cours du génome Bactérien
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cours du génome Bactérien
I)
LE GENOME BACTERIEN
A/
Rappel :
Ø Structure des acides nucléiques :
DNA= acide désoxyribonucléique: est le
matériel génétiques de toutes les cellules vivantes (sauf certains virus, ont
comme matériel génétiques l’ARN).
-Nucléotide = phosphate + sucre + base
azotée
SUCRE : ribose, -2.Désoxy ribose
BASE : Adénine, guanine, cytosine, thymine
ou uracile
Ø Synthèse
du DNA
=réplication : 5’---3’ (DNA polymérase),
réplication semi- conservative
Ø Synthèse
du RNAm : transcription,
3’--- 5’ (RNA polymérase)
Ø Synthèse
des protéines :
est le processus par lequel l’information génétique s’exprime.
Ø Variations
génétiques : - Modifications (Mutations, remaniements
intra-génomiques)
-Acquisition d’ADN exogène.
B/ Éléments constitutifs du génome :
Le génome
bactérien: un modèle d’étude de la génétique du vivant.
Structure simple et parfaitement
connue
Temps de génération des bactéries
court
Génétique bactérienne à
l’origine de:
–
Les grandes découvertes de génétique
–
La génétique moléculaire
–
Les manipulations génétiques
C/ Eléments génétiques mobiles : Cassettes, Intégrons, Transposons, Plasmides
ü CASSETTES :
v Eléments génétiques
mobiles
o
Intégration et excision médiés par une intégrase
externe
v Constitution:
o
Ensemble de gènes co-transcris (souvent résistance à
un AB)
o
Site de reconnaissance d’une intégrase
o
Non auto réplicatifs, non autotransférable,
o
sans promoteur (donc non transcrits isolément)
ü INTGRONS :
Structure:
o
Région 5’
·
Gène d’Integrase (intI)
·
Site d’attachement (att)
·
Promoteurs (P1 P2…) pour toutes les cassettes (les
plus proches sont les mieux transcrites).
o
Région 3’
·
Cassettes de résistance
ü Mobiles (cibles
d’intégrations multiples)
ü Non auto
réplicatif, non autotransférable
TRANSPOSONS :
Ø 500 à 10000 PB
Ø mobiles (transposition)
Ø insertion sans homologie
PLASMIDES :
Eléments facultatifs
ADN bicaténaire circulaire
1% de la taille du chromosome
Autoréplicatifs (réplicons)
–
Plusieurs plasmides identiques ou différents par
cellule
–
Transmis à la descendance
–
Stables si avantage sélectif
Autotransférables d’une cellule
à l’autre (gènes de transfert) même interspécifique
Variations génomiques chez les bactéries :
A/
Définition :
Variations phénotypiques
(Modification de l’expression du génome)
–
Adaptation
–
Réversible si l’environnement change
–
Non transmissible
–
Exemple: expression d’une b-galactosidase
Variations génotypiques
(Modification de la structure du génome)
–
Non réversible
–
Transmissible
–
Exemple: mutations, remaniements, acquisition d’ADN exogène
1/ Mutations: nature et définitions :
–
Modifications accidentelles de la séquence de l’ADN
–
Survenant lors de la réplication
–
Exemples:
§ Délétion ou
insertion è décalage du cadre de lecture
§ Substitution
d’un nucléotide è modification du message
–
Mutation silencieuse (acide aminé identique ou
équivalent)
–
Mutation létale (produit du gène essentiel)
–
Mutation non sens (codon stop)
–
Mutation faux sens (substitution d’un AA)
§ proteines
plus ou moins fonctionnelle.
Mutations :
Caractères :
·
rares : taux de mutation= 10-5 à 10-9, augmenté par les agents
mutagènes.
·
Spontanée : les antibiotiques n’induisent pas de
mutations
·
Stable : mutation réverse, mutation
compensatoire.
·
Transmise à la descendance
·
Indépendantes et spécifiques :
-
Autres caractères intacts
-
Taux de mutations pour 2caractères= produit des taux
de mutation
B/ L’acquisition
d’ADN exogène :
1. Transformation :
Définition :
-Phénomène fréquent chez certaines espèces
-Transferts
interspécifiques possibles
-Caractères de résistance, de virulence ou métaboliques
Pneumocoques résistants aux b-lactamines
-Technique de base en biologie moléculaire
Electroparation
Caractéristiques
de la transformation :
q Le DNA doit être
libéré d’une bactérie (exogènote )
q Le DNA nu doit
se fixer sur une bactérie réceptrice en
phase de compétence
q L’absorption
d’ADN polymérisé est suivie d’une recombinaison légitime avec acquisition de
nouveaux caractères génétiques stables, transmissibles à la descendance (
recombinants ou transformants )
q Le transfert est
partiel :une partie de l’exogènote ( 1-2% du génome) pénètre et se recombine (
si homologie suffisante)
q Ce transfert
naturel d’ ADN bactérien est limite à quelques espèces telles streptococcus
dont S.pneumoniae, Neisseria ,Haemophilus ……..
