Cours génétique

Chapitre : La génétique des bactéries et virus

I-Objectifs : Connaître les 3 méthodes d'introduire un fbactérie 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 on peut aussi établir une carte exacte!

II- Génotypes bactériens

Le génome bactérien est représenté par:-L'ADN chromosomique (y compris les -L'ADN plasmique (contenant les gènes qui codent les caractères de la souche qui donnent des avantages sélectifs)-génotype : toutes les informations codées dans le génome bactérien-Phénotype : l’ensemble des caractères observés après l’interaction du génotype avec l'environnement III- la cellule procaryotescirculaire dans le cytoplasme (Monoploide).A l’opposé des eucaryotes, pas de méiose!?Alors qu’est ce qui peut occasionner des appariements de gènes homologues

IV- La recombinaison Il y a 3 façons d'introduire un fragment d’ADNdans une bactérie. Ceci peut des recombinaisons qui conduiraient à l’échange d’une copie d’un gène par une deuxième. 1. Conjugaison bactérienne grâce au facteur de fertilité2. Transformation bactérienne3. La transduction par le biais des virus bactériens ou bactériophages Ordre des gènes peut être déterminé et une cartographie du chromosome bactérien peut être effectuée grâce aux résultats de recombinaison.

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Chapitre : La génétique des bactéries et virus

Connaître les 3 méthodes d'introduire un fragment d’ADNE.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 déduire mais on peut aussi établir une carte exacte!

Génotypes bactériens

Le génome bactérien est représenté par: (y compris les gènes essentiels pour la survie)

(contenant les gènes qui codent les caractères de la souche qui donnent des avantages sélectifs)

: toutes les informations codées dans le génome bactérien des caractères observés après l’interaction du génotype avec

la cellule procaryotes: pas d'enveloppe nucléaire mais un chromosome dans le cytoplasme (Monoploide).A l’opposé des eucaryotes, pas de

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

fig. 1 . la cellule bacterienne

La recombinaison d'introduire un fragment d’ADN ou une deuxième copie d'un gène

dans une bactérie. Ceci peut occasionner des appariements de gènes homologuesqui conduiraient à l’échange d’une copie d’un gène par une

1. Conjugaison bactérienne grâce au facteur de fertilité 2. Transformation bactérienne 3. La transduction par le biais des virus bactériens ou bactériophages

déterminé et une cartographie du chromosome bactérien peut être effectuée grâce aux résultats de recombinaison.

2020/2021

Chapitre : La génétique des bactéries et virus

ragment d’ADN dans une 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

on déduire mais

) (contenant les gènes qui codent les caractères de la souche qui

des caractères observés après l’interaction du génotype avec

chromosome dans le cytoplasme (Monoploide).A l’opposé des eucaryotes, pas de

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

ou une deuxième copie d'un gène occasionner des appariements de gènes homologues et

qui conduiraient à l’échange d’une copie d’un gène par une

déterminé et une cartographie du chromosome bactérien

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1) Conjugaison

Principe: transfert par l’intermédiaire d’un facteur de fertilité Souches 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) Transformation

Principe: transfert par diffusion d’ADN dans une cellule bactérienn

3) Transduction

Principe: transfert par l’intermédiaire d’un bactériophage IL existe deux types: spécialisée (restreinte) et généralisée

1- conjugaison ou sexualité bactérienne: 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

1-1- Propriétés du Facteur F (plasmide): Est un "mini-chromosome" d'ADN circulaire (environ 100 kb) qui possède 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 indépendamment du chromosome de la bactérie: ce qui permet son transfert et maintien dans une population de bactéries

3 – Le facteur F peut s’intégrer 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

Donc la conjugaison peut se faire par deux procèdes : -La première Le facteur F peut répliquer son ADN indépendamment du chromosome de la bactérie : la souche F+ -La deuxième le facteur F peut s’intégrer dans le chromosome des bactéries par Recombinaison: la souche Hfr Par definition la conjugaison est le contact entre la bactérie donneuse (F+) et la bactérie receveuse (F-), réalisé grâce aux pili sexuels, est suivi par la formation

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d’un pont cytoplasmique permettant le transfert de l'ADN. Le transfert débute au site appelé "origine de transfert" (oriT) et se déroule selon un mode de cercle roulant. 1-2-Résultat du croisement

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.

