Genetique bacterienne

UE 8 – De l’agent infectieux à l’hôte
Jean-Jacques HOARAU
Date : 08/02/2016 Plage horaire : 16h - 18h
Promo : DFGSM2 2015-2016 Enseignant : Jean-Jacques HOARAU
Ronéistes :
RAMJAUN Yassir
SUMUN Mohamad
Génétique bactérienne
I. Définition
1. Origine de la génétique
2. Apports de la génétique bactérienne
II. Variations génotypiques et phénotypiques
1. Variations génotypiques
2. Variations phénotypiques
III. Transferts de matériel génétique
1. Transformation
A. Transformation artificielle
B. Transformation ou compétence naturelle
2. Conjugaison
3. Transduction
A. Transduction généralisée
B. Transduction spécialisée
IV. Essor de la génomique
V. Conclusion

On va voir comment les bactéries arrivent à faire évoluer leur génome et les mécanismes à leur disposition
pour brasser un peu leurs allèles puisqu’il n’y a que des transferts horizontaux de matériel génétique entre
les bactéries (pas de transfert vertical). On verra les variations génotypiques et phénotypiques et aussi les
mécanismes de transfert du matériel génétique entre les bactéries. Il faut savoir que d’un point de vue
purement génétique le plus simple c’est de s’intéresser à la transmission de caractère héréditaire autant que
possible observable mais les bactéries sont trop petites. On terminera sur les apports de la génétique
bactérienne à l’essor de la génomique de façon globale.
I. Définition
1. Origine de la génétique
La génétique (du grec genno = donner naissance) est la science qui étudie l’hérédité et les gènes. La
génétique formelle ou mendélienne, s'intéresse à la transmission, apparition ou disparition des caractères
héréditaires, de manière permanente entre des géniteurs et leur descendance.
Grégor Mendel : (1822-1884), contemporain de Charles Darwin (1809-1882) qui n’a pourtant pas
utilisé ces travaux (sur les petits pois) pour étayer sa théorie de l’Evolution. Mendel publie les premières lois
fondamentales de la génétique formelle en 1865 à partir d’études sur des organismes sexués. La théorie
synthétique de l’évolution ou néo-darwinisme (Huxley, Fisher et Haldane 1942) est l’intégration des
mécanismes de l’hérédité génétique mendélienne à la théorie originale de Charles Darwin.
La découverte de la structure de l’ADN ne date que de 1953. Donc même si on n’avait pas découvert le
support de l’information génétique un peu avant 1953 on commençait déjà à avoir une idée de ce qui pouvait
être le support de l’information génétique et on va voir qu’à partir des années 1900 les travaux sur les
bactéries ont grandement aider à comprendre les mécanismes de transmission des caractères héréditaires.
L’épigénétique est la capacité de transmettre des caractères acquis, qui ne sont pas portés au niveau du
matériel génétique. Il s'agit de modifications de l’ADN qui peuvent être transmises à la descendance mais
qui ne sont pas liées à la succession des bases le long de la double hélice d’ADN. Il s’agit d’un nouveau
domaine de la génétique qui encore actuellement controversé.
2. Apports de la génétique bactérienne
La génétique moderne (bien que commencée avec des mouches à fruits, maïs…) ; la nature de
l’information génétique, la structure du gène, le code génétique, les mutations ont été élucidés par des
expériences sur les bactéries.
Quand on veut étudier les évolutions génétiques, on s’intéresse au phénotype, c'est à dire quels aspects
vont prendre les bactéries. Les bactéries présentent cependant des inconvénients : leur petite taille, les
caractères morphologiques discrets (aspect de la colonie, auxotrophie / prototrophie est la capacité ou non de
certaines bactéries à synthétiser certains éléments qui ne sont pas présent dans le milieu, résistance aux
antibiotiques, sporulation) ; ce sont des caractères pas toujours faciles à mettre en évidence.
Le gros avantage avec les bactéries c’est leur temps de génération. On est capable de générer une
descendance très rapidement. Si on prend le cas de l’une des bactéries les plus utilisées : E. coli, lorsqu’elle
est dans les conditions optimales de croissance, elle peut se diviser toutes les 20 minutes, ce qui permet
d’étudier plusieurs générations et très rapidement de voir l’acquisition de caractères dans des temps
relativement limités.
Les travaux de F. Jacob, J. Monod et A. Lwoff ont apportés des progrès majeurs en biologie moléculaire
et en particulier dans la compréhension de la transmission et de la régulation de l’expression des gènes.

