Cours de Génétique GNT305

Génétique des microorganismesChapitre 8

D7-3021Eric MasséDépartement de Biochimie-CHUS FleurimontBureau 5436Tel: 346-1110 ext 15475eric.masse@USherbrooke.ca

Livre de référence: Principles of genetics. Snustad and Simmons, 2006. Fourth edition.

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

Les infections bactériennes sont toujours un problème actuel

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 preinterventionperiod, squares indicate values for the intervention period, and triangles indicate values for the postintervention period.

Gottesman, 2009

Prescriptions d’antibiotiques quotidiennes

Sensibilité aux antibiotiques

Corrélation inverse entre consommation d’antibiotiques et sensibilité aux antibiotiques

Menace terroriste à l’anthrax en Israël

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

• 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.

Cancers et bactéries

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 B-catenine 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

12

3

1 Nucléole 2 Noyau 3 Ribosome 4 Vésicule 5 RE rugueux6 Appareil de Golgi 7 Cytosquelette 8 RE lisse 9 Mitochondrie10 Vacuole 11 Cytosol 12 Lysosome 13 Centriole

La cellule eucaryote fonctionne grâce à la symbiose avec les bactéries, devenues

mitochondries

• 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)

90% of cells in the Human body are

microbial cells

• 1014 bacterial cells

Fe

Raymond, 2003

ExbB

Bacterial outer membrane

Bacterial inner membrane

Fe

Fe-transferrin (blood)

Fe

Enterobactinsiderophores

Host-bacteria fight for iron

Raymond, 2003

ExbB

Bacterial outer membrane

Bacterial inner membrane

Fe-enterobactin

Fe

FeFe Fe

Fe

Enterobactinsiderophores

Host-bacteria fight for ironFe-transferrin (blood)

Raymond, 2003

ExbB

Bacterial outer membrane

Bacterial inner membrane

Fe-enterochelin

FeFe Fe

Fe

Siderocalin produced by the host neutrophils

Enterobactinsiderophores

Host-bacteria fight for ironFe-transferrin (blood)

ExbB

FeFe Fe

Fe

Siderocalin

Host-bacteria fight for ironSalmochelin glycosylated enterobactin produced by pathogenic E. coli and Salmonella

Fe

Fe-Salmochelinuptake

• Informations générales sur les bactéries

• Pas de noyau, procaryotes(« pro » avant et « caryon » noyau)

• Un seul chromosome (haploïde)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`énergieAzote: utilisée pour la synthèse d`acides aminéesSels minéraux (soufre, phosphore, fer, magnésium)

Nomenclature des gènes

lac : gène impliqué dans le métabolisme du lactosehis : métabolisme de l’histidinepol : 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 phénotypeGenotype: 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 phénotypeExemple: mutation silencieuse ou neutre

MUTATIONS

Les différents types de mutations

Nutritionnellesauxotrophe: requiert un nutriment (acide aminé, vitamine, etc)ex: his- : ne peut croître sans histidine dans le milieu

Source de carbonelac+ : utilise le lactoselac- : n`utilise pas le lactose

Résistance à un antibiotiquetetS: sensible à la tétracyclinetetR: résistant à la tétracycline

ABCDABCD-------------BCDABCDAlac-

ÉCHANGE GÉNÉTIQUE

Donneur: ADN linéaire

Recombinaison entre une molécule linéaire et unecirculaires: deux crossovers sont nécessaires!

lac+ABCDABCD-------------BCDABCDA

Receveur: souche Lac-

lac-ABCDABCD-------------BCDABCDA

ABCDABCD-------------BCDABCDAlac+

Receveur: souche Lac+

Recombinaison entre deux molécules circulaires: un seulcrossover est nécessaire

ÉCHANGES GÉNÉTIQUES

Transformation chimique (en laboratoire)

Plasmide Réplication du plasmideIndépendante du chromosome

Introduction du plasmidedans la cellule

Choc chimiqueou

électrique

ampR

tetR

ampS

tetS

Souche résistante à l`ampicilline et tétracycline

Chromosome

Transformation naturelle

Espèces bactériennes qui transforment naturellementStreptococcus HaemophilusNeisseria Bacillus Staphylococcus

Première évidence que l’ADN contient l’information génétique (1928-1944)

Transformation naturelle

(provient d’une Bactérie morte)

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

S strain (smooth): souche virulenteColonies lisses

R strain (Rough): souche non-virulenteColonies rugueuses

La transformation chez Streptococcus pneumoniae

Découverte de la transformation avec Streptococcus pneumoniae

Frederick Griffith,1928

S strain (smooth): souche virulenteLisses

R strain (Rough): souche non-virulenteRugueuses

Figure équivalente à 8.19 (Snustad)

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

Cellule de plante

Chromosome bactérien

Chromosome de la cellule de plante

Molécules végétales

T-DNA (Tumeur-DNA)

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:

SoyaCotonMaïsBetteraveLuzerneBléCanolaRiz

Synonyme: plasmide R (Résistance) ou facteur F (Fertilité)Plasmide F qui peut contenir la résistance à sulfonamides, streptomycine, acide fusidique, chloramphenicol, tétracycline

tra pour transfert conjugatif

(Trimethoprim)

(Ampicilline)

(Vancomycine)

(désinfectants à l’ammoniaque)

(kanamycine)

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

thr+, leu+, aziStonS, lac+, gal+, strS

Receveuse

thr-, leu-, aziRtonR, lac-, gal-, strR

Hfr H

strS, gal+, lac+, tonS, aziS, leu+, thr+ Plus on laisselongtemps, plus il y a d’allèles transférés

20 min30 min40 min50 min

10 min

Cartographie des gènes bactériens

Donneuse

thr+, leu+, aziStonS, lac+, gal+, strS

Receveuse

thr-, leu-, aziRtonR, lac-, gal-, strR

Coissance sur milieu sans thréonine (thr), sans leucine (leu) avec streptomycine et glucose

Cellules donneuses Cellules receveuses

Conjugaison

Donneuse

thr+, leu+, aziStonS, lac+, gal+, strS

Receveuse

thr-, leu-, aziRtonR, lac-, gal-, strR

Coissance sur milieu sans thréonine (thr), sans leucine (leu) avec streptomycine et glucose

Cellules donneuses Cellules receveuses

100% Cellules: thr+, leu+, strR

Conjugaison

strS, gal+, lac+, tonS, aziS, leu+, thr+

strR, gal-, lac-, tonR, aziR, leu-, thr-

Brin ADN receveur

Résultat conjugants: thr+, leu+, aziS(10%), tonS(2%)

Après 9 min de conjugaison

Crossovers possibles

Brin ADN donneur

strS, gal+, lac+, tonS, aziS, leu+, thr+

strR, gal-, lac-, tonR, aziR, leu-, thr-

Crossovers possibles

Brin ADN donneur

Brin ADN receveur

Après 25 min de conjugaison

Résultat conjugants: thr+, leu+, aziS(90%), tonS(80%), lac+(25%), gal+(1%), strR(100%)

Fréquences des marqueurs relativement à thr+ leu+ strR