Structure des génomes bactériens / systèmes de mutagénèse / génomique comparative

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1 Master 1 Bactério 10/01/09 8h30-10h30 RT : Stéphanie Ripert-Bernusset RL: Benjamin de Sainte Marie Structure des génomes bactériens / systèmes de mutagénèse / génomique comparative PLAN DU COURS : I- GENOME BACTERIEN a. L appareil nucléaire b. Le chromosome bactérien c. La réplication bactérienne d. La transcription et la traduction II- III- IV- L EXPRESSION GENIQUE a. L expression des gènes : b. L organisaton en opéron c. La régulation se fait de 2 façons PLASTICITE DU GENOME a. Apparition de nouveaux gènes b. Mutations c. Ilots de pathogénicités d. Variation/modulation génique par des éléments extra chromosomique GENOMIQUE COMPARATIVE a. Historique b. Génomique comparative I- GENOME BACTERIEN a. L appareil nucléaire : est le support de l information génétique. IL existe des différences entre les procaryotes et les eucaryotes. Pour les bactéries cela est important et permet leur distinction. Il comprend : Le chromosome bactérien : existant sous forme relâchée, enroulée cette information de base est différente entre les bactéries Les éléments géniques mobiles (extra chromosomiques) : plasmides, transposons, intégrons. Ces éléments s intègrent dans le chromosome,

2 «vont et viennent» la bactérie peut donc recevoir et perdre des informations génétiques. Le bactériophage : est un parasite de la bactérie, il utilise la machinerie cellulaire de la bactérie, s intègre dans l ADN bactérien. La bactérie peut donc recevoir et perdre par ce biais des éléments génétiques. b. Le chromosome bactérien, ses caractéristiques : Il ne possède pas de membrane nucléaire Il est unique Il est constitué d acide ribonucléique Il est bi caténaire et peut être super enroulé, relâché ou linéaire 85 à 90 % sont des régions codantes 10% sont des régions non codantes correspondant aux régions promotrice, opératrice, initiatrice Exemple : pour E. Coli le chromosome mesure : 2 microns de long, 0.5 de large, si on le déroule il mesure 1.35 mm de long, correspond à 2 à 3% du poids sec de la bactérie, 0.1 % du génome humain. Sa taille est variable entre les bactéries : exemples : M. genitalum= 0.58 MB-517 gènes ; E. Coli = 4.5 MB gènes ; B. Japonicum = 9.11 MB 8300 gènes. Il existe des bactéries dont la taille du chromosome va jusqu à MB. Il est haploïde : c'est-à-dire qu il existe une copie de chaque gène par cellule. Il y a une exception pour les gènes ribosomaux qui peuvent être plusieurs par cellule rarement unique. Cela s explique par le fait que le bactérie doit s adapter rapidement à son environnement, la présence de plusieurs gènes ribosomaux lui permet en cas «d attaque» de synthétiser plus rapidement un certains nombres de protéines. Possède une organisation particulière : les gènes sont organisés en opéron = les gènes sont associés et il y a activation et expression simultanée de tous les gènes nécessaire à 1 évènement précis (métabolisme ) c. La réplication bactérienne : Est semi conservatrice : c'est-à-dire que chaque brin mère est une matrice pour la néo synthèse d un brin fille. Chaque brin de la double hélice possède une origine de réplication, 2 fourches de réplication et 2 sites de terminaison. Implique de nombreuses enzymes : topoisomérase qui élimine le super enroulement, l hélicase qui maintient l hélice ouverte et la protéine SSB qui maintient les brins monocaténaires d. La transcription et la traduction : Pour les eucaryotes la transcription a lieu dans le noyau suivi de la traduction dans le cytoplasme

3 Pour les procaryotes la transcription et la traduction sont consécutives dans le cytoplasme. Ce qui permet une traduction en protéine simultanée à la transcription. Cela permet encore une fois à la bactérie de réagir rapidement en cas de stress. Différences procaryotes / eucaryotes : o ARN m polycystroniques monocystroniques Extrémité 5 : trill 5 : capméthylé Extrémité 3 : dernière base 3 : poly A Très instable t1/2 < 5 min Instable t1/2 = 4h o Elongation Elongation o Traduction simultanée à la trancription Traduction : 20nt/s 45 nt /s II- L EXPRESSION GENIQUE a. L expression des gènes : L ADN porte des gènes dont l expression est constitutive (= nécessaire à la survie de la bactérie) et fonction de la force du promoteur, de l efficacité des ribosomes à traduire l ARN messager, de la stabilité de l ARN messager Dont l expression est régulée + ou -, il existe des gènes inductibles et des gènes répressibles. b. L organisation en opéron : Avec des régions codantes, des régions non codantes Site d initiation, site de terminaison de la transcription En amont : région opératrice et promotrice Transcription et traduction concomitante c. La Régulation se fait de 2 façons : Cis : régulation in situ ; le régulateur est en amont ou en aval de l opéron (en tout cas proche de l opéron) et à une action sur les séquences qui sont à proximités. Trans : la régulation se fait par l intermédiaires de protéines qui viennent d ailleurs (apporté par un plasmide ou un vecteur) ou éloigné des séquences à réguler. Pourquoi l expression des gènes est sous régulation? Pourquoi la régulation des gènes est importante? Iil existe un pourcentage important de gènes qui codent pour des protéines qui interviennent dans la régulation. Cela permet à la bactérie de répondre aux conditions de l environnement en synthétisant rapidement un certains nombres de protéines nécessaires dans certaines conditions. o Exemple : en cas de nécessité de croissance rapide induction de gènes codant pour des protéines de la membrane Cela varie selon la disponibilité en nutriments, o exemple : opéron lactose : régulation en cis : entraîne une expression génique = régulation + o opéron tryptophane = régulation

