Cours de Génétique GNT305. Génétique des microorganismes Chapitre 8

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1 Cours de Génétique GNT305 Génétique des microorganismes Chapitre 8 D Eric Massé Département de Biochimie-CHUS Fleurimont Bureau 5436 Tel: ext Livre de référence: Principles of genetics. Snustad and Simmons, Fourth edition.

2 Les infections bactériennes sont toujours un problème actuel Graph of the isolation of Extended Spectrum B-lactamases (ESBL) producing organisms at the Ramón y Cajal University Hospital in Madrid (Spain) since its first detection in Canton, 2006

3 Corrélation inverse entre consommation d antibiotiques et sensibilité aux antibiotiques Prescriptions d antibiotiques quotidiennes Menace terroriste à l anthrax en Israël Figure 1. Quinolone consumption, illustrated as defined daily doses (DDDs) per month. Diamonds indicate values for the preintervention period, squares indicate values for the intervention period, and triangles indicate values for the postintervention period. Sensibilité aux antibiotiques Figure 2. Susceptibility of Escherichia coli isolates from urine cultures to quinolones, by month. Diamonds indicate values for the preintervention period, squares indicate values for the intervention period, and triangles indicate values for the postintervention period. Gottesman, 2009

4 La résistance aux antibiotiques existe depuis des millénaires et + Permafrost d environ ans testé pour la présence de gènes de résistances aux antibiotiques Les gènes conférant la résistance à la pénicilline, la tétracycline et la vancomycine étaient déjà présents

5 Cancers et bactéries Les femmes infectées par Chlamydia ont 6,5 fois plus de risques de développer un cancer du col de l utérus que les femmes non porteuses (The Journal of the American Medical Association) En 2005, une bactérie vaut le Nobel de médecine à deux Australiens qui ont découvert que Helicobacter pylori était responsable des gastrites et ulcères de l'estomac Une toxine produite par la bactérie E. coli contribue au développement du cancer du colon.

6 H pylori induit une cascade oncogénique La protéine CagA est injectée dans la cellule gastrique et active EGFR (epidermal growth factor) (1) L accumulation de B- catenine stimule la transcription de gènes favorisant la carcinogénèse (2) L arrêt de l apoptose (oncoprotéine bactérienne) (3) Diminution de la fonction protectrice de l épithélium (4) Augmentation de la prolifération cellulaire 1 2 3

7 La cellule eucaryote fonctionne grâce à la symbiose avec les bactéries, devenues mitochondries 1 Nucléole 2 Noyau 3 Ribosome 4 Vésicule 5 RE rugueux 6 Appareil de Golgi 7 Cytosquelette 8 RE lisse 9 Mitochondrie 10 Vacuole 11 Cytosol 12 Lysosome 13 Centriole

8 Les mitochondries génèrent la majorité de l ATP qui sert d énergie pour les réactions biochimiques. Les mitochondries sont aussi impliquées dans la signalisation, la différentiation cellulaire, l apoptose, et la régulation du cycle cellulaire et le «vieillissement». Plusieurs maladies transmissibles de la mère à l enfant sont reliées au mauvais fonctionnement de la mitochondrie: encéphalopathie, ataxie de Friedreich, paraplégie, dégénération hépatique.

9 Relation entre l humain et le microbiome Les 500 espèces de bactéries présentes dans l`intestin des mammifères produisent de la vitamine K et certaines vitamines B en plus de digérer plusieurs composés autrement indigestes (pectine, cellulose) Le corps humain est porteur de 10 fois plus de bactéries (environ 100 milliards) que de cellules dont il est lui-même constitué

10 Host-bacteria fight for iron Human cells Fe is bound to lactoferrin (tears, saliva) and transferrin (blood) bacterial cells Fe 90% of cells in the Human body are microbial cells

11 Host-bacteria fight for iron Fe-transferrin (blood) Fe Bacterial outer membrane Enterobactin siderophores Bacterial inner membrane ExbB Fe Raymond, 2003