LES
PRINCIPALES ETAPES DE LA TRANSFORMATION NATURELLE :
L’ADN/: bicaténaire, d’origine
variable
1ère étape: fixation covalente à un complexe
protéique membranaire
2ème étape: fragmentation de l’ ADN (
nucléase)
3ème étape : entrée de l’ ADN simple brin
dans la bactérie
4ème étape : devenir de l’ ADN simple brin
transformant dans la bactérie
ü recombinaison
homologue nécéssitant de larges homologies entre l’ADN exogène et endogène,
avec remplacement allélique.
ü l’ADN provient
de la même espèce bactérienne ou d’une espèce proche
Conjugaison
ou sexualité des bactéries :
1-
Définition
Processus sexuel nécessitant un
appariement entre bactéries de sexes différents et formation d’un pont
cytoplasmique permettant les échanges génétiques:un transfert
unidirectionnel d’ADN d’une cellule donatrice (f+) à une cellule
réceptrice (f-), par un mécanisme requérant un contact spécifique.
Caractéristiques
de la conjugaison :
Le facteur de sexualité ou de
fertilité (F) permet la synthèse de pili sexuels chez la bactérie
donatrice ou mâle et donne la polarité au chromosome.
Le transfert d’ADN chromosomique
est à sens unique, orienté, progressif et parfois total (2h).
Le transfert d’ADN chromosomique
est spécifique (intra-espèces) et limité à certaines espèces à Gram
négatif telles E.coli, Salmonella, Pseudomonas aeruginosa
et Streptococcus.
Le transfert d’ADN plasmidique
et de transposons est très fréquent et peu spécifique (intra-espèces)
Deux classes de vehicules :
- plasmides, -Transposons
Ø On observe
souvent une synergie entre les véhicules. En particulier des transposons portés
par des plasmides.
Limites :
§ Pour les
plamides. Réplication et expression des fonctions de transfert
§ Pour les
transposons. Expression des fonctions de transfert
§ De façon
générale. Le transfert et l’expression des fonctions de transfert sont très
finement régulés. Vraisemblablement pour limiter la charge biosynthétique liée
à ce processus.
Le
facteur de fertilité: le plasmide F+, premier plasmide connu :
Le plasmide F+: DNA circulation
double brin,~ 2% du chromosome bactérien.
Le plasmide F+ se réplique chez E.coli
et Salmonella typhimurium.
Le plasmide F+ code pour des
fonctions de transfert (région tra de 30 kb de ~ 30
gènes), incluant la biosyntheses de pili sexuels.
Le plasmide
F+ peut s’insérer dans le chromosome (bactéries HFr High Frequency
recombination) et mobiliser le transfert partiel des gènes chromosomiques
du donneur dans la bactérie réceptrice (F-).
Conséquences
de la conjugaison :
Le mode de transfert d’ADN
bactérien par conjugaison d’une cellule à l’autre a permis:
Ø La
caractérisation des propriétés remarquables du facteur F:
- Plasmide =
réplicon
- insertion
au chromosome en des sites limités ou
autonome).
- le passage
de l’état intégré à l’autre par excision
peut entrainer la formation d’un plasmide F’ (unité autonome de réplication et
porteuse de gènes bactériens).
Ø L’établissement
de cartes génétiques du chromosome bactérien (E.coli).
Ø La circularité
du chromosome bactérien.
Ø Principal
facteur d’évolution des bactéries: acquisition de plasmides de résistance aux
antibiotiques, et porteurs de gènes de virulence et métaboliques.
2- La
transduction :
Définition:
Transfert d’ADN bactérien d’une
bactérie à une autre par
l’intermédiaire d’un bactériophage.
Ce transfert partiel de gènes bactériens
peut s’accompagner d’une recombinaison légitime :
v Transduction généralisée: le phage emporte n’importe quel gène de la bactérie
donatrice.
v Transduction abortive: pas d’intégration.
v Transduction spécialisée: le DNA phagique s’intègre toujours au même endroit.
§ Caractéristiques
de la transduction :
Bactériophages: vecteurs de transduction.