Le grand apport de la génétique bactérienne a été les travaux qui ont permis à Watson et Crick (1953)
de déterminer la structure de l’ADN (cf. PACES : complémentarité des bases, structure en double hélice de
l’ADN…).
II. Variations génotypiques et phénotypiques
Vous avez 2 types de variations qui sont mesurables : les variations génotypiques qui vont affecter le
génome et qui potentiellement peut entrainer des variations phénotypiques, des variations qui sont
observables ou non.
1. Variations génotypiques
Les variations génotypiques qui ont lieu au niveau de la séquence génétique vont pouvoir influer sur
les caractères phénotypiques qui sont les aspects que vont pouvoir prendre les bactéries.
Naturellement, les bactéries peuvent subir (comme n’importe quel génome procaryote, eucaryote ou
viral) des modifications spontanées qui vont conduire à des mutations.
Une variation génotypique correspond à une modification :
- Spontanée ou induite par des facteurs physiques ou chimiques tels les UV ou autre
cancérigène
- Discontinue : apparition aléatoire, selon la loi du tout ou rien
- Stable qui peut être transmise à la descendance
- Rare si elle est spontanée, avec une fréquence = 10-6 (probabilité d’1 / 1 000 000 paires de
bases)
- Spécifique : la probabilité d’obtenir un double mutant = produit des probabilités de chaque
événement pris indépendamment = 10-12.
 Si une bactérie devait se baser essentiellement sur des modifications spontanées pour faire
évoluer son génome, ça prendrait énormément de temps.
Les bactéries utilisent d’autres mécanismes que simplement se baser sur des mutations spontanées pour
faire évoluer leur génome (par exemple : l'intégration de virus, les éléments transposables : les transposons).

Mutation spontanée : acquisition d’une résistance à un antibiotique (fréquence : 10-6 pour une mutation
ponctuelle).
L’intégration de virus est une autre cause de modification du génome bactérien. Vous avez des
bactériophages qui en infectant des bactéries peuvent amener du matériel génétique qui peut s’intégrer au
génome bactérien.
Les génomes bactériens possèdent également des éléments mobiles, des transposons qui peuvent se
déplacer sur le génome et éventuellement activer ou inactiver certains gènes. Tous ces phénomènes sont
extrêmement rares et pas forcément visualisable.
2. Variations phénotypiques
Particularité, notamment chez les bactéries : les variations phénotypiques ne dépendent pas que des
variations génétiques. Donc il y a des variations phénotypiques qui ne sont pas d’origine génotypique.
Par exemple la diauxie.
La diauxie est un mécanisme retrouvé chez Escherichia coli.
On cultive E. coli sur un milieu minimum, càd un milieu de base suffisant à la croissance bactérienne.
Cela se fait assez facilement : on met les bactéries dans un milieu liquide et régulièrement vous prenez
un échantillon et vous faites une mesure de la densité optique ce qui vous permet d’avoir une mesure a
600nm de la densité des bactéries présentes.
Quand vous cultiver des bactéries sur un milieu qui contient du glucose et du lactose. Vous avez
d’abord une courbe exponentielle et après vous avez un ralentissement de la croissance et après il y a la
même structure de croissance exponentielle et puis à nouveau ça sature.
Cette croissance biphasique est liée à une adaptation des
bactéries en fonction des sources nutritives qu’elles ont
dans le milieu. Lorsqu’il y a du glucose dans le milieu,
l’opéron lactose qui permet d’utiliser le lactose est réprimé.
Lorsque le glucose arrive à épuisement, il y a une levée de
l’inhibition de l’utilisation de l’opéron lactose, ce qui
permet à la bactérie à ce moment-là d’utiliser le lactose.
Tout ça est quantifiable.
Il n’y a pas de mutation ici. On peut avoir une variation
phénotypique chez une bactérie, sans que ça n’indique une
variation génétique. Il s’agit simplement de la mise en
action de mécanismes « physiologiques » dépendant de
l’environnement dans lequel évolue la bactérie.
On peut également retrouver d’autres variations phénotypiques qui ne dépendent pas de variation
génotypiques pour d’autres capacités des bactéries :
- Auxotrophe / prototrophe (Leu+ / Leu-)
- Thermo sensibilité / résistance (Ts / Tr)
- Sensibilité / résistance aux bactériophages
- Sensibilité / résistance aux antibiotiques.
Prototrophe (toujours par rapport à quelque chose) : organisme vivant capable de proliférer dans un
milieu de base (= milieu minimum) sans nécessité la présence de facteurs de croissance (acides aminés
particuliers par exemple). Un organisme prototrophe est capable de synthétiser les substances nécessaires à
sa prolifération à partir de ce milieu minimum.

