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MB7 : Bactériologie B3 – Génétique bactérienne Janvier 2007 C. Carrière 1 Facul

MB7 : Bactériologie B3 – Génétique bactérienne Janvier 2007 C. Carrière 1 Faculté de Médecine Montpellier - Nîmes GÉNÉTIQUE BACTÉRIENNE 1. Définition de la génétique Science de la variation et de l'hérédité, née de l'étude chez les organismes doués de reproduction sexuée, du croisement ou hybridation entre races ou variétés de la même espèce. 2. Les variations génotypiques bactériennes 2.1. Définition de la variation génotypique Il s'agit d'une modification spontanée ou induite, discontinue, stable, rare, spécifique et iée à une modi- fication du génome bactérien (ADN). Ceci définit, la mutation. 2.2. Caractères • Spontanée : l'antibiotique, par exemple, sélec- tionne les rares formes variantes pré-existantes dans une population bactérienne comme dans une tuberculose pulmonaire. • Induite : le caractère induit de la mutation bacté- rienne est bien connu lors de l'utilisation de rayonnements de type UV ou de substances chimiques génotoxiques. • Discontinue ou brusque : elle apparait selon la loi du tout ou rien. • Stable : le caractère acquis est alors transmissible à la descendance, donc héréditaire. • Rare : elle est mesurable par le taux de mutation qui est la probabilité pour une bactérie de muter pendant une unité de temps définie (souvent le temps de génération). Il est caractéristique d'un caractère donné, de l'ordre de 10-5 à 10-10, le taux moyen étant de l'ordre de 10-6. Il convient de sa- voir qu'il y a une corrélation avec la fréquence de mutants ou proportion de mutants qui existe à un moment donné dans une culture. Celle-ci est de détermination aisée. • Spécificité - Indépendance : la probabilité pour une bactérie de subir simultanément deux mu- tations distinctes est le produit des probabilités individuelles de ces mutations. Cette notion est d'importance, afin d'éviter la sélection d'un mu- tant résistant, dans l'antibiothérapie, antitubercu- leuse par exemple. L'instauration d'une mono- thérapie est suivie de la sélection d'une souche résistante. En effet, une caverne évolutive de 2 cm de diamètre peut contenir une population ba- cillaire de l'ordre de 108 bacilles tuberculeux. Si le taux mutation est de 10-5 pour l'isoniazide (INH) et de 10-7 pour la rifampicine (RIF), la probabili- té d'isoler un double mutant résistant à INH-RIF est de 10-12. Une telle émergence sera évitée par une antibio- thérapie associant, au-moins deux antitubercu- leux. • Modification de la structure du gène : unité de transmission héréditaire, entrainant quelquefois une modification de la structure primaire de la chaine polypeptidique correspondante. La muta- tion est une modification de l'ADN, donc de la séquence désoxyribonucléotidique. Divers types de mutation sont connues telles la modification d'une paire de nucléotides ou plus. Leurs effets sont variables: silencieux ou léthal. 2.3. Conclusions Il s'agit d'un mécanisme mineur d'évolution bactérienne, car la probabilité d'obtention de mutants spontanés est faible souvent sans avantage sélectif pour la forme variante, à l'exception de la résistance aux antibiotiques. 3. Transferts de matériel génétique 3.1. Introduction Il en existe trois : la transformation, la conjugai- son et la transduction Ces transferts d'acide désoxyribonucléique (ADN) bactérien doivent être suivis de recombinaison géné- tique dite légitime (s'il provient d'une même espèce ou d'une espèce voisine). Dans d'autres circonstances, l'ADN peut ne pas se recombiner (cf plasmide). Ces transferts sont unidirectionnels, le plus souvent partiels (1 à 2 % du génome transféré) et d'efficacité faible (fré- quence de recombinaison de l'ordre de 10-6). MB7 : Bactériologie B3 – Génétique bactérienne Janvier 2007 C. Carrière 2 Faculté de Médecine Montpellier - Nîmes 3.2. La transformation bactérienne 3.2.1. Définition La transformation "naturelle" ou physiologique est le premier modèle connu de transfert de matériel génétique lui-même (ADN), qui est fixé et absorbé par des bactéries réceptrices, dites en état de compé- tence. Ce modèle a permis de démontrer que l'ADN était le support chimique de l'hérédité en 1944. 3.2.2. Caractéristiques D'une part, il doit y avoir de l'ADN libéré d'une bactérie (exogénote). D'autre part celui-ci doit être fixé sur une bactérie réceptrice en phase de compé- tence Cette absorption d'ADN polymérisé est suivie d'une recombinaison génétique légitime avec acquisition de nouveaux caractères génétiques stables, donc transmissibles à la descendance dénommés recombinants ou transformants. Ce transfert naturel d'ADN bactérien est limité à quelques espèces telles Streptococcus dont S. pneu- moniae, Neisseria, Haemophilus..... Il est partiel : une partie de l'exogénote (1-2% du génome) pénètre et se recombine (si homologie suffisante). 