– UE : –VII I) Généralité II)

2016-2017
Génétique bactérienne
Biologie des Procaryotes et des Virus
– UE : –VII
Généralité, mutation, échanges horizontaux
Pas d'annexes
Semaine : n°11 (du 14/11/16 au
18/11/16)
Date : 15/11/2016
Heure : de 9h00 à
10h00
Binôme : n°31
Professeur : Pr. Romond
Correcteur : n°41
Remarques du professeur : pas de remarques.
PLAN DU COURS
I)
Généralité
II)
Mutation
A)
Caractères
1)
Rareté
2)
Spontanéité
3)
Discontinuité
4)
Stabilité
5)
Indépendance, spécificité
B)
III)
A)
Echelle moléculaire
Echanges horizontaux de gènes par différents mécanismes
Conjugaison
1/8
2016-2017
Génétique bactérienne
Modification potentiel des gènes.
On partait du principe que les gènes étaient invariants.
Les bactéries vont vites quand elles font ce qu'on vient de voir au chapitre précédent.
Et donc la polymérase 3 agit mais 2 autres polymérases sont présent (polymérase 1 et 2) pour faire la réparation.
Cependant, à certain moment il y aura quand même des erreurs de commises.
On va voir dans ce chapitre, comment ces bactéries vont évoluer, par erreur successives qu'elles vont intégrer ou
non, pour s'adapter à l'environnement.
Le monde bactérien est capable d’échanger de manière horizontale, un certain nombre de message génétique.
Chez nous : les cellules répliquent de l'ADN, font des erreurs et la cellule vont transmettre ces erreurs a des
descendants.
Ici chez les bactéries : 1 cellule fait tout, sauf qu'elle est contrainte par son environnement, de façon plus
importante. La seule chose qui lui permet de résister est de se retrouver en association avec d'autres membres de
sa population et d’échanger des messages qui lui permettre de résister.
Ce sont ces messages génétiques qui vont faire l'adaptation de ces populations microbienne .
I)
Système générale de la génétique par rapport a la modification du
métabolisme
A l'hôpital, on voit arriver des patients qui ont un escherichia coli agressif, on veut les traiter par antibiothérapie.
Première chose, on s'interroge si on voit une résistance.
Par ex, actuellement on a des spectres de béta-lactamases élargies. Cela veut dire que la béta-lactamase produite va
dépasser sa sensibilité a l'inhibiteur de béta-lactamase qu'on met avec certain antibiotiques.
C'est le système qu'une bactérie peut mettre au point : elle va dégrader la béta-lactamine avant que celle ci
l'empêche de faire sa paroi.
Classiquement, on apporte de l'acide muramique (??) par ex, et on empêche la béta-lactamase d'être actif car on lui
propose un autre substrat. Cette enzyme est donc bloquée par cet inhibiteur.
La béta lactamine est elle même insensible a la béta lactamase bactérienne et peut donc agresser des bactéries.
Or, on s'est aperçu que même si on met un inhibiteur, il y a avait une résistance.
Quand on dépose le mélange antibiotique-inhibiteur : on a quand même une culture.
C'est ce qu'on appelle les béta lactamases a spectres élargies.
On a deux solutions :
–
la bactérie produit + d'enzyme : on a une concentration donné d'un inhibiteur adapté à un concentration
d'enzyme. Si on a saturé en enzyme : la concentration en inhibiteur est insuffisante. On sélectionne des
bactéries qui étaient + productrices (Régulation métabolique)
–
brutalement, la bactérie a acquis une modification génétique directement sur le gène codant pour la béta
lactamase. Et du coup l'enzyme va être moins adapté a l'inhibiteur (Résistance)
La premier chose que doit faire un bactériologistes : faire le distingo entre une adaptation par modification
physiologique ET l’acquisition d'une mutation qui va induire une modification protéique et ensuite un nouveau
comportement de la colonie.
Cela est vrai pour tout.
