La génétique microbienne permet d’optimiser des bioconversions, la production de métabolites et l’expression de protéines hétérologues, de découvrir de nouveaux organismes et de développer de nouvelles capacités chez les organismes utilisés.
En médecine, la génétique microbienne sert à détecter et identifier les pathogènes, à étudier la transmission des maladies et leurs marqueurs épidémiologiques, à analyser les mécanismes de pathogénie et à rechercher des cibles de traitements et d’immunoprophylaxies.
En recherche fondamentale, la génétique microbienne contribue au développement de systèmes de génie génétique, notamment les transposases, CRISPR/Cas et les circuits logiques, ainsi qu’à l’épidémiologie moléculaire et à l’étude de l’évolution des pathogènes émergents.
★ À maîtriser
Compléments
Les grands plasmides peuvent être conjugatifs et apporter à la bactérie hôte des résistances aux antibiotiques ou aux métaux lourds, des systèmes d’utilisation de sources nutritives spécialisées ou d’autres facteurs d’adaptation, dont des déterminants de pathogénie.
Les transposons peuvent être transférés horizontalement par conjugaison ou après intégration dans un plasmide conjugatif.
Les bactériophages sont transmis verticalement avec le chromosome après intégration et horizontalement par infection.
Le chromosome transmet surtout verticalement ; plasmides, transposons et phages peuvent aussi transmettre horizontalement.
Les génomes bactériens présentent une grande variation de taille : Escherichia coli possède environ 5 Mb, tandis que les exemples du cours vont de 0,007 Mb pour le coliphage Ff à 14 500 Mb pour Triticum aestivum.
Le tableau comparatif des génomes associe notamment à Homo sapiens 3 000 Mb et environ 20 000 gènes, et à Escherichia coli environ 5 Mb.
★ À maîtriser
📌 Dans le groupe Bacillus cereus sensu lato, les espèces définies par le phénotype ne correspondent pas toujours à des groupes monophylétiques : ni B. cereus sensu stricto ni B. thuringiensis ne forment un groupe monophylétique, tandis que B. anthracis constitue un clade peu variable.
Compléments
Les phylogénies bactériennes des années 2000 reposaient surtout sur les séquences disponibles de pathogènes ; depuis, de nouveaux groupes ont été découverts, les relations entre groupes ont évolué et les noms des organismes ont été révisés.
Le nom d’un phylum est dérivé de celui d’un de ses genres, appelé genre type.
Chez Bacillus anthracis, les plasmides pXO1 et pXO2 sont associés à la pathogénie des mammifères, tandis que les plasmides Cry de Bacillus thuringiensis sont associés à la pathogénie des insectes.
L’analyse phylogénétique moléculaire classique séquence les gènes d’ARNr 16S ou 18S, détermine leur meilleur alignement, puis construit un arbre phylogénétique.
Les gènes d’ARNr sont présents chez tous les organismes étudiés et évoluent lentement, ce qui les rend utiles entre espèces mais insuffisants pour des analyses fines intra-espèce faute de signal suffisant.
Pour l’épidémiologie moléculaire intra-espèce, on choisit des gènes plus variables que les ARNr, souvent des gènes de ménage du métabolisme central.
Choisir des gènes variables, concaténer plusieurs loci, puis comparer les séquences.
★ À maîtriser
Les bactéries typiquement asexuées, avec peu ou pas de transfert horizontal du chromosome, présentent une structure de population dite clonale.
Les transferts horizontaux compliquent la définition des groupes phylogénétiques et peuvent rompre la liaison entre un marqueur génétique et un phénotype comme la pathogénie.
📌 Un arbre classique représente mal les populations où les transferts horizontaux créent des parentés multiples ; un réseau phylogénétique peut représenter ces transferts et conserver la définition de clades, notamment associés à la pathogénie ou au commensalisme.
Compléments
Des bactéries naturellement transformables comprennent :
Les analyses MLST à plusieurs loci peuvent montrer qu’une souche appartient manifestement à un groupe malgré un transfert horizontal en bloc d’un marqueur.
Le séquençage à haut débit a fourni des dizaines de milliers de séquences de génomes permettant des comparaisons phylogénétiques à l’échelle du génome.
Les approches de comparaison de génomes peuvent comparer les séquences globales, par exemple par ANI (Average Nucleotide Identity), ou les séquences des CDS communs entre souches en ignorant les éléments génétiques mobiles.
Les distances génomiques peuvent correspondre au pourcentage de sites différents entre individus, ou être estimées avec des modèles de mécanisme d’évolution moléculaire.
L’ANI est une technique utilisée par le NCBI pour vérifier la bonne identification des séquences génomiques déposées.
Arbre pour les lignées clonales ; réseau lorsque les transferts horizontaux brouillent les parentés.
