Chapitre VI : Génétique Bactérienne

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1 Chapitre VI : Génétique Bactérienne La biologie moléculaire est née dans les laboratoires de microbiologistes étudiant des virus et des bactéries telles que E.coli. Ce sont des expériences avec des virus et des bactéries qui ont fourni la plus grande partie des preuves montrant que les gènes sont formés d ADN. Ils possèdent des mécanismes génétiques particuliers. Les bactéries sont des organismes procaryotes, plus petits et plus simples que la cellule eucaryote. Quant aux virus, ils sont encore plus petits et rudimentaires. Les virus sont des parasites intracellulaires obligatoires ; ils ne peuvent se multiplier qu à l intérieur d une cellule hôte. Structure des virus Les plus petits ont un diamètre de 20 nm seulement. Leur génome peut être fait d ADN bicaténaire, d ADN monocaténaire, d ARN bicaténaire ou d ARN monocaténaire. La molécule d acide nucléique peut être linéaire ou circulaire. Les plus petits virus n ont que quatre gènes alors que les plus gros en ont plusieurs centaines. La coque de protéines (tète) qui entoure le génome viral est appelée «capside». Selon le type de virus, elle peut avoir différentes formes. D autres structures aussi apparaissent chez certains virus : «la gaine» ; «les fibres». Les capsides les plus complexes sont celles des virus qui infectent les bactéries. Les virus bactériens sont appelés «bactériophages» ou «phages». (Tête) (Gaine) (Fibres) 1

2 Les virus ne possèdent ni les enzymes nécessaires au métabolisme ni les ribosomes et autres structures nécessaires à la production de leurs propres protéines. Ce n est donc qu un ensemble de gènes enveloppés dans des protéines, qui va d une cellule hôte à une autre. Transfert génique et recombinaison génétique chez les bactéries L ADN provenant de deux souches bactériennes ne se regroupe pas dans une cellule unique par le même processus que chez les eucaryotes. Chez les eucaryotes, l ADN de deux individus se retrouve dans un zygote grâce aux mécanismes sexuels (méiose et fécondation). Mais chez les procaryotes, le regroupement de l ADN provenant de deux individus distincts se fait par trois autres mécanismes : La transformation la conjugaison la transduction I - La transformation La transformation est la modification du génotype et du phénotype d une bactérie par l adsorption d un ADN nu et étranger (éxogénote) présent dans le milieu. Elle fut découverte par Griffith. L expérience montre que les bactéries d une souche inoffensive de Streptococcus pneumoniae (souche Rough = R) peuvent être transformées en une souche constituée de bactéries virulentes (souche Smooth = S) causant la pneumonie. La souche R se trouvant dans un milieu contenant des cellules mortes, éclatées de la souche S pathogène, adsorbe l ADN nu de la souche S. ainsi, lorsqu elle adsorbe un morceau d ADN contenant l allèle de pathogénécité qui code pour la capsule protégeant la bactérie contre le système immunitaire de l hôte, une cellule vivante non pathogène se transforme : l allèle étranger s insère dans le chromosome de la bactérie non pathogène à la place de l allèle qui code pour l absence de capsule. Cela se fait par recombinaison génétique (échange de segments d ADN au cours de crossingover). La cellule résultante est recombinée, puisque son chromosome contient de l ADN en provenance de deux cellules distinctes. 2

3 - Expérience de Griffith - - Conditions de transformations - ADN transformant : bicaténaire et certaine taille - Nombreux caractères peuvent être transférés : métabolisme, virulence, résistance - Transformation optimale quand donatrice et réceptrice avec lien de parenté étroit 3

