INFECTIOUS DISEASE

 

BACTERIOLOGIE – CHAPITRE HUIT
ECHANGE D’INFORMATION GENETIQUE
 

Gene Mayer, PhD  
University of South Carolina School of Medicine
Columbia SC 
USA

Emilie Camberlein, PhD
Maître de conférence en Biochimie
Universite de Nantes
Faculte des Sciences et des Techniques

 

ANGLAIS

Logo image © Jeffrey Nelson, Rush University, Chicago, Illinois  and The MicrobeLibrary

INTRODUCTION

Dans les populations bactériennes des mutations apparaissent en permanence à cause d’erreurs ayant lieu durant la réplication. S’il existe un quelconque avantage sélectif pour une mutation particulière (ex : résistance aux antibiotiques), le mutant va alors rapidement devenir le composant majeur de la population à cause du taux de croissance rapide des bactéries. De plus, comme les bactéries sont des organismes diploïdes, même les mutations qui pourraient normalement être récessives seront exprimées. Ainsi, les mutations des populations bactériennes peuvent poser un problème dans le traitement des infections bactériennes. Non seulement les mutations sont un problème mais les bactéries possèdent des mécanismes permettant le transfert de gènes à d’autres bactéries. Ainsi, une mutation apparaissant dans une cellule peut être transmise aux autres cellules.

Le transfert de gène chez les bactéries est unidirectionnel d’une cellule donneuse à une cellule receveuse et le donneur donne généralement seulement une petite partie de son ADN au receveur. Ainsi, non pas des zygotes complets mais plutôt zygotes partiels (mérozygotes) sont formés.

Les gènes bactériens sont généralement transférés à des membres de la même espèce mais occasionnellement le transfert vers d’autres espèces peut avoir lieu.
 

A. Transformation

La transformation est le transfert de gènes résultant de l’absorption d’ADN nu par une cellule receveuse à partir d’une cellule donneuse. Certaines bactéries (ex : Bacillus, Haemophilus, Neisseria, Pneumococcus) peuvent absorber de l’ADN à partir de l’environnement et l’ADN absorbé peut être incorporé dans le chromosome du receveur.

1. Facteurs affectant la transformation

a. Taille de l’ADN
L’ADN double brin qui fonctionne le mieux pour la transformation fait au moins 5 X 105 daltons. En conséquence, la transformation est sensible aux nucléases de l’environnement.

b. Compétence du receveur
Certaines bactéries sont capables d’absorber de l’ADN naturellement. Cependant, ces bactéries prennent seulement de l’ADN à un moment précis de leur cycle de croissance quand elles produisent une protéine spécifique appelée facteur de compétence. A cette étape on dit que les bactéries sont compétentes. D’autres bactéries ne sont pas capables d’absorber de l’ADN naturellement. Cependant, dans ces bactéries, la compétence peut être induite in vitro par traitement chimique (ex : CaCl₂).

2. Etapes de la transformation

a. Absorption de l’ADN
L’absorption d’ADN diffère pour les bactéries en fonction qu’elles soient Gram + ou Gram -. Dans les bactéries Gram+ l’ADN est absorbé sous la forme d’une molécule simple brin et le brin complémentaire est fabriqué chez le receveur. Par contraste, les bactéries Gram – absorbent l’ADN sous forme de double brin.

b. Recombinaison légitime/homologue/générale
Après que l’ADN du donneur ait été internalisé, un évènement de recombinaison réciproque a lieu entre le chromosome et l’ADN donneur. Cette recombinaison nécessite une homologie entre l’ADN donneur et le chromosome ce qui résulte en la substitution de l’ADN entre le receveur et le donneur comme illustré sur la figure 2.
 

  Figure 1 : Gènes de transfert ayant été montrés comme étant présents dans différentes espèces de bactéries

  Figure 2 : Recombinaison générale. L’ADN donneur est représenté en rouge et l’ADN receveur en bleu.

  Figure 3 : Mécanisme de la transduction généralisée

La recombinaison nécessite les gènes de recombinaison bactériens (recA, B et C) et une homologie entre les ADN impliqués. Ce type de recombinaison est appelé légitime ou homologue ou générale. A cause de la nécessité d’une homologie entre les ADN du donneur et de l’hôte, c’est seulement l’ADN de bactéries fortement apparentées qui peut se transformer de manière efficace, bien que dans de rares cas le transfert de gènes entre des bactéries peu apparentées a déjà été mis en évidence.

