de relation phage/bactérie, on distingue deux types de phages : Les phages virulents qui induisent un cycle lytique (mort de la bactérie). Les phages tempérés qui induisent un cycle lysogénique. a. Infections par les bactériophages : Cycle lytique On parle de cycle lytique lorsque le phage prend le contrôle de la cellule hôte et l’oblige à produire de nombreuses copies virales. Ce cycle reproductif s’achève par la lyse de la bactérie. Mécanisme: - Adsorption: la rencontre entre le phage et la bactérie est aléatoire. L’adsorption du phage dépend de la spécificité des protéines de la capside par rapport aux sites récepteurs présents sur la paroi bactérienne. - Injection: pénétration du matériel génétique. - Assemblage des virions: synthèse des constituants phagiques, encapsidation et maturation. NB: Cette étape induit l’arrêt de la réplication et de la transcription bactérienne (détournement de la machinerie cellulaire). - Lyse de la bactérie et relargage des particules virales. Cycle lysogénique Certains phages (tempérés) ne lysent pas la cellule bactérienne hôte. Après adsorption et injection, l’ADN phagique ne prend pas le contrôle de l’hôte et ne le détruit pas. Le génome viral reste dans la cellule hôte et s’intègre dans le génome bactérien. Il est alors appelé « prophage ». Toutefois, il faut noter que dans des conditions environnementales appropriées, le prophage peut s’exciser et prendre le contrôle de la cellule hôte en se multipliant à ses dépens. La multiplication du phage peut être déclenchée par les radiations U.V ou d’autres conditions défavorables. Ce phénomène est appelé « induction ». Remarque: Dans certains cas, les gènes du prophage s’expriment, conférant à la bactérie de nouvelles propriétés. On parle alors de « conversion lysogénique » ou de « conversion phagique » (Cf. Cours Partie 2 : Infectiologie, toxines). b. Mécanisme : La transduction généralisée Durant l’étape d’assemblage, quand l’ADN phagique est empaqueté dans les capsides, des fragments d’ADN bactérien sont empaquetés par erreur. NB: La capside ne pouvant contenir qu’une quantité limitée d’ADN, seuls quelques gènes bactériens seront encapsidés par erreur. La particule résultante injecte son ADN dans une autre cellule bactérienne sans initier de cycle lytique. Comme au cours de la transformation, le transfert est stable lorsque l’ADN est intégré dans le chromosome de la bactérie receveuse. Cette intégration dépend de la présence de zones d’homologies dans l’endogènote. Il arrive que l’ADN ne soit pas intégré mais qu’il survive et s’exprime. Les cellules contenant cet ADN survivant sont qualifiées de transduits abortifs. Lorsque l’ADN ne s’intègre pas et ne survit pas, le transfert est non réussi. La transduction spécialisée La transduction spécialisée se fait par le biais de bactériophages tempérés ayant établi un cycle lysogénique au sein de la bactérie hôte (donneuse). Elle est la conséquence d’une erreur d’excision du prophage (lors de l’induction d’un cycle lytique) qui emporte avec lui de l’ADN bactérien. La particule transductrice résultante va infecter un nouvel hôte (bactérie receveuse) et lui injecter de l’ADN phagique et de l’ADN bactérien. Compte tenu de la spécificité phage/bactérie et de la constance du site d’intégration du prophage, pour un phage donné, la même portion d’ADN bactérien sera transférée. ✦ La conjugaison La conjugaison est un mécanisme sexuel de transfert de gènes, caractérisé par: - La nécessité d’un contact entre les bactéries - La notion de polarité: le transfert a lieu de la bactérie donneuse (assimilée au mâle) vers la bactérie receveuse (assimilée à la femelle). - Le caractère de fertilité responsable du transfert ou facteur F, régit par l’opéron « tra » qui code pour les gènes nécessaires à l’attachement cellulaire et au transfert (une vingtaine de gènes). Le facteur F peut être extra-chromosomique, porté par les plasmides conjugatifs (F+) ou être intégré au chromosome sous forme d’épisome (Hfr). La conjugaison se fait en 4 étapes principales: - Contact cellulaire (par le biais du pilus sexuel, codé par l’opéron « tra ») - Mobilisation de l’ADN (préparation) - Transfert d’un brin unique d’ADN - Reconstitution du brin manquant à la fois dans la cellule donneuse et dans la cellule receveuse: le transfert est conservatif.  