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Moteurs de l’évolution chez les Procaryotes Les mécanismes d’échange génétique

Moteurs de l’évolution chez les Procaryotes Les mécanismes d’échange génétique chez les Procaryotes Les Procaryotes ne procèdent pas à la fécondation. Ils ne produisent pas de gamètes (cellule reproductrice généralement haploïde spécialisée dans la fécondation) pour leur reproduction et n’ont donc pas de sexualité. Cette absence de sexualité induit une absence de brassage génétique lors de la fécondation et donc une absence de « sélection sexuelle », l’un des mécanismes de la sélection naturelle chez les espèces. Pourtant, les procaryotes illustrent à merveille le concept de la sélection naturelle puisqu’ils ont été capables de s’adapter génétiquement au point de coloniser toutes les niches écologiques de la planète. Leur adaptation esy due essentiellement au transfert horizontal de gène , ce dernier va remplacer la sélection naturelle par la sexualité Le transfert horizontal chez les bactéries La sexualité est remplacée par différents processus de transfert de gènes : les transferts horizontaux de matériel génétique médiés. Le transfert horizontal d’ADN est un processus dans lequel une cellule procaryote intègre du matériel génétique provenant d’une autre cellule procaryote sans en être le descendant. Il joue un rôle majeur dans leur diversification génétique. Ce processus est considéré comme un des facteurs majeurs de l'augmentation de la résistance des bactéries aux antibiotiques ainsi que la propagation des gènes de virulence. Le transfert horizontal repose sur 4 mécanismes indépendants dont les 3 principaux sont : • La transformation naturelle • La conjugaison • La transduction • Le 4ème mécanisme repose sur l’existence d’éléments génétiques mobiles : les transposons I. La transformation : 1er mécanisme découvert En étudiant la bactérie Streptococcus pneumoniae, Griffith (1928) puis Avery (1940) posèrent les bases de ce processus de modification génétique par une expérience originale. 2 phénotypes bactériens coexistent en culture : les bactéries qui donnent des colonies lisses et brillantes (Smooth) et celles qui donnent des colonies irrégulières, rugueuses et mates (Rough). • Les bactéries S possèdent une capsule et sont pathogènes • Les bactéries R sont dépourvues de capsule et ne sont pas pathogènes L’absence de capsule chez les bactéries R résulte d’une mutation génétique qui touche un gène impliqué dans la formation de la capsule de nature polysaccharidique. 1. Première série d’expériences de Griffith (1928) : 1ère étape : • L'injection de bactéries de type S provoque une septicémie mortelle chez la souris. • Par contre, l'injection de bactéries de type R ne provoque pas la mort. 2ème étape : • L’injection d’un mélange de bactéries S mortes et de bactéries R vivantes provoque la mort de la souris, chez laquelle on ré-isole des bactéries de type S vivantes Interprétation des expériences : • Au contact des bactéries S mortes, des bactéries R se sont « transformées » en bactéries S mortelles bien vivantes. → Quelque chose provenant des bactéries S mortes est passée dans les R vivantes et les a transformées en bactéries S vivantes. • Ce « quelque chose » se transmet de façon héréditaire puisque les bactéries S ainsi formées se reproduisent en donnant d'autres bactéries S. 2. Seconde série d’expériences de Avery (1940) : Pour comprendre et préciser la nature biologique de ce qu’est ce « quelque chose » révélé par les expériences de Griffith, Avery a eu l’idée d’utiliser un traitement par protéase et un autre par nucléase (DNase) pour vérifier si le « quelque chose » était de nature protéique ou nucléique. • Si l'enzyme utilisée est une protéase, les bactéries R se transforment quand même en bactéries S virulentes. • Si l'enzyme utilisée est une DNase, alors la transformation des R en S ne se fait pas et la souris survit. Avery a démontré que l'ADN purifié extrait des bactéries de type S était le « quelque chose » suffisant pour induire la transformation des R en S : c’est le processus de transformation Le processus de la transformation nécessite que les cellules qui vont « capturer » de l’ADN exogène soient « compétentes ». Au cours de cet état de « compétence », la bactérie dévoile des sites en surface capables de lier de l’ADN exogène. Cet état de compétence est transitoire et apparaît uniquement en phase de croissance exponentielle ou stationnaire. Cet ADN doit lui-même être de nature « transformante », c’est à dire qu’il doit être « db » et d’une longueur variant entre 6-18kb. Dans la nature, en particulier dans les environnements liquides (rivières, lacs, mer), les bactéries sont au contact de nombreux fragments d’ADN provenant des nombreuses cellules mortes. La bactérie à l’état de compétence