12 Host-bacteria fight for iron Fe-transferrin (blood) Fe-enterobactin Fe Bacterial outer membrane Enterobactin siderophores Bacterial inner membrane ExbB Fe Fe Fe Fe Raymond, 2003

13 Host-bacteria fight for iron Siderocalin produced by the host neutrophils Fe-transferrin (blood) Fe-enterochelin Bacterial outer membrane Enterobactin siderophores Bacterial inner membrane ExbB Fe Fe Fe Fe Raymond, 2003

14 Host-bacteria fight for iron Salmochelin glycosylated enterobactin produced by pathogenic E. coli and Salmonella Siderocalin Fe Fe-Salmochelin uptake ExbB Fe Fe Fe Fe

15 Informations générales sur les bactéries Pas de noyau, procaryotes («pro» avant et «caryon» noyau) Un seul chromosome (haploïde) Entre et paires de bases Contient entre 800 et 4300 gènes 0.1% du génome humain Prototrophe: peut croître sur milieu qui ne contient que le minimum nécessaire de nutriments Carbone: source d`énergie Azote: utilisée pour la synthèse d`acides aminées Sels minéraux (soufre, phosphore, fer, magnésium)

16 Nomenclature des gènes lac : gène impliqué dans le métabolisme du lactose his : métabolisme de l histidine pol : implication dans la réplication de l ADN (polymérase ADN) rec : implication dans la recombinaison Si plusieurs gènes sont impliqués dans la même fonction, ils seront suivis d une lettre majuscule hisbhafi : biosynthèse de l histidine

17 Mutations: Changement dans le génome héritable de la cellule mère à la cellule fille Allèle sauvage (his+) VS allèle mutant (his-) Distinction entre génotype et phénotype Genotype: Ensemble des constituants génétiques d'un organisme, qu'ils soient exprimés ou non Phénotype: Manifestation apparente de la constitution du génome sous la forme d'un trait morphologique, d'un syndrome clinique, d'une variation qualitative ou quantitative du produit final d'un gène (protéine) Pas toutes les mutations donnent un phénotype Exemple: mutation silencieuse ou neutre

18 Les différents types de mutations MUTATIONS Nutritionnelles auxotrophe: requiert un nutriment (acide aminé, vitamine, etc) ex: his- : ne peut croître sans histidine dans le milieu Source de carbone lac+ : utilise le lactose lac- : n`utilise pas le lactose Résistance à un antibiotique tet S : sensible à la tétracycline tet R : résistant à la tétracycline

19

20 ÉCHANGE GÉNÉTIQUE Donneur: ADN linéaire Recombinaison entre une molécule linéaire et une circulaires: deux crossovers sont nécessaires! lac+ ABCDABCD BCDABCDA lac- ABCDABCD BCDABCDA Receveur: souche Lac- lac- ABCDABCD BCDABCDA lac+ ABCDABCD BCDABCDA Receveur: souche Lac+

21

22 Recombinaison entre deux molécules circulaires: un seul crossover est nécessaire

23 ÉCHANGES GÉNÉTIQUES

24 Transformation chimique (en laboratoire) amp S tet S Chromosome Introduction du plasmide dans la cellule Choc chimique ou électrique Plasmide amp R tet R Réplication du plasmide Indépendante du chromosome Souche résistante à l`ampicilline et tétracycline

25 Transformation naturelle Première évidence que l ADN contient l information génétique ( ) Espèces bactériennes qui transforment naturellement Streptococcus Haemophilus Neisseria Bacillus Staphylococcus

26 (provient d une Bactérie morte) Transformation naturelle

27 La transformation chez Streptococcus pneumoniae Pathogène de l humain et la souris Cause de certaines pneumonie, sinusite, otite, méningite, osteomyélite, endocardite, péritonite et autres Présent chez 5-10% des adultes et 20-40% des enfants

28 La transformation chez Streptococcus pneumoniae R strain (Rough): souche non-virulente Colonies rugueuses S strain (smooth): souche virulente Colonies lisses