4 - Bactérie réceptrice dans un état particulier : compétence, modification paroi cellulaire, perméable aux grosses molécules Etat de compétence Certaines souches bactériennes, comme celles utilisées par Griffith, sont naturellement compétentes, c'est à dire qu'elles ont la capacité à capturer de l'adn présent dans l'environnement. La compétence naturelle est un état physiologique génétiquement programmé qui n'a été bien identifié que chez quelques espèces bactériennes La bactérie réceptrice doit être dans un état de compétence qui apparaît en fin de phase exponentielle de croissance lorsque le taux de nutriments diminue. Chez les bactéries à Gram positif, l'état de compétence nécessite l'apparition à la surface de la cellule d'un complexe protéique constitué d'une endonucléase, d'une exonucléase, de polypeptides capables de lier l'adn et d'une autolysine. L'autolysine augmente la perméabilité cellulaire et permet au complexe protéique de gagner la surface cellulaire. L'ADN bicaténaire présent dans le milieu extérieur peut alors être capté, il est découpé par l'endonucléase en fragments d'environ 15 Kpb, puis l'exonucléase dégrade l'un des deux brins d'adn alors que le deuxième brin pénètre dans le cytoplasme. L'ADN peut alors être dégradé par les enzymes cellulaires ou, s'il est très proche de l'adn chromosomique, il peut être utilisé par les enzymes de réparation de l'adn pour être recombiné avec le chromosome. La transformation peut alors se traduire par la modification d'un caractère de la bactérie réceptrice. Chez les bactéries à Gram négatif, les mécanismes sont proches, mais il existe deux différences essentielles : - L'état de compétence et la capture de l'adn sont associés à la présence de petites vésicules membranaires, appelées transformasomes, et qui font saillie à l'extérieur de la cellule. L'ADN transformant est capturé par ces vésicules et il est transporté dans l'espace périplasmique. Dans l'espace périplasmique il est dégradé et un unique brin d'adn gagne le cytoplasme avant d'être incorporé au chromosome. - La capture de l'adn exogène nécessite la reconnaissance de séquences spécifiques de 10 à 11 pb. Par exemple, la séquence AAGTGCGGTCA pour Haemophilus influenzae ou la séquence GCCGTCTCAA pour Neisseria gonorrhoeae. 4

5 5

6 II Transduction La transduction est le transfert d ADN bactérien d une bactérie (donatrice) à une (réceptrice) par l intermédiaire d un bactériophage = transducteur, qui est le vecteur de l exogénote. Elle se produit lorsque ces bactériophages incorporent l ADN bactérien dans leur génome, transportant ensuite cet ADN dans la cellule hôte suivante. La Donatrice et la réceptrice sont génétiquement différentes Un phage ne peut se fixer sur une bactérie que si elle possède à sa surface un récepteur spécifique. Apres s être fixé, le phage injecte son acide nucléique (ADN) dans la bactérie ; deux cycles peuvent avoir lieu : - Si le phage est virulent : cycle lytique : un cycle de réplication virale va se dérouler et entrainer la lyse de la bactérie - Si le phage est tempéré : cycle lysogéne : l ADN du phage va s intégrer dans le chromosome bactérien, et se répliquer avec le chromosome, c est la lysogénie a)- Cycle lytique L infection virale commence lorsque le génome du virus parvient à l intérieur d une cellule hôte. Une fois entré, le génome viral la contrôle et la reprogramme de sorte qu elle le recopie. Elle fabrique par la suite ses protéines à lui. La synthèse des acides nucléiques viraux se fait à partir des nucléotides de la cellule hôte et celle des protéines virales, dictée par les gènes du virus, s effectue à l aide des enzymes, des ribosomes, de l ARNt et des acides aminés de l hôte. C est l ADN viral qui sert de matrice. Une fois fabriquées, les molécules d acide nucléique viral s assemblent de façon spontanée formant de nouveaux virus. - Transduction généralisée - 6

7 Le cycle lytique correspond à une transduction généralisée (elle transfère n importe quelle partie du génome bactérien, par erreur) b)- Cycle lysogène C est l Intégration du génome du phage au génome de la bactérie et il est appelé «prophage» 7

8 Le cycle lysogène peut entrainer un cycle lytique lorsque le fragment viral est excisé de façon spontanée. Dans ce cas, lorsque l excision du prophage est parfois erronée, un gène ou un petit nombre de gènes bactériens, proches du site d insertion du prophage, se trouvent associés à l ADN viral. Le génome du phage résultant contient des segments du chromosome bactérien + ADN viral. Ce processus est appelée «transduction spécialisée» - Cycle lytique et cycle lysogène 8

