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Mécanismes d’échanges d’informations génétiques chez les procaryotes

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Transfert horizontal de gènes chez les procaryotes

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3.1 La transformationDécouverte : Fred Griffith (1928)

F. Griffith, 1928. The significance of pneumococcal types. J. Hyg. 27, 113-159

D’après G. BourdonnaisCegep de Ste Foy,Canada

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Conclusions de Griffith

• Les bactéries S mortes ont transmis un facteur transformant les bactéries R en bactéries S

• Nature du facteur transformant??

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Expérience d’Avery (1940)

Le facteur transformant est constitué d’ADN

D’après G. BourdonnaisCegep de Ste Foy,Canada

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La transformation naturelle

- nécessite mise en place d’un état physiologique particulier : état de compétence

-entrée ADN nu dans la cellule

- recombinaison homologue si et seulement si homologie entre endogénote et exogénote

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Mécanismes moléculaires de la transformation

a) mise en place de l’état de compétence

1. Production et excrétion du facteur de compétence2. Absorbtion du facteur de compétence sur les sites récepteurs3. Activation des gènes spécifiques de la transformation4. Synthèse d’une autolysine5. L’autolysine démasque la nucléase et la protéine de liaison à l’ADN

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Mécanismes moléculaires de la transformation

b) Entrée et intégration de l’ADN dans la cellule compétente

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La compétence des bactéries (1)

• Étude chez S. pneumoniae

• Durée limitée (10-15 min)

• Fin de phase exponentielle

temps

Log

UF

C/m

L

État de compétence

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La compétence des bactéries (2)

• Excrétion de facteur de compétence (fc)• synthèse récepteurs à la surface de la cellule• Fixation fc sur la cellule qui l’a synthétisé et

sur cellules voisines• Nombre de récepteurs varie selon espèces• % cellules compétentes varie selon espèces

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Prise en charge de l ’ADN par les cellules compétentes

ADN natif

ADN dénaturé

[ADN] thymus de veau

UFC/mL résistantes

S. pneumoniae sensibles à pénicilline + ADN extrait de bactéries résistantes à pénicilline + ADN thymus de veau

-non spécifique

-seul ADN db est reconnu

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Exogénote : addition ou substitution?

a-

Transf ADN de A+

A+

Sélection A+

A+Sélection a-

Transf ADN de a-

Taux de tf = L

Taux de tf =Ma-

L = M

A+ : caractère dominant

donc substitution

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Les m.o. procaryotes naturellement compétents

• Une quarantaine d’espèces répertoriées appartenant aux bactéries et aux archaées

• Gram + : S. pneumoniae, S. aureus, B. subtilis, Lactibacillus lactis, …

• Gram- : N. gonorrhae, Vibrio sp, P. stutzeri,…• Archae : Methanobacterium

thermoautotrophicum, Methanococcus voltae

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Rôles de la transformation naturelle? (1)

• Réparation ADNUV

TT

A B

- ADN de cellule B retrouvé dans ADN de cellule A : réparation- Rec A activée

B lysée

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Rôles de la transformation naturelle : formation des gènes mosaïques

• Comparaison de l’ADN de différentes souches de S. pneumoniae

Sp1 Sp2 Sp3

Mutant 1

Mutant 2

sauvage

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Transformations dans l’environnement

-évolution des micro-organismes en conditions environnementales- devenir des mo génétiquement modifiés

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La transformation artificielle

• Traitement CaCl2 et choc thermique

• Choc électrique : électroporation

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Échanges d’informations génétiques entre cellules

1.Transformation

2. Conjugaison

3. Transduction

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Expérience de Lederberg et Tatum (1946)

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Expérience de Davies (1950)

Souche A Souche B

Conjugaison nécessitecontact entre cellules

- pas de recombinants isolés si les souches A et B sont séparées parun filtre imperméable aux bactéries

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Sens du transfert ? Expérience de Hayes (1952)