3. Signification
La transformation a lieu dans la nature et peut mener à une augmentation de la virulence. De plus, la transformation est largement utilisée dans la technologie de l’ADN recombinant.

B. Transduction

La transduction est le transfert d’information génétique à partir d’un donneur vers un receveur via un bactériophage. La paroi du phage protège l’ADN de l’environnement et de cette manière la transduction, contrairement à la transformation, n’est pas affectée par les nucléases de l’environnement. Tous les phages ne peuvent pas médier la transduction. Dans la plupart des cas le transfert de gène a lieu entre des membres de la même famille de bactéries. Cependant, si un phage particulier possède une large gamme d’hôtes alors le transfert entre espèces peut avoir lieu. La capacité d’un phage à médier la transduction est reliée au cycle de vie du phage.

1. Types de transduction

a. Transduction généralisée
La transduction généralisée est une transduction au cours de laquelle potentiellement n’importe quel gène bactérien de donneur peut être transféré à un receveur. Le mécanisme de la transduction généralisée est illustré dans la figure 3.
Les phages qui permettent la transduction généralisée découpent généralement l’ADN de l’hôte en plus petits morceaux et encapsident cet ADN dans une particule phagique par un mécanisme d’encapsidation fortuite. Occasionnellement, un des morceaux de l’ADN de l’hôte est accidentellement empaqueté dans la capside du phage. Ainsi, n’importe quel gène du donneur peut potentiellement être transféré mais ne sera transféré qu’autant d’ADN que peut contenir une tête de phage. Si une cellule réceptrice est infectée par un phage qui contient de l’ADN du donneur, l’ADN du donneur entre dans le receveur. Dans la cellule réceptrice un évènement de recombinaison généralisée qui substitue l’ADN du donneur à l’ADN du receveur peut avoir lieu (voir figure 2).
 

b. Transduction spécialisée
La transduction spécialisée est une transduction au cours de laquelle seulement certains gènes du donneur peuvent être transférés au receveur. Différents phages peuvent transférer différents gènes mais un phage individuel peut seulement transférer certains gènes. La transduction spécialisée est médiée par des phages lysogéniques ou tempérés et les gènes qui sont transférés dépendent d’où le prophage est inséré dans le chromosome. Le mécanisme de la transduction spécialisée est illustré dans la figure 4.

Pendant l’excision du prophage, occasionnellement une erreur peut se produire quand une partie de l’ADN de l’hôte est excisée avec celui du phage. C’est seulement l’ADN de l’hôte situé de part et d’autre de l’endroit où le phage est inséré qui peut être transféré (d’où la transduction spécialisée). Après réplication et libération du phage et infection du receveur, la lysogénisation du receveur peut avoir lieu, ce qui résulte en un transfert stable des gènes du donneur. Le receveur va alors avoir deux copies des gènes qui ont été transférés. La recombinaison légitime de gènes entre le donneur et le receveur est aussi possible.

2. Signification
La conversion lysogénique (phagique) a lieu dans la nature et est la source de souches virulentes de bactéries.
 

MOVIE

Conjugation 

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© Mondo Media, San Francisco, Calif., USA  and and  The MicrobeLibrary

This video clip demonstrates the process of conjugation. First, two bacteria combine via a sex pilus. Next, one strand of the plasmid is transferred to the attached cell. Note that the original plasmid is not lost from the first cell. Finally, each cell immediately duplicates the single strand so that both bacteria have
a copy of the double stranded plasmid

C. Conjugaison

Il s’agit du transfert d’ADN d’un donneur à un receveur par contact physique direct entre les cellules. Chez les bactéries il y a deux types de reproducteurs, un donneur (mâle) et un receveur (femelle) et la direction de transfert du matériel génétique est unidirectionnelle ; l’ADN est transféré du donneur au receveur.

1. Types de reproducteurs chez les bactéries

a. Donneur
La capacité d’une bactérie à être un donneur est la conséquence de la présence dans la cellule d’un morceau supplémentaire d’ADN appelé facteur F ou facteur de fertilité ou facteur sexuel. Le facteur F est un morceau d’ADN circulaire qui peut se répliquer de manière autonome dans la cellule ; c’est un réplicon indépendant. Les morceaux d’ADN extrachromosomiques qui peuvent se répliquer de manière autonome ont le nom générique de plasmide. Le facteur F porte des gènes qui sont nécessaires à sa réplication et pour sa capacité à transférer de l’ADN au receveur. L’une des choses pour laquelle code le facteur F est la possibilité de produire un pilus sexuel (pilus F) à la surface de la bactérie. Ce pilus est important pour le processus de conjugaison. Le facteur F n’est pas seulement un plasmide qui peut médier la conjugaison mais il est généralement utilisé comme modèle.

b. Receveur
La capacité à agir comme un receveur est une conséquence de l’absence du facteur F.
 

  b 
Figure 5 : Etats physiologiques du facteur F.

