Chapitre 2 - Génétique bactérienne

2.2 - Les variations génétiques par transfert de matériel génétique

2.2.3 Les plasmides

Les plasmides sont des molécules d'ADN bicaténaire, circulaires et cytoplasmiques, de petite taille (5 à 4000 fois plus petit que le chromosome), se replicant d'une manière autonome et non indispensables au métabolisme normal de cellule-hôte. Leur transmission d'une cellule bactérienne à une autre peut s'effectuer par conjugaison (Tra+) ou transduction.

2.2.3.1 Mise en évidence

Le terme de plasmide a été créé en 1952 par Lederberg pour désigner tout élément génétique cytoplasmique, comme le facteur F. Les plasmides de résistance aux antibiotiques ont été découverts en 1956 au Japon à l'occasion d'une épidémie de dysenterie bacillaire (Shigella dysenteriae) à bacilles résistants.

2.2.3.2 Propriétés biologiques portées par les plasmides

Les gènes portés par les plasmides peuvent coder pour la synthèse de protéines qui confèrent des propriétés biologiques diverses : résistance aux antibiotiques (bêta-lactamines, aminosides, phénicols, cyclines, macrolides) chez les bactéries à Gram positif ou négatif ; résistance aux antiseptiques mercuriels, aux métaux lourds (antimoine, argent, bismuth...) ; résistance aux bactériophages. Les plasmides permettent ainsi aux bactéries de s'adapter à un environnement hostile.

La virulence des bactéries peut aussi être à médiation plasmique : pouvoir pathogène des colibacilles entéropathogènes (diarrhées des voyageurs), pouvoir pathogène des staphylocoques dans l'impétigo (exfoliatine).

Les plasmides peuvent également coder pour la synthèse de bactériocines qui inhibent la croissance d'autres bactéries (ex. : colicines létales pour les entérobactéries). Ils peuvent aussi porter les gènes qui codent pour le métabolisme du lactose ou de la lysine chez les Proteus, la production de H₂S chez E.coli, la dégradation du toluène ou de l'octane chez les Pseudomonas...

Les plasmides possèdent des gènes qui assurent leur réplication autonome. Certains plasmides possèdent aussi des gènes qui assurent leur transfert par conjugaison (plasmides conjugatifs). Des classifications de plasmides par classes d'incompatibilité (Inc) ont été établies. Deux plasmides s'excluant mutuellement, c'est-à-dire ne pouvant coexister dans la même bactérie, appartiennent au même groupe d'incompatibilité.

2.2.3.3 Conclusion

Les plasmides confèrent aux bactéries qui les hébergent de nombreux caractères génétiques par un mécanisme d'addition et non par un mécanisme de substitution. Ils représentent un élément essentiel d'adaptation bactérienne. Ils sont responsables d'épidémies de gènes (notamment de résistance aux antibiotiques), qui ont fait découvrir les transposons, appelés encore gènes sauteurs ou mobiles.

2.2.4 La transposition - Les transposons

La transposition est l'intégration directe d'une séquence de gènes (de taille limitée) au sein d'un génome (chromosomique ou plasmidique), en l'absence d'homologie de séquence nucléotique (recombinaison illégitime). Les gènes qui s'additionnent de cette manière sont dits transposables et s'organisent en structures appelées transposons (Tn) qui portent les déterminants de la transposition (excision, intégration, transposition) et des gènes qui codent pour d'autres fonctions, par exemple la résistance aux antibiotiques.

2.2.4.1 Mise en évidence de la transposition

La constatation, en 1971, par N. Datta, du passage (saut) d'un gène de résistance aux bêta-lactamines d'un plasmide à un autre plasmide appartenant à des classes d'incompatiblité différentes au sein d'une même bactérie a fait découvrir l'existence de gènes « sauteurs » ou mobiles. L'acquisition de ces gènes se traduit par une augmentation de taille du plasmide récepteur et l'acquisition de propriétés nouvelles.

