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Des colonies bactériennes lac+ et lac- sur un
milieu contenant un colorant indicateur
Chapitre 5 La génétique des bactéries et de leurs virus
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+ strS
X
F-: met- arg- leu- his- strr
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
Bactériophage se fixant à une bactérie
Lyse: Rupture et mort d’une cellule
bactérienne à la suite de la libération de
la descendance d’un phage infectant.
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
transporter n’importe quelle région du chromosome alors que dans la
transduction spécialisée, les phages transfèrent des parties bien précises
du chromosome bactérien.
Transduction
généralisée
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
Carte génétique d’E. coli établie en 1963
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.
Les processus de recombinaison chez les bactéries
