GENETIQUE BACTERIENNE I
Une histoire récente survenue à New-York en octobre a montré la psychose liée aux manipulations génétiques chez les microorganismes et montrer les potentialités de la génétique.
Une histoire récente survenue à New-York en octobre a montré la psychose liée aux manipulations génétiques chez les microorganismes et montrer les potentialités de la génétique.
Heureusement, il ne s'agissait de moustiques infectés par le virus de la West Nile Fever.
| Objectifs d'aujourd'hui : Définition de la génétique Pourquoi les bactéries constituent un matériel génétique de choix ? Quel est le mode de reproduction habituel des bactéries ? Quelles sont les principales caractéristiques du chromosome bactérien ? Quelles sont les applications actuelles quotidiennes ? Quelles sont les principales caractéristiques de la variation génotypique ? |
A - DEFINITION DE LA GENETIQUE
Science de la variation et de l'hérédité, née de l'étude chez les organismes doués de reproduction sexuée, du croisement ou hybridation entre races ou variétés de la même espèce.
B - HISTORIQUE
Premières lois fondamentales de la génétique formelle (transmission des caractères héréditaires) ont été dégagées vers 1865 par G. Mendel, lors l'étude de la transmission des caractères anatomiques, cytologiques et fonctionnels de certaines plantes, le pois par exemple. Ces lois ont été redécouvertes vers 1900 chez la mouche.
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Pour en savoir plus :
http://www.netspace.org/MendelWeb/home.html http://www.mendelu.cz/index.eng.html |
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1 ère phase :
Bactéries peu favorables à l'analyse génétique. Pourquoi ? Il y avait une absence visible de différences morphologiques à cause de la taille (µ) ou encore de l'absence de spécialisation de la cellule (germe, soma). |
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2 ème phase :
Les bactéries sont devenues, par la suite, un matériel de choix à cause de leur division rapide : Escherichia coli (20 min) ou encore de leur encombrement "limité" (dans un tube de 22 mm), contrairement aux mammifères comme l'éléphant. |
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Résultat :
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Dernière question ????
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Conclusions : Apport de la génétique bactérienne considérable en biologie moléculaire.Elle a participé à la naissance de cette nouvelle et importante discipline.
Pour en savoir plus : http://www.genethon.fr/projets/HistoireBM/HistoireBM.html
La génétique bactériennne est devenue d'application banale par son usage quotidien :
- tests de mutagénése induite (agro-alimentaire)
- mutagénèse par insertion
- techniques de clonage de gènes
- transfert de gènes
- séquençage.......
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C - REPRODUCTION ASEXUEE
Lors de la croissance bactérienne, il y a donc reproduction asexuée par scission binaire ou de scissiparité en l'absence de toute recombinaison génétique (pas de zygote). La bactérie est généralement haploïde (1 chromosome). |
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| D - PROPRIETES DU CHROMOSOME : ADN BACTERIEN Le chromosome bactérien est constitué d'acide désoxyribonucléique (ADN) dont les caractéristiques structurales sont bien connues. Pour en savoir plus : http://www.asmusa.org/mbrsrc/ |
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Parmi les autres caractéristiques, il convient de connaitre les suivantes :
- Formes topologiques : L'ADN bactérien qui est circulaire peut exister sous trois formes topologiques (superenroulée, relachée, linéaire) objectivées par plusieurs techniques telle l'ultracentrifugation, la microscopie électronique ou tout simplement l'électrophorèse en gel d'agarose (technique d'usage courant).
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La forme linéaire est obtenue par coupure, par exemple enzymatique (enzymes de restriction).
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- Séparation ou dénaturation : Les deux chaines ou alpha hélices sont maintenues entre elles (A-T, C-G) par les deux ou trois liaisons "hydrogène". Le chauffage permet leur séparation en brins monocaténaires = fusion ou dénaturation. Cette séparation est réversible (renaturation ou hybridation) selon le principe de la complémentarité des bases (A-T, C-G).
