Les Transferts D’Information Génétique Chez Les Bactéries

7/21/2019 Les Transferts D’Information Génétique Chez Les Bactéries

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Les transferts d’information génétique chez lesbactéries

Le patrimoine génétique des bactéries est plastique et varie au cours dutemps

Les bactéries s’adaptent à la pression de sélection des environnementschangeants

- par des mutations spontanées

- par acquisition de matériel génétique étranger

Ce sont les transferts génétiques







Ces transferts d'ADN bactérien sont suivis d'une recombinaison génétique

- dite légitime (si DNA homologue provenant d’une même espèce

ou d’une espèce voisine)

- ou illégimite (si DNA hétérologue d’espèces éloignées)

Ces transferts sont unidirectionnels et le plus souvent partiels



Découverte de la transformation chez les

pneumocoques

Griffith 1928

Avery 1944



Les pneumocoques (Streptococcus pneumoniae)

Colonies S smooth et R rough





Le ADN doit être libéré d'une bactérie (exogénote)

Le DNA nu doit se fixer sur une bactérie réceptrice en phase decompétence

Caractéristiques de la transformation





Les bactéries naturellement transformables :notion d’état de compétence

La compétence est la capacité d’une bactérie de recevoir de l'ADN exogèn

liée à des mécanismes différents en fonction des espèces.



CroissanceCroissance

des bactériesdes bactéries

heures1 2 3 4

S. pneumoniae

B. subtilis,

H. influenzae

N. gonorrhoeae



Espèces bactériennes naturellement transformables

Neisseria meningitidis

Streptococcus pneumoniaeHaemophilus influenzae

Staphylococcus aureus

Campylobacter jejuni Helicobacter pylori

Moraxella spp.

Neisseria gonorrhoeae

Streptococcus sanguisStreptococcus mutans

Bacillus subtilis



Les principales étapes de la transformation naturelle

L'ADN : bicaténaire, PM > 106 à 107 Mdal, d’origine variable

1ère étape : fixation covalente à un complexe protéique membranaire

2ème étape : fragmentation de l'ADN (nucléases)

3ème étape : entrée de l'ADN simple brin dans la bactérie

4ème étape : devenir de l'ADN simple brin transformant dans la bactérie

- Recombinaison homologue nécessitant de larges homologiesentre l'ADN exogène et endogène, avec remplacement allélique

- L'ADN provient de la même espèce bactérienne ou d'une espèce proc

- Fréquence des recombinants 10-3 –10-5



X X

Remplacement



Délétion

X X



X X

Insertion



Ce mode de transfert a permis de montrer que l'ADN est le support chimiqude l'hérédité, et non les protéines.

Il a permis l'établissement des premières cartes génétiques partielles chez

les bactéries, et donc des études plus précises sur la virulence, la

résistance aux antibiotiques…

C'est une technique de base du génie génétique, utilisée quotidiennement

dans les laboratoires lors de clonage (transfection), dans des bactérie

non transformables naturellement comme E. coli

- Electroporation, traitement par des cations divalents (chlorur

de calcium)…

- L'ADN rentre sous forme double brin et le reste.

- Plus efficace que si l'ADN est capable de réplication autonom(réplicon).

Conséquences de la transformation



C’est le mécanisme de la variation antigénique chez le gonocoque et le

méninggocoque etde l'émergence de certaines espèces résistantes au

antibiotiques (pneumocoque , méningocoque)

Après sélection de mutants résistants (streptocoques buccaux) lors

d'antibiothérapie, il peut y avoir transfert de gènes de cette résistance

par transformation naturelle à l'espèce pathogène potentielle ensituation de portage( penicillin-binding proteins, PBP).

Conséquences de la transformation



Conjugaison ou sexualité des bactéries



- Mélange en milieu liquide de 2 mutants auxotrophes de E. coli K12

108 T-L-M+B+ et 108 T+L+M-B- (exigence en thréonine, T- ; leucine, L-

méthionine, M- et biotine B-).

- Après plusieurs heures de contact, étalement de 108 bactéries sur milieu

synthétique sans T, L, M et B

- Croissance d'une centaine de colonies T+ L+ M+ B+ à la surface du milieuqui ne peuvent être des mutants doublement réverses (probabilité de

l'ordre de 10-14) mais de recombinants.

Découverte de la conjugaison

par Lederberg et Tatum 1946





Définition

- Processus sexuel nécessitant un appariemment entre bactéries de sexesdifférents et formation d'un pont cytoplasmique permettant les échanges

génétiques: un transfert unidirectionnel d’ADN d’une cellule donatrice à

une cellule réceptrice, par un mécanisme requérant un contact spécifique.

