La transduction généralisée

LA TRANSDUCTION
Définition : La transduction est le transfert d'ADN bactérien
d’une bactérie à une autre par l'intermédiaire d’un
bactériophage (ou phages) à ADN bicaténaire.
Les bactériophages sont des virus de bactéries, qui existent
sous la forme virulente ou tempérée.
Phages
tempérés
Phages
virulents
PHAGES VIRULENTS
Adsorption du phage
sur paroi bactérienne
Injection acide
nucléique phagique
Réplication acide
nucléique phagique
Assemblage des virions
( capside + acide nucléique)
Lyse bactérie
Libération des virions
Ce cycle est appelé cycle lytique
PHAGES TEMPERES
association stable avec la bactérie
infectée : intégration du génome
phagique dans le chromosome bactérien.
Le bactériophage est alors appelé
prophage et la bactérie qui en est
porteuse, une bactérie lysogène.
Dans ce cas les bactériophages
n’induisent pas la réplication (les
facteurs lytiques sont inexprimés),
leur ADN viral est répliqué en
même temps que le chromosome
bactérien et il est transmis aux
cellules filles de façon héréditaire.
Ce cycle est appelé cycle lysogénique.
PASSAGE DU CYCLE LYSOGENIQUE AU CYCLE LYTIQUE
De temps en temps, dans une
population de bactéries
lysogènes, un prophage
redevient virulent, se multiplie,
provoque la lyse de la
bactérie et peut infecter de
nouvelles bactéries.
Ce passage de la forme
tempéré à virulente peut être
spontanée
ou
provoquée
(irradiation, UV…)
Le prophage se libère du
chromosome bactérien
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
bactérie.
 C'est la transduction.
Il existe deux types principaux de transduction :

La transduction généralisée :
Assurée par les phages virulents, qui au cours du cycle
lytique encapsident par erreur et de façon aléatoire des
fragments d’ADN de la bactérie.
Il se forme alors un phage composite qui peut infecter une
nouvelle bactérie et lui transmettre ainsi un fragment de
l’ADN de la bactérie précédemment lysée.

La transduction restreinte ou spécialisée :
Assurée par les phages tempérés qui s’insèrent toujours
au même endroit sur le chromosome bactérien.
Et qui au cours du passage d’un cycle lysogénique à un
cycle lytique, peuvent :
- soit se détacher du chromosome bactérien sous la
forme originale (phage complet),
- soit y abandonner une partie de l’ADN phagique tout en
encapsidant quelques gènes bactérien à proximité de
l’ADN phagique intégré.
Dans ce cas, la transduction se limite aux gènes qui
délimitent l’ADN phagique inséré dans le chromosome
bactérien et se sont toujours ces même gènes qui sont
transmis à de nouvelles bactéries transduites.
1.La transduction
GENERALISEE
Au cours du cycle infectieux d’un phage virulent, les particules
virales se forment dans les bactéries en encapsidant l’ADN
viral.
Le processus de transduction est lié au fait que cette
encapsidation n’est pas spécifique de l’ADN viral mais peut
concerner n’importe quel fragment du génome bactérien de
taille convenable (1 à 2% de l’ADN bactérien).
Ainsi, lors de la production des phages, avec une faible
fréquence (<1%), des fragments d’ADN bactérien du
chromosome bactérien partiellement dégradé peuvent être
encapsidés par erreur dans des phages, formant ainsi des
particules transductrices qui conservent les propriétés
« infectieuses » des particules virales normales.
Les phages transducteurs sont des virus à ADN : T4 et P1
chez E.coli et P22 chez Salmonella Typhimurium
L’ADN ainsi introduit correspond à n’importe quel région
génomique de la bactérie donatrice : c’est de la
transduction généralisée qui sera complète ou abortive
selon les cas.
1.1.La transduction COMPLETE
La transduction généralisée complète implique un expression
stable des marqueurs transférés.
L’ADN introduit peut s’intégrer dans une région homologue du
chromosome par recombinaison homologue.
L’intégration du fragment d’ADN de la cellule donatrice dans
le chromosome de la cellule réceptrice aboutit à :
 une modification du génome de la bactérie réceptrice
 un remplacement complet des gènes homologues aux
gènes transduits sur le chromosome de la bactérie
réceptrice qui ne sera diploïde pour aucun gène.
 Un nouveau génotype stable et dès lors transmis à toutes
les bactéries issues de la bactérie réceptrice.
1.2.La transduction ABORTIVE
Lorsque l’ADN injecté ne s’intègre pas dans le chromosome,
ce qui est fréquent, les marqueurs transférés s’expriment
transitoirement jusqu’à ce que l’ADN soit dilué au cours des
divisions bactériennes successives : on dit que la transduction
est abortive.
Dans ce cas, les gènes passent de la cellule mère à une
seule des deux cellules filles. Il n’y a pas généralisation du
caractère transféré à l’ensemble des descendants.
La transmission est donc unilinéaire pendant plusieurs
générations et les gènes du fragment transféré continuent à
s’exprimer.
Sur milieu minimum approprié la cellule fille possédant le
fragment chromosomique transduit sera prototrophe pour tel
ou tel substrat et pourra donc se développer et se diviser de
manière normale, tandis que l’autre ne se développera pas.
La transduction abortive se traduit par l’apparition de colonies
de taille minime et de formes irrégulières sur milieu minimum.
1.2.Caractéristiques de la
transduction généralisée
 Les deux bactéries donatrice et réceptrice doivent appartenir
à la même espèce en raison de la spécificité d’infection du
phage.
La
quantité
d’ADN
bactérien
encapsidé
principalement de la taille de la capside :
dépend
- le phage P22 de Salmonella Typhimurium contient habituellement de
l’ordre de 1 % du génome bactérien,
- le phage P1 de E.coli contient de 2 à 2.5 % du génome bactérien.
Le plus souvent la transduction ne concerne qu’un seul gène
Dans une population de phages capables d’effectuer une
transduction généralisée, il n’y a que très peu de particules
transductrices.
Ex : dans une population de phage P1 de E.coli seulement 0.1% des
particules vont encapsider de l’ADN chromosomique, les autres particules
sont virulents et vont déclencher le cycle lytique.
Ces points réunis font que la fréquence d’obtention de cellules
transduites pour un caractère donné est très faible (TP
transduction).
La transduction généralisée reste toutefois très utilisée pour
réaliser des analyses génétiques, puisque n’importe quel
gène peut être transféré d’une souche à l’autre par
l’intermédiaire d’un phage transducteur, que la fréquence de
transfert est faible (10-6) et du fait de son caractère partiel
(1-2 % du génome bactérien).
2.La transduction
SPECIALISEE ou RESTREINTE
La transduction spécialisée se produit avec certains
bactériophages tempérés qui peuvent s'intégrer en un point
précis du chromosome bactérien et seulement en ce point, il
s’agit de prophage (phage tempéré).
La transduction de gènes bactériens est limitée (restreinte)
aux gènes localisés de part et d’autre du site spécifique
d’attachement de l’ADN du prophage et de l’ADN de la
bactérie donatrice.
La transduction du gène de la bactérie donatrice à la bactérie
réceptrice se fait après lysogénisation de la bactérie
réceptrice.
Le cas le plus connu de la transduction localisé est
provoqué par le phage lambda de E.coli.
Il possède un site d'attachement correspondant à un site
d'intégration situé entre les locus gal (nécessaire à la
fragmentation du galactose) et le locus bio (assure la
synthèse de la biotine).
2.1. L’intégration du phage 
L'intégration de l'ADN du phage dans le chromosome
bactérien se fait grâce à l’enzyme intégrase du phage qui
reconnaît les sites d’attachements PP’ phagique et BB’
bactérien qui ont quelques nucléotides en commun
Bio +
INTEGRASE
2.2. L’excision du phage 
L’excision se produit lors de l’induction du cycle lytique
(délysogénisation) du phage  (ex : sous l’action des UV), elle
est assurée par l’enzyme excisionase qui hydrolyse au niveau
des sites d’attachement.
L’ADN ainsi libéré peut être formé d’ADN viral uniquement ou
bien d’ADN viral et des régions gal ou bio (selon que
l’excision se décale d’un côté ou de l’autre) du chromosome
de E.coli.
On parle alors d’ :