Pour en savoir plus : http://www.ac-versailles.fr/ |
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| Lors de la séparation, il y a augmentation de la DO à 260 m (effet hyperchromique), et celle-ci est fonction du nombre de paires GC. Il est possible de calculer un paramètre quantitatif (Tm). Ainsi la détermination du GC% est un critère taxonomique ou de classification des bactéries qui peut être calculé selon l'espèce bactérienne. Il peut varier largement selon les groupes bactériens. |
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- Hydrolyse ou restriction : L'ADN double brin peut être coupé par des enzymes de restriction, dénommées endonucléases.
| On a pu réduire de manière reproductible, le génome bactérien à une série de fragments caractéristiques isolables et mesurables (kb=kilobases), par exemple par une électrophorèse en gel d'agarose. |
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| Le mode d'action très spécifique des endonucléases permet d'établir des profils de restriction, d'où leur intérêt en épidémiologie pour tracer dans un service ou plusieurs services d'un hôpital, une épidémie hospitalière. L'intérêt de telles enzymes est essentiel dans l'obtention d'ADN hybride ou programme (cf génie génétique) |
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E - CONCLUSIONS
La bactérie possède, généralement, un seul chromosome circulaire de taille très variable. Plusieurs espèces bactériennes ont leur génome séquencé, même Mycobacterium leprae. Il est possible de chercher de nouveaux gènes de virulence, de nouvelles cibles pour les antibiotiques : Naissance de la génomique
Pour en savoir plus :
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Entrez/
Nouvelles méthodes de diagnostic telles FISH comme la recherche d'espèces telles E. coli dans les aliments ou sur des cellules (cystites).......
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clichés P.Grimont
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LES VARIATIONS BACTERIENNES
Les progrès de l'analyse bactériologique et biochimique démontrèrent dans les années 1920-1950, l'existence de variations chez les bactéries:
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clichés P.Grimont
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L'analyse des caractères des variations bactériennes a permis leur individualisation en deux types: génotypique et phénotypique |
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DEFINITION DE LA VARIATION GENOTYPIQUE
Il s'agit d'une modification spontanée ou induite, discontinue, stable, rare, spécifique et enfin liée à une modification du génome bactérien (ADN).
Ceci définit, en fait la mutation bactérienne dont les caractères spécifiques sont identiques à ceux observés dans le règne animal ou végétal. C'est à tort que l'opinion fut longtemps répandue de l'existence d'une différence de nature entre les bactéries (procaryote) et les autres organismes (eucaryote).
CARACTERES
* Spontanée : l'antibiotique, par exemple, sélectionne les rares formes variantes pré-existantes dans une population bactérienne comme dans une tuberculose pulmonaire.
* Induite : le caractère induit de la mutation bactérienne est bien connu lors de l'utilisation de rayonnements de type UV ou de substances chimiques comme des analogues de la guanine. Ces produits mutagènes sont dits génotoxiques.
* Discontinue ou brusque : elle apparait selon la loi du tout ou rien comme l'illustrent les exemples de variation ci-dessus illustrés.
* Stable : le caractère acquis est alors transmissible à la descendance, donc héréditaire.
* Rare : elle est mesurable par le taux de mutation qui est la probabilité pour une bactérie de muter pendant une unité de temps définie (souvent le temps de génération).
Il est caractéristique d'un caractère donné, de l'ordre de 10-5 à 10-10, le taux moyen étant de l'ordre de 10-6. Il convient de savoir qu'il y a une corrélation avec la fréquence de mutants ou proportion de mutants qui existe à un moment donné dans une culture. Celle-ci est de détermination aisée.
* Spécificité - Indépendance : la probabilité pour une bactérie de subir simultanément deux mutations distinctes est le produit des probabilités individuelles de ces mutations. Cette notion est d'importance, afin d'éviter la sélection d'un mutant résistant, dans l'antibiothérapie, antituberculeuse par exemple.
Une telle émergence sera évitée par une antibiothérapie associant, au-moins deux antituberculeux.
* modification de la structure du gène : unité de transmission héréditaire, entrainant quelquefois une modification de la structure primaire de la chaine polypeptidique correspondante. La mutation est une modification de l'ADN, donc de la séquence désoxyribonucléotidique. Divers types de mutation sont connues telles la modification d'une paire de nucléotides ou plus. Leurs effets sont variables: silencieux ou léthal. Certains aspects modernes de la modification de l'ADN sont liés à des insertions de séquence de type IS ou transposon (cf applications).
CONCLUSIONS
Il s'agit d'un mécanisme mineur d'évolution bactérienne, car la probabilité d'obtention de mutants spontanés est faible souvent sans avantage sélectif pour la forme variante, à l'exception de la résistance aux antibiotiques, par exemple.
La mutation peut être associée à un autre mécanisme (transformation) pour expliquer l'évolution vers la résistance du pneumocoque ou du méningocoque (cf transformation).
En fait cette stabilité apparente des espèces ne résulte nullement d'une invulnérabilité du chromosome aux lésions mais de l'existence de dispositifs enzymatiques de maintenance par excision - réparation (système SOS dont divers gènes dont recA et lexA.......).