- Le facteur de sexualité ou de fertilité (F) permet la synthèse de pili sexuels

chez la bactérie donatrice ou mâle et donne la polarité au chomosome.

- Le transfert d'ADN chromosomique est à sens unique, orienté, progressif et

parfois total (2 h).

- Le transfert d'ADN chromosomique est spécifique (intra-espèces) et limité à

certaines espèces à Gram négatif telles E. coli , Salmonella,

Pseudomonas aeruginosa et Streptococcus.

- Le transfert d'ADN plasmidiques et de transposons est très fréquent et peuspécifique (intra et inter-espèces).

Conjugaison ou sexualité des bactéries



La conjugaison

- Deux classes de véhicules : - plasmides

- transposons

On observe souvent une synergie entre les véhicules, eparticulier des transposons portés par des plasmides.

- Limites :

- - pour les plasmides, réplication et expression des fonctions

- de transfert.

- pour les transposons, expression des fonctions de transfert.

- De façon générale, le transfert et l’expression des fonctions de transfert sotrès finement régulées, vraisemblablement pour limiter la chargbiosynthétique liée à ce processus.



Le facteur de fertilité: le plasmide F+, premier plasmide connu

- Le plasmide F+: DNA circulaire double brin, ~ 2 % du chromosome bactérie

- Le plasmide F+ se réplique chez E. coli et Salmonella typhimurium

- Le plasmide F+ code pour des fonctions de transfert (région tra de 30 kb de~30 gènes), incluant la biosynthèse de pili sexuels.

- Le plasmide F+ peut s’insérer dans le chromosome ( bactéries HFr HighFrequency recombination) et mobiliser le transfert partiel des gèneschromosomiques du donneur dans la bactérie réceptrice (F-).

Les fonctions de transfert



- Régulation de l’expression des gènes tra: finO, finP, traJ

- Formation des pili: traABCEFGH, traKLQUVWX

- Stabilisation du couple donatrice et réceptrice: traGN

- Métabolisme de l’ADN: traD (sortie de l’ADN)

traI (clivage oriT , ADN hélicase)traM (activation de oriT )

traY (endonucléase, clivage oriT )

- Exclusion de surface: traST

M Y A L E K B V GJ C W U N F Q H S T D X finQ

oriT

Les fonctions de transfert

Adhésine ?



TraU

Tra A

Membrane externe

Membrane cytoplasmique.

N N

TraATraQ

TraC

TraXTraG

TraB

T

r a E

TraK

TraH

TraF TraW

TrbCTraV

TraI



Contact ou appariement :

Les pilis sexuels, flexibles ou non (2 à 3 par donneur) reconnaissent des zones

de contact à la surface cellulaire des bactéries réceptrices, s'y fixent et se

rétractent permettant un contact cellulaire étroit entre les bactéries (pontcytoplasmique de 100 à 300 mµ).



Bactérie donatrice

Brin non-transféré

ADN polymérase III

SSB protéines

Membranesbactériennes

Brin transféré

ADN polymérase III

Bactérie réceptrice

Synthèse du brin

complémentaire

Pore conjugatif

Amorce d'ARN

Synthèse du brin

complémentaire

3'5'

coupure d’ oriT par le complexe

relaxase-hélicase (TraY-TraI).





Systèmes de transfert conjugatif à large spectre d'hôte

Les bactéries à Gram-négatif

Plasmides IncP (RP4, RK2, etc)

Bacilles et coques à Gram-négatif (Tra+, Rep+)

Bacilles et coques à Gram-positif bas GC% (Tra+,Rep-)

Sacharomyces cerevisiae (Tra+, Rep-)

Plasmide IncQ (RSF1010)

Bacilles et coques à Gram-négatif (Mob+, Rep-+)

Bacilles à Gram-positif bas GC% (Mob+, Rep+)

Plasmide Ti

Plantes (Tra+, Int+)

L t j tif



Les transposons conjugatifs

Em-Tc DOT

− spectre d’hôte étroit : Bacteroides fragilis

− confère la résistance à la tétracycline (tetQ )

−transfert induit par la tétracycline (X 104)

Tn916

− spectre d’hôte large : Bacilles et cocci à Gram positif

− E. coli

− P. fluorescens

− confère la résistance à la tétracycline (tetM )

− existence de variants contenant des marqueurs additionne(ermB, aphA-3)

− transfert induit par la tétracycline, in vitro et in vivo (X 102)

Les plasmides répondeurs aux sex-pheromones



Les plasmides répondeurs aux sex pheromones

Décrits chez Enterococcus faecalis

Plasmides conjugatifs (taille > 50 kb)

Plasmides capables d’être transférés en milieu liquide à très haute fréquence (10-2, 10-3).