Quand on parle de l'opéron lactose, on a parlé des escherichia coli et shigella.
Quand on est du coté du patient et qu'il fait une diarrhée chez myéloïde (avec du mucus qui est éliminé au niveau
de la diarrhée) versus une diarrhée qui est cholériforme, la 1ère chose qu'on fait en tant que bactériologiste, on
isole les germes. On s'est alors retrouvé devant des bactéries GRAM- qui appartenaient à la famille des
entérobactériacée et on s'est dit qu'elle est la différence ?
On a regardé d'un point de vue physiologie, qu'est ce que ces bactéries étaient capables de fermenter en terme de
sucre différent et en particulier du lactose ?
On a eu pour les premier qui avait une diarrhée chez myéloïde, des bactéries GRAM- qui, en 24h, n'était pas
capable de perdurer et d’être jaune. On s'est donc dit qu'il n'y avait pas de béta-galactosidase et donc c'est une autre
entérobactérie que celle qui va donner lieu a la tourista.
Et elle, elle avait bien une béta-galactosidase qui s'exprimait en 24h.
Donc en regardant, on s'est dit qu'il y avait 2 espèces, sur la base de l'adaptation physiologique : des shigella d'un
2/8
2016-2017
Génétique bactérienne
coté et les autres : genre erechichia.
Quand on est remonté un peu plus haut : on est aller sur les produits des gènes, sur la recherche des gène de la
béta- galactosidase, il y avait bien la béta galactosidase dans les 2 cas. (il y avait le gène et un produit du gène)
Cela signifie donc qu'on arrive a faire produire, mais très lentement (ce qu'on appelle des lactoses lents), aux
shigelles, la béta-galactosidase.
Donc ça veut dire que ce n'est pas génétique : il n'y avait pas de soucis sur la béta galactosidase, mais la
différence c'est qu'il y avait une différence de régulation métabolique.
Au sein de escherichia coli, on peut avoir des régulations + ou – rapide, mais qu'en tant que observateur on
regardait trop rapidement : on ne voyait pas tout. Et donc par rapport a la production bactérienne : on pensait
qu'elle avait été réprimé en expression de béta-galactosidase et on avait l'impression d'avoir une autre espèce.
Il faut faire très attention sur le distingo : quand on voit le phénomène sur le patient, animaux.. les bactéries
s'adaptent a plusieurs biotopes, mais la première chose a faire c'est de regarder si c'est une régulation
physiologique avec des phénomène d’atténuation + ou – efficace.
Comme tout est affaire de cinétique, on peut avoir différence entre un organisme A et un organisme B qui ont subis
des contraintes différentes.
Par contre il y a des choses possibles en terme de mutation génétique.
II)
Mutation
A)
1)
Caractéristiques
Rareté
On prend le point de vue du bactériologiste qui est devant des populations bactériennes il ne faut pas se poser dans
l'hypothèse que par le comportement on va induire une mutation.
Il faut d'abord avoir en mémoire que dans une population bactérienne on va créer : et donc + on va vite, + on a la
possibilité d'avoir une erreur et des erreurs acquises.
Il faut se souvenir qu'une mutation c'est rare et que ça va arrive a une fréquence de 1/10^8 a 1/10^10.
Donc principale caractéristiques d'une mutation : rareté.
10^10 = 10 milliards : 10 milliard de bactéries c'est très vite obtenues du moment qu'on a un volume suffisant.
Dans un tube : on considère qu'on est a 10^8bactérie /mL.
Si on a 10mL : on va être a 1 milliard de bactérie : 10^9 sur l'ensemble du volume.
Si c'est une fréquence qui est a 1/10^10 : on ne le verra pas.
Si on travaille sur 1L = 1 000 mL.
Si on est a 10^8 par mL sur 1L on sera a 10^11 bactérie / L et donc si on est a une fréquence de 1/10^10, cette
fois, on le verra.
Cette probabilité d’apparaître va correspondre aux probabilités de mutations au niveau des gènes.