a. La conjugaison plasmidique (F+ x F-) Lorsqu’elle met en jeu le plasmide, la conjugaison peut se faire entre bactéries d’espèces, de genres ou de familles différents. Elle a lieu à une fréquence d’environ 10-3. La conjugaison entre une bactérie F+ et une bactérie F- (ne possédant pas F) se caractérise par une haute fréquence de transfert de F: la bactérie F- devient F+ et la bactérie F+ reste F+ : Donc : F+ x F- = 2F+ b. La conjugaison chromosomique (Transfert Hfr x F-) Quand le plasmide F est intégré de façon stable dans le chromosome bactérien, la bactérie est appelée Hfr: haute fréquence de recombinaison. Ce type de transfert a lieu à une fréquence de 10-2. La conjugaison entre une bactérie Hfr et une bactérie F- se caractérise par: - Une faible fréquence de transfert du caractère sexuel. Le transfert commence par un site dans le plasmide « ori T », juxtant l’opéron « tra ». Le transfert se faisant dans le sens opposé, le facteur F ne peut se reconstituer qu'après le passage de tout le chromosome bactérien (environ 100 minutes). Dans la nature, la conjugaison est interrompue avant le transfert complet. - Une haute fréquence de transfert des gènes chromosomiques, qui peuvent se recombiner avec les gènes de la bactérie réceptrice pour lui donner un nouveau phénotype (Haute fréquence de recombinaison). Les éléments génétiques mobiles ✦ Les plasmides ⮚ Définition Les plasmides sont des molécules d’ADN circulaires autoréplicables (réplicons) qui peuvent être présents de façon stable sous forme extra-chromosomique à l’intérieur d’une cellule. Le même plasmide peut exister en plusieurs copies dans la cellule et des plasmides différents peuvent être présents (selon compatibilité). Les plasmides peuvent être éliminés spontanément (conditions défavorables) ou par induction (curage). Ce sont des éléments facultatifs qui codent pour des gènes non essentiels à la survie de la bactérie mais lui apportant un avantage sélectif (caractères métaboliques supplémentaires, virulence, compétition, résistance aux antibiotiques ou aux agents chimiques…). ⮚ Informations a. Facteur F (fertilité) Les plasmides qui possèdent le facteur F sont dits conjugatifs: transmissibles à d’autres bactéries (y compris les bactéries phylogénetiquement éloignées) par le biais de la conjugaison (transfert horizontal). Les plasmides F (conjugatifs) possèdent, au minimum, une origine de réplication et l’opéron « tra », contenant tous les gènes nécessaires au transfert (notamment ceux responsables de la synthèse du pili). Certains plasmides conjugatifs sont des épisomes (cellules Hfr). b. Production de substances à rôle pathogène (facteurs de virulence) Plasmides de virulence Exemple: Chez E. coli, il existe des groupes de souches (pathovars) responsables de diarrhées. Le pouvoir pathogène de ces souches est conditionné par l’existence de plasmides portant des gènes codant pour des entérotoxines et des adhèsines (facteur de colonisation des entérocytes). c. Production de bactériocines Les bactériocines sont des peptides sécrétés dans l’environnement naturel de la bactérie (dans un but de compétition) capable d’inhiber la croissance ou de provoquer la mort (antagonisme) des bactéries apparentées (possédant un récepteur spécifique). Exemples: colicines (E. coli), pyocines (Pseudomonas aeruginosa), vibriocines (Vibrio cholerae). d. Résistance aux antibiotiques et aux métaux lourds 90% des souches bactériennes résistantes aux antibiotiques le sont par le biais de gènes plasmidiques. Les 10% restants sont résistantes par le biais de déterminants chromosomiques. Les gènes de résistance aux métaux lourds sont également souvent portés par les plasmides (co-résistance antibiotiques et métaux). La majeure partie des plasmides R sont conjugatifs (phénomène de multi-résistance aux antibiotiques). e. Caractères métaboliques Les plasmides peuvent également coder pour des caractères métaboliques additionnels. Exemples: Production de H2S, utilisation du citrate de sodium, dégradation du lactose… chez les Entérobactéries. ⮚ Incompatibilité des plasmides Deux plasmides apparentés ne peuvent pas coexister de façon stable dans la même cellule car l’origine de réplication de l’un ne se distingue pas de celle de l’autre. Lors de la division cellulaire, chacun des deux ⮚ Curage des plasmides Le curage correspond à la perte provoquée d’un plasmide par l’inhibition de la réplication de ce dernier (sans que celle du chromosome ne soit affectée). Cette élimination provoquée (in vitro) se fait par le biais d’agents chimiques capables d’inhiber la réplication plasmidiques= agents curants (exemples: Acridine Orange, Acide nalidixique, SDS…). Au bout d’un certain nombre de divisions cellulaires, le plasmide tend à disparaitre par dilution. Le curage des plasmides sert principalement à déterminer le support génétique d’un caractère donné. La disparition du caractère étudié après curage révèle une origine plasmidique tandis que son maintien suggère une origine probablement chromosomique. ✦ Les éléments transposables L’ADN extra-chromosomique (porté par les plasmides et les prophages) contient des informations normalement non indispensables à la survie de la bactérie mais qui peuvent le devenir dans certaines conditions (pressions de sélection cf. TD Chapitre 2). Ces informations peuvent circuler entre les bactéries par le biais des transferts génétiques horizontaux. Cependant, la nécessité de zones d’homologies et le fait que les plasmides puissent se perdre facilement ralentissent l’évolution des bactéries. Remarquablement, pour éviter que des gènes importants se perdent, l’évolution a permis aux bactéries de mettre au point un système de transfert génétique inter et intra-bactérien permettant la sauvegarde de ces caractères.  