Transfert de gènes chez les procaryotes

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1 9 janvier 2010 RT : Marie Beaufrère Pr. Claire Poyard RL : Pierre-Henri Jacquin Transfert de gènes chez les procaryotes I/ Transduction II/ Transformation III/ Conjugaison IV/ Plasmides V/ Systèmes de capture des gènes (transposons, intégrons) Transfert de gènes de résistance entre des bactéries phylogénétiquement éloignées Gram positif apha-3 sat4 tet(o) C. coli M. tuberculosis S. griseus A. haemolyticum M. hominis C. perfringens L. monocytogenes B. subtilis S. aureus E. faecalis aada S. agalactiae apha-3, ermb sat4 tet(m), tet(o) H. pylori B. fragilis P. aeruginosa A. calcoaceticus V. cholerae Y. pestis Gram-negatif tet(m) S. maltophilia E. corrodens K. kingae N. gonorrhoeae A. eutrophus E. coli H. influenzae A. actinomycetemcomitans K. pneumoniae S. enterica ermb aada tet(m) ermb On a observé des transferts dans le cadre de gènes de résistance. Les transferts peuvent avoir lieu entre espèces bactériennes phylogénétiquement éloignées (gram +, gram -), mais les gènes de résistance ont pour origine les gram + (en particulier les entérocoques). Les évolutions sont dues à : - une modification quantitative du génome bactérien, - modification qualitative du génome bactérien, - et des modifications quantitative et qualitative du génome bactérien. On observe une expression hétérologue, car les promoteurs et les sites de fixation du ribosome des bactéries Gram+ à bas GC % sont généralement actifs et fonctionnels chez les bactéries Gram -, alors que l inverse est rarement vrai.

2 I/ Transduction Vecteur : phage (virus des bactéries) Spectre d hôte : intra espèce Efficacité : importante Distribution : ubiquitaire (il existe des phages pour la quasi-totalité des bactéries) La transduction, c est le transfert d'adn bactérien d'une bactérie à une autre par l'intermédiaire d'un bactériophage. Il existe deux types de transductions : la transduction généralisée et la transduction spécialisée. A/ La transduction généralisée Le transfert concerne n'importe quelle partie du génome bactérien. Lors de la réplication virale, il y a fragmentation du génome bactérien (par des nucléases virales ou non spécifiques). Dans 1%, de l ADN bactérien est aussi encapsidé. Les particules transductrices infectieuses sont donc capables d'injecter l'adn bactérien dans une autre cellule. On a un remplacement d ADN dans la bactérie hôte s il n y a pas de lyse et suffisamment d homologie (séquences homologues) pour permettre un remplacement allélique. B/ La conversion lysogénique C est l acquisition par une bactérie d un caractère somatique particulier déterminé par le génome d un phage spécifique. Son expression dans toutes les bactéries est lié à l état lysogène et disparaît avec la perte de celui-ci. Exemples : Toxine du bacille diphtérique, toxine érythrogène du streptocoque du groupe A, certaines cytotoxines chez E. coli ECEP, certains facteurs antigéniques de Salmonella La transduction est limitée à des espèces proches mais c est un processus extrêmement efficace. 1/3 de la population bactérienne est sujette à une attaque virale. La résistance antibiotique est médiée par les phages : Résistance à la méthicilline chez Staphylococcus spp. Résistance à l érythromycine chez S. epidermidis, Multirésistance chez E. coli; géne de porine mutée. II/ La transformation Vecteur : ADN (simple brin en général) Spectre d hôte : intra ou inter espèces proches Efficacité : importante Distribution : restreinte La transformation, c est la pénétration dans une cellule bactérienne d'adn nu. Cela nécessite que la bactérie soit naturellement transformable, on définit pour cela un état de compétence (quand la bactérie est capable de recevoir de l'adn exogène). Les principales étapes de la transformation : L'ADN exogène est bicaténaire. La 1ère étape : Fixation covalente de l ADN exogène à un complexe protéique membranaire : le "Transformasome".

3 La transformation et l intégration d ADN peut être régulée par la bactérie grâce à la régulation du transformasome, par l intermédiaire d une phéromone. 2ème étape : Fragmentation de l'adn par des nucléases (clivage en ADN simple brin ou double brin selon les espèces) 3ème étape : Pénétration de l'adn simple brin dans la bactérie (en 5 ou 3 ) 4ème étape : Devenir de l'adn simple brin transformant dans la bactérie. A/ La transformation naturelle C est un processus de transformation durable qui nécessité de larges homologies entre l'adn exogène et endogène. En général, l'adn provient de la même espèce bactérienne ou d'une espèce bactérienne proche. La transformation correspond à un remplacement allélique : intégration par recombinaison homologue. Elle explique des variations antigéniques et des résistances (ex : résistance aux pénicillines et sulfamides chez les Neisseria, résistance aux pénicillines chez le pneumocoque) On parle de gènes mosaïques lorsque qu il y a acquisition de plusieurs gènes par pression de sélection. B/ Transformation artificielle (importance en biotechnologies) C est rendre les bactéries compétentes (aptes à recevoir de l'adn). Pour cela, on provoque une électroporation, on traite la bactérie à froid par des solutions de chlorure de calcium, l'adn rentre sous forme double brin. C est efficace si l'adn est capable de réplication autonome (réplicon). III/ La conjugaison Vecteur : plasmide Spectre d hôte : inter-espèce Efficacité : variable Distribution : ubiquitaire La conjugaison, c est un processus spécialisé qui implique un transfert unidirectionnel d ADN d une cellule donatrice à une cellule réceptrice, par un mécanisme requérant un contact spécifique. Il existe deux classes de véhicules : les plasmides et les transposons. IV/ Les plasmides Ce sont des molécules d'adn circulaire, extrachromosomiques, de réplication autonome et transmis de façon stable au cours des divisions cellulaires. Ils ne sont pas indispensables à la bactérie-hôte mais lui confèrent une grande souplesse génétique. Taille variable entre 2 à 400 kb. Les gènes peuvent être regroupés en unité fonctionnelle et sont impliqués dans la réplication. Un plasmide est un réplicon, il possède donc un système de réplication autonome, lui permettant de se maintenir à un taux constant dans les cellules au cours des divisions successives.