2)
Spontanéité
2ème principe : spontanéité du phénomènes :
C'est très important et en particulier quand on s'adresse a ce qu'on entend dans la population général « parce qu'on
donne des antibiotiques, on a induit des mutations ».
Comment est ce qu'on arrive a montrer le phénomène ?
Si on a une population dans un volume donné : imaginons on va prendre un volume de 100mL de milieu de
culture.
3/8
2016-2017
Génétique bactérienne
On part de l'escherichia coli qu'on met dans un volume de 100mL.
Puis on a dilué la quantité de bactérie pour être a 10^3 UFC/mL.
Ensuite on va répartir ces 100mL en 2, de façons différentes :
–
cas 1 : on va répartir les 100mL en quantité très faible : on va faire 100 x 1mL
–
cas 2 : 100mL : reste sous forme de 100mL
Pour chaque mL : on a que 10^3 bactérie par mL dans les 2 cas normalement.
La seule chose qui diffère est la répartition.
Ensuite on va ensemencer sur un milieu de culture chaque mL : donc dans le premier et deuxième cas : 100 boites
avec 1mL chaque fois
Mais avant de faire ça : on incube et donc normalement on augmente quantité de bactérie.
On mettra un antibiotique et un sélecteur dans les 2 cas.
Logiquement, comme on a les mêmes milieu de culture, si on a répartie dans les 2 cas : c'est le sélecteur, le même
nombre de mutant qui vont résister aux antibiotiques. C'est bien le sélecteur antibiotique qui va faire la mutation.
Sauf que, dans la réalité, dans le premier cas : on a moins de mutation que dans le deuxième cas.
La seule étape qui était différente : c'est l'étape de répartition.
Donc c'est bien avant qu'on ait mit l'antibiotique, que ça s'est passé avant.
Sur 100mL : 10^3/mL : on a déjà 10^5 au global.
Alors que si on a réparti par mL et que le volume par mL est de 10^3 alors il reste de 10^3
Si on a le même temps de multiplication : on va avoir, sur 100mL, des populations gigantesques plus vites, que
sur 100 x 1mL.
Donc on se retrouve par ex avec 10^8 par mL mais comme on a 100 mL on en a 10^10.
Si on une fréquence de mutation qui est de 1/10^10 : on en aura pas suffisamment car dans le premier cas on ne
sera qu'à 10^8/mL.
Dans le deuxième cas : au minium on aura 1 boite qui va donner un mutant qui va résister.
Si on avait sélectionné in fine, au moment du dépôt, si on avait induit sur le 10^8 : logiquement on aurait eu autant
de fréquence de mutation dans les 2cas.
4/8
2016-2017
Génétique bactérienne
Mais comme ça c'est passé avant : on a ici une différence.
On a donc une erreur de mutation rare, qu'on a pu voir dans un gros volume (et pas dans le petit volume)
Il y a donc un effet sélecteur mais pas inducteur.
Le corollaire, pour éviter sur des épidémies de sélectionner des mutants, c'est en général que la population
microbienne soit la plus basse possible.
Le principe c'est d'aller très vite.
Pour gérer correctement ce type de connaissance, c'est éviter qu'on arrive a des concentrations maximales de
10^10 et si on a une infections qui se développe, on la laisse trainer, on aura une population plus importante, et à
un moment donné, elle sera suffisamment important pour avoir 1 mutant au milieu de la population.
On a comprit que c'était rare, qu'il faut des grandes populations, que c'est spontané : on a un effet de sélecteur mais
pas d'inducteur.
Pourtant il y a le phénomène de la discontinuité.
3)
Discontinuité
Ce n'est pas à chaque réplication qu'on va avoir la possibilité d’avoir une erreur acquise.
Dessin :
Ça se produit lorsqu'on a regardé ce qu'il se passait en fonction des types de sélecteur que sont les antibiotiques.
On a vu que dans certain cas : à un moment donné on s’aperçoit qu'on va avoir une population qui va apparaitre au
fur et a mesure de repiquage.
