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.
Les phages virulents se multiplient dans la bactérie (ou
mieux sont répliqués par la bactérie) et la lysent à la fin du
cycle, libérant les nouvelles particules virales (virions).
Ce cycle est appelé cycle lytique.
Les phages tempérés peuvent, après infection établir une
association stable avec la bactérie infectée en s'intégrant
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.
De temps en temps, dans une population de bactéries
lysogènes, un prophage se libère du chromosome bactérien,
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…)
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 (lysogène). C'est la transduction.
Elle est liée à l'existence de bactéries lysogènes, à Gram
positif (staphylocoque, streptocoque, Bacillus) ou à Gram
négatif (entérobactéries, Pseudomonas).
Il existe deux types principaux de transduction :

La transduction généralisée :
elle est 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.
Voir animation flash

La transduction restreinte ou spécialisée :
Elle est 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) qui restent
capables de se fixer sur les bactéries et d’injecter leurs
fragments d’ADN dans les bactéries réceptrices.
L’ADN ainsi introduit correspond à n’importe quel région
génomique de la bactérie donatrice : c’est de la
transduction généralisée.
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.
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 un processus de
transfert de matériel héréditaire très utilisé 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 en des sites immédiatement adjacents au
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 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
Bio +
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
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.