GENETIQUE BACTERIENNE Généralités sur les bactéries : - Peu d’ADN non codant (<10%) - Temps de génération : 10 min à 2H (dépend nb ribosome) - Une mutation /108 bactéries = dans une colonie 1000 – 2500 gènes ; Génomes = 1 – 4 MB Plasmides non réplicatifs : transposons Mécanisme d’adaptation génétique des bactéries à leur environnement. Le transposon est composé d’un fragment d’ADN appelé intégrons (ex : gène de résistance aux AB), limité par des séquences répétitives inversés (IR) appartenant à des séquences d’insertion. Il suffit d’avoir une séquences analogies pour que le transposon s’intègre de façon temporaire ou définitive. → Rôles des intégrons : - Système de capture de gènes en particulier de R aux antibiotiques. = Rôle dans l’évolution des génomes bactériens et la résistance aux AB - Système d’expression des gènes (promoteur de l’intégron) Système de dissémination des gènes parmi les bactéries (bacilles à Gram négatif, corynébactéries, entérocoques) I. Génétique bactérienne A. Définition Étude structurale et fonctionnelle des acides nucléiques Et Étude de la transmission des caractères → Intérêt pour le clinicien : Comprendre la physiologie bactérienne Résistance aux antibiotiques ----→ prescription / choix de molécules Développement de Kits diagnostiques B. ADN = support de l’hérédité chez les bactéries Un chromosome, circulaire (rarement linéaire), bicaténaire, super-enroulé, avec une seule origine de réplication. (Exceptionnellement 2 chromosomes (Brucella) ou 3chr chez spirochètes) Le chromosome se trouve dans le cytoplasme car il n’y a pas de noyau ; la bactérie peut absorber de l’ADN étranger ! Possibilité de présence de mini-chromosomes additionnels : les plasmides porteurs d’informations génétiques complémentaires, étant auto-réplicatif. C. Plasmides Mini-chromosomes d’ADN 1 à 200 copies d’un seul plasmide Plusieurs plasmides différents peuvent coexister Réplication des plasmides indépendante de celle du chromosome à partir d’une origine unique de réplication présente sur chaque plasmide. Plasmides réplicatifs de clonage, utilisé en recherche biomoléculaire. Il comprenne une casette de clonage : gène transloqué qui confère à la bactérie recombinante une résistance aux AB II. Variations phénotypiques : Une modification est spontanée ou induite par l’environnement (UV, rayons, substances chimiq.) (système de correction) L’impact peut correspondre à l’existence, dans le matériel génétique de toutes les bactéries d’un même clone (descendance bactérienne), d’une information permettant à la population descendante de modifier certaines de ses caractéristiques phénotypiques. Un mécanisme de variation peut exister chez tous les membres de cette colonie et est transmis à tous les descendants de chaque bactérie, mais va s’exprimer différemment selon les individus descendants et selon les conditions d’environnement. Exemples de variations phénotypiques Variations morphologiques (PO2 sur Acinetobacter) Variations de pigmentation (température sur Serratia) Variation de la production de protéines (induction enzymatique, toxine) Variations spontanées de la composition protéique des flagelles de Salmonella (« variation de phase ») A. Régulation Variation de phase : Le mécanisme responsable de la « variation de phase flagellaire » correspond à une modification de l’orientation d’un promoteur via un transposon : - sens direct : le promoteur permet la transcription d’un gène de structure H2 flagellaire (et d’un inhibiteur de production d’un 2e gène flagellaire) - sens inversé : pas de transcription du gène de structure H2 (ni de l’inhibiteur du 2e gène : ce 2e gène est alors exprimé) En fonction de la température chez la Salmonella, la séquence en rouge (hix) peut s’inverser (mouvement de flip-flop), donnant ainsi soit le sérotype H1 ou H2. → La réparation de l’ADN : Réparation par excision de nucléotides sur les photodimères de pyrimidines (la bactérie est la seule à avoir un système réparant les dimères causés par les UV), par l’endonucléase ABC ou par RecA par recombinaison réductrice. Résumé VARIATIONS PHENOTYPIQUES Système à 2 composants : senseurs – effecteurs : par carence ou excès d’une molécule signal dans l’environnement bactérien, le senseur active la phosphorylation d’un transmetteur, cette phosphorylation se propage ensuite vers l’élément régulateur qui lui, devient opérationnel pour induire la réponse corrective : expression ou répression d’enzymes, de toxines, … Régulation post-transcriptionnelle de l’expression d’un gène Atténuation de l’expression par la structure secondaire de l’ARNm peut-être fonction de l’abondance/carence de substrat. (un substrat régule négativement sont expression) = Balance répresseur – opérateur : processus économique d’autorégulation III. Variations génotypiques Apparition d’individus différents susceptibles de transmettre cette différence à leur - Exigences métaboliques : autotrophe = synthèse nutriment à partir carbone) Auxotrophe = non capable - Virulence +/- Résistance aux antibiotiques S/R B. Caractéristiques des mutations : Discontinuité (agents physiques, chimiques…) Spontanéité Rareté Mutations spontanées (fréquence : 10-8) / augmentée par des agents mutagènes (10-4) Stabilité (grâce aux systèmes de réparation mais révertants possibles) Spécificité : 1 gène → un ou plusieurs caractères phénotypiques Indépendance VARIATIONS GENOTYPIQUES