Les plasmides sont transférés horizontalement typiquement par conjugaison et peuvent aussi l’être par transformation, notamment en laboratoire.
Les transposons sont transférés horizontalement par conjugaison ou après réplication suivie de leur intégration dans un plasmide conjugatif.
Les bactériophages transfèrent du matériel génétique par transduction ou par lysogénie, après infection d’une bactérie hôte et intégration dans son génome.
📌 Le transfert vertical chromosomique résulte de la réplication puis de la ségrégation des chromosomes, tandis que le transfert horizontal peut résulter de la transformation par de l’ADN chromosomique.
Réplication-ségrégation : vertical ; ADN chromosomique internalisé : horizontal.
★ À maîtriser
De nombreuses espèces sont naturellement transformables, et Bacillus subtilis consacre une vingtaine de protéines à la compétence.
La transformation sert à créer des banques d’ADN et d’ARNc, des banques de mutants, à cloner et surexprimer des gènes, ainsi qu’à produire des allèles variants, des mutants et des knock-out.
Compléments
La transformation bactérienne a été découverte par Griffith en 1928, puis Avery, McCarty et MacLeod ont étudié ce phénomène en 1944.
L’internalisation de l’ADN pendant la transformation exerce une force de 10 à 40 pN.
La transformation en laboratoire peut être obtenue par compétence induite chimiquement, par exemple avec CaCl2, ou par électroporation.
★ À maîtriser
📌 Un plasmide conjugatif code les fonctions de réplication et de transfert conjugatifs, tandis qu’un plasmide mobilisable possède une origine de transfert et utilise les systèmes de conjugaison d’autres plasmides.
Compléments
📌 L’intégration d’un plasmide dans le chromosome rend la souche Hfr et peut permettre le transfert de gènes chromosomiques, événement très rare dans la nature chez Escherichia coli.
★ À maîtriser
Compléments
Le plasmide pBR322 mesure 4361 pb et porte les marqueurs bla et tet ainsi que des sites de restriction utilisés pour le clonage.
Un vecteur conjugatif peut servir à manipuler génétiquement des organismes récalcitrants à la transformation, lorsque ses fonctions de transfert sont fournies en trans.
★ À maîtriser
📌 Les transposons simples peuvent porter des gènes de résistance, les transposons composés facilitent le portage de plusieurs gènes de résistance et les transposons conjugatifs, comme Tn916, peuvent se transférer par conjugaison.
Compléments
Les transposons disséminent des gènes de résistance, typiquement lorsqu’ils sont portés par un plasmide et moins fréquemment par conjugaison directe du transposon.
En laboratoire, les transposons servent notamment à créer des banques de mutants aléatoires grâce à leurs sites d’insertion fréquents et à leurs gènes marqueurs de résistance aux antibiotiques.
★ À maîtriser
Compléments
La transduction a été observée initialement chez le bactériophage P22 de Salmonella enterica et d’autres entérobactéries dans les années 1950.
Le génome du bactériophage P22 est un ADN double brin de 42 kpb, et 2 % des particules contiennent de l’ADN de l’hôte plutôt que de l’ADN phagique.
La transduction est couramment utilisée pour transférer du matériel génétique entre bactéries, par exemple avec le bactériophage P1 chez Escherichia coli.
Les bactéries lysogènes peuvent croître au centre des plages de lyse et deviennent résistantes à la surinfection par le phage intégré.
★ À maîtriser
Les souches virulentes de Corynebacterium diphtheriae sont lysogénisées par le bactériophage B, tandis que les souches dépourvues de ce phage sont inoffensives. - Freeman, J. Bacteriol., 1951
La lysogénie peut transférer des facteurs de pathogénicité de souches virulentes à des souches non pathogènes et contribuer à l’évolution de la virulence ainsi qu’à l’émergence de pathogènes.
Compléments
Des gènes de colonisation et de virulence sont souvent portés par des éléments génétiques mobiles tels que les plasmides et les bactériophages.
L’épidémie européenne d’EHEC O104:H4 de 2011 a causé environ 1000 à 2000 cas et environ 50 morts.
Dans le cas de l’EHEC O104:H4, les marqueurs épidémiologiques O157:H7 et O111:H8 ne suffisaient plus à inférer la dangerosité de la souche.
★ À maîtriser
Compléments
Les séquences de parasites mémorisées par CRISPR mesurent environ 20 paires de bases, et les ARN guides peuvent être choisis pour diriger la coupure vers un point désiré avec une haute spécificité.
L’utilisation de CRISPR a révolutionné l’ingénierie génétique des grands génomes grâce à la possibilité de diriger le point de coupure et à sa haute spécificité.
La plupart des bactéries et des archées étant non cultivables en laboratoire, la plupart de leurs bactériophages ne peuvent pas être isolés.
L’étude des phages environnementaux utilise le clonage shotgun de métagénomes provenant notