Chapitre 5: La génétique des bactéries et virus

Objectifs:

– Connaître les 3 méthodes d'introduire un fragment d’ADN dans une bactérie E.coli et occasionner ainsi des appariements de fragments de gènes homologues et l’échange d’une copie d’un gène par une deuxième

– Connaître comment déduire l'ordre des gènes à l'aide de ces méthodes qui impliquent des évènements de recombinaison

– Non seulement l’ordre des gènes peut-on deduire mais on peut aussi établir une carte exacte!

Génotypes bactériens

Nous avons vu comment les mutations peuvent introduire des variations au niveau des gènes des bactéries. Qu’en est-il de la recombinaison?

Procaryotes: pas d'enveloppe nucléaire mais un chromosome circulaire dans le cytoplasme (Monoploide).

A l’opposé des eucaryotes, pas de méiose!

Alors qu’est ce qui peut occasionner des appariements de gènes homologues

Il y a 3 façons d'introduire un fragment d’ADN ou une deuxième copie d'un gène dans une bactérie. Ceci peut occasionner des appariements de gènes homologues et des recombinaisons qui conduiraient à l’échange d’une copie d’un gène par une deuxième.

1. Conjugaison bactérienne grâce au facteur de fertilité

2. Transformation bactérienne

3. Les virus bactériens ou bactériophages

Ordre des gènes peut être determiné et une cartographie du chromosome bactérien peut être effectuée grâce aux résultats de recombinaison.

1) ConjugaisonPrincipe: transfert par l’intermédiaire d’un facteur de fertilitéSouches bactériennes :– F- = n'ayant pas de facteur F – F+ = ayant un facteur F dans le cytoplasme – Hfr = ayant un facteur F dans le chromosome– F' = ayant un facteur F, contenant un ou des

gènes bactériens, dans le cytoplasme

2) TransformationPrincipe: transfert par diffusion d’ADN dans une cellule bactérienne

3) TransductionPrincipe: transfert par l’intermédiaire d’un bactériophageTypes: restreinte et généralisée

La conjugaison

• Un épisome (le facteur F) présent dans une cellule bactérienne peut transférer le chromosome de cette cellule dans une autre pendant un contact entre ces cellules– Processus par lequel une cellule bactérienne

transfère de l'ADN à une autre– Dépend de la présence du facteur de fertilité:

le facteur F

Propriétés de F

Facteur F:

Est un "mini-chromosome" d'ADN circulaire (environ 100 kb) qui posséde 4 propriétés principales.

1 - Produit des pili– Permettent l'attachement à d'autres cellules

bactériennes (tubes d'attachement)– Permet le transfert de son ADN à d'autres cellules

bactériennes

2 - Le facteur F est un ADN circulaire avec 3 domaines fonctionnels: origine, région d'appariement et gènes de fertilité.Le facteur F peut répliquer son ADN indépendemment du chromosome de la bactérie: ce qui permet son transfert et maintien dans une population de bactéries

3 – Le facteur F peut s’integrer dans le chromosome des bactéries par Recombinaison: aussi appelé épisome.

Une partie des bactéries auront F intégré dans leurs chromosomes: Lignées Hfr (haute fréquence de recombinaison).

4- Chaque cellule de ces lignées Hfr va transférer des gènes chromosomiques (d’E. coli, en bleu) durant le transfert de F

Le transfert se fait: tête puis chromosome bactérien puis queue

Recombinaison et échange allélique

Après l'introduction dans une cellule bactérienne d'un allèle provenant d'une autre cellule, il doit y avoir recombinaison pour intégrer cet ADN étranger.

Plus il y aura d’homologies, plus il y aura de chance pour la recombinaison. C’est ainsi que les souches Hfr occasionnent une haute fréquence de recombinaison.

+

Ce fragment linéaire est perdu parce qu'il n'a pas d'origine de réplication

Chromosome recombinant

On obtient à ce stade un mérozygote qui est un diploïde partiel

Preuve de transfert– souche A = met-, bio-, thr+, leu+, thi+– souche B = met+, bio+, thr-, leu-, thi-

1) souche A sur milieu minimal = pas de colonies2) souche B sur milieu minimal = pas de colonies3) souches A et B sur milieu minimal = colonies

Les souches A et B sont capables de se complémenter

Transfert entre souches A et B

Cette complémentation n'est pas le résultat de transfert de substances nutritives– Il doit y avoir contact

physique entre les deux souches pour produire des recombinants prototrophes

Conjugaison interrompue

• À l'aide d'un mélangeur (blender)!• Croisement:

– Hfr: strs a+ b+ c+ d+X

– F- : strr a- b- c- d-• Conjugaison interrompue à toutes les 5 minutes• « Pas de croissance » des Hfr avec streptomycine

– Les Hfr ont les 4 gènes fonctionnels et on veut voir lesquels de ces gènes la bactérie F- a reçu; on veut donc empêcher les Hfr de croître.

NB. a+ (azir), b+ (tonr), c+ (lac+) et d+ (gal+)

Analyse des gènes transférés à F- :

– Croissance sur des plaques de pétri contenant différentes substances biochimiques pour déterminer le génotype.