• Souche A SmR + souche B SmS – MM : qq colonies– MM + Sm : 0 colonies

• Souche A SmS + souche B SmR– MM : qq colonies– MM +Sm : qq colonies

• Transfert à sens unique • Transfert de A vers B

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Facteur sexuel F = plasmide F

Opéron tra

Synthèse des pilis : traA, traL, traE, traK, traB, trav, traC, traW, traU, traF, traQ, traH, traG,

exclusion de surface : traS, traT,

Transfert de l’ADN (gènes mob): traM, traY, traD, traI, traZ

Régulation : finP, finO, traJ

replication

Insertion dans le chromosome

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Le plasmide R100

Opéron tra très prochede celui duplasmide F

Résistances aux antibiotiques et métaux lourds

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Les plasmides conjugatifs

• Autotransférables• ADN circulaires autoreplicatifs• Très répandus dans les bactéries et archaées• Une bactérie peut en héberger entre 0 et une

dizaine• Peuvent héberger des fonctions diverses :

résistances antibiotiques ou composés toxiques, opérons métaboliques, interactions avec autres bactéries (symbiose, virulence), etc..

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Mécanisme de conjugaison

Formation couple de conjugaison : gènes tra

Transfert de l’ADN : gènes mob

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Transfert de l’ADN

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Les souches Hfr

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Les différents « destins » du plasmide F

Pont cytoplasmique

D’autres plasmides conjugatifs se comportent de la même manière!

D’après D. Bryant, Univ. MacGill, Canada

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La formation des souches « haute fréquence de recombinaison » (Hfr)

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Initiation de la mobilisation de marqueurs chromosomiques

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Mobilisation de marqueurs chromosomiques

ABC

D R

AB

C

DAB

ab

R

RA

c

Bc

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Différentes souches Hfr

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Carte chromosomique E.coli K12

établie grâce à l’étude des dérivés Hfr

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Pourquoi le marqueur SmR n’est-il pas passé dans

l’expérience de Hayes?

ABC

D R

AB

C

DAB

ab

R

RA

c

Bc

SmR

SmR

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Conjugaison-mobilisation

Transfert de replicons non-conjugatifs à l’aide d’un plasmide conjugatif « helper »

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Mobilisation par donation (A) et conduction (B)

D’après la thèse de Barbara Albiger, ULP, 1999

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Exemples de mobilisation

• Plasmides non-conjugatifs : par donation et conduction

• Gènes chromosomiques via Hfr : par conduction

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Échanges d’informations génétiques entre cellules

1.Transformation

2. Conjugaison

3. Transduction

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Découverte : Zinder et Lederberg (1951)

Souche A Souche B

Souche A : S. Typhimurium LT-22 (P22) : try-

Souche B : S. Typhimurium LT-2 : his-

Isolement de bactéries prototrophes try+ à partir de la souche A

Filtre : perméable à ADN, virus mais pas bactéries

Agent filtrable :

- insensible à DNAse,

- possède caractéristiques physiques de P22

- inactivé par sérum anti-P22

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Transduction généralisée

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Transduction généralisée

• Existe chez nombreuses bactéries G+ et G-, • Insertion de l ’ADN exogène : recombinaison

homologue• Transduction effective si [phages] <<<[ bactéries]• Efficacité de transduction inversément proportionnelle

à efficacité de la nucléase phagique • Proportion transductants :

– 0,3%/cell. réceptrices pour P1– 1-5%/cell. réceptrices pour P22

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Transduction spécialisée

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Transduction

dgal, pbio

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Transduction spécialisée

dgal : perte de gènes impliqués dans la synthèse de nouvelles particules phagiques (défectif gal), toujours lysogènes, mais uniquement infectieux en présence particules phagiques « helper »

pbio : perte gènes int et xis, toujours infectieux (plages bio), mais uniquement lysogène en présence de particules phagiques « helper »