Ex : une bactérie qui est dans un milieu qui ne contient pas de Leucine mais qui arrive à en synthétiser
est dit prototrophe, donc elle va avoir le phénotype Leu+, puisqu'elle dispose de la machinerie et donc du
gène qui permet de produire la Leucine.
Auxotrophe : organisme incapable de synthétiser ses facteurs de croissance à partir d’un milieu
minimum.
Ex : une bactérie auxotrophe à la Leucine elle va avoir un phénotype Leu-, donc si on met ces bactéries
dans un milieu où il n'y a pas de Leucine, elles ne pourront pas croître.
L'auxotrophie et la prototrophie se retrouve pour différents acides aminés essentiels, différentes
vitamines, différents acides gras essentiels...
Les différents caractères phénotypiques que l'on peut étudier sont extrêmement larges, comme la
thermorésistance ou la thermosensibilité, la résistance à certains virus en particuliers aux bactériophages
(ex : phage lambda pour E.coli), ou la résistance à certains antibiotiques. Ces caractères éventuellement
peuvent être transmis à d’autres bactéries.
Question d’élève : La diauxie et ces différentes variations phénotypiques dépendent-elles uniquement
du génome de la bactérie ?
Ces variations phénotypiques dépendent du génome de la bactérie, de l’ADN génomique, mais
également de l’éventuelle présence de plasmide qui apporte des gènes complémentaires à ceux de la
bactérie. Ces variations phénotypiques sont des caractéristiques soit intrinsèques, portées par le génome de
la bactérie ; soit des caractéristiques qu’elle va pouvoir acquérir.
Les variations phénotypiques dépendent du matériel génétique présent au sein de la cellule.
De nombreuses études montrent que des modifications phénotypiques apparaissent beaucoup plus
fréquemment que lorsqu'on se base que sur les fréquences liées aux mutations. On a remarqué que ces
évolutions du génome sont liées aussi à des transferts horizontaux de matériel génétique.
Du coup, ça nous amène aux premiers travaux qui nous permettent de mettre en évidence la façon donc
les bactéries s’échangent du matériel génétique et qui passent par les mécanismes de transfert horizontaux.
Ce transfert horizontal de nouvelles séquences d’ADN se fait entre 2 bactéries ou si la bactérie puise
dans le milieu extérieur.
Frederick Griffith (1928), est le 1er à avoir mis en évidence ce transfert horizontal.
A partir de ses expériences sur Streptococcus pneumoniae, il identifia en culture 2 souches différentes :
la souche R avirulente et la souche S virulente.
La souche R injectée à des souris ne tue pas ces souris alors que la souche S tue les souris. Lorsqu’il a
pris la souche virulente, qu’il l’a chauffé pour l’inactiver puis l’a injecté aux souris, les souris ne mourraient