2.2.4.2 Propriétés des transposons

Les déterminants génétiques transposables peuvent être la résistance à des antibiotiques très divers (bêta-lactamines, aminosides, phénicols, cyclines, érythromycine, sulfamides et triméthoprime). D'autres marqueurs peuvent être portés par des transposons : la résistance aux sels de métaux lourds, certains caractères métaboliques, etc...

La majorité des transposons identifiés proviennent des plasmides de bacilles à Gram négatif, mais certains proviennent de cocci à Gram positif comme le transposon de résistance à l'érythromycine chez Staphylococcus aureus.

2.2.4.3 Structure des transposons

Le transposon (figure 5) est constitué d'un fragment d'ADN limité de part et d'autre par des séquences répétitives inversées (IR) appartenant à des séquences d'insertion (IS). Les séquences d'insertion portent les gènes nécessaires à la transposition (transposase, éléments régulateurs de la transposition) et le fragment central porte les marqueurs spécifiques (exemple : gènes de résistance aux antibiotiques).

2.2.4.4 Conclusion

Le transposition est un mécanisme d'adaptation génétique particulièrement efficace des bactéries à leur environnement.

2.2.5 La transduction

La transduction est le tranfert d'ADN bactérien par l'intermédiaire de bactériophages (ou phages). Ceux-ci sont des virus de bactéries, qui existent sous la forme virulente ou tempérée. Les phages virulents se multiplient dans la bactérie (ou mieux sont répliqués par la bactérie) et la lysent. Les phages tempérés s'intègrent dans le chromosome bactérien sans induire la réplication et sont répliqués en même temps que lui. Le bactériophage est alors appelé prophage et la bactérie qui en est porteuse, une bactérie lysogène. Dans une population de bactéries lysogènes, un prophage se libère de temps à autre du chromosome bactérien, devient virulent, se multiplie, provoque la lyse de la bactérie et peut infecter de nouvelles bactéries. Si, au cours de sa libération, le prophage emporte avec lui plusieurs gènes bactériens, il peut y avoir transfert par le bactériophage de gènes bactériens d'une bactérie (lysogène) à une autre (lysogène). C'est la transduction.

2.2.5.1 Caractères de la transduction

Incidence

La transduction est liée à l'existence de bactéries lysogènes, à Gram positif (staphylocoque, streptocoque, Bacillus) ou à Gram négatif (entérobactéries, Pseudomonas).

Type de transduction

1. Lorsque les gènes transférés (pas plus de 1 à 2 % du génome de la bactérie lysogène) s'intègrent dans le chromosome de la bactérie réceptrice et que celle-ci les transmet à sa descendance, on dit que la transduction est complète ou généralisée (figure 6).
2. Lorsque les gènes transférés ne sont pas intégrés dans le chromosome, ce qui est fréquent, on dit que la transduction est abortive. Dans ce cas, les gènes passent de la cellule mère à une seule cellule fille, etc... Il n'y a pas généralisation du caractère transféré à l'ensemble des descendants.
3. La conversion lysogénique. Dans certains cas, le génome du bactériophage apporte par lui-même un nouveau caractère très important pour la bactérie réceptrice, par exemple, la sécrétion de la toxine diphtérique, la sécrétion de la toxine érythogène du streptocoque A (scarlatine) ou la présence de certains facteurs antigéniques. On dit alors qu'il y a eu conversion lysogénique. La conversion et la transduction sont des phénomènes qui font tous deux intervenir un bactériophage. Mais, dans le premier cas, c'est le génome du bactériophage qui est responsable du nouveau caractère acquis par la bactérie ; dans le second cas, le bactériophage a seulement un rôle de vecteur et le génome transféré provient d'une autre bactérie.

2.2.5.2 Conclusions

Le transfert d’ADN bactérien par transduction a été très utilisé par les généticiens en raison de sa faible fréquence (10^-6), de son caractère partiel (1-2 % du génome bactérien) et de sa relative non-spécificité. On peut concevoir qu’elle a joué, plus que la trasformation mais moins que la conjugaison, un rôle important dans l’évolution bactérienne.