Son intérêt historique est considérable avec l'individualisation de divers gènes: régulateur, promoteur, de structure, en particulier suite aux travaux de J. Monod.
Il s'agit d'une modification spontanée ou induite, discontinue, stable, rare, spécifique et enfin liée à une modification du génome bactérien (ADN).
Ceci définit, en fait la mutation bactérienne dont les caractères spécifiques sont identiques à ceux observés dans le règne animal ou végétal. C'est à tort que l'opinion fut longtemps répandue de l'existence d'une différence de nature entre les bactéries (procaryote) et les autres organismes (eucaryote).
CARACTERES
* Spontanée : l'antibiotique, par exemple, sélectionne les rares formes variantes pré-existantes dans une population bactérienne comme dans une tuberculose pulmonaire.
* Induite : le caractère induit de la mutation bactérienne est bien connu lors de l'utilisation de rayonnements de type UV ou de substances chimiques comme des analogues de la guanine. Ces produits mutagènes sont dits génotoxiques.
* Discontinue ou brusque : elle apparait selon la loi du tout ou rien comme l'illustrent les exemples de variation ci-dessus illustrés.
* Stable : le caractère acquis est alors transmissible à la descendance, donc héréditaire.
* Rare : elle est mesurable par le taux de mutation qui est la probabilité pour une bactérie de muter pendant une unité de temps définie (souvent le temps de génération).
Il est caractéristique d'un caractère donné, de l'ordre de 10-5 à 10-10, le taux moyen étant de l'ordre de 10-6. Il convient de savoir qu'il y a une corrélation avec la fréquence de mutants ou proportion de mutants qui existe à un moment donné dans une culture. Celle-ci est de détermination aisée.
* Spécificité - Indépendance : la probabilité pour une bactérie de subir simultanément deux mutations distinctes est le produit des probabilités individuelles de ces mutations. Cette notion est d'importance, afin d'éviter la sélection d'un mutant résistant, dans l'antibiothérapie, antituberculeuse par exemple.
| L'instauration d'une monothérapie est suivie de la sélection d'une souche résistante. En effet, une caverne évolutive de 2 cm de diamètre peut contenir une population bacillaire de l'ordre de 108 bacilles tuberculeux. Si le taux mutation est de 10-5 pour l'isoniazide (INH) et de 10-7 pour la rifampicine (RIF), la probabilité d'isoler un double mutant résistant à INH-RIF est de 10-12. |
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Une telle émergence sera évitée par une antibiothérapie associant, au-moins deux antituberculeux.
* modification de la structure du gène : unité de transmission héréditaire, entrainant quelquefois une modification de la structure primaire de la chaine polypeptidique correspondante. La mutation est une modification de l'ADN, donc de la séquence désoxyribonucléotidique. Divers types de mutation sont connues telles la modification d'une paire de nucléotides ou plus. Leurs effets sont variables: silencieux ou léthal. Certains aspects modernes de la modification de l'ADN sont liés à des insertions de séquence de type IS ou transposon (cf applications).
CONCLUSIONS
Il s'agit d'un mécanisme mineur d'évolution bactérienne, car la probabilité d'obtention de mutants spontanés est faible souvent sans avantage sélectif pour la forme variante, à l'exception de la résistance aux antibiotiques, par exemple.
La mutation peut être associée à un autre mécanisme (transformation) pour expliquer l'évolution vers la résistance du pneumocoque ou du méningocoque (cf transformation).
En fait cette stabilité apparente des espèces ne résulte nullement d'une invulnérabilité du chromosome aux lésions mais de l'existence de dispositifs enzymatiques de maintenance par excision - réparation (système SOS dont divers gènes dont recA et lexA.......).
| VARIATION PHENOTYPIQUE Elle se définit comme l'adaptation rapide de l'ensemble de la population bactérienne ayant le même génotype à diverses conditions extérieures, induite, réversible, non transmissible à la descendance mais spécifique. Le mécanisme est en relation avec l'activité ou l'expression des gènes et la découverte de systèmes de régulation : . négative avec les opérons inductibles (opéron lactose). . positive avec les opérons répressibles (opéron tryptophane). Pour en savoir plus : http://www.blc.arizona.edu/courses/181gh/ |
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Son intérêt historique est considérable avec l'individualisation de divers gènes: régulateur, promoteur, de structure, en particulier suite aux travaux de J. Monod.
Ce cours a été préparé par le Professeur A. PHILIPPON (Faculté de Médecine COCHIN-PORT-ROYAL, Université PARIS V)(Janvier 2000)
Pour en savoir plus :
Validation de vos connaissances (QCM)
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