3.2.3. Applications scientifiques En bactériologie médicale, son intérêt est lié à l'émergence d'espèces résistantes aux antibiotiques comme le pneumocoque ou récemment, le ménin- gocoque. Cette émergence de la résistance, à la pénicilline G par exemple, a été lente depuis l'introduction des antibiotiques. En fait ce phénonème n'a été possible qu'après sélection de mutants résistants (streptoco- ques buccaux) lors d'antibiothérapie puis de trans- fert du ou des gènes de cette résistance par transfor- mation naturelle à l'espèce pathogène potentielle en situation de portage. 3.3. Conjugaison ou sexualité bactérienne 3.3.1. Définition Processus sexuel strict qui nécessite un contact préalable et un appariemment entre bactéries de sexe différent avec la formation d'un pont cytoplasmique permettant les échanges bactériens dont celui du chromosome. Le facteur de sexualité ou de fertilité (F) permet la synthèse de pilis sexuels chez la bacté- rie donatrice ou mâle et donne la polarité au chomo- some. Le transfert d'ADN chromosomique est à sens unique, orienté, progressif et quelquefois total (2 h). 3.3.2. Caractéristiques • Spécificité - Fréquence : Le transfert d'ADN chromosomique suivi de recombinaison est spé- cifique (intra espèces), mais limité, en particulier aux espèces à Gram négatif telles E. coli, Salmonel- la, Pseudomonas aeruginosa et aussi chez les Strepto- coccus. • Différenciation sexuelle : Le transfert d'ADN qui est à sens unique ou orienté (croisements fer- tiles (F) que dans un sens), met en évidence la différenciation sexuelle entre le donneur et le re- ceveur. Elle porte sur la présence du facteur sexuel, appelé encore facteur de fertilité (F), donnant la polarité à la bactérie donatrice ou mâle (F+). Il s'agit du premier plasmide connu. Son potentiel d'information génétique (de l'ordre de 2 % de celui du chromosome bactérien) code pour la biosynthèse d'appendices ou pili sexuels, pour son insertion possible au chromosome bac- MB7 : Bactériologie B3 – Génétique bactérienne Janvier 2007 C. Carrière 3 Faculté de Médecine Montpellier - Nîmes térien, pour la mobilisation ou le transfert partiel ou non de ce dernier dans la bactérie réceptrice (F-). La conjugaison est ainsi dénommée sexuali- té des bactéries. • Contact ou appariement : Cette phase indivi- dualise ce mode de transfert. En effet, le trans- fert de gènes du donneur au receveur n'est pos- sible qu'après la formation de paires ou couples de bactéries donatrice-réceptrice. Le rôle des pilis sexuels, flexibles ou non (2 à 3 par donneur) est essentiel, bien qu'incomplètement élucidé. Leurs extrémités spécifiques, repérées par des bactério- phages, reconnaissent des zones de contact à la surface cellulaire des bactéries réceptrices, s'y fixent et se rétractent. Cette rétraction des pilis sexuels a pour effet de rapprocher les deux bac- téries de sexe différent permettant un contact cellulaire étroit (pont cytoplasmique de 100 à 300 mµ). • Transfert de l'ADN chromosomique : La mobilisation du chromosome de la bactérie do- natrice peut alors débuter à travers le pont cyto- plasmique sous la forme monocaténaire (un des deux brins transmis). Ce transfert est à sens uni- que, orienté et progressif, quelquefois total, du- rant alors une centaine de minutes à 37° C. Son interruption artificielle par agitation mécanique a permis l'analyse cinétique. • Caractères transférés - fréquence : N'importe quel gène bactérien peut être transféré comme l'aptitude à biosynthétiser un acide aminé (thréo- nine, leucine, sérine). La fréquence de recombi- naison est faible, de l'ordre de 10-6. Ce mode de transfert d'information génétique est rencontré lors d'échange d'ADN non chromo- somique comme l'ADN plasmidique (plasmides conjugatifs). Il s'agit du principal facteur d'évolution des bactéries, en particulier pour l'acquisition de la résistance aux antibiotiques. 3.4. Transduction 3.4.1. Définition Il s'agit d'un transfert d'ADN bactérien partiel, par l'intermédiaire de bactériophages dont le rôle est passif (vecteur). Il est dans ce cas, virulent donc se multiplier dans la bactérie. Lors de la phase d'en- capsidation, il incorpore de l'ADN bactérien frag- menté. 3.4.2. Caractéristiques • INCIDENCE : Ce phénomène est en relation avec l'existence de nombreuses souches lysogè- nes. Il est décrit aussi bien chez les espèces bac- tériennes à Gram positif (Staphylocoques, Bacil- lus) qu'à Gram négatif (Entérobactéries, Pseudo- monas). • TYPES : Trois variantes conditionnent les autres caractères tels spécificité du ou des caractères transduits, fréquence de transduction, recombi- naison génétique ou non. Ce transfert partiel de gènes bactériens peut s'accompagner d'une recombinaison légitime (trans- duction généralisée) ou non (tr. abortive et quelque- fois tr. spécialisée). En bactériologie médicale, on évoquera le terme de conversion lysogénique qui pourrait être une autre modalité de transduction ? Plusieurs exem- ples ont un intérêt médical. 3.5. Conversion lysogénique 3.5.1. Définition C'est l'acquisition par une bactérie d'un caractère somatique particulier déterminé par le génome d'un prophage spécifique. Son expression dans toutes les bactéries est lié à l'état lysogène. Il dis- parait avec la perte de celui-ci. 3.5.2. Exemples : uploads/Ingenierie_Lourd/ b3-genetique.pdf