2. Etats physiologiques du facteur F

a. Autonome (F+)
Dans cet état le facteur F porte seulement les gènes nécessaires pour sa réplication et pour le transfert d’ADN. Il n’y a pas de gène chromosomique associé avec le facteur F dans les souches F+.

Lors de croisements entre les types F+ et F- le F- devient F+ alors que le F+ reste F+. Ainsi, le facteur F est infectieux. De plus, il y a seulement un faible taux de transfert de gènes chromosomiques.

b. Intégré (Hfr)
Dans cet état le facteur F est intégré dans le chromosome bactérien via un évènement de recombinaison comme illustré sur la figure 5a.

Lors de croissements entre les types Hfr et F- le F- devient rarement Hfr et Hfr reste Hfr. De plus, il existe une forte fréquence de transfert de gènes chromosomiques du donneur.
 

c. Autonome avec gènes chromosomiques (F’)
Dans cet état le facteur F est autonome mais il porte cette fois quelques gènes chromosomiques. Les facteurs F’ sont produits par excision du facteur F d’un Hfr, comme illustré sur la figure 5b. Occasionnellement quand le facteur F est excisé d’un chromosome Hfr, les gènes du donneur situés de part et d’autre du facteur F peuvent être excisés avec le facteur F générant un F’. Les facteurs F’ sont nommés selon les gènes chromosomiques qu’ils portent.

Lors de croisements entre F’ et F- le F- devient F’ alors que le F’ reste F’. De plus il y a de fortes fréquences de transfert des gènes chromosomiques de F’ et de faibles fréquences de transfert des autres gènes chromosomiques du donneur.
 

3. Mécanisme de conjugaison

a. Croisement F+ x F-

i) Formation de pair
Le bout du pilus sexuel vient au contact du receveur et un pont de conjugaison se forme entre les deux cellules. C’est par ce pont que l’ADN va passer du donneur vers le receveur. Ainsi, l’ADN est protégé des nucléases de l’environnement. Les couples appariés peuvent être séparés par des forces de cisaillement et la conjugaison est alors interrompue. Ainsi les couples appariés restent associées seulement pour un court moment.

ii) Transfert d’ADN
L’ADN plasmidique est entaillé à un site spécifique appelé origine de transfert et est répliqué par un mécanisme de « cercle roulant ». Un ADN simple brin passe dans le pont de conjugaison et entre dans le receveur où le second brin est synthétisé.

iii) Ce processus explique les caractéristiques du croisement F+ x F-. Le receveur devient F+, le donneur reste F+ et il y a un faible taux de transfert de gènes chromosomiques du donneur. En effet, comme décrit dans la figure 7 il n’y a pas de transfert de gènes chromosomiques du donneur. Dans la pratique cependant, il y a un faible taux de transfert de gènes chromosomiques du donneur lors de ces croisements.
 

ANIMATION
Mating of F+ and F- Bacterial Strains 

© Thomas M. Terry, University of Connecticut, Storrs, Conn., USA and  The MicrobeLibrary

The F plasmid is a self-transmissible plasmid found in some strains of E. coli. Cells that possess one or more copies of the F plasmid are called F+; cells lacking the F plasmid are called F-. The animation illustrates several stages in the transfer of the F plasmid from F+ to F- cells.

b. Croisement Hfr x F- (Figure 7)

i) Formation de paire

ii) Transfert d’ADN
L’ADN est entaillé au niveau de l’origine de transfert et est répliqué par un mécanisme de cercle roulant. Mais l’ADN qui est transféré est le chromosome. En fonction d’où le facteur F s’est intégré dans le chromosome et de son orientation, différents gènes chromosomiques seront transférés à différents moments. Cependant, l’ordre et les distances relatives des gènes resteront toujours les mêmes. C’est seulement quand l’ensemble du chromosome est transféré que le facteur F est transféré. Puisque des forces de cisaillement séparent les couples appariés il est rare que l’ensemble di chromosome soit transféré. Ainsi, le receveur ne reçoit pas le facteur F lors d’un croisement Hfr x F-.

iii) Recombinaison légitime
La recombinaison entre l’ADN transféré et le chromosome résulte en l’échange de matériel génétique entre le donneur et le receveur.
iv) Ce mécanisme explique les caractéristiques du croisement Hfr x F-. Le receveur reste F-, le donneur reste Hfr et il y a une forte fréquence de transfert de gènes chromosomiques du donneur.
 

