cours du génome Bactérien

I)
LE GENOME BACTERIEN


A/
Rappel :


Ø Structure des acides nucléiques :


DNA= acide désoxyribonucléique: est le
matériel génétiques de toutes les cellules vivantes (sauf certains virus, ont
comme matériel génétiques l’ARN).


-Nucléotide = phosphate + sucre + base
azotée


SUCRE : ribose, -2.Désoxy ribose


BASE : Adénine, guanine, cytosine, thymine
ou uracile


Ø Synthèse
du DNA
=réplication : 5’---3’ (DNA polymérase),
réplication semi- conservative


Ø Synthèse
du RNAm : transcription,
3’--- 5’ (RNA polymérase)


Ø Synthèse
des protéines :
est le processus par lequel l’information génétique s’exprime.


Ø Variations
génétiques : - Modifications (Mutations, remaniements
intra-génomiques)



-Acquisition d’ADN exogène.





B/ Éléments constitutifs du génome :


Le génome
bactérien: un modèle d’étude de la génétique du vivant.

• Structure simple et parfaitement
  connue
  
• Temps de génération des bactéries
  court
  
• Génétique bactérienne à
  l’origine de:
  

–
Les grandes découvertes de génétique


–
La génétique moléculaire


–
Les manipulations génétiques


C/ Eléments génétiques mobiles : Cassettes, Intégrons, Transposons, Plasmides


ü CASSETTES :


v Eléments génétiques
mobiles


o
Intégration et excision médiés par une intégrase
externe


v Constitution:


o
Ensemble de gènes co-transcris (souvent résistance à
un AB)


o
Site de reconnaissance d’une intégrase


o
Non auto réplicatifs, non autotransférable,


o
sans promoteur (donc non transcrits isolément)


ü INTGRONS :


Structure:


o
Région 5’


·
Gène d’Integrase (intI)


·
Site d’attachement (att)


·
Promoteurs (P1 P2…) pour toutes les cassettes (les
plus proches sont les mieux transcrites).


o
Région 3’


·
Cassettes de résistance


ü Mobiles (cibles
d’intégrations multiples)


ü Non auto
réplicatif, non autotransférable





TRANSPOSONS :


Ø 500 à 10000 PB


Ø mobiles (transposition)


Ø insertion sans homologie


PLASMIDES :

• Eléments facultatifs
  
• ADN bicaténaire circulaire
  
• 1% de la taille du chromosome
  
• Autoréplicatifs (réplicons)
  

–
Plusieurs plasmides identiques ou différents par
cellule


–
Transmis à la descendance


–
Stables si avantage sélectif

• Autotransférables d’une cellule
  à l’autre (gènes de transfert) même interspécifique
  

Variations génomiques chez les bactéries :


A/
Définition :

• Variations phénotypiques
  (Modification de l’expression du génome)
  

–
Adaptation


–
Réversible si l’environnement change


–
Non transmissible


–
Exemple: expression d’une b-galactosidase

• Variations génotypiques
  (Modification de la structure du génome)
  

–
Non réversible


–
Transmissible


–
Exemple: mutations, remaniements, acquisition d’ADN exogène


1/ Mutations: nature et définitions :


–
Modifications accidentelles de la séquence de l’ADN


–
Survenant lors de la réplication


–
Exemples:


§ Délétion ou
insertion è décalage du cadre de lecture


§ Substitution
d’un nucléotide è modification du message


–
Mutation silencieuse (acide aminé identique ou
équivalent)


–
Mutation létale (produit du gène essentiel)


–
Mutation non sens (codon stop)


–
Mutation faux sens (substitution d’un AA)





§ proteines
plus ou moins fonctionnelle.


Mutations :
Caractères :



·
rares : taux de mutation= 10^-5 à 10^-9, augmenté par les agents
mutagènes.


·
Spontanée : les antibiotiques n’induisent pas de
mutations


·
Stable : mutation réverse, mutation
compensatoire.


·
Transmise à la descendance


·
Indépendantes et spécifiques :


-
Autres caractères intacts


-
Taux de mutations pour 2caractères= produit des taux
de mutation


B/ L’acquisition
d’ADN exogène :


1. Transformation :


Définition :


-Phénomène fréquent chez certaines espèces


-Transferts
interspécifiques possibles


-Caractères de résistance, de virulence ou métaboliques


Pneumocoques résistants aux b-lactamines


-Technique de base en biologie moléculaire


Electroparation


Caractéristiques
de la transformation :


q Le DNA doit être
libéré d’une bactérie (exogènote )


q Le DNA nu doit
se fixer sur une bactérie réceptrice en
phase de compétence


q L’absorption
d’ADN polymérisé est suivie d’une recombinaison légitime avec acquisition de
nouveaux caractères génétiques stables, transmissibles à la descendance (
recombinants ou transformants )


q Le transfert est
partiel :une partie de l’exogènote ( 1-2% du génome) pénètre et se recombine (
si homologie suffisante)


q Ce transfert
naturel d’ ADN bactérien est limite à quelques espèces telles streptococcus
dont S.pneumoniae, Neisseria ,Haemophilus ……..