Particules transductrices: les phages virulentes contenant de
l’ADN bactérien encapsidé.
Processus essentiellement intra-spécifique.
Deux types de transduction : généralisée, spécialisée.
L’existence de
nombreuses souches lysogènes fait qu’il s’agit d’un phénomène général chez les espèces Gram positif (Staphylocoques, Bacillus)
et Gram négatif (Entérobactéries, Pseudomonas).
La transduction a un potentiel limité aux espèces très
proches. Mais c’est un processus extrêmement efficace.
§ Efficacité
du phénomène :
- Protection du DNA dans les particules virales.
- Système de délivrance très performant
- Abondance des phages
en milieu aquatique 103 et 108 phages/ ml.
( 108
phages/ ml ≈ 1/3 population bactérienne sujette à une attaque virale/ 24 h)
§ Transduction
par des bactériophages :
Virus des bactéries
Infectionè
o
Phage virulent è cycle lytique
o
Phage tempéré è Intégration au chromosome (prophage
inductible, bactérie lysogène)
§ Conséquences
de la transduction :
Mode de transfert ayant un intérêt historique (phage lambda d’E. coli).
Transfert en ADN bactérien ou plasmidique limité (taille du phage) (<
50 kb).
La lysogénie : Exemples :
*Toxine du bacille
diohtérique et phage B
*Toxine érythrogène par le
streptocoque A
* Certaines cytotoxiques
(vérotoxines) chez E.coli ECEP
* Certaines facteurs antigéniques de
salmonella (conversion lysogénique)
*Certains « ilots de pathogénicité » des
bactéries sont en fait hébergés par des prophages intégrés dans les chromosomes
bactériens.
C/ Régulation des variations génétiques :
§ Systèmes de
réparation des mutations :
- Systèmes de réparation des
mésappariements
- Systèmes SOS. Rec
- Les souches hypermutatrices àévolution rapide
§ Systèmes de
restriction / méthylation :
-
Restriction des recombinaisons par les endonucléases
de restriction
-
Protection de l’ADN par les enzymes de méthylation
àRecombinaisons seulement entre
bactéries taxonomiquement proches
CONCLUSION :
§ Génome des bactéries très plastique
§ Variations/ Sélections = source de diversité +++ à
adaptation. Evolution
§ Une semaine de bactérie = 10 000 ans humains
LE GENOME BACTERIEN
A/
Rappel :
Ø Structure des acides nucléiques :
DNA= acide désoxyribonucléique: est le
matériel génétiques de toutes les cellules vivantes (sauf certains virus, ont
comme matériel génétiques l’ARN).
-Nucléotide = phosphate + sucre + base
azotée
SUCRE : ribose, -2.Désoxy ribose
BASE : Adénine, guanine, cytosine, thymine
ou uracile
Ø Synthèse
du DNA
=réplication : 5’---3’ (DNA polymérase),
réplication semi- conservative
Ø Synthèse
du RNAm : transcription,
3’--- 5’ (RNA polymérase)
Ø Synthèse
des protéines :
est le processus par lequel l’information génétique s’exprime.
Ø Variations
génétiques : - Modifications (Mutations, remaniements
intra-génomiques)
-Acquisition d’ADN exogène.
B/ Éléments constitutifs du génome :
Le génome
bactérien: un modèle d’étude de la génétique du vivant.
Structure simple et parfaitement
connue
Temps de génération des bactéries
court
Génétique bactérienne à
l’origine de:
–
Les grandes découvertes de génétique
–
La génétique moléculaire
–
Les manipulations génétiques
C/ Eléments génétiques mobiles : Cassettes, Intégrons, Transposons, Plasmides
ü CASSETTES :
v Eléments génétiques
mobiles
o
Intégration et excision médiés par une intégrase
externe
v Constitution:
o
Ensemble de gènes co-transcris (souvent résistance à
un AB)
o
Site de reconnaissance d’une intégrase
o
Non auto réplicatifs, non autotransférable,
o
sans promoteur (donc non transcrits isolément)
ü INTGRONS :
Structure:
o
Région 5’
·
Gène d’Integrase (intI)
·
Site d’attachement (att)
·
Promoteurs (P1 P2…) pour toutes les cassettes (les
plus proches sont les mieux transcrites).
