Chapitre 5 La génétique des bactéries et de leurs virus Des colonies bactériennes lac + et lac - sur un milieu contenant un colorant indicateur
Travailler avec des micro-organismes Les procaryotes comprennent les bactéries et les archéobactéries. Les virus qui parasitent les bactéries se nomment bactériophages. À la différence des eucaryotes, les organismes procaryotes et les virus ont des chromosomes simples qui ne sont pas contenus dans l espace délimité par la membrane nucléaire. Les procaryotes sont haploïdes (ou monploïdes), ces chromosomes ne subissent pas de méiose, mais ils passent par des stades qui rappellent ceux de la méiose.
La réplication de l ADN chromosomique bactérien Les bactéries possèdent habituellement un seul chromosome sous forme circulaire. Chez E. coli, la réplication débute à partir d une origine fixe (origine unique appelée oric) et procède ensuite de manière bidirectionnelle (les fourches migrant vers les deux extrémités du fragment en cours de réplication) pour se terminer au niveau d un site appelé site de terminaison. Chez E. coli, un cycle de réplication-division ne dure qu une vingtaine de minutes.
Les types sauvages et les mutants Les bactéries de type sauvage sont prototrophes: elles peuvent former des colonies sur un milieu minimum, un substrat qui ne contient que des sels inorganiques, une source de carbone pour l énergie et de l eau. Les clones (individus d une colonie descendant tous d un ancêtre génétique commun) mutants peuvent être identifiés parce qu ils sont auxotrophes: ils ne poussent pas tant que le milieu ne contient pas un ou plusieurs nutriments spécifiques. De plus, les organismes de type sauvage sont sensibles à certains inhibiteurs tels que la streptomycine, tandis que des mutants résistants peuvent former des colonies malgré la présence de substances inhibitrices.
Les bactéries échangent de l ADN par différents processus
Découverte de la conjugaison bactérienne Les pili: des projections bactériennes
Le facteur sexuel F (facteur de fertilité) Le transfert de matériel génétique chez E. coli n est pas réciproque. Une cellule joue le rôle de donneur et l autre de receveur. La capacité de donner est un état héréditaire conféré par un facteur sexuel F (facteur de fertilité). Le facteur F réside habituellement sur un plasmide, un élément cytoplasmique circulaire à réplication autonome. Les souches donneuses sont appelées F + tandis que les souches dépourvues de F ne peuvent donner et sont receveuses. On les appelle F -.
Les souches Hfr Souche Hfr: Haute fréquence de recombinaison. Une souche Hfr résulte de l intégration du facteur F dans le chromosome. Exconjugant: Une cellule bactérienne femelle qui vient de se conjuguer avec une cellule bactérienne mâle et qui contient un fragment d ADN mâle.
L insertion du facteur F par crossing-over Les régions d appariement du plasmide sont homologues à des régions du chromosome d E. coli.
Déterminer la liaison génétique à l aide de la conjugaison La conugaison interrompue permet de déterminer quels gènes sont transmis de Hfr à F - et dans quel ordre. En effet, chaque allèle du donneur apparaît chez le receveur à un instant précis après le début du croisement. De plus, les allèles du donneur apparaissent dans un ordre déterminé à partir d un point appelé origine (O).
La circularité du chromosome et l intégration de F 1- L orientation dans laquelle F s insère détermine la polarité du transfert du chromosome Hfr. 2- À une extrémité du facteur F intégré se trouve l origine. Le terminus du transfert, proche de l autre extrémité de F, n est transféré qu après que tout le chromosome l ait été.
La recombinaison entre gènes marqueurs L échange génétique chez les procaryotes n implique pas deux génomes complets comme chez les eucaryotes. Plutôt, il se produit entre un génome complet issue de F -, appelé endogénote, et un génome incomplet, issue du donneur, appelé exogénote. Nous obtenons donc des diploïdes partiels ou mérozygotes. La génétique des bactéries est donc la génétique des mérozygotes. De plus, en génétique bactérienne, on observe généralement des doubles crossing-over et il ne faut donc pas s attendre à retrouver des recombinants réciproques.
Le gradient de transfert En général, seul un fragment du chromosome donneur apparaît chez le receveur, conséquence de la séparation spontanée des cellules en cours de conjugaison. La séparation spontanée peut se produire à n impoprte quel moment suivant le début du transfert, ce qui crée un gradient de transfert et rend de moins en moins probable le transfert des marqueurs génétiques les plus tardifs (désigne ici des marqueurs éloignés de l origine et donc transférés plus tard) dans la cellule receveuse. leu + arg + arg + arg + met + met + met + met + met + met + Hfr: met + arg + leu + his + str S X F - : met - arg - leu - his - str r met + = 100% arg + = 60% leu+ = 20% his + = 4%
Mesurer la distance génétique entre les marqueurs leu + arg - met - 4% leu + arg + met - 9% leu + arg + met + 87%
Les déterminants génétiques portés par des plasmides Les facteurs R contiennent des gènes de résistance à des antibiotiques.
