Cours de Génétique GNT305 Génétique des microorganismes

Cours de Génétique GNT305
Génétique des microorganismes
Chapitre 8
D7-3021
Eric Massé
Département de Biochimie-CHUS Fleurimont
Bureau 5436
Tel: 346-1110 ext 15475
[email protected]
Livre de référence:
Principles of genetics. Snustad and Simmons, 2006. Fourth edition.
Les infections bactériennes sont toujours un problème actuel
Graph of the isolation of Extended Spectrum B-lactamases (ESBL) producing
organisms at the Ramón y Cajal University Hospital in Madrid (Spain) since its first detection in 1989.
Canton, 2006
Corrélation inverse entre consommation
d’antibiotiques et sensibilité aux antibiotiques
Prescriptions d’antibiotiques quotidiennes
Menace terroriste à l’anthrax en Israël
Sensibilité aux antibiotiques
Figure 1. Quinolone
consumption, illustrated as
defined daily doses (DDDs) per
month. Diamonds indicate values
for the preintervention period,
squares indicate values for the
intervention period, and triangles
indicate values for the
postintervention period.
Figure 2. Susceptibility of
Escherichia coli isolates from urine
cultures to quinolones, by month.
Diamonds indicate values for the
preintervention
period, squares indicate values for
the intervention period, and
triangles indicate values for the
postintervention period.
Gottesman, 2009
La résistance aux antibiotiques existe depuis des
millénaires et +
• Permafrost d’environ
30 000 ans testé pour la
présence de gènes de
résistances aux
antibiotiques
• Les gènes conférant la
résistance à la pénicilline,
la tétracycline et la
vancomycine étaient déjà
présents
Cancers et bactéries
• Les femmes infectées par Chlamydia ont 6,5 fois
plus de risques de développer un cancer du col de
l’utérus que les femmes non porteuses (The Journal
of the American Medical Association)
• En 2005, une bactérie vaut le Nobel de médecine à
deux Australiens qui ont découvert que Helicobacter
pylori était responsable des gastrites et ulcères de
l'estomac
• Une toxine produite par la bactérie E. coli contribue
au développement du cancer du colon.
H pylori induit une cascade oncogénique
•
La protéine CagA est
injectée dans la cellule
gastrique et active EGFR
(epidermal growth factor)
•
(1) L’accumulation de Bcatenine stimule la
transcription de gènes
favorisant la carcinogénèse
(2) L’arrêt de l’apoptose
(oncoprotéine bactérienne)
(3) Diminution de la fonction
protectrice de l’épithélium
(4) Augmentation de la
prolifération cellulaire
•
•
•
3
1
2
La cellule eucaryote fonctionne grâce à la
symbiose avec les bactéries, devenues
mitochondries
1 Nucléole
2 Noyau
3 Ribosome
4 Vésicule
5 RE rugueux
6 Appareil de Golgi
7 Cytosquelette
8 RE lisse
9 Mitochondrie
10 Vacuole
11 Cytosol
12 Lysosome
13 Centriole
• Les mitochondries génèrent la majorité de l’ATP qui sert
d’énergie pour les réactions biochimiques.
• Les mitochondries sont aussi impliquées dans la
signalisation, la différentiation cellulaire, l’apoptose, et la
régulation du cycle cellulaire et le « vieillissement ».
• Plusieurs maladies transmissibles de la mère à l’enfant
sont reliées au mauvais fonctionnement de la mitochondrie:
encéphalopathie, ataxie de Friedreich, paraplégie,
dégénération hépatique.