ANIMATION

Mating of Hfr and F- Bacterial Strains 

© Thomas M. Terry, University of Connecticut, Storrs, Conn., USA and  The MicrobeLibrary

c. Croisement F’ x F- (Figure 8)

i) Formation de paire

ii) Transfert d’ADN
Ce processus est similaire au croisement F+ x F-. Cependant, comme le F’ porte quelques gènes chromosomiques ils seront aussi transférés.

iii) La recombinaison homologue n’est pas nécessaire bien qu’elle puisse se produire.

iv) Ce mécanisme explique les caractéristiques du croisement F’ x F-. Le F- devient F’, le F’ reste F’ et il y a une forte fréquence de transfert de gènes du donneur sur le F’ mais une faible fréquence de transfert des autres gènes chromosomiques du donneur.

4. Signification

Parmi les bactéries Gram négatives il y a une voie majeure selon laquelle les gènes sont transférés. Le transfert peut se produire entre différentes espèces de bactéries. Le transfert de résistances multiples aux antibiotiques par conjugaison est devenu un problème majeur dans le traitement de certaines maladies bactériennes. Puisque la cellule receveuse devient un donneur après transfert d’un plasmide il est aisé de voir pourquoi un gène de résistance aux antibiotiques porté sur un plasmide peut rapidement convertir une population de cellules sensibles en une population résistante.

Les bactéries à Gram positif possèdent aussi des plasmides qui portent des gènes de résistances multiples aux antibiotiques, dans certains cas ces plasmides sont transférés par conjugaison alors que d’autres sont transférés par transduction. Le mécanisme de conjugaison chez les bactéries à Gram positif est différent de celui des bactéries à Gram négatif. Chez les bactéries à Gram positif, le donneur fabrique un matériau adhésif qui cause l’agrégation avec le receveur et l’ADN est transféré.
 

ELEMENTS GENETIQUES TRANSPOSABLES

A. Eléments génétiques transposables

Les éléments génétiques transposables sont des segments d’ADN qui ont la capacité de bouger à partir d’une position à une autre.

B. Propriétés des éléments génétiques transposables

1. Mouvement aléatoire

Les éléments génétiques transposables peuvent bouger de n’importe quelle molécule d’ADN à une autre molécule d’ADN ou même à un autre endroit de la même molécule. Le mouvement n’est pas totalement aléatoire ; il y a des sites de préférence dans la molécule d’ADN auxquels les éléments génétiques transposables vont s’insérer.

2. Incapable d’autoréplication

Les éléments génétiques transposables n’existent pas de manière autonome (exception – quelques phages transposables) et ainsi, pour être répliqués ils doivent faire partie d’un autre réplicon.

3. Transposition médiée par la recombinaison site-spécifique

La transposition nécessite peu ou pas d’homologie entre sa position de départ et le nouveau site. L’évènement de transposition est médié par une transposase codée par l’élément génétique transposable. La recombinaison qui ne nécessite pas d’homologie entre les molécules se recombinant est appelée site-spécifique ou illégitime ou homologue.

4. La transposition peut être accompagnée d’une duplication

Dans de nombreux cas la transposition d’un élément génétique transposable résulte en le retrait de l’élément de son site d’origine et en l’insertion dans un nouveau site. Cependant, dans certains l’évènement de transposition est accompagné d’une duplication de l’élément génétique transposable. Une copie reste au site d’origine et l’autre est transposée au nouveau site.
 

C. Types d’éléments génétiques transposables

1. Séquences d’insertion (IS)

Les séquences d’insertion sont des éléments génétiques transposables qui ne portent pas de gène connu sauf ceux nécessaires à la transposition.

a. Nomenclature
Les séquences d’insertion sont appelées IS suivi d’un numéro ; ex : IS1

b. Structure (figure 9)
Les séquences d’insertion sont de courts brins d’ADN qui possèdent à leurs extrémités des séquences répétées, qui sont impliquées dans la transposition. Entre les séquences répétées terminales se trouvent des gènes impliqués dans la transposition et des séquences qui contrôlent l’expression de ces gènes mais aucun autre gène non essentiel n’est présent.

c. Importance

i) Mutation
L’introduction d’une séquence d’insertion dans un gène bactérien résulte en l’inactivation de ce gène.