o
Région 3’
·
Cassettes de résistance
ü Mobiles (cibles
d’intégrations multiples)
ü Non auto
réplicatif, non autotransférable
TRANSPOSONS :
Ø 500 à 10000 PB
Ø mobiles (transposition)
Ø insertion sans homologie
PLASMIDES :
Eléments facultatifs
ADN bicaténaire circulaire
1% de la taille du chromosome
Autoréplicatifs (réplicons)
–
Plusieurs plasmides identiques ou différents par
cellule
–
Transmis à la descendance
–
Stables si avantage sélectif
Autotransférables d’une cellule
à l’autre (gènes de transfert) même interspécifique
Variations génomiques chez les bactéries :
A/
Définition :
Variations phénotypiques
(Modification de l’expression du génome)
–
Adaptation
–
Réversible si l’environnement change
–
Non transmissible
–
Exemple: expression d’une b-galactosidase
Variations génotypiques
(Modification de la structure du génome)
–
Non réversible
–
Transmissible
–
Exemple: mutations, remaniements, acquisition d’ADN exogène
1/ Mutations: nature et définitions :
–
Modifications accidentelles de la séquence de l’ADN
–
Survenant lors de la réplication
–
Exemples:
§ Délétion ou
insertion è décalage du cadre de lecture
§ Substitution
d’un nucléotide è modification du message
–
Mutation silencieuse (acide aminé identique ou
équivalent)
–
Mutation létale (produit du gène essentiel)
–
Mutation non sens (codon stop)
–
Mutation faux sens (substitution d’un AA)
§ proteines
plus ou moins fonctionnelle.
Mutations :
Caractères :
·
rares : taux de mutation= 10-5 à 10-9, augmenté par les agents
mutagènes.
·
Spontanée : les antibiotiques n’induisent pas de
mutations
·
Stable : mutation réverse, mutation
compensatoire.
·
Transmise à la descendance
·
Indépendantes et spécifiques :
-
Autres caractères intacts
-
Taux de mutations pour 2caractères= produit des taux
de mutation
B/ L’acquisition
d’ADN exogène :
1. Transformation :
Définition :
-Phénomène fréquent chez certaines espèces
-Transferts
interspécifiques possibles
-Caractères de résistance, de virulence ou métaboliques
Pneumocoques résistants aux b-lactamines
-Technique de base en biologie moléculaire
Electroparation
Caractéristiques
de la transformation :
q Le DNA doit être
libéré d’une bactérie (exogènote )
q Le DNA nu doit
se fixer sur une bactérie réceptrice en
phase de compétence
q L’absorption
d’ADN polymérisé est suivie d’une recombinaison légitime avec acquisition de
nouveaux caractères génétiques stables, transmissibles à la descendance (
recombinants ou transformants )
q Le transfert est
partiel :une partie de l’exogènote ( 1-2% du génome) pénètre et se recombine (
si homologie suffisante)
q Ce transfert
naturel d’ ADN bactérien est limite à quelques espèces telles streptococcus
dont S.pneumoniae, Neisseria ,Haemophilus ……..
LES
PRINCIPALES ETAPES DE LA TRANSFORMATION NATURELLE :
L’ADN/: bicaténaire, d’origine
variable
1ère étape: fixation covalente à un complexe
protéique membranaire
2ème étape: fragmentation de l’ ADN (
nucléase)
3ème étape : entrée de l’ ADN simple brin
dans la bactérie
4ème étape : devenir de l’ ADN simple brin
transformant dans la bactérie
ü recombinaison
homologue nécéssitant de larges homologies entre l’ADN exogène et endogène,
avec remplacement allélique.
ü l’ADN provient
de la même espèce bactérienne ou d’une espèce proche
Conjugaison
ou sexualité des bactéries :
1-
Définition
Processus sexuel nécessitant un
appariement entre bactéries de sexes différents et formation d’un pont
cytoplasmique permettant les échanges génétiques:un transfert
unidirectionnel d’ADN d’une cellule donatrice (f+) à une cellule
réceptrice (f-), par un mécanisme requérant un contact spécifique.
Caractéristiques
de la conjugaison :
Le facteur de sexualité ou de
fertilité (F) permet la synthèse de pili sexuels chez la bactérie
donatrice ou mâle et donne la polarité au chromosome.
Le transfert d’ADN chromosomique
est à sens unique, orienté, progressif et parfois total (2h).
Le transfert d’ADN chromosomique
est spécifique (intra-espèces) et limité à certaines espèces à Gram
négatif telles E.coli, Salmonella, Pseudomonas aeruginosa
et Streptococcus.
Le transfert d’ADN plasmidique
et de transposons est très fréquent et peu spécifique (intra-espèces)
Deux classes de vehicules :
- plasmides, -Transposons
Ø On observe
souvent une synergie entre les véhicules. En particulier des transposons portés
par des plasmides.