4 orir rep Plasmide orir : origine de réplication, rep : gènes de réplication A l origine du phénomène d incompatibilité : on ne peut pas avoir deux plasmides proches génétiquement dans une même bactérie. Les plasmides confèrent la résistance aux antibiotiques et véhiculent aussi des gènes de virulence. Ils sont le support génétique le plus fréquent pour la résistance aux antibiotiques. Les plasmides sont retrouvés chez toutes les espèces bactériennes recherchées, à l exception du pneumocoque. Il existe des plasmides résistants pour la quasi-totalité des antibiotiques : le mélange de souches E. Coli et Shigella, permet de découvrir le transfert de résistance. A/ Les plasmides conjugatifs Ils sont autotransférables, de taille > à 20 kb. Il existe un contrôle strict de la réplication : nombre de copies < 5 dans la bactérie. orir Plasmide conjugati f opéron tra rep orir : origine de réplication rep : gènes de réplication opéron tra : opéron des gènes de transfert Le pili de la bactérie donneuse permet l accrochage (au moyen d une adhésine à son extrémité) ou l injection de protéines modifiant le métabolisme de la cellule hôte. Le transfert spécifique d'un brin du plasmide se fait par une coupure à la séquence orit. Le brin est alors transféré selon une polarité 5' vers 3' au travers du pore conjugatif formé par la juxtaposition des membranes des cellules donatrice et réceptrice. Action d une hélicase, les brins complémentaires sont ensuite synthétisés par l'adn polymérase III. B/ Le plasmide F ADN circulaire double brin Il se réplique chez E. coli et Salmonella typhimurium Habituellement en situation extrachromosomique : les bactéries males F+ Parfois en situation intrachromosomique : les bactéries Hfr Lorsqu il y a un transfert depuis les bactéries F+, toutes les bactéries deviennent F+. C/ Les plasmides non conjugatifs Les plasmides non conjugatifs sont non autotransférables. Leur taille est plus petite : < 20 kb. Ils sont souvent cryptiques. Il existe un contrôle relâché de la réplication : nombre de copies > 10. Ces plasmides peuvent être transférés à une autre bactérie par transduction ou transformation. D/ Les plasmides répondant aux phéromones Ce sont des plasmides conjugatifs (taille > 50 kb), capables d être transférés en milieu liquide. Le mélange de conjugaison (bactéries donatrice + réceptrice) entraîne la formation d agrégats cellulaires (clumps). Ces agrégats sont le résultat d interactions physiques à la surface des bactéries. En effet, une substance agrégative est codée par un déterminant plasmidique et induite par une sex-pheromone spécifique.

5 V/ Les systèmes de capture de gènes La divergence entre les séquences empêche la recombinaison et limite l'intégration. Il existe différents systèmes de capture : les transposons composites et les intégrons. 1. La transposition Elle permet l intégration d ADN qui ne présente pas d homologie avec la cellule hôte. Rare, elle est indépendante des fonctions de recombinaison de la bactérie-hôte (protéine RecA) et peut théoriquement s'intégrer n'importe où. Cependant certaines régions riches en A+T, entraînent une certaine conformation de l'adn-cible et constituent des points chauds d'insertion. A/ Séquences d insertions et transposons composites I I IS I R R IR S tnp : séquence d'insertion : séquence inversée répétée : transposase tn pp Très nombreux chez les bactéries à Gram négatif, les transposons permettent l intégration d ADN par coupure. Des gènes comportant une séquence d insertion de chaque côté, deviennent mobiles et peuvent s'intégrer en utilisant la machinerie de la séquence d insertion. Les transposons composites correspondent à deux insertions d ADN. On peut ainsi avoir un gène de résistance et un gène de virulence. B/ Transposons de type 3 Ils comportent un gène bla, de résistance aux βlactamides C/ Les transposons conjugatifs Ils comportent des gènes codant pour une fonction de transfert, une excisionase et une intégrase. Il faut que le transposon soit circularisé pour que les fonctions de transfert s expriment. Le transfert est induit par la tétracycline, in vivo et in vitro. 2. Les intégrons Ce sont des systèmes de capture qui transforment un fragment d'adn en cassette (applications en multi-résistance, virulence, fonctions adaptatives variées). L intégron est une structure qui permet à des gènes de s intégrer et de s exprimer : il contient une intégrase et un promoteur. De multiples gènes peuvent s associer dans les intégrons et être traduits ensemble. La présence d un intégron au sein d un transposon est un mécanisme fréquent particulièrement efficace. Conclusion La plasticité du génome bactérien permet l adaptation à des pressions de sélection environnementales et explique la diversité des mécanismes d adaptation du génome. Elle rend peu probable la découverte d un antibiotique sans résistance.

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