Pour une concentration donné on aura une concentration de 10 fois la concentration de base.
C'est le système one step : on a tout de suite une concentration non négligeable.
Système multi step : première population va apparaître.
Quand on la reprend plusieurs fois elle va être capable de résister a plusieurs endroit.
Et a un moment donné on aura des concentration très importantes auxquelles vont résister les bactéries.
Ce phénomène de discontinuité dépend du sélecteur et du mécanisme de sélection.
4)
Stabilité
Critères de stabilité :
2 type de stabilité :
–
lié a une modification qui est ponctuelle : a force de répliquer sur un volume important on pourra avoir
une 2ème mutation
–
mais si on a eu une délétion, la stabilité est acquise spontanément
Tout dépendra en matière de stabilité de la longueur sur le gène qui aura était modifié.
5/8
2016-2017
Génétique bactérienne
A part l'hypothèse d'une réversion possible si on sait que c'est sur la séquence que 1 seul aa est muté : on retient
stabilité.
5)
Indépendance, spécificité
L'indépendance et la spécificité :
Pour avoir une mutation, il faut des populations gigantesque.
On peut comprendre que ce n'est pas parce qu'on fait muter un 1er gène, qu'on va induire la mutation d'un second
gène.
Ce n'est pas lié : c'est indépendant.
Indépendance implique qu'on va mettre la même fréquence sur tous les gènes étudié.
La fréquence sur A peut être de 1/10^8 et sur B : 1/10^10
Et donc pour le voir il faudra une fréquence de 1/10^18.
Sur un petit volume de 10mL : 10^8 UFC/mL.
Si on est sur 1L : 10^11 UFC / L.
Sur 1000 L : 10^14 UFC
Il faudrait donc qu'on ait 10 000 fois mille litre pour avoir la quantité nécessaire pour voir un mutant ayant
muter sur les 2 gènes : chiffres énormes.
C'est possible d'avoir une double mutation qui sera séquentielle.
Cela veut dire qu'on a mutation sur A : et ce mutant en concentration suffisante : on pourra avoir un mutant sur le
2ème gène.
Mais avoir en même temps les 2 mutations sur les 2 gènes : il faut grande population.
Ce n'est pas une induction de A par B.
Si ça arrive c'est une double erreur : c'est possible mais il faut quantité importante. Ceci est donc TRES RARE.
Résumé mutation :
–
rareté
–
spontanéité
–
discontinuité
–
stabilité,
–
indépendance spécificité
Ce ne sont pas des antibiotiques qui induisent mutations dans population microbienne.
B)
Échelle moléculaire
Echelle moléculaire : a quoi correspondent ces différents principes ?
Mutation ponctuelle : correspond à 1 seule base. Elle est complètement spontanée.
Cette spontanéité est lié a quelque chose qui existe d'un point de vue chimique : les bases sont sous forme
cétonique (forme habituelle), mais selon une constance de tautomérisation, on aura une forme énolique qui sera
possible.
Quand on va avoir cette présence d'une forme énolique, les reconnaissances par la base complémentaire ne sera
plus la même.
2016-2017
Génétique bactérienne
Ex : si on prend la thymine, sous forme cétonique elle est reconnu par l'adénine.
Si au moment où il y a une réplication, cette thymine passe en forme énolique, ce sera la guanine qui va la
reconnaître
Ca va nous donner : au départ, dans notre séquence T sera reconnu par A
On ouvre le double brin, T passe sous forme énolique et a ce moment on se retrouve avec G.
A coté : l'autre brin sera toujours avec T et A.
Et quand on repassera dans une 2ème génération, la constante de tautomérisation peut changer de nouveau : T peut
redevenir sous forme cétonique et être reconnu par A.
Donc on voit bien que la mutation, avant qu'elle soit révélé, ça ne va pas apparaître très vite : il faut beaucoup de
réplication pour voir qqch.