Le mélange de conjugaison (donatrice + réceptrice) entraine la formation d’aggrégat

cellulaires (clumps).

Ces aggrégats sont le résultat d’interactions physiques médiées par essentiellement deusubstances présentes à la surface des bactéries.

La synthèse de l’une de ces substances, la substance aggrégative, est codée par u

déterminant plasmidique et induite par une sex-pheromone spécifique.De nombreux plasmides sex-pheromones dépendants ont été décrits, le plus connu d’entreux est le plasmide pAD1.

pADI : 4 propriétés distinctes

- fonction de réplication

- activité cytolytique

- résistance aux UV

- système conjugatif particulier

- +/- gènes de résistance aux antibiotiques.

Conséquences de la conjugaison



- Le mode de transfert d'ADN bactérien par conjugaison d'une cellule à

l'autre a permis :

. La caractérisation des propriétés remarquables du facteur F

- plasmide:réplicon

- insertion au chromosome en des sites limités ou autonome

- Le passage de l'état intégré à l'autre par excision peut entrainer la

formation d'un plasmide F' (unité autonome de réplication et porteus

de gènes bactériens).

. L'établissement de cartes génétiques du chromosome bactérien (E. col

P. aeruginosa )

. La circularité du chromosome bactérien

- Principal facteur d'évolution des bactéries: acquisition de plasmides de

résistance aux antibiotiques, et porteurs de gènes de virulence etmétaboliques



Transduction

Transduction



Découverte

- En 1952, N. Zinder et J. Lederberg tentent d'obtenir des recombinants

après croisement de mutants auxotrophes de souches de

Salmonella typhimurium responsables de toxi-infections d'origine

alimentaire.

- La fréquence des recombinants histidine+ tryptophane+, de l'ordre de 10-6,

n'est pas modifiée lorsque les souches parentales séparées par un

filtre ne sont plus en contact direct.

- L'existence d'un agent filtrable, vecteur de l'information génétique, est

démontrée (bactériophage tempéré produit par la souche parentale

lysogène.

Transduction

La transduction



- Définition : Transfert d'ADN bactérien d'une bactérie à une autre pl'intermédiaire d'un bactériophage

Ce transfert partiel de gènes bactériens peut s'accompagner d'une

recombinaison légitime (transduction généralisée) ou non

(transductions abortive et spécialisée).

- Bactériophages : vecteurs de transduction

- Particules transductrices : les phages virulentes contenant de l'ADbactérien encapsidé.

- Processus essentiellement intra-spécifique

- Deux types de transduction

La transduction généralisée

La transduction spécialisée

La transduction



- L'existence de nombreuses souches lysogènes fait qu’il s’agit dphénomène est général chez les espèces Gram po(Staphylocoques, Bacillus) et Gram négatif (EntérobactéPseudomonas).

- La transduction a un potentiel limité aux espèces très proches, mais c'esprocessus extrêmement efficace :

- Efficacité du phénomène

- Protection du DNA dans les particules virales

- Système de délivrance très performant

- Abondance des phages en milieu aquatique103 et 108 phages / ml.

108 phages / ml ≈ 1/3 population bactérienne sujette à uneattaque virale / 24 h.



ASSEMBLAGE MULTIPLICATION

LIBÉRATION

PÉNÉTRATION



La transduction généralisée



Transfert de n'importe quelle fragment du génome bactérien

Transducteurs : phages à ADN

T4 et P1 chez E. coli

P22 chez Salmonella typhimurium

Mécanisme de la transduction généralisée :

Fragmentation du génome bactérien au cours de la réplication vira(nucléases virales ou non spécifiques).

1% des particules encapsident de l'ADN bactérien.

Formation de particules transductrices infectieuses capable d'injectl'ADN bactérien dans une autre cellule.

Devenir de l'ADN transduit : remplacement allélique ou transfert d

plasmides.

La transduction spécialisée



- Transfert qui ne concerne qu'une ou des régions bien particulières génome bactérien.

- Repose sur les propriétés d'intégration et d'excision de certaibactériophages tempérés comme le phage λ.

- Le bactériophage λ ne transfert que :

Les gènes nécessaires à la fermentation du galactose ou à la synthè

de la biotine.

