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Les Transferts D’Information Génétique Chez Les Bactéries
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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
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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
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Découverte de la transformation chez les
pneumocoques
Griffith 1928
Avery 1944
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Les pneumocoques (Streptococcus pneumoniae)
Colonies S smooth et R rough
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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
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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.
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CroissanceCroissance
des bactériesdes bactéries
heures1 2 3 4
S. pneumoniae
B. subtilis,
H. influenzae
N. gonorrhoeae
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Espèces bactériennes naturellement transformables
Neisseria meningitidis
Streptococcus pneumoniaeHaemophilus influenzae
Staphylococcus aureus
Campylobacter jejuni Helicobacter pylori
Moraxella spp.
Neisseria gonorrhoeae
Streptococcus sanguisStreptococcus mutans
Bacillus subtilis
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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
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X X
Remplacement
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Délétion
X X
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X X
Insertion
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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
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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
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Conjugaison ou sexualité des bactéries
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- 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
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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
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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.
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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
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- 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 ?
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TraU
Tra A
Membrane externe
Membrane cytoplasmique.
N N
TraATraQ
TraC
TraXTraG
TraB
T
r a E
TraK
TraH
TraF TraW
TrbCTraV
TraI
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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).
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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).
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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
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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
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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
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- 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
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Transduction
Transduction
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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
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- 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
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- 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.
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ASSEMBLAGE MULTIPLICATION
LIBÉRATION
PÉNÉTRATION
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La transduction généralisée
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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
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- 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
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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
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Phage CTX
Phage VPI
RS1 R
ctxBctxA
tcpA
Les transferts d’information génétique
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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
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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?
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• 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 ?
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• 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
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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
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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
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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
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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