produit des protéines spécialisées qui viennent se positionner au niveau de la membrane cytoplasmique. Ces protéines ont pour rôle de faire passer le brin d’ADN de l’extérieur à l’intérieur de la cellule. L’ADN libre qui pénètre dans une cellule « compétente » est réduit en un simple brin qui est alors reconnu et protégé par les protéines SSB et RecA. Ces protéines la protègent pour éviter que cette molécule ADN simple brin ne soit rapidement dégradée par les nucléases cellulaires. RecA est une enzyme multifonctionnelle qui joue un rôle fondamental dans le processus de recombinaison homologue. ComEC/ComFA: protéines du récepteur de l’ADN CM: membrane cytoplasmique IN: intérieur de la cellule RecA: enzyme réalisant la recombinaison homologue SSB: « single strand binding » proteins Il peut y avoir recombinaison entre la séquence d’ADN intégrée et une séquence qui présente des homologies au niveau du chromosome bactérien : Ce peut être l’occasion de l’acquisition d’une nouvelle fonctionnalité génétique. Application biotechnologique de la Transformation : Un grand nombre de bactéries Gram+ et Gram- peuvent être « transformées » artificiellement. La « transformation artificielle » est un processus utilisé en biologie moléculaire pour forcer une cellule bactérienne à intégrer un grand fragment d’ADN exogène, généralement un plasmide, lequel on est venu intégrer (cloner) un gène d’intérêt. En se multipliant, la cellule bactérienne multiplie le plasmide intégré et le gène d’intérêt qui y a été introduit. Les cellules bactériennes sont d’abord rendues artificiellement « compétentes » : • Soit par un traitement chimique qui crée artificiellement des pores dans la paroi de la cellule Le traitement chimique est réalisé en plaçant les cellules bactériennes dans une solution de chlorure de calcium (CaCl2). Ce produit chimique créé artificiellement et provisoirement des nanopores dans la membrane cytoplasmique. Ainsi l’ADN exogène pourra pénétrer passivement. • Soit par un choc électrique qui a pour effet de forcer l’intégration de la molécule d’ADN : c’est l’électroporation >Ici on traite les cellules par un choc électrique violent mais très rapide. Celui-ci va créer artificiellement et provisoirement des pores dans la membrane cytoplasmique par lesquels l’ADN exogène pourra passer passivement. Attention si le choc est mal dosé, les bactéries meurent « électrocutées ». La transformation est une technique de base en génie génétique. II. 2ème mécanisme : la conjugaison bactérienne Parmi les mécanismes intervenant dans les transferts « horizontaux » de gènes entre bactéries, la « conjugaison » est considérée comme le plus important et le plus efficace. La notion de transfert « horizontal » signifie l’échange de matériel génétique (fragment de chromosome, copie de plasmide, transposon) entre cellules d’une population bactérienne. Cette notion illustre la propagation « horizontale » de gènes. Elle s’oppose à la notion de transfert « vertical », c’est à dire d’une cellule « mère » à sa descendance. On voit apparaître que ce mécanisme requiert un contact physique entre 2 cellules qui se matérialise par la fabrication de pili « sexuels ». La conjugaison implique le transfert d’ADN entre deux cellules par l’intermédiaire d’un contact cellulaire initié par des pili conjugatifs (= pili sexuels). Différents éléments peuvent être transférés par la conjugaison : • Des plasmides, • Des régions du chromosome • Des éléments génétiques mobiles A. Découverte par Tatum et Lederberg (1946) Ce mécanisme a été découvert à la suite de différentes expériences de laboratoire par deux microbiologistes : Tatum et Lederberg. Réalisation d’une expérience consistant à mélanger,en milieu liquide, 2 mutants d’E.coli : • Le premier étant déficient (« auxotrophe* ») pour la synthèse de la biotine, de la phénylalanine et de la cystéine : Souche A : E. coli Thr+, Leu+, Thiamine+ , Bio-, Phe-, Cys- Souche A d’E . coli : Thr+ signifie : capable de synthétiser de la thréonine ; Bio- : incapable de fabriquer de la biotine. • Le second étant déficient (« auxotrophe* ») pour la synthèse de thréonine, leucine et thiamine : Souche C : E. coli Thr-, Leu-, Thiamine-, Bio+, Phe+, Cys+ Après quelques heures de contact dans le mélange B, ils étalèrent la culture sur un milieu « minimum » (= qui ne contient ni biotine, ni thiamine, ni Leu, Thr, Phe et Cys) et la placèrent à l’étuve à 37°c. 24 heures après, ils ont pourtant pu observer la croissance de centaines de colonies, qui ne pouvaient être que Thr+, Leu+, Thiamine+, Biotine+, Phe+, et Cys+ (c’est à dire « prototrophes ») Le transfert génétique observé ici est différent de la transformation naturelle et il requiert nécessairement le contact entre 2 bactéries. Ceci a été en partie démontré par uploads/Industriel/ moteur-de-l-evolution-chez-les-pk.pdf