Par excision aberrante deux types de particules transductrices : galbio.

gal : perte de l'information génétique nécessaire à la synthèse la queue + la tête (particule défectueuse).

bio : perte de gènes xis et int , plus de cycle lysogénique ma

potentiel infectieux normal.

Conséquences de la transduction



Co séque ces de a t a sduct o

- Mode de transfert ayant un intérêt historique (phage lambda de E. coli )

- Transfert en ADN bactérien ou plasmidique limité (taille du phage)(<50 kb)

- La lysogénie :

Exemples:

toxine du bacille diphtérique et phagetoxine érythrogène par le streptocoque A

certaines cytotoxines (vérotoxines) chez E.coli ECEP

certains facteurs antigéniques de Salmonella ( conversion lysogénique

- Certains «ilots de pathogénicité» des bactéries sont en fait hébergés par deprophages intégrés dans les chromosomes bactériens (V. cholerTCP et CTX, E. coli EPEC et EHEC, …)

Infection de Vibrio cholerae par les phages CTX et VPI



Phage CTX

Phage VPI

RS1 R

ctxBctxA

tcpA

Les transferts d’information génétique



Transduction

- vecteur : phage

- spectre d’hôte : intra-espèce

- efficacité : importante

- distribution : ubiquitaire

Transformation

− vecteur : ADN

−spectre d’hôte : intra- ou inter-espèce

− efficacité : importante

− distribution : restreinte

Conjugaison

− vecteur : plasmide

− spectre d’hôte : inter-espèce

−efficacité : variable

− distribution : ubiquitaire

Les systèmes de capture de gènes



L’intégration par transformation, transduction ou conjugaison se fa

principalement par recombinaison homologue (légitime).

Pour les recombinaisons non-homologues,il existe des systèmes dcapture intégrant des fragments de DNA sans aucune homologie:

- Transposons composites :

Des gènes flanqués de séquences IS de chaque côté

deviennent mobiles et peuvent s'intégrer (quelques Tmulti-résistants et métaboliques).

- Les intégrons :

Système de capture immobiles qui transforme ufragment d'ADN en cassette par ajout d'une structure dreconnaissance pour un système de recombinaisospécifique de site (multi-résistance, virulence, fonction

adaptatives variées).

Qu’est ce qu’un intégron?



• C’est un élément génétique immobile décrit en 1989

- capture et intègre des gènes, dits gènes cassette (gènes

résistance aux antibiotiques)

- assure l’expression de ces gènes cassette (transcription et traductio

• Vecteurs d’expression naturels de gènes de résistance largement répan

dans le monde microbien

- 9 classes d’intégrons selon basée sur la séquence nucléotidique

l’intégrase.

- La classe 1 est prédominante: bacilles à Gram négatif (Entérobacté

Pseudomonas, Vibrio, Acinetobacter , Campylobacter; Bactéries à G

positif : Corynebacterium, Enterococcus, Staphylococcus aur

Mycobactéries : Mycobacterium fortuitum

Qu’est-ce qu’une cassette ou un gène cassette ?



• élément génétique mobile non réplicatif

• petite taille : 250 à 1500 pb

• formé d’un gène et d ’un site attC

• forme : circulaire ou linéaire

• Plus de cinquante membres

attC

gène

Principaux gènes cassette portés par les intégrons de classe 1



Antibiotiques Gène

Aminoside aadA (30%), aadB

aac(6’)-I , aac(6’)-II , aac(3)-I

aph(3’)

-lactamine oxa , blaPSE

, blaIMP

, blaGES-1

, blaV

Triméthoprime dfrA , dfrB

Chloramphénicol cmlA , cat

Rifampicine arr-2 , arr-3

Erythromycine ereA2

Antiseptiques qacE , qacF

Reconnaissance et intégration d ’une cassette



attI1

région 5’ conservée région 3’ conservée

qac E1 sul1 orf5

attC

GTTRRRY

(site coeur)

GTTRRRY

(site cœur de la cassette)Pant

P2

intI1

P3

Acquisition de plusieurs gènes cassette



Cassette 1

Cassette 2

attC

cassette 2 : résistance aux -lactam

cassette 1 : résistance aux aminos

bactérie résista

bactérie multirésist

attC

Cassette 2 Cassette 1

Cassette 1

Conclusions



Conclusions

• Les intégrons sont des vecteurs d ’expression naturels

• Ce sont des éléments génétiques qui ont la capacité de capturer, d’intégre

d ’exprimer des gènes de résistances aux antibiotiques (gènes cassette)

• Leur structure facilite la multirésistance aux antibiotiques pour de nombreu

espèces bactériennes

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