Non fixées héréditairement dans un phénotype Fixées héréditairement dans un phénotype Touche l’ensemble de la population, au départ Touche une faible partie de la pop Ne concerne que certains caractères/phénomènes Peut atteindre tous les caractères en toute position du génome DONC : → Antibiotiques en monothérapie Si nombre de bactéries peu élevé : efficacité Si nombre de bactéries > 106 : potentiel apparition de mutants spontanés de résistance → Si les résistances connues proviennent de mutations chromosomiques, associer 2 antibiotiques au moins car : Mutations indépendantes Nombre de bactéries infectantes p résistants < 10-12 peu d’émergence de mutants résistants Exemple : Traitement d’infections bactériennes par des antibiotiques pour lesquels les résistances sont habituellement d’origine chromosomique Traitement de la tuberculose : association de > 3 antibiotiques Traitement d’autres infections par certains antibiotiques tjs associés : rifampicine, acide fusidique, fosfomycine, … quinolones IV. Autres origines génétiques de la résistance bactérienne aux AB Expérience de Fred Griffith (1932) B. Conjugaison Passage d’information génétique entre deux bactéries par contact physique, sans molécules d’ADN libre dans le milieu extérieur. Ces échanges génétiques sont dissymétrie : une bactérie donne, après réplication, une partie de son matériel génétique (souche donatrice ou mâle) l’autre (qui doit rester vivante) l’intègre (souche réceptrice ou femelle) → Contact entre bactéries mâle F+ et femelle F-par l’intermédiaire d’un pilus « sexuel » porté par la bactérie mâle Souche donatrice : possède un grand plasmide ou épisome qui code pour : son auto-réplication quand contact mâle/femelle les pili sexuels Souche réceptrice : ne possède ni ce plasmide particulier, ni de pili sexuel La souche réceptrice (femelle) acquiert le plasmide conjugatif et devient donatrice (mâle) => Deux bactéries pas forcément de la même espèces / du même gram vont acquérir l’épisome et les nombreux gènes de résistances - survie des souris après injection de pneumocoques non pathogène qui n’ont pas de capsule - mort des souris par pneumonie après injection de pneumocoque de souche L avec capsule - mort souris après injection de souches capsulé morte mélangé a souches vivantes virulentes → existence facteur génétique transmissible qui passe des bactéries virulentes aux bactéries non pathogènes, les rendant ainsi pathogène → facteur transformant est l’ADN A. Transformation Phase où les bactéries sont compétentes, avec importance des nutriments empruntant des canaux ioniques, également emprunté par l’ADN. Ainsi durant cette phase transformable on aura l’Intégration du matériel génétique étranger sur un réplicon (plasmide, chromosome) La bactérie possède un système de restriction-modification qui crée une barrière composé : Acétylase, associée aux chr bactérien : immunisation bactérie contre sa propre enz de restriction Enz de restriction, coupe en reconnaissant des sites particuliers : système sentinelle contre l’ADN exogène → Traitement dissociant qui désintègre l’ADN pour éviter que la bactérie capte cet ADN et devienne résistante aux AB. Propriétés de la conjugaison Plusieurs mécanismes : avec pili (Entérobactéries, Pseudomonas, autres bacilles à Gram négatif) sans pili (Staphylococcus aureus) La conjugaison bactérienne est responsable d’épidémies de plasmides : le plasmide conjugatif se dissémine horizontalement dans la population bactérienne et à toute la descendance de chacune des bactéries contaminées C’est le mécanisme le plus fréquent de transfert de gènes de résistance aux antibiotiques dans les hôpitaux Cette technique a d’autres applications en biologie moléculaire (cartographie) C. Transduction Échange de matériel génétique entre bactéries faisant intervenir des virus de bactéries appelés « bactériophages » (Bactériophage : virus spécifique d’une bactérie donnée) Les Ac nucléique bactérien et viraux lors de la réplication virale sont empaqueté dans une capside, le pseudo bactériophage se fixe sur un récepteur de surface d’une autre bactérie puis libère son acide nucléique dans le cytoplasme bactérien. Ainsi, il y a un transfert génétique direct entre deux bactéries. Fonctionnement bactériophages : Chez les bactériophages virulents L’ADN viral se multiplie en utilisant la machinerie bactérienne. Il y a dégradation de l’ADN bactérien Chez les bactériophages tempérés L’ADN viral s’intègre dans l’ADN bactérien et se multiplie en même temps que le chromosome bactérien ADN viral intégré = « prophage » Bactérie hébergeant le prophage = « bactérie lysogène » Dans ce type de bactériophages ont retrouve souvant des gènes qui sont toxiques aux bactéries, donnant un cycle lytique avec libération de virions (= particules virales). Mécanismes de la transduction 1- Un morceau d’ADN chromosomique bactérien est empaqueté par erreur avec (ou à la place) de l’ADN viral (événement rare) 2- Les virions normaux et chimères sont libérés et infectent d’autres bactéries 3- L’ADN bactérien empaqueté par erreur entre dans une autre bactérie (principe du cheval de Troie) 4- Si recombinaison exclusive de cet ADN étranger avec un réplicon de la bactérie réceptrice, alors ce matériel étranger s’exprimera dans la bactérie réceptrice Fréquence de transfert de gène faible : 10-5 à 10-8 Transduction localisée Transduction généralisée