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

• Exemple de transfert entre souches A et B (expérien ce de Ledenberg et

Tatum)

Souche A = met-, bio-, thr+, leu+, thi+ (souche auxotrophe pour met et bio) Souche B = met+, bio+, thr-, leu-, thi- (souche auxotrophe pour leu , thr et thi) 1) souche A sur milieu minimal = pas de colonies 2) souche B sur milieu minimal = pas de colonies 3) souches A et B sur milieu minimal = colonies Les souches A et B sont capables de se complémenter. Cette complémentation n'est pas le résultat de transfert de substances nutritives mais il doit y avoir contact physique entre les deux souches pour produire des recombinants prototrophes (met+, bio+, thr+, leu+, thi+)

� Croisement F+ avec F-

Le contact entre la bactérie donneuse (F+) et la bactérie receveuse (F-), réalisé grâce aux pili sexuels, est suivi par la formation d’un pont cytoplasmique permettant le transfert de l'ADN. Le transfert débute au site appelé "origine de transfert" (oriT) et se déroule selon un mode de cercle roulant.

Fig . 2. Croisement entre deux souche bacterienne (F+xF- )

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� Croisement Hfr avec F

Le plasmide F étant capable de s’intégrer sur le chromosome bactérien, une bactérie portant le facteur F sur son propre chromosome est appelée Hfr (haute fréquence de recombinaison).

Le facteur F s’intègre dans crossing-over. le facteur F va insérer 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 détergènes seront transférés. Lors d’un croisement entre une bactérie Hfr et une bactérie Fréplication de l’ADN (chromosomique) commence au niveau de l’origine de transfert (oriT). Les différents gènes seront transférer l’un après l’autre et c’est uniquement lorsque l’ensemble du chromosome est transféré (environ 2 heures) que le facteur F est transféré lui aussi entièrement. Il est cependant très rare que l’ensemble du chromosome soit transmis, areste donc F-. Elle a pu cependant acquérir, par recombinaison homologue, une partie des gènes de la bactérie donneuse.

Fig.3. croisement HFr xF

• Exemple de transfert entre souches Hfr et F

Croisement: Hfr: streptomycine a+ b+ c+ d+ NB. a+ (azir), b+ (tonr), c+ (lac+) et d+ (gal+)

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Croisement Hfr avec F-

Le plasmide F étant capable de s’intégrer sur le chromosome bactérien, une bactérie portant le facteur F sur son propre chromosome est appelée Hfr (haute fréquence de

Le facteur F s’intègre dans le chromosome bactérien par un seul phénomène de over. le facteur F va insérer 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

Lors d’un croisement entre une bactérie Hfr et une bactérie F-, le transfert et la réplication de l’ADN (chromosomique) commence au niveau de l’origine de transfert

gènes seront transférer l’un après l’autre et c’est uniquement lorsque l’ensemble du chromosome est transféré (environ 2 heures) que le facteur F est transféré lui aussi entièrement. Il est cependant très rare que l’ensemble du chromosome soit transmis, ainsi la bactérie receveuse ne reçoit pas le facteur F et

. Elle a pu cependant acquérir, par recombinaison homologue, une partie des gènes de la bactérie donneuse.

Fig.3. croisement HFr xF-

Exemple de transfert entre souches Hfr et F-

Croisement: Hfr: streptomycine a+ b+ c+ d+ X F- : streptomycine a- b-NB. a+ (azir), b+ (tonr), c+ (lac+) et d+ (gal+)

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Le plasmide F étant capable de s’intégrer sur le chromosome bactérien, une bactérie portant le facteur F sur son propre chromosome est appelée Hfr (haute fréquence de

un seul phénomène de over. le facteur F va insérer à un site d'appariement spécifique. F contient de

l'ADN homologue à différentes régions du chromosome d'E.coli, il peut donc minera par la suite l’ordre dans lequel les

, le transfert et la réplication de l’ADN (chromosomique) commence au niveau de l’origine de transfert

gènes seront transférer l’un après l’autre et c’est uniquement lorsque l’ensemble du chromosome est transféré (environ 2 heures) que le facteur F est transféré lui aussi entièrement. Il est cependant très rare que l’ensemble du

insi la bactérie receveuse ne reçoit pas le facteur F et . Elle a pu cependant acquérir, par recombinaison homologue, une partie

- c- d-

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La Conjugaison est interrompue 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. Analyse des gènes transférés à F- : Croissance sur des boites 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 don il faut environ 100 minutes sont nécessaires pour transférer tout le chromosome bactérien

Carte chromosomique est établie a partir du temps de transfert et de son 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 2-LA TRANSFORMATION BACTERIENNE

La transformation "naturelle" ou physiologique est le premier modèle connu de transfert de matériel génétique lui-même (ADN), qui est fixé et absorbé par des bactéries réceptrices, dites en état de compétence. Ce modèle a permis de démontrer que l'ADN était le support chimique de l'hérédité en 1944.