Le cyle de conjugaison d E. coli
La transformation bactérienne La transformation consiste en la conversion d un génotype en un autre par l introduction d ADN exogène. Pour que ce processus se produise, les cellules doivent être compétentes pour la transformation bactérienne.
La génétique des bactériophages La plupart des bactéries sont sensibles à l attaque par des bactériophages. Un phage se compose d un «chromosome» d acide nucléique (ADN ou ARN), entouré d une paroi de protéines. Phage T4 d E. coli
Le cycle lytique Lyse: Rupture et mort d une cellule bactérienne à la suite de la libération de la descendance d un phage infectant. Bactériophage se fixant à une bactérie
Les plages de lyse La morphologie de la plage de lyse est un caractère du phage utilisable pour l analyse génétique. De même, le spectre d hôtes peut être analysé. Les phages diffèrent entre eux par le spectre de souches bactériennes qu ils peuvent infecter et lyser. Par exemple, certaines souches bactériennes ne permettent pas l adsorption des phages (la fixation) ni l injection du chromosome.
Le croisement de phages La recombinaison entre des chromosomes phagiques peut être étudiée en rassemblant les chromosomes parentaux dans une même cellule hôte, par le biais d une infection mixte. On peut rechercher chez les descendants phagiques les génotypes parentaux et recombinants. La fréquence de recombinaison se calcule de la façon suivante: FR = (h + r + ) + (h - r - ) d nombre total de plages
La transduction Certains phages sont capables de mobiliser des gènes bactériens et de les transporter d une cellule à une autre. Ce phénomène est appelé transduction. Il existe deux types de transduction: généralisée et spécialisée. Dans la transduction généralisée, les phages peuvent Transduction généralisée transporter n importe quelle région du chromosome alors que dans la transduction spécialisée, les phages transfèrent des parties bien précises du chromosome bactérien.
Déterminer la liaison génétique à partir de la transduction La transduction généralisée peut servir à obtenir des informations sur la liaison génétique de gènes bactériens, lorsque les marqueurs sont suffisamment proches les uns des autres pour que le phage puisse les emporter et les transduire sous la forme d un seul fragment d ADN. Les souches qui sont transduites simultanément par plus d un gène sont appelées des cotransductants. Les valeurs de liaison génétique sont généralement exprimées sous la forme de fréquences de cotransduction. Plus la fréquence de cotransduction est élevée, plus deux marqueurs génétiques sont proches l un de l autre. Carte génétique de la région purb-cysb chez E. coli déterminée à l aide de la cotransduction par P1.
La lysogénie Certaines souches bactériennes apparaissent résistantes à l infection par certains phages, mais ces bactéries résistantes entraînent la lyse d autres bactéries non-résistantes quand on mélange les deux souches bactériennes. On appelle les bactéries résistantes qui provoquent la lyse d autres cellules des bactéries lysogéniques ou lysogènes. Lorsque des bactéries non lysogènes sont infectées par des phages provenant d une souche lysogène, une petite fraction de cellules infectées ne se lysent pas, mais deviennent lysogènes à leur tour. Les bactéries lysogènes contiennent un prophage dont la présence protège la cellule de l infection par un autre phage, ou surinfection, et qui est dupliqué et transmis aux cellules filles lors de la division. Chez une petite fraction des cellules lysogènes, le prophage est induit, ou activé, produisant ainsi des phages infectieux. Les phages peuvent donc être virulents, suivant un cycle infectieux qui est toujours lytique, ou ils peuvent être tempérés, suivant un cycle lysogène au cours duquel le phage est présent dans la cellule bactérienne sous la forme d un prophage.
La fixation du prophage Allan Campbell proposa en 1962 que le phage tempéré l (lambda) se fixe au chromosome bactérien par un crossing-over réciproque entre son chromosome circulaire et le chromosome circulaire d E. coli. Le crossing-over se produirait au niveau d un site spécifique du chromosome l appelé site de fixation l et un site du chromosome bactérien d E. coli situé entre les gènes gal et bio.
Transduction spécialisée Suite aux expériences de Campbell, nous pouvons à présent comprendre le phénomène de transduction spécialisée, par lequel seuls certains marqueurs de l hôte peuvent être transduits. Ce mécanisme de transduction est limité aux gènes très proches du prophage Intégré.
Cartographie des chromosomes bactériens Échelle linéaire représentant 5 minutes de la carte de liaison de 100 minutes d E. coli établie en 1990. La corrélation entre des cartes génétiques et physiques effectuée suite au séquençage complet de E. coli en 1997. Représentation de la région comprise entre 60 et 61 minutes. Carte génétique d E. coli établie en 1963
Les processus de recombinaison chez les bactéries