Les éléments transposables sont des entités d’ADN qui peuvent s’insérer dans n’importe quelle molécule d’ADN receveuse à partir d’une molécule d’ADN donneuse = gènes sauteurs. Ils ne contiennent pas d’origine de réplication et dépendent donc toujours de la molécule d’ADN à laquelle ils sont rattachés. Ne nécessitant pas de zones d’homologies pour leur intégration, ils jouent un rôle primordial dans l’évolution bactérienne, en particulier lorsqu’ils sont associés à des vecteurs tels que les plasmides conjugatifs ou les bactériophages. Il existe trois types d’éléments transposables : Les transposons bactériophages : Certains bactériophages sont organisés en transposons, ce qui leur permet de s’intégrer au génome de l’hôte (sans région homologue). Les séquences d’insertion (IS) : Ce sont de petits éléments transposables (700 pb à 5 kb) ne contenant que les gènes responsables de leur transposition (notamment celui de la transposase, enzyme responsable de la transposition) flanqués de part et d’autre de séquences inversées et répétées correspondant à des sites spécifiques de recombinaison. Les IS sont mutagènes car elles altèrent la fonction du gène dans lequel elles s’insèrent et peuvent perturber la régulation des gènes adjacents. Les Transposons : Beaucoup plus volumineux que les IS, ils portent des déterminants autres que ceux nécessaires à leur transposition. Ils peuvent se déplacer au sein de la même molécule d’ADN (d’un loci à un autre) et vers d’autres molécules. La transposition de ces éléments peut être conservatrice (la séquence d’ADN est transférée d’un site donneur à un site receveur) ou réplicative (une copie de la séquence est transférée conduisant à une augmentation du nombre de copies de l’élément transposable). Selon leur structure, on distingue deux types de transposons : ⮚ Les transposons composites constitués simplement d’un gène situé entre deux IS identiques orientées dans le même sens ou dans des sens opposés (exemple : Tn 10). ⮚ Les transposons simples (non composites) également constitués de gènes bactériens mais flanqués de séquences répétées qui ne contiennent pas les gènes nécessaires à leur transposition (contrairement aux IS). Ce type de transposon porte donc en plus des gènes bactériens transmissibles, les gènes codant pour leur propre transposition (exemple : Tn3). ✦ Les intégrons Les intégrons sont des systèmes de capture et d’expression de gènes, caractérisés par la présence de séquences d’ADN particulières correspondant à des sites de recombinaison spécifiques. Ces structures permettent l’insertion d’éléments mobiles appelés gènes cassettes qui peuvent s’accumuler et former des séries. Ainsi, lorsqu’un intégron est acquis par une bactérie, plusieurs nouvelles caractéristiques sont acquises simultanément (transfert en bloc). Incapables de réplication autonome, les intégrons sont obligatoirement portés par un réplicon (plasmide ou chromosome). Ils sont constitués d’un gène intl (codant pour une intégrase), d’un site attl (site d’intégration des gènes cassettes) et d’un gène promoteur responsable de l’expression des gènes cassettes. Une cassette est constituée d’un gène jouxtant un site de recombinaison attC (long de 57 à 141 pdb) reconnu par l’intégrase de l’intégron. Les cassettes intégrées sous forme linéaire peuvent être excisées sous forme libre circulaire. Les gènes cassettes, dépourvus de promoteurs, sont transcrits sous la dépendance d’une région promotrice située dans une région conservée à l’extrémité 5’ de la structure. La transcription des cassettes dépend de la position de ces dernières par rapport à celle de la région promotrice : plus les gènes sont éloignés de celle-ci moins ils s’expriment. Néanmoins, il a récemment été démontré que des pressions de sélections exercées par la présence d’antibiotiques pouvaient induire un réarrangement des gènes cassettes afin de favoriser l’expression des gènes de résistance adéquats. Remarque : Certains intégrons sont hébergés au sein de transposons, eux-mêmes souvent portés par des plasmides conjugatifs.