La sexualité des bactéries, transferts horizontaux de

Microbiologie
Chapitre 5 : La sexualité
des bactéries, transferts
horizontaux de gènes
Partie 3 : La transformation naturelle
I. La transformation naturelle
De manière générale, la transformation d’une bactérie désigne n’importe quel
mécanisme permettant d’introduire de l’ADN étranger dans la cellule : la conjugaison, la
transduction, mais aussi les techniques artificielles en laboratoire comme la transformation
chimique ou l’électroporation, qui permettent de faire pénétrer de l’ADN par perforation de
la paroi bactérienne. Il est donc important de ne pas confondre ce principe général
de transformation bactérienne avec le mécanisme particulier de transformation naturelle.
Les deux premiers mécanismes de transferts horizontaux de gènes que nous avions
vus étaient médiés par des vecteurs : les plasmides pour la conjugaison, et les phages pour
la transduction. Dans ces deux cas, la bactérie receveuse a un rôle passif dans le mécanisme
de transfert. Ce n’est pas le cas de la transformation naturelle, où la bactérie receveuse met
au contraire activement en place un mécanisme d’acquisition de matériel génétique.
Ce mécanisme commence par la mise en place d’un état physiologique appelé
compétence, dans lequel la bactérie exprime un ensemble de gènes dont les produits

s’assemblent sous la forme d’un complexe protéique servant à l’import d’ADN. La
transformation naturelle est l’acquisition d’ADN exogène (provenant du milieu extérieur)
par une bactérie en état de compétence, et l’intégration de cet ADN dans son propre
génome par recombinaison. Le mécanisme de transformation naturelle est donc un
mécanisme actif, encodé génétiquement et contrôlé uniquement par la bactérie receveuse
et non par un vecteur.
Bien que les gènes impliqués dans le mécanisme de transformation naturelle soient
présents dans une grande partie des génomes de bactéries qui ont été séquencés, on n’a
confirmé que pour une dizaine d’espèces seulement la capacité à réaliser ce phénomène. Ce
paradoxe s’explique par la grande diversité des conditions d’induction de la compétence
entre les espèces. Il est théoriquement possible que chaque espèce bactérienne qui possède
les gènes nécessaires puisse être capable de transformation naturelle, mais nous ignorons
pour l’instant comment activer chez elles l’état de compétence en conditions de laboratoire.
II. Le mécanisme de la transformation
naturelle
1. Régulation de l’entrée en état de compétence
La compétence est un état physiologique dans lequel les bactéries capables de
transformation naturelle expriment les gènes nécessaires à ce mécanisme. Cet état est
déclenché par certaines conditions environnementales, qui sont très variables d’une espèce
à l’autre (Tableau 1) :

ESPECE SIGNAL D INDUCTION
Tableau 1 : Résumé des conditions d’induction de la compétence parmi quelques espèces
bactériennes connues pour être naturellement transformables
- Ainsi, Neisseria gonorrhea est toujours compétente, ce qui peut expliquer les larges
variations entre les génomes des différentes souches de l’espèce.
- Bacillus subtilis et Haemophilus influenzae entrent en compétence lorsque les
nutriments sont en faible quantité dans le milieu, ce qui suggère que l’ADN acquis
pourrait l’être en partie pour acquérir des nucléotides comme nutriments.
- Vibrio cholerae et Streptococcus pneumoniae entrent en compétence dans des
conditions assurant l’échange génétique intra-espèce. Ainsi, Vibrio cholerae entre en
compétence seulement au contact de la chitine constituant la carapace des crustacés
sur laquelle s’accrochent et se multiplient les bactéries de cette espèce.
Streptococcus pneumoniae contrôle son entrée en compétence par la sécrétion dans
Vibrio cholerae
Contact avec la chitine des crustacés sur
lesquels se développe la bactérie
Streptococcus pneumoniae
Quorum sensing (sécrétion d’un peptide dans
le milieu), dommages à l’ADN,
exposition à certains antibiotiques
Bacillus subtilis
Phase stationnaire
Neisseria gonorrhea
Constitutif
Haemophilus influenzae
Manque de nutriments
(niveaux d’AMPc intracellulaires)
Legionella pneumophila
Dommages à l’ADN,
exposition à certains antibiotiques

