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Bactériologie
1 - Anatomie fonctionnelle des bactéries
4 - Les streptocoques, entérocoques et pneumocoques
6 - Les bacilles à gram positif non sporules
7 - Entérobactéries et autres bacilles à gram négatif non exigeants
8 - Les bacilles a gram positif sporules
9 - Les bacilles à gram négatif hémophiles ou exigeants
10 - La flore microbienne normale de l'organisme
13 - Les rickettsia et bactéries voisines
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traduction HTML V2.3
V. Morice
Chapitre 2 - Génétique bactérienne |
2.2 - Les variations génétiques par transfert de matériel génétique
La bactérie peut être l'objet de variations génétiques autres que la mutation. Celles-ci peuvent résulter du transfert de matériel génétique d'une bactérie à une autre par des processus aussi différents que la transformation, la transduction et la conjugaison.
2.2.1 La transformation
La transformation est le transfert passif d'ADN d'une bactérie donatrice à une bactérie réceptrice, dite en état de compétence. Le transfert, qui est partiel et limité à quelques espèces bactériennes, entraîne l'acquisition par la bactérie réceptrice de nouveaux caractères génétiques stables et transmissibles.
Découverte de la transformation. En 1928, Frederick Griffith démontre que l'inoculation sous-cutanée à la souris d'un mélange de pneumocoques capsulés (virulents) tués par la chaleur et de pneumocoques acapsulés (non virulents) vivants, entraîne une septicémie mortelle à pneumocoques capsulés vivants (figure 3a). Il y a donc eu transformation ou « réversion » des pneumocoques acapsulés (R) en pneumocoques capsulés (S). La transformation est plus facile lorsque les pneumocoques acapsulés vivants et les pneumocoques capsulés tués sont du même sérotype.
En 1944, Avery Mac Leod et McCarty démontrent que le « principe transformant » est l'ADN bactérien. Ils réussissent à reproduire in vitro la transformation en présence d'ADN fortement polymérisé. L'activité transformante est perdue en présence de désoxyribonucléase.
Caractères de la transformation. La transformation naturelle ou physiologique exige l'état de compétence qui n'apparaît qu'à certains stades de la division cellulaire et seulement chez une fraction de la population bactérienne. La transformation artificielle est précédée du traitement chimique ou enzymatique de la paroi bactérienne avant sa mise en contact avec l'ADN.
La transformation naturelle peut s'observer chez un nombre limité d'espèces bactériennes à Gram positif (Streptococcus et Bacillus) ou à Gram négatif (Neisseria, Branhamella, Acinetobacter, Haemophilus). Elle se produit selon les phases suivantes (figure 3b) :
apparition de l'état de compétence, fixation puis pénétration et intégration de l'ADN donneur dans le génome de la bactérie réceptrice. Chez les bactéries à Gram positif, les différentes phases mettent en jeu un activateur spécifique d'espèce, excrêté par la bactérie et qui se fixe à la surface de la bactérie. Il y a ensuite synthèse d'une protéine fixatrice de l'ADN, d'une autolysine et une endonucléase. L'ADN fixé est ensuite partiellement hydrolysé puis converti en un fragment monocaténaire.
Les bactéries transformables sont capables de fixer des ADN de multiples sources mais ne sont capables de former des recombinaisons génétiques que si la bactérie donatrice et la bactérie réceptrice sont génétiquement très proches. Cette relative spécificité est liée au fait que l'appariement qui se produit avant la recombinaison exige une étroite homologie des séquences nucléotidiques endogènes et exogènes.
Chez les bactéries à Gram négatif, l'état de compétence est aussi en relation avec la synthèse d'un activateur de paroi qui est excrêté par la bactérie à la phase exponentielle de croissance (H. influenzae) ou à la phase stationnaire (Acinetobacter).
L'ADN donneur se fixe sur la paroi au niveau de sites récepteurs, dans des conditions strictes de métabolisme cellulaire, de pH, de température et d'osmolarité.
Bien que la transformation ne permette que le transfert d'une petite fraction du génome bactérien (<1 %), soit d'efficacité relative (la fréquence de transfert est de l'ordre de 10-4 à 10-6) et soit limitée à quelques espèces bactériennes, elle est d'un grand intérêt théorique et pratique. Elle a permis de comprendre le mécanisme de la synthèse de la capsule, le contrôle génétique de la résistance aux antibiotiques, l'établissement de cartes génétiques, etc... Elle joue un rôle important dans l'évolution vers la résistance du pneumocoque (ß-lactamines). Grâce à la transfection, qui est la possibilité d'infecter des bactéries par des ADN ou des ARN viraux, on a pu démontrer l'universalité du code génétique en 1961.
2.2.2 La conjugaison
La conjugaison est un transfert d'ADN entre une bactérie donatrice et une bactérie réceptrice, qui nécessite le contact et l'appariement entre les bactéries, et repose sur la présence dans la bactérie donatrice ou mâle d'une facteur de sexualité ou de fertilité (facteur F). Celui-ci permet la synthèse de pili sexuels et donne la polarité au chromosome. Le transfert d'ADN chromosomique qui est à sens unique, orienté, progressif et quelquefois total, a beaucoup de similitudes avec le transfert d'ADN extrachromosomique (plasmidique) (figure 4).