Limites :
§ Pour les
plamides. Réplication et expression des fonctions de transfert
§ Pour les
transposons. Expression des fonctions de transfert
§ De façon
générale. Le transfert et l’expression des fonctions de transfert sont très
finement régulés. Vraisemblablement pour limiter la charge biosynthétique liée
à ce processus.
Le
facteur de fertilité: le plasmide F+, premier plasmide connu :
Le plasmide F+: DNA circulation
double brin,~ 2% du chromosome bactérien.
Le plasmide F+ se réplique chez E.coli
et Salmonella typhimurium.
Le plasmide F+ code pour des
fonctions de transfert (région tra de 30 kb de ~ 30
gènes), incluant la biosyntheses de pili sexuels.
Le plasmide
F+ peut s’insérer dans le chromosome (bactéries HFr High Frequency
recombination) et mobiliser le transfert partiel des gènes chromosomiques
du donneur dans la bactérie réceptrice (F-).
Conséquences
de la conjugaison :
Le mode de transfert d’ADN
bactérien par conjugaison d’une cellule à l’autre a permis:
Ø La
caractérisation des propriétés remarquables du facteur F:
- Plasmide =
réplicon
- insertion
au chromosome en des sites limités ou
autonome).
- le passage
de l’état intégré à l’autre par excision
peut entrainer la formation d’un plasmide F’ (unité autonome de réplication et
porteuse de gènes bactériens).
Ø L’établissement
de cartes génétiques du chromosome bactérien (E.coli).
Ø La circularité
du chromosome bactérien.
Ø Principal
facteur d’évolution des bactéries: acquisition de plasmides de résistance aux
antibiotiques, et porteurs de gènes de virulence et métaboliques.
2- La
transduction :
Définition:
Transfert d’ADN bactérien d’une
bactérie à une autre par
l’intermédiaire d’un bactériophage.
Ce transfert partiel de gènes bactériens
peut s’accompagner d’une recombinaison légitime :
v Transduction généralisée: le phage emporte n’importe quel gène de la bactérie
donatrice.
v Transduction abortive: pas d’intégration.
v Transduction spécialisée: le DNA phagique s’intègre toujours au même endroit.
§ Caractéristiques
de la transduction :
Bactériophages: vecteurs de transduction.
Particules transductrices: les phages virulentes contenant de
l’ADN bactérien encapsidé.
Processus essentiellement intra-spécifique.
Deux types de transduction : généralisée, spécialisée.
L’existence de
nombreuses souches lysogènes fait qu’il s’agit d’un phénomène général chez les espèces Gram positif (Staphylocoques, Bacillus)
et Gram négatif (Entérobactéries, Pseudomonas).
La transduction a un potentiel limité aux espèces très
proches. Mais c’est un processus extrêmement efficace.
§ Efficacité
du phénomène :
- Protection du DNA dans les particules virales.
- Système de délivrance très performant
- Abondance des phages
en milieu aquatique 103 et 108 phages/ ml.
( 108
phages/ ml ≈ 1/3 population bactérienne sujette à une attaque virale/ 24 h)
§ Transduction
par des bactériophages :
Virus des bactéries
Infectionè
o
Phage virulent è cycle lytique
o
Phage tempéré è Intégration au chromosome (prophage
inductible, bactérie lysogène)
§ Conséquences
de la transduction :
Mode de transfert ayant un intérêt historique (phage lambda d’E. coli).
Transfert en ADN bactérien ou plasmidique limité (taille du phage) (<
50 kb).
La lysogénie : Exemples :
*Toxine du bacille
diohtérique et phage B
*Toxine érythrogène par le
streptocoque A
* Certaines cytotoxiques
(vérotoxines) chez E.coli ECEP
* Certaines facteurs antigéniques de
salmonella (conversion lysogénique)
*Certains « ilots de pathogénicité » des
bactéries sont en fait hébergés par des prophages intégrés dans les chromosomes
bactériens.
C/ Régulation des variations génétiques :
§ Systèmes de
réparation des mutations :
- Systèmes de réparation des
mésappariements
- Systèmes SOS. Rec
- Les souches hypermutatrices àévolution rapide
§ Systèmes de
restriction / méthylation :
-
Restriction des recombinaisons par les endonucléases
de restriction
-
Protection de l’ADN par les enzymes de méthylation
àRecombinaisons seulement entre
bactéries taxonomiquement proches
CONCLUSION :
§ Génome des bactéries très plastique
§ Variations/ Sélections = source de diversité +++ à
adaptation. Evolution
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