9 III La conjugaison C est le mécanisme le plus fréquent dans la nature. C est un transfert d ADN entre deux bactéries accolées. Le transfert se fait d une bactérie donatrice vers une bactérie réceptrice. Elle a été découverte par Lederberg et Tatum La bactérie donatrice exprime à sa surface des structures permettant l accolement (pili sexuels) Le transfert concerne essentiellement les plasmides. Ce sont des molécules d ADN circulaires, extrachromosomiques, de taille et de nombre variable et se répliquent indépendamment du chromosome. Les plasmides pouvant être transférés d une bactérie à l autre, sont dits «conjugatifs». a- Les bactéries mâles ont un plasmide F Elle nécessite un contact physique entre les bactéries donatrices et réceptrices. Le transfert du matériel génétique au cours de la conjugaison est un processus unidirectionnel allant d un donneur mâle vers un receveur femelle. Le caractère mâle chez les bactéries est définit par la présence d un facteur de fertilité, appelé plasmide F qui est un petit morceau d ADN circulaire, distinct du chromosome principal contenant environ 25 gènes. Les mâles qui possèdent le plasmide sont surnommés F + tandis que les femelles, qui en sont dépourvues, sont dites F -. Lors de la conjugaison, le facteur F se réplique et une copie est transférée à la femelle F - le rendant F + capable de former des poils sexuels «pili F», et transmet le facteur à ses descendants, tandis que le mâle de départ reste F +. Le plasmide F peut se répliquer lui-même, se maintenir dans la population cellulaire comme s il était un deuxième chromosome indépendant du chromosome bactérien normal. Les gènes sur le plasmide F induisent la formation de structures longues et fines appelées pili F (du latin pilus, poil), qui se projettent à la surface de la bactérie mâle et les extrémités s attachent à la surface des cellules femelles 9

10 Donatrice Pili Réceptrice b- Les gènes du chromosome mâle s intègrent dans celui de la femelle Ces mâles sont nommés Hfr (haute fréquence de recombinaison), contrairement aux mâles habituels F +, ne transfèrent généralement pas leur plasmide F à la femelle, seuls certains gènes sont transférés avec une haute fréquence. Dans les souches Hfr, le plasmide F est en fait intégré dans le chromosome bactérien (épisome). La conjugaison s effectue par un évènement de recombinaison de type crossing-over, on obtient alors des bactéries dont le facteur F est devenu partie intégrante du chromosome et se réplique avec celui-ci Le transfert débute au niveau du facteur F et s effectue de telle manière que c est toujours la même portion de chromosome qui pénètre en premier dans la réceptrice. Ce transfert est généralement interrompu avant que le chromosome entier ne soit transmis à la réceptrice ; donc dans le croisement Hfr x F-, la bactérie F- n est que très rarement transformée en Hfr ou en F+ car le chromosome de Hfr se rompt presque toujours avant que le terminus de F ait pénétré dans la cellule F- En résumé : Une cellule femelle F - entre en contact avec un pili F d une cellule mâle soit F + soit Hfr. La cellule mâle F + transfère le plasmide F, transformant la cellule F - en F +. Une cellule mâle Hfr transfère un ADN autre que le plasmide F qui s intègre dans le chromosome F - et devient partie intégrante du génome de la cellule F- (qui reste F-). La cellule receptrice ne devient généralement pas mâle (reste F - ) car le chromosome est rarement transféré dans son intégralité. 10

11 Bactérie F+ Bactérie F- Réplication en cercle roulant Bactérie F+ Bactérie F+ 11

12 TYPES DE CELLULES DONNEUSES Soit le facteur F est indépendant du chromosome bactérien Bactéries F+ Soit le facteur F est intégré dans le chromosome Bactérien Bactérie Hfr L intégration du facteur F est réversible Si le plasmide excisé (excision erronée) contient un gène (ou plus) du chromosome bactérien, il devient le facteur F 12

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