LES
PRINCIPALES ETAPES DE LA TRANSFORMATION NATURELLE :

• L’ADN/: bicaténaire, d’origine
  variable
  
• 1ère étape: fixation covalente à un complexe
  protéique membranaire
  
• 2ème étape: fragmentation de l’ ADN (
  nucléase)
  
• 3ème étape : entrée de l’ ADN simple brin
  dans la bactérie
  
• 4ème étape : devenir de l’ ADN simple brin
  transformant dans la bactérie
  

ü recombinaison
homologue nécéssitant de larges homologies entre l’ADN exogène et endogène,
avec remplacement allélique.


ü l’ADN provient
de la même espèce bactérienne ou d’une espèce proche









Conjugaison
ou sexualité des bactéries :


1-
Définition

• Processus sexuel nécessitant un
  appariement entre bactéries de sexes différents et formation d’un pont
  cytoplasmique permettant les échanges génétiques:un transfert
  unidirectionnel d’ADN d’une cellule donatrice (f+) à une cellule
  réceptrice (f-), par un mécanisme requérant un contact spécifique.
  

Caractéristiques
de la conjugaison :

• 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 chromosome.
  
• Le transfert d’ADN chromosomique
  est à sens unique, orienté, progressif et parfois total (2h).
  
• 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 plasmidique
  et de transposons est très fréquent et peu spécifique (intra-espèces)
  
• Deux classes de vehicules :
  - plasmides, -Transposons
  

Ø On observe
souvent une synergie entre les véhicules. En particulier des transposons portés
par des plasmides.


Limites :



§ Pour les
plamides. 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 sont très
finement régulés. Vraisemblablement pour limiter la charge biosynthétique liée
à ce processus.


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

• Le plasmide F+: DNA circulation
  double brin,~ 2% du chromosome bactérien.
  
• 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 biosyntheses de pili sexuels.
  
• Le plasmide
  F+ peut s’insérer dans le chromosome (bactéries HFr High Frequency
  recombination) et mobiliser le transfert partiel des gènes chromosomiques
  du donneur dans la bactérie réceptrice (F-).
  

Conséquences
de la conjugaison :

• Le mode de transfert d’ADN
  bactérien par conjugaison d’une cellule à l’autre a permis:
  

Ø 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
porteuse de gènes bactériens).


Ø L’établissement
de cartes génétiques du chromosome bactérien (E.coli).


Ø La circularité
du chromosome bactérien.


Ø Principal
facteur d’évolution des bactéries: acquisition de plasmides de résistance aux
antibiotiques, et porteurs de gènes de virulence et métaboliques.





2- La
transduction :

• Définition:
  

Transfert d’ADN bactérien d’une
bactérie à une autre par
l’intermédiaire d’un bactériophage.


Ce transfert partiel de gènes bactériens
peut s’accompagner d’une recombinaison légitime :


v Transduction généralisée: le phage emporte n’importe quel gène de la bactérie
donatrice.


v Transduction abortive: pas d’intégration.


v Transduction spécialisée: le DNA phagique s’intègre toujours au même endroit.


§ Caractéristiques
de la transduction :


Bactériophages: vecteurs de transduction.


Particules transductrices: les phages virulentes contenant de
l’ADN bactérien encapsidé.


Processus essentiellement intra-spécifique.


Deux types de transduction : généralisée, spécialisée.


L’existence de
nombreuses souches lysogènes fait qu’il s’agit d’un phénomène général chez les espèces Gram positif (Staphylocoques, Bacillus)
et Gram négatif (Entérobactéries, Pseudomonas).


La transduction a un potentiel limité aux espèces très
proches. Mais c’est un processus extrêmement efficace.








§ Efficacité
du phénomène :


- Protection du DNA dans les particules virales.


- Système de délivrance très performant


- Abondance des phages
en milieu aquatique 10³ et 10⁸ phages/ ml.


( 10⁸
phages/ ml ≈ 1/3 population bactérienne sujette à une attaque virale/ 24 h)


§ Transduction
par des bactériophages :


Virus des bactéries


Infectionè


o
Phage virulent è cycle lytique


o
Phage tempéré è Intégration au chromosome (prophage
inductible, bactérie lysogène)





§ Conséquences
de la transduction :


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


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


La lysogénie : Exemples :


*Toxine du bacille
diohtérique et phage B


*Toxine érythrogène par le
streptocoque A


* Certaines cytotoxiques
(vérotoxines) chez E.coli ECEP



* Certaines facteurs antigéniques de
salmonella (conversion lysogénique)


*Certains « ilots de pathogénicité » des
bactéries sont en fait hébergés par des prophages intégrés dans les chromosomes
bactériens.






C/ Régulation des variations génétiques :


§ Systèmes de
réparation des mutations :



- Systèmes de réparation des
mésappariements



- Systèmes SOS. Rec



- Les souches hypermutatrices àévolution rapide


§ Systèmes de
restriction / méthylation :


-
Restriction des recombinaisons par les endonucléases
de restriction


-
Protection de l’ADN par les enzymes de méthylation


àRecombinaisons seulement entre
bactéries taxonomiquement proches


CONCLUSION :


§ Génome des bactéries très plastique


§ Variations/ Sélections = source de diversité +++ à
adaptation. Evolution


§ Une semaine de bactérie = 10 000 ans humains