Relation entre l’humain et le
microbiome
• Les 500 espèces de bactéries présentes dans
l`intestin des mammifères produisent de la
vitamine K et certaines vitamines B en plus de
digérer plusieurs composés autrement
indigestes (pectine, cellulose)
• Le corps humain est porteur de 10 fois plus de
bactéries (environ 100 milliards) que de cellules
dont il est lui-même constitué
Host-bacteria fight for iron
•
•
1013 Human cells
Fe is bound to
lactoferrin (tears, saliva)
and transferrin (blood)
Fe
•
1014 bacterial cells
90% of cells in the
Human body are
microbial cells
Host-bacteria fight for iron
Fe-transferrin (blood)
Fe
Enterobactin
siderophores
Bacterial outer membrane
ExbB
Bacterial inner membrane
Fe
Raymond, 2003
Host-bacteria fight for iron
Fe-transferrin (blood)
Fe-enterobactin
Fe
Enterobactin
siderophores
Bacterial outer membrane
ExbB
Bacterial inner membrane
Fe
Fe
Fe
Fe
Raymond, 2003
Host-bacteria fight for iron
Fe-transferrin (blood)
Siderocalin
produced by
the host
neutrophils
Fe-enterochelin
Enterobactin
siderophores
Bacterial outer membrane
ExbB
Bacterial inner membrane
Fe
Fe
Fe
Fe
Raymond, 2003
Host-bacteria fight for iron
Salmochelin
glycosylated enterobactin produced
by pathogenic E. coli and Salmonella
Siderocalin
Fe
Fe-Salmochelin
uptake
ExbB
Fe
Fe
Fe
Fe
•
Informations générales sur les bactéries
•
Pas de noyau, procaryotes
•
Un seul chromosome (haploïde)
(« pro » avant et « caryon » noyau)
Entre 1 000 000 et 4 500 000 paires de bases
Contient entre 800 et 4300 gènes
0.1% du génome humain
• Prototrophe: peut croître sur milieu qui ne contient
que le minimum nécessaire de nutriments
Carbone: source d`énergie
Azote: utilisée pour la synthèse d`acides aminées
Sels minéraux (soufre, phosphore, fer, magnésium)
Nomenclature des gènes
lac : gène impliqué dans le métabolisme du lactose
his : métabolisme de l’histidine
pol : implication dans la réplication de l’ADN (polymérase ADN)
rec : implication dans la recombinaison
Si plusieurs gènes sont impliqués dans la même fonction,
ils seront suivis d’une lettre majuscule
hisBHAFI : biosynthèse de l’histidine
Mutations:
Changement dans le génome héritable de la cellule mère
à la cellule fille
Allèle sauvage (his+) VS allèle mutant (his-)
Distinction entre génotype et phénotype
Genotype: Ensemble des constituants génétiques d'un organisme,
qu'ils soient exprimés ou non
Phénotype: Manifestation apparente de la constitution du génome sous
la forme d'un trait morphologique, d'un syndrome clinique, d'une variation
qualitative ou quantitative du produit final d'un gène (protéine)
Pas toutes les mutations donnent un phénotype
Exemple: mutation silencieuse ou neutre
MUTATIONS
Les différents types de mutations
Nutritionnelles
auxotrophe: requiert un nutriment (acide aminé, vitamine, etc)
ex: his- : ne peut croître sans histidine dans le milieu
Source de carbone
lac+ : utilise le lactose
lac- : n`utilise pas le lactose
Résistance à un antibiotique
tetS: sensible à la tétracycline
tetR: résistant à la tétracycline
ÉCHANGE GÉNÉTIQUE
Donneur: ADN linéaire
Recombinaison entre une
molécule linéaire et une
circulaires: deux
crossovers
sont nécessaires!
lac+
ABCDABCD-------------BCDABCDA
lacABCDABCD-------------BCDABCDA
Receveur: souche Lac-
lacABCDABCD-------------BCDABCDA
lac+
ABCDABCD-------------BCDABCDA
Receveur: souche Lac+
Recombinaison entre deux
molécules circulaires: un seul
crossover est nécessaire
ÉCHANGES GÉNÉTIQUES
Transformation chimique (en laboratoire)
ampS
tetS
Introduction du plasmide
dans la cellule
Chromosome
Choc chimique
ou
électrique
Plasmide
ampR
tetR
Souche résistante à
l`ampicilline et tétracycline
Réplication du plasmide
Indépendante du chromosome
Transformation naturelle
Première évidence que l’ADN contient l’information
génétique (1928-1944)