Excision normale:
reconstitution de l'ADN du
phage
•Excision anormale:
formation d'un ADN phagique
défectueux contenant le locus gal ou
le locus bio du génome bactérien
les phages  d gal ou  d bio ont
perdu la propriété d’être répliqué mais
conservant leur pouvoir infestant.
2.3. L’intégration de l’ADN du
phage  défectif
L’ADN de phages défectifs pourra être intégré dans une
bactérie lysogène de type gal - selon le schéma suivant :
- Dans le cas d’un système instable : le phage s’intègre à la
suite du gène gal – bactérien. La bactérie réceptrice possède
alors son gène gal – et un gène gal + apporté par le phage,
qui peut s’exprimer, la bactérie passe alors de gal – à gal + .
- Dans le cas d’un système stable : la recombinaison à lieu au
même locus que le gène gal bactérien et dans ce cas, le gène
gal – est éliminé par le gène gal+ apporté par le phage, la
bactérie devient gal +.
voir animation flash
- Intérêts
localisée :
de
l’utilisation
d’une
telle
transduction
• elle permet de comprendre des mécanismes d’échanges
entre ADN appartenant à des organismes différents
• elle est à origine de l’utilisation des épisomes et des
plasmides dans le domaine de la génétique moléculaire.
• On peut d’identifier ce qu’on transduit
- inconvénients :
 On transduit uniquement les gènes localisés de part et
d’autre de la zone d’intégration du phage.
conclusion
La transduction est un phénomène rare et cela pour
plusieurs raisons :
• l’erreur d’empaquetage dans la capside est un
événement peu fréquent.
• La probabilité que cette particule infecte seule une
bactérie réceptrice est faible
• Cet ADN injecté doit survivre suffisamment longtemps
pour former un transductant stable (échapper aux
endo et exonucléases, et s’installer par
recombinaison ou transposition ou par réplication
autonome )
Le plus
•il ne faudra pas confondre la transduction et la conversion
lysogénique :
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.
Les phages transducteur
Le phage P1, outil génétique de transduction, il possède un
large spectre d’hôte chez les Gram négatif et son site Pac fait
partie des moins spécifiques. Il empaquète en moyenne dans
les capsides un ADN chromosomique bactérien pour 100 ADN
phagiques. La taille empaquetée est d’environ 90 kpb.
Le phage T4 n’a pas de site Pac mais ne peut transduire
que si on inactive son enzyme de dégradation de l’ADN hôte.
 Le phage Lambda est un très mauvais transducteur car
l’empaquetage se fait entre 2 sites COS plutôt que par
empaquetage en tête...
La transduction peut jouer un rôle non négligeable dans
l’évolution bactérienne en transfert horizontal même si la
fréquence de transfert semble être plus aléatoire que la
transformation et la conjugaison.
La M.O.I. (multiplicity of infection) joue un rôle important dans la transduction.
Du fait du faible taux de particules transductrices, il faut réduire au maximum
la double infection de cellules. Il faut aussi prévenir le deuxième cycle
d’infection qui risque d’être fatal au transductant. Ces 2 paramètres étant
maîtrisés, on peut envisager d’utiliser les phages comme outils en génétique.