ii) Insertion de plasmide dans les chromosomes
Les sites auxquels s’insèrent les plasmides dans le chromosome bactérien sont au niveau ou près d’une séquence d’insertion dans le chromosome.

iii) Variation de phase
Les antigènes du flagelle sont les principaux antigènes contre lesquels le système immunitaire est dirigé dans le but de combattre l’infection bactérienne. Chez Salmonelle il existe deux gènes qui codent pour deux antigènes du flagelle antigéniquement différents. L’expression de ces gènes est régulée par une séquence d’insertion. Dans une orientation un des gènes est actif alors que dans l’autre orientation l’autre gène du flagelle est actif. Ainsi, Salmonella peut changer son flagelle en réponse aux attaques du système immunitaire. La variation de phase n’est pas unique aux antigènes de flagelle de Salmonella. Elle est également observée pour d’autres antigènes de surface de bactéries. Cependant le mécanisme de variation de phase puisse différer dans différentes espèces de bactéries (ex : Neisseria ; transformation).

2. Transposons (Tn)

Les transposons sont des éléments génétiques transposables qui portent un ou plus d’autres gènes en plus de ceux qui sont essentiels à la transposition.
 

a. Nomenclature
Les transposons sont désignés par Tn suivit d’un numéro.

b. Structure
La structure d’un transposon est similaire à une séquence d’insertion. Les gènes supplémentaires sont situés entre les séquences terminales répétées. Dans certains cas (transposons composites) les séquences terminales répétées sont en fait des séquences d’insertion. (Voir figure 10).

c. Importance
De nombreux gènes de résistance aux antibiotiques sont situés sur des transposons. Puisque les transposons peuvent sauter d’une molécule d’ADN à une autre, ces transposons portant des résistances aux antibiotiques sont un facteur majeur du développement de plasmides qui peuvent conférer une résistance multiple à la bactérie qui porte un tel plasmide. Ces plasmides de résistance multiple sont devenus un problème médical majeur à cause de l’utilisation à tort et à travers des antibiotiques et ont conféré un avantage sélectif pour les bactéries portant ces plasmides.

A. Définition

Les plasmides sont des éléments génétiques extrachromosomiques capables d’une réplication autonome. Un épisome est un plasmide qui peut s’intégrer dans un chromosome bactérien.

B. Classification des plasmides

1. Propriétés de transfert

a. Plasmides conjugatifs
Les plasmides conjugatifs sont ceux qui permettent la conjugaison. Ces plasmides sont généralement grands et ont tous les gènes nécessaires pour la réplication autonome et pour le transfert d’ADN au receveur (ex : gènes du pilus sexuel).

b. Plasmides non-conjugatifs
Les plasmides non–conjugatifs sont ceux qui ne peuvent pas médier la conjugaison. Ils sont généralement plus petits que les plasmides conjugatifs et il leur manque un ou plusieurs gènes nécessaires pour le transfert d’ADN. Un plasmide non-conjugatif peut être transféré par conjugaison si la cellule porte aussi un plasmide conjugatif.

2. Effets phénotypiques

a. Plasmide de fertilité (Facteur F)

b. Plasmides bactériocinogéniques
Ces plasmides portent des gènes qui codent pour une substance qui tue les autres bactéries. Ces substances sont appelées bactériocines ou colicines.

c. Plasmides de résistance (facteurs R)
Ces plasmides portent des gènes de résistance aux antibiotiques.

i) Origine - L’origine des facteurs R n’est pas connue. Il est probable qu’ils ont évolué pour d’autres raisons et que l’avènement de l’ère des antibiotiques a fourni un avantage sélectif pour leur large dissémination.
 

ii) Structure - Les plasmides R sont des plasmides conjugatifs dans lesquels les gènes pour la réplication et le transfert sont localisés sur une partie du facteur R et les gènes de résistance sont localisés sur une autre partie comme illustré dans la figure 11.

RTF (Facteur de Résistance Transfert)- porte les gènes de transfert.

Déterminant R- porte les gènes de résistance. Les gènes de résistance sont souvent des parties de transposons.

Mode d’action des gènes de résistance:

• Modification (détoxification) des antibiotiques – ex : β-lactamase.

• Altération de la cible – ex : Résistance à la streptomycine.

• Altération de l’absorption – résistance à la tétracycline.

• Remplacement de la voie sensible – ex : nouvelle voie de l’acide folique pour la résistance aux drogues sulfamides.
   

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