Espèces bactériennes qui transforment naturellement
Streptococcus
Haemophilus
Neisseria
Bacillus
Staphylococcus
Transformation naturelle
(provient d’une
Bactérie morte)
La transformation chez Streptococcus pneumoniae
Pathogène de l’humain et la souris
Cause de certaines pneumonie, sinusite, otite, méningite,
osteomyélite, endocardite, péritonite et autres
Présent chez 5-10% des adultes et 20-40% des enfants
La transformation chez Streptococcus pneumoniae
R strain (Rough): souche non-virulente
Colonies rugueuses
S strain (smooth): souche virulente
Colonies lisses
Découverte de la transformation avec Streptococcus pneumoniae
S strain (smooth): souche virulente
Lisses
Figure équivalente à 8.19 (Snustad)
R strain (Rough): souche non-virulente
Rugueuses
Frederick Griffith,1928
Échange génétique par transduction phagique
Vibrio cholerae
• Bactérie causant le
choléra
• La bactérie ne contient
pas l’information
génétique nécessaire
pour la virulence
• La toxine rendant la
bactérie virulente provient
d’un phage tempéré
Transfert d’ADN phagique à une cellule
bactérienne
La conjugaison bactérienne
Tumeurs chez les plantes causées par
transfert conjugatif d’un plasmide de la
bactérie pathogène Agrobacterium
Conjugaison d’une
cellule végétale
Racines avec tumeurs causées par Agrobacterium
Conjugaison du T-DNA bactérien
vers une cellule de plante
Molécules végétales
Chromosome bactérien
T-DNA (Tumeur-DNA)
Cellule de plante
Chromosome
de la cellule de
plante
Tumeurs chez les plantes causées par
transfert conjugatif d’un plasmide de la
bactérie Agrobacterium
Bactérie utilisée pour la création d’organismes
génétiquement modifiés (OGM) qui résistent à
de plus grandes concentrations d’insecticides
et pesticides:
Soya
Coton
Maïs
Betterave
Luzerne
Blé
Canola
Riz
(Trimethoprim)
tra pour transfert conjugatif
(Ampicilline)
(désinfectants à
l’ammoniaque)
(Vancomycine)
(kanamycine)
Synonyme: plasmide R (Résistance) ou facteur F (Fertilité)
Plasmide F qui peut contenir la résistance à
sulfonamides, streptomycine, acide fusidique,
chloramphenicol, tétracycline
Importance médicale des transposons: la
naissance d’un Facteur R
RTF: Resistance Transfer Factor
Plasmide F s’intègre dans le
chromosome
Souche Hfr « High frequency of
recombination »
Utilisé pour cartographier les gènes de la
bactérie
Les différents sites d`intégrations du facteur F dans
le chromosome d`E. coli
Le chromosome de E. coli
100 minutes
*
Circulaire
*
*Exemple 8.25 et 8.26
Les trois types de cellules
Donneuse
Receveuse
thr+, leu+, aziS
tonS, lac+, gal+,
strS
thr-, leu-, aziR
tonR, lac-, gal-,
strR
Cartographie des gènes bactériens
Hfr H
10 min
20 min
30 min
40 min
50 min
strS, gal+, lac+, tonS, aziS, leu+, thr+
Plus on laisse
longtemps, plus il y a
d’allèles transférés
Donneuse
Receveuse
thr+, leu+, aziS
tonS, lac+, gal+,
strS
thr-, leu-, aziR
tonR, lac-, gal-,
strR
Conjugaison
Cellules donneuses
Cellules receveuses
Coissance sur milieu
sans thréonine (thr),
sans leucine (leu) avec
streptomycine et
glucose
Donneuse
Receveuse
thr+, leu+, aziS
tonS, lac+, gal+,
strS
thr-, leu-, aziR
tonR, lac-, gal-,
strR
Conjugaison
Cellules donneuses
Cellules receveuses
Coissance sur milieu
sans thréonine (thr),
sans leucine (leu) avec 100% Cellules: thr+, leu+, strR
streptomycine et
glucose
Après 9 min de
conjugaison
Brin ADN
strS, gal+, lac+, tonS, aziS, leu+, thr+
donneur
Crossovers
possibles
strR, gal-, lac-, tonR, aziR, leu-, thrBrin ADN
receveur
Résultat conjugants: thr+, leu+, aziS(10%), tonS(2%)
Après 25 min de
conjugaison
Brin ADN
donneur
strS, gal+, lac+, tonS, aziS, leu+, thr+
Crossovers
possibles
strR, gal-, lac-, tonR, aziR, leu-, thr-
Brin ADN
receveur
Résultat conjugants:
thr+, leu+, aziS(90%), tonS(80%), lac+(25%), gal+(1%), strR(100%)
Fréquences des marqueurs relativement à thr+ leu+ strR