le milieu extracellulaire d’un petit peptide (CSP, Competence Stimulating Peptide).
Lorsque la concentration cellulaire augmente, la concentration en CSP aussi, jusqu’à
atteindre un palier de concentration induisant l’entrée en compétence dans
l’ensemble de la population. La régulation de l’expression de certains gènes en
fonction de la concentration cellulaire est appelée quorum sensing.
- Chez Legionella pneumophila ou Streptococcus pneumoniae, les dommages à l’ADN
causés par l’exposition aux ultra-violets ou à certains antibiotiques entraînent le
développement de la compétence. Chez ces deux espèces, il est possible que la
transformation naturelle soit utilisée comme mécanisme de réparation de l’ADN, par
acquisition d’ADN exogène comme « rustine ». Cette hypothèse est appuyée par le
fait que ces deux espèces ont perdu le mécanisme bactérien habituel de réparation
de l’ADN, la réponse SOS.
2. Développement de la compétence
La régulation de l’entrée des bactéries en état de compétence est donc très variable
entre les espèces capables de transformation naturelle. Les gènes qui contrôlent le
déclenchement de ce mécanisme sont donc différents entre ces espèces. En revanche, de
façon étonnante, les gènes impliqués dans le mécanisme de transformation naturelle lui-
même sont extrêmement conservés entre les espèces bactériennes, aussi éloignées soient-
elles au niveau de l’évolution.
Ainsi, toutes les bactéries capables de transformation naturelle placées dans leurs
conditions spécifiques d’induction de la compétence expriment un ensemble de gènes de
compétence, annotés com (ex : comA, comX, comEA…). Ces gènes peuvent être regroupés
en opérons, comme chez Streptococcus pneumoniae (opérons comAB et comCDE) ou au
contraire être répartis sur l’ensemble du génome, comme chez Legionella pneumophila.
Ces gènes codent pour des protéines qui s’assemblent en un complexe de capture
d’ADN. Celui-ci est composé tout d’abord d’un pilus de transformation (cf. chapitre 4), c’est-
à-dire un filament extérieur à la cellule, composé de protéines appellées pilines qui s’auto-
assemblent. Ce pilus est capable d’être allongé ou rétracté par polymérisation ou

dépolymérisation de pilines au niveau de sa base, ancrée dans la paroi bactérienne. Le pilus
de transformation est capable de se lier à l’ADN situé à l’extérieur de la cellule, issu de la lyse
de bactéries mortes (l’ADN est la molécule la plus stable dans une cellule et a une demi-vie
de 5 siècles dans l’eau). Le pilus de transformation est très similaire aux pili de type IV, un
type de pili présents chez un très grand nombre d’espèces bactériennes et servant à la fois à
l’adhésion aux surfaces et au déplacement sur ses surfaces.
Le pilus de transformation est ancré près d’un complexe protéique servant à l’entrée
de l’ADN dans la cellule, à travers la paroi. L’ADN étant une molécule chargée négativement,
elle ne peut traverser la paroi bactérienne qui est elle aussi chargée négativement. La
molécule d’ADN doit donc traverser la paroi à travers des protéines insérées dans la paroi et
y formant des pores. Pour les gram-positives, il y a une seule porine puisqu’il n’y a qu’une
membrane à traverser, alors qu’il y a deux porines chez les gram-négatives. Le passage de
l’ADN est également assisté par des protéines ayant une forte affinité pour la molécule
d’ADN. D’autres protéines du complexe séparent les deux brins de la molécule d’ADN et en
dégradent l’un des deux.
Lors de la compétence, des protéines cytoplasmiques sont également exprimées.
Certaines sont capables de se lier à l’ADN simple brin qui vient d’être capturé, afin de le
protéger de la dégradation par les enzymes de type nucléases. D’autres participent à la
recombinaison de cet ADN simple brin dans le génome de la bactérie.