– Par exemple, pour croître sur un milieu ayant lactose comme seule source de carbone, la bactérie F- doit avoir reçu le gène lac+ de la bactérie Hfr

Transfert du gène a+ (azir) commence à 8 minutes, b+ (tonr) à 10 minutes, c+ (lac+) à 17 minutes et d+ (gal+) à 25 minutes

• Plus la conjugaison dure longtemps, plus l’ADN bactérien est transféré

• Environ 100 minutes sont nécessaires pour transférer tout le chromosome bactérien

Carte chromosomique de liaison établie à partir d'expériences de conjugaison interrompue

• Basé sur le temps de transfert à partir d’une origine

• Plus un gène est loin de l’origine d’initiation du transfert, plus le plateau de transfert est bas (p. ex., seulement 80 % des conjugaisons durent au moins 10 minutes)

• Environ 100 minutes sont nécessaires pour transférer tout le chromosome bactérien

Un seul phénomène de crossing-over va insérer le facteur F à un site d'appariement spécifique. F contient de l'ADN homologue à différentes régions du chromosome d'E.coli, il peut donc s'intégrer à plusieurs endroits. Ceci déterminera par la suite l’ordre dans lequel les gènes seront transférés.

Comment le facteur F s’intègre t-il dans le chromosome bactérien?

Différents exoconjugants peuvent transférer des gènes dans un ordre

différent

Transfert séquentiel des gènes lors d'un croisement bactérien

• Par contre, l'ordre des gènes n'est pas aléatoire. Même espèce = même ordre des gènes!

Le facteur F peut se répliquer librement dans le cytoplasme ou s'intégrer dans le chromosome d'une bactérie et se répliquer avec lui.

F s'intègre à l'aide d'un enjambement unique entre sa région d'appariement et les régions homologues du chromosome d'E. Coli -> bactérie Hfr

À l'état intégré, le facteur F est le dernier à être transmis durant la conjugaison. Au début, il ne transmet que son origine et il doit transmettre tout le chromosome bactérien avant de transférer ses gènes de fertilité.

Facteur F’ et sexduction

F' est un facteur F qui contient une partie du chromosome d'E. coli. Ceci est souvent le résultat d'une excision imparfaite d'un facteur F intégré dans le chromosome (d'une souche Hfr).

• Méroploïdie : une cellule bactérienne diploïde pour un locus sur facteur F’

• Sexduction = transmission de marqueurs chromosomiques bactériens par un facteur F’

Problème

• Six souches Hfr d'E. coli transfèrent leurs 5 premiers gènes dans l'ordre suivant:

1) AR - T - RE - K - V2) V - K - RE- T - AR3) K - V - O - Y -A4) AR - ST - R - E -G5) G - A -Y - O -V6) A - G - E - R –ST

– A) Quel est l'ordre de ces gènes sur le chromosome d'E. Coli?– B) Quelles sont la position et l'orientation du facteur F de chacune de

ces six souches?• Dessinez vos réponses sur un dessin du chromosome d'E. coli.

La carte génétique d’E. coli (1963)

La carte plus récente est maintenant divisée en 100 minutes

Résumé

Après le transfert par le facteur F, il faut qu'il y ait recombinaison (2 enjambements) pour qu'un recombinant stable soit produit

Recombinaison et échange allélique

Procaryotyes – 1 enjambement

OR Réplication

OR

OR

Pas viable - Il manque des gènes à gauche de l’origine de réplication

OR

OR

a-a+

OR

a- Réplication (Division de la Cellule)

Procaryotyes – 2 enjambements

a+

OR

a+

OR

a+

Viable

Perdu

Viable

Cartes de liaison avec gradients de transfert

CroisementHfr strs met+ arg+ aro+ his+ XF- strr met- arg- aro- his-

• Sélection des recombinants sur milieu minimal sans met pour sélectionner pour met+, mais avec arg, aro, his et streptomycine = sélection pour F- recombinantes sans avoir les Hfr initiales.

• Résultats:met+ = 100% arg+ = 60%aro+ = 20%his+ = 4%

• La fréquence à laquelle les marqueurs du Hfr sont retrouvés dans les recombinants correspond à l'ordre dans lequel ils sont transmis - découle de la probabilité décroissante qu'une cellule réceptrice reçoive des marqueurs de plus en plus tardifs

4% 20% 60% 100%

His+ Aro+ Arg+ Met+

• Plus un marqueur est près de l'origine de transfert, plus il a de la chance d'être transmis

Sélection du premier gène

• Sélection pour Met+• Plus un gène est près de l’origine, plus il aura

de chance d’être transmis – Donne de bonnes cartes relatives (ordre)

mais pas absolues (% de recombinaison)

His+ Aro+ Arg+ Met+

His- Aro- Arg- Met-

Cartographie par sélection du dernier gène

• Sélection pour His+• Chaque cellule acceptrice (F-) va avoir reçu un

brin d’ADN comprenant les 4 mêmes gènes – Permet d’établir de cartes exactes (% de

recombinaison)

His+ Aro+ Arg+ Met+

His- Aro- Arg- Met-

Cartographie de grande résolution

• En sélectionnant pour le dernier gène à pénétrer dans la cellule F-

Aro+ Arg+ Met+

Aro- Arg- Met-

• Si 10 % des F- deviennent Aro+ Arg- Met-• et 4 % des F- deviennent Aro+ Arg+ Met-

– Alors la distance entre Aro et Arg est 10 unités de cartes et celle entre Arg et Met est de 4 unités de carte (10 et 4 % de recombinaison)

4 possibilités avec 3 gènes