29 Découverte de la transformation avec Streptococcus pneumoniae S strain (smooth): souche virulente Lisses R strain (Rough): souche non-virulente Rugueuses Figure équivalente à 8.19 (Snustad) Frederick Griffith,1928

30 Échange génétique par transduction phagique

31 Vibrio cholerae Bactérie causant le choléra La bactérie ne contient pas l information génétique nécessaire pour la virulence La toxine rendant la bactérie virulente provient d un phage tempéré

32 Transfert d ADN phagique à une cellule bactérienne

33 La conjugaison bactérienne

34 Tumeurs chez les plantes causées par transfert conjugatif d un plasmide de la bactérie pathogène Agrobacterium Conjugaison d une cellule végétale Racines avec tumeurs causées par Agrobacterium

35 Conjugaison du T-DNA bactérien vers une cellule de plante Chromosome bactérien Molécules végétales T-DNA (Tumeur-DNA) Cellule de plante Chromosome de la cellule de plante

36 Tumeurs chez les plantes causées par transfert conjugatif d un plasmide de la bactérie Agrobacterium Bactérie utilisée pour la création d organismes génétiquement modifiés (OGM) qui résistent à de plus grandes concentrations d insecticides et pesticides: Soya Coton Maïs Betterave Luzerne Blé Canola Riz

37 (Trimethoprim) tra pour transfert conjugatif (Ampicilline) (Vancomycine) (kanamycine) (désinfectants à l ammoniaque) Synonyme: plasmide R (Résistance) ou facteur F (Fertilité) Plasmide F qui peut contenir la résistance à sulfonamides, streptomycine, acide fusidique, chloramphenicol, tétracycline

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41 Importance médicale des transposons: la naissance d un Facteur R RTF: Resistance Transfer Factor

42 Plasmide F s intègre dans le chromosome Souche Hfr «High frequency of recombination» Utilisé pour cartographier les gènes de la bactérie

43 Les différents sites d`intégrations du facteur F dans le chromosome d`e. coli Le chromosome de E. coli 100 minutes Circulaire * * *Exemple 8.25 et 8.26

44 Les trois types de cellules

45 Donneuse thr+, leu+, azi S ton S, lac+, gal+, str S Receveuse thr-, leu-, azi R ton R, lac-, gal-, str R

46

47 Cartographie des gènes bactériens str S, gal+, lac+, ton S, azi S, leu+, thr+ Hfr H 10 min 20 min 30 min 40 min 50 min Plus on laisse longtemps, plus il y a d allèles transférés

48 Donneuse thr+, leu+, azi S ton S, lac+, gal+, str S Receveuse thr-, leu-, azi R ton R, lac-, gal-, str R Conjugaison Cellules donneuses Cellules receveuses Coissance sur milieu sans thréonine (thr), sans leucine (leu) avec streptomycine et glucose

49 Donneuse thr+, leu+, azi S ton S, lac+, gal+, str S Receveuse thr-, leu-, azi R ton R, lac-, gal-, str R Conjugaison Cellules donneuses Cellules receveuses Coissance sur milieu sans thréonine (thr), sans leucine (leu) avec streptomycine et glucose 100% Cellules: thr+, leu+, str R

50 Après 9 min de conjugaison str S Brin ADN, gal+, lac+, ton S, azi S, leu+, thr+ donneur str R, gal-, lac-, ton R, azi R, leu-, thr- Crossovers possibles Brin ADN receveur Résultat conjugants: thr+, leu+, azi S (10%), ton S (2%)

51 Brin ADN donneur Brin ADN receveur str S, gal+, lac+, ton S, azi S, leu+, thr+ str R, gal-, lac-, ton R, azi R, leu-, thr- Après 25 min de conjugaison Crossovers possibles Résultat conjugants: thr+, leu+, azi S (90%), ton S (80%), lac+(25%), gal+(1%), str R (100%)

52 Fréquences des marqueurs relativement à thr+ leu+ strr

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