4 III- PLASTICITE DU GENOME Définition : o Gène : unité de transmission héréditaire o Génotype : ensemble de déterminants géniques portés par une cellule Le génome n est pas statique a. Apparition de nouveaux gènes Par duplication o Du génome entier (eucaryotes) o D un gène ou d un groupe de gène (fréquent) o D un chromosome ou d une partie de chromosome (rare) Par réarrangements de gènes o Domaine «shuffing» («par mélange») o Duplication Par transfert horizontal : o Phénomène transformation/conjugaison : permet d acquérir des plasmides o Transduction : permet l intégration de bactériophages Par phénomène de recombinaison la bactérie est capable de moduler son information génétique Apparition de mutations b. Mutations : Définition : changement dans la séquence des bases de l ADN, affecte la structure des gènes La bactérie possède une forte capacité d adaptation : o Un taux de mutation élevé : 1000 fois supérieur à l homme o La possibilité d un transfert d information génétique (transformation, conjugaison..) qui peut être à l origine de mutation Il y a modification ou non du phénotype Classification des mutations selon o La nature du changement subi par l ADN o Le changement phénotypique o Si elles sont spontanées ou provoquées Classification moléculaire o Microlésion= changement d une seule base o Macro lésion Si on cultive les bactéries dans le même environnement la majorité de la population est identique. Cette population de bactéries se distribue selon une courbe Gaussienne avec à chaque extrémité un nombre minime de bactéries présentant des mutations différentes de la population majoritaire.

5 Ceci explique que pour une population donnée quand on donne un antibiotique la majorité de la population est tuée mais une minorité de bactéries avec des mutations résistent. Caractéristiques de ces mutations ; elles peuvent êtres : o Spontanées : par exemple l utilisation d un antibiotique peut sélectionner les rares formes variants préexistantes dans une population bactérienne. o Induites : par exemple : l utilisation de rayonnement UV ou de substances chimiques peut induire des mutations. o Discontinu ou brusque : c est la loi du tout ou rien o Stable sans pression de sélection, le caractère acquis est transmis à la descendance donc héréditaire o Phénomène rare : 10^ -5 10^-10 paire de bases Les microlésions : transversion, transition ; déphasage Les macrolésions : délétion, inversion, séquences homologues, translocation, déphasage c. Ilots de pathogénicités Spécifique aux germes pathogènes Présence de 10 à 200 Kbases Insertion de ces îlots dans le génome de bactéries Présence le plus souvent de régions de virulence GC % souvent différent du génome : le pourcentage de GC permet de voir l homogénéité du génome si le pourcentage de base GC est différente du reste du génome cela signifie qu il y a une séquence non homogène qui a été acquise. Insertion de façon adjacente aux gènes codant les ARNt Fréquente association des éléments géniques mobiles (intégrase, transposase, IS, plasmide, phage ) Instabilité génique du fait des éléments génétiques mobiles présents Structures en mosaïque correspondant à différentes acquisitions ; les constituants des gènes n ont pas tous de relation directe, les gènes n ont pas tous une fonction identique d. Variation/modulation génique par des éléments extra chromosomique Haemophilus influenzae : (bactérie gram - : paroi externe asymétrique présentant une double couche asymétrique avec un feuillet externe constitué de lipopolysaccharide et d un feuillet interne de phospholipides) la bactérie peut elle même moduler la structure de sa surface en décalant le cadre de lecture pour changer les LPS afin de s adapter à son environnement Les salmonelles : sont capables de produire 2 types de flagelles H1 ou H2. En fonction de différents stimuli la bactérie modifie le cadre de lecture, modifie l expression des gènes entraînant une modification phénotypique. L ensemble des gènes forme le génotype et en fonction de différents stimuli le génotype varie et le phénotype est modifié

6 Les bactéries ont des systèmes de réparations propres dans la majorité des cas, ce système est stable mais il peut y avoir des erreurs responsable de mutations. IV- GENOMIQUE COMPARATIVE La génomique = l analyse des génomes pris comme un tout ; terme crée en 1986 Génome= sac de gène a. Historique 1953 : découverte de la struture de l ADN 1956 : séquences aa de l insuline est établit 1977 : séquençage de l ADN mis au point 1978 : 1 er génome séquencé : bactériophage 1987 : 1 er séquenceur automatisé 1995 : séquençage du 1 er génome bactérien : Haemophylus influenzae 2001 : décryptage génome humain b. génomique comparative Permet la comparaison de génomes séquencés Permet d accéder à de nouvelles informations o contenu en gènes du génome o structures des gènes : nombre de gènes, concaténation, ordre, position des éléments transposés, duplication, variation des codes génétiques Permet cartographie comparée Comparaison entre banques de séquences génomiques Analyses phylogéniques appliquées aux génomes entiers Permet de réaliser une compartimentalisation de structure o régions codantes, non codantes o régions fonctionnelles du génome o fonctions connues non connues Permet de déceler les différences ou similitudes d organisation de structures entre les différents de génomes Permet d approcher la fonction des gènes Il existe de nombreuses banques de données accessibles sur Internet qui répertorie le nombre de génomes séquencés Entre 2144 et 2146 génomes séquencés La comparaison de génome de bactéries différentes : H. influenzae et M. Genitalum a permis de déterminer le nombre de gènes nécessaire au minimum entre 200 à 300 gènes

7 En 2007 : possibilité de changer la capacité d une espèce à une autre En 2008 : néo synthèse du génome complet par assemblage de différents segments de la bactérie. Recombinaison de son chromosome de façon artificiel mais si ce chromosome est transféré dans une bactérie vide, la bactérie est non viable.