Génétique bactérienne

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UE 8 – De l’agent infectieux à l’hôte
Jean-Jacques HOARAU
Date : 13/02/2017 Plage horaire : 16h30 - 18h30
Promo : DFGSM2 2016-2017 Enseignant : Jean-Jacques HOARAU
Ronéistes :
Laëtitia Delaisser
Maëva Boyer
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

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Points importants de la ronéo précédente de JJH :
- La notion à retenir : 1 bactérie fait 1 micromètre. Mais c’est extrêmement variable : il y en a qui font
0.05 micromètres ou 0.2 micromètres ; ex : les nanobactéries sont quasi aussi grandes que les plus gros
virus. Les mini-virus sont plus grands que certaines bactéries. Il existe des exceptions où les virus sont
plus grands que les bactéries. Certaines bactéries peuvent faire jusqu’à 600 ou 700 micromètres de long,
càd plus grandes que certaines cellules de notre corps.
- Les bactéries son très sujettes aux conditions environnementales : notamment aux températures. Les
échanges avec le milieu extérieur dépendent énormément de la fluidité membranaire. La bicouche
lipidique (BL) des bactéries ressemblent à celles des eucaryotes. Grosse différence à retenir : AUCUN
stérol donc pas de cholestérol dans la BL des bactéries. Il existe néanmoins un type de stérol qui est
pentacyclique qu’on appelle les opanoïdes, qui vont venir jouer le rôle de cholestérol.
- Au niveau du nucléoïde : l’ADN bactérien ne possède pas d’histones !
- La paroi bactérienne est toujours rattachée à la BL. Chez les GRAM + c’est l’acide lipotéichoïque
qui va venir s’insérer au niveau de la couche externe de la membrane cytoplasmique pour faire la liaison.
Chez les GRAM - , c’est aussi au niveau de la membrane externe via des peptidoglycanes que se fait la
liaison directement avec la bicouche via des glycoaminoglycanes notamment.
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.
Les variations phénotypiques peuvent être issues des variations génotypiques mais toutes les variations
génotypiques n’entrainent pas forcément des variations phénotypiques.
Les techniques de séquençage supplantent tout ça.
3 mécanismes permettent aux bactéries de s’échanger du matériel génétique pour accroître leur diversité
génétique : la transformation bactérienne (naturelle ou artificielle) ; la conjugaison bactérienne qui fait
intervenir ce fameux pili sexuel ; la transduction qui fait intervenir des vecteurs viraux capables de transférer
de l’ADN.
Ces différents systèmes de transferts horizontaux de gènes ont été identifiés pour cartographier les génomes
bactériens, même si aujourd’hui les techniques de séquençage supplantent tout ça.
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. Génétique = étude des
caractères héréditaires. On s’intéresse à des transferts de gènes qui vont se fixer et qui vont faire
apparaître des caractéristiques nouvelles au sein de certaines espèces bactériennes.
Grégor Mendel : (1822-1884) initiateur des aspects de la génétique, 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

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originale de Charles Darwin. L’essor de la génétique n’a pas commencé avec la découverte des bactéries,
mais les bactéries ont contribué à mieux comprendre la génétique. La génétique moderne doit beaucoup aux
bactéries : la découverte de la nature de l’information génétique, la structures des gènes, le code génétique,
l’étude des mutations. Travailler sur des bactéries comporte un certain nombre d’inconvénients : la taille
(petite) ; les caractéristiques phénotypiques / morphologiques sont difficiles : aspect de la colonie, la
sporulation (toutes les bactéries n’en font pas et pour pousser certaines à le faire il faut des conditions
particulières), la résistance aux ATB (mais portés par les plasmides donc peuvent être perdus).
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. ( Non dit)
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 est
extrêmement rapide), 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.

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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 (apparaît au hasard) 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). A chaque génération, le nombre de base modifié est relativement faible et ne permet pas
aux bactéries d’évoluer rapidement. Spontanément, l’évolution du génome bactérien est lent, or
dans la réalité il évolue rapidement : d’autres mécanismes qu’une simple évolution naturelle par
mutation spontanée interviennent.
- 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 plutôt que de 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 ou dupliquer certains gènes.
Tous ces phénomènes sont extrêmement rares et pas forcément visualisables.
2. Variations phénotypiques

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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. Diauxie = capacité
à réguler l’utilisation de différents sources nutritives.
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 : 2 sources
nutritives. Vous avez d’abord une phase de démarrage relativement lente (d’adaptation) où la bactérie
active des gènes pour pouvoir exploiter ce milieu qu’elle ne connait pas puis une phase exponentielle
de croissance : les bactéries se divisent à intervalles réguliers et après vous avez un ralentissement de la
croissance (appauvrissement du milieu) et après il y a la même structure de croissance exponentielle et
puis à nouveau ça sature = phase plateau.
Cette croissance biphasique (alors qu’avec une source
nutritive = courbe monophasique) 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. La bactérie n’utilise pas toutes les
substances nutritives en même temps.
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.
QUESTION 2017 : Qu’es-tce qui fait qu’elle ne peut pas utiliser deux voies métaboliques à la fois ?
- Son mode de fonctionnement fait qu’elle va d’abord utiliser le glucose. C’est le plus souvent lié à un
cout énergétique : c’est plus rentable pour la bactérie d’utiliser du glucose que du lactose.
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-)
- Thermosensibilité / résistance (Ts / Tr)
- Sensibilité / résistance aux bactériophages (ex Phage lambda de E. coli)
- Sensibilité / résistance aux antibiotiques (cf plasmides). La résistance aux ATB est du souvent aux
plasmides bactériens mais il existe des cas ou il est inséré directement dans le génome bactérien :
le plasmide possède le matériel d’intégration : ça devient un caractère acquis.
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.