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Les essais de transformation des pneumocoques R (colonie rough) en S (colonie Smooth) ont été finalement possibles en 1944

D'une part, il doit y avoir de l'ADN libéré d'une bactérie (exogénote). D'autre part celui-ci doit être fixé sur une bactérie réceptrice en phase de compétence

Cette absorption d'ADN polymérisé est suivie d'une recombinaison génétique légitime avec acquisition de nouveaux caractères génétiques stables, donc transmissibles à la descendance dénommés recombinants ou transformants. 3 -TRANSDUCTION

Il s'agit d'un transfert d'ADN bactérien partiel , par l 'intermédiaire De bactériophages dont le rôle est passif (vecteur). Il est dans ce cas, virulent donc se multiplier dans la bactérie. Lors de la phase d'encapsidation, il incorpore de l'ADNbactérien fragmenté. . Ce phénomène est en relation avec l'existence de nombreuses souches lysogènes. . Trois variantes conditionnent les autres caractères tels spécificité du ou des caractères transduits, fréquence de transduction, recombinaison génétique ou non.

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Ce transfert partiel de gènes bactériens peut s'accompagner d'une recombinaison légitime (transduction généralisée) ou non (tr. abortive et quelque fois tr. spécialisée).

3 .1. Transduction généralisée, le cas classique avec le phage P1

Le phage P1 est un à ADN double brin circulaire. C'est un phage qui peut donner un cycle productif lytique ou donner une bactérie lysogène

Elle se déroule en deux étapes : • Dans une première étape, on produit un lysat phagique en inoculant le phage

P1 à une souche qui sera la souche donneuse. • Dans une deuxième étape, on va inoculer le lysat phagique obtenu avec la

souche donneuse à une souche qui sera la souche receveuse .

Fig.4. Transduction généralisée Exemple de transduction du gêne leucine

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Ce mécanisme de transduction est qualifié de généralisé ou de non spécifique car il concerne tous les fragments d'ADN bactérien (chromosomique ou extra-chromosomique) pourvu que leur taille soit compatible avec une encapsidation. Une autre caractéristique remarquable de la transduction généralisée : les particules phagiques défectives transductantes ne contiennent que de l'ADN bactérien

3.2. Transduction spécialisée (ou localisée), le cas λ La transduction localisée est réalisée par des phages tempérés à site d'intégration strict. Elle ne correspond pas à une erreur d'encapsidation (cf. transduction généralisée) mais à une excision anormale du prophage lorsqu'un cycle productif succède à une phase de lysogénie (donc lorsque le répresseur déterminant la lysogénie est inactivé).

Normalement, l'ADN phagique est excisé dans son intégralité. Toutefois, à une faible fréquence, l'excision est anormale et on obtient l'excision d'une molécule d'ADN "hybride" constituée d'un fragment d'ADN phagique et d'un fragment d'ADN bactérien. Ce fragment d'ADN bactérien est alors adjacent à la zone d'intégration du prophage d'où les appellations de transduction spécialisée ou localisée.

Le phage lambda est le plus célèbre phage donnant une transduction spécialisée chez E. coli.

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Voici le cas du phage lambda

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Sur le schéma int,R, A, H, I : gènes de lambda (intégrase, enz. de lyse, prot. de tête, prot. de queue, prot. de queue). Ori : origine de réplication de lambda. Cos : extrémités cohésives de lambda. attB : séquence d'attachement : intégration spécifique entre Gal et bio.

Et 2 types d'excisions anormales sont possibles (avec une très faible fréquence) avec le phage lambda comme présentées sur le schéma ci-dessous.

On obtient 2 possibilité de phages transductants : ceux transducteurs de "gal" (= phages λdgal) et ceux transducteurs de "bio" (= phages λdbio).

• Les phages λgal sont défectifs. Ils sont infectieux mais l'ADN ayant pénétré dans la bactérie receveuse ne peut plus donner de cycle phagique. Ceci à cause de la partie de génome phagique perdue dans l'échange avec Gal lors de l'excision anormale (sur le schéma on voit par exemple que le gène I est perdu). Mais par recombinaison homologue, une bactérie Gal- infectée par un phage λdgal pourra devenir Gal+ avec une descendance Gal+. Les phages λdgal peuvent aussi passer à l'état de prophage en cas de double infection avec un phage normal et donner ainsi

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une bactérie "double lysogène" Gal+ avec une descendance Gal+ par phénomène de complémentation (sorte de diploïde Gal+/Gal-).

Et pour finir, résumons les caractéristiques de la transduction spécialisée : seules les régions du chromosome bactérien situées près des sites d'attachement du virus transducteur sont transduites. Les particules transductantes portent un ADN d'origine mixte, phagique et bactérien.

4- 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’

Conclusion : La notion de transfert du support chimique de l'hérédité d'une cellule bactérienne à l'autre allait amener à extrapoler ce concept aux cellules eucaryotes.

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