D'ou l'utilité du sélecteur : il faut bien qu'on puisse sélectionner ce nouveau système, qui va être acquis, et que les
descendants vont avoir.
Sauf s'il y a une inadaptation de l'environnement : ça va se diluer et rareté devient encore plus rare.
On ne peut pas induire mutation, mais ce n'est pas tout a fait vrai au niveau moléculaire.
Dans tube a essai on arrive a provoquer modification en présence de hydroxylamine : c'est ici la cytosine qui va
avoir propriété modifier.
Normalement : C est reconnu par G
Avec hydroxylamine, c'est de l'A qui va reconnaître C.
Et donc si on a une A transitoire, on va avoir derrière une T.
Avant qu'on retrouve ce mutant,on va se retrouver avec une cytosine qui reprend conformation : et donc on se
retrouve bien avec C-G.
Donc il faudra beaucoup de génération pour voir apparaître mutation : il faudra donc un sélecteur.
Autre mécanisme : délétion d'un fragment.
On va perdre un morceau.
Ca arrive car quand on fait réplication: on le fait avec fragment de Kawasaki.
Au moment où on va éliminer le brin d'ARN (3-5 base) il peut y avoir une erreur et alors :
–
soit la délétion est complète : on supprime morceau entre 2 brins d'ARN,
–
soit on peut inverser : on aura un nouveau brin avec une lecture complètement modifié.
Plus l'erreur est importante, moins elle est fréquence car système de réparation.
En terme de colonie on peut voir modification phénotypique quand on a un rapport de1%.
7/8
2016-2017
Génétique bactérienne
On va se poser de grande question quand on va avoir apparaître un phénomène nouveau au sein d'une population
bactérienne.
Quand on a une bactérie qui est capable de produire une nouvelle enzyme : on va la voir apparaître.
Mais si c'est une perte de fonction : perte de capacité a faire galactosidase : cela met longtemps a apparaître car
le reste de la population peut continuer a faire galactosidase.
D'ou importance de ce dire, quand je vois qqch, est ce que c'est une mutation qui est révélé ? Ou est ce que ce sont
des échanges horizontaux qui se sont produits ?
III)
A)
Echange horizontaux
La conjugaison
On connait déjà un système : le système de plasmide qui peut être transmis par la conjugaison.
On a décrit la présence possible de 2 types d'ADN dans la même bactérie :
–
ADN chromosomiques (souvent 1)
–
plasmides : structure + ou - petite ou aussi des plus grosses qui peuvent coder pour divers choses dont les
enzymes de résistances aux antibiotiques.
Ces derniers reste de l'ADN double brin. Donc ils peuvent aussi acquérir des erreurs et peuvent muter.
On va faire une épidémiologie des bactéries porteuses de plasmides mais aussi des plasmides, pour savoir quels
sont les plasmides de résistance qui se retrouvent au sein des populations.
Conjugaison :
Quand on parle de diffusion de résistance aux antibiotiques : il faut être capable de gérer la fréquence.
Dans le cadre de la conjugaison : distingo mis en évidence par les chercheurs , entre une acquisition de gène et
une adaptation physiologiques a des milieux de cultures (milieux de culture = environnement, source de
substrats pour les bactéries)
On se retrouvera en face de bactéries qui sont au départ des bactéries hétérotrophes et on va obtenir des mutants
qui seront auxotrophohes (besoin de carbone organique + azote organique).
Ensuite on verra, dans quelle mesure, en fonction des exigences de cultures, on peut adapter des bactéries à de
nouveaux environnements.
On départ on se dit qu'on va étudier une adaptation de bactéries, d'un potin de vue physiologiques, a partir de
mutant auxotrophes (escherichia coli auxotrophes devient dépendant d'un milieu particulier de culture)
Méthode d'expérience d'EEDERBERG-TATUSI au prochain cours.
On se pose toujours la question, est ce qu'on a :
–
une acquisition de gène : par mutation ou autre phénomènes
–
adaptation de l'environnement
8/8