2.2.2.1 Mise en évidence de la conjugaison
La découverte de la transformation chez le pneumocoque et la possibilité d'obtenir des mutants auxotrophes (incapables de faire la synthèse d'un métabolite essentiel) ont suscité des recherches sur la recombinaison génétique chez les bactéries. L'expérience princeps de Lederberg et Tatum (1946) est à l'origine de la découverte de la conjugaison. Dans un milieu de culture liquide, ces auteurs ont mélangé deux types de mutants auxotrophes d'E.coli, d'une part des mutants exigeants seulement en thréonine (T-) et en leucine (L-) et, d'autre part, des mutants exigeants seulement en méthionine (M-) et biotine (B-). Après plusieurs heures de contact entre les mutants T- L- M+ B+ et les mutants T+ L+ M- B-, Lederberg et Tatum ont isolé des E.coli T+ L+ M+ B+ (environ 100 pour 108 E.coli). La recombinaison s'était produite avec une faible fréquence (10-6) et exigeait en plus le contact entre les deux types de mutants auxotrophes.
2.2.2.2 Caractères de la conjugaison
- Spécificité
- Le transfert d'ADN chromosomique par conjugaison ne se produit qu'entre bactéries d'une même espèce (spécificité), et surtout chez les bactéries à Gram négatif telles que les entérobactéries (E.coli, Salmonella... et Pseudomonas aeruginosa). Le transfert d'ADN extrachromosomique (plasmide) est en revanche plus répandu parmi les espèces bactériennes et est moins spécifique d'espèce.
- Différentiation sexuelle
- Le transfert, qui est à sens unique (bactérie donatrice-bactérie réceptrice) repose sur la présence chez la bactérie donatrice du facteur sexuel ou facteur de fertilité (F) à laquelle il confère la polarité ou le caractère mâle (F+). Le facteur sexuel est le premier plasmide connu. L'information génétique qu'il porte code pour la biosynthèse de pili sexuels, pour son insertion possible dans le chromosome bactérien et pour la mobilisation (le transfert) de ce dernier vers des bactéries réceptrices (F-).
- Contact ou appariement
- Le transfert chromosomique n'est possible qu'après appariement par couple des bactéries donatrice et réceptrice. Il fait d'abord intervenir les pili sexuels (2 à 3 par bactérie F+) qui reconnaissent par leurs extrêmités les zones de contact à la surface des bactéries F- et s'y fixent puis se rétractent en rapprochant les deux types de bactéries. Ils permettent ainsi leur contact et la formation d'un pont cytoplasmique de 100 à 300 mµ par lequel va s'opérer le transfert chromosomique (figure 4).
- Transfert de l'ADN
- Le pont cytoplasmique formé, le transfert génétique peut commencer. Il ne porte d'abord que sur un brin d'ADN, ce qui permet de restaurer l'intégrité du génôme de la bactérie donatrice par un processus de réplication asymétrique. Ce processus de réplication asymétrique a lieu tout près du pont cytoplasmique et met en jeu un site réplicateur spécifique. Le transfert du brin d'ADN est à sens unique, orienté, progressif, quelquefois total. Il dure alors une centaine de minutes à 37°C. Son interruption artificielle par agitation mécanique permet de déterminer la séquence des gènes transférés et d'établir la carte chromosomique.
- Caractères chromosomiques transférés
- Tous les caractères codés par
le chromosome (c'est-à-dire tous les gènes) peuvent être transférés.
En effet,le facteur F peut être intégré dans le chromosome bactérien
à certains sites. Dans cette position il permet le transfert de gènes
chromosomiques proches de ces sites d'une bactérie à une autre mais
ne transfère que rarement le facteur lui-même.
Le facteur F peut rester autonome dans le cytoplasme. Dans cette position il ne transmet à la bactérie réceptrice que le facteur F mais pas de gène chromosomique. Lors du passage de l'état intégré à l'état autonome, le facteur F peut emporter avec lui des gènes bactériens. Le résultat en est un plasmide F' qui contient ces gènes et capable de les transférer à une bactérie réceptrice de nouveaux gènes : c'est la F-duction ou sex-duction. Si les gènes transférés par le facteur F' s'intègrent dans le chromosome de la bactérie réceptrice, on dit qu'il y a eu recombinaison légitime (chromosomique). S'ils ne s'intègrent pas, ils deviennent de véritables gènes mobiles d'une bactérie à une autre. - Plasmides conjugatifs
- Certains plasmides sont capables d'assurer tous seuls leur transfert par conjugaison. On les appelle plasmides conjugatifs (cf. section 2.2.3).
2.2.2.3 Conclusions
Le transfert de gènes par conjugaison est un facteur majeur d'évolution du patrimoine génétique bactérien, qui joue un rôle essentiel en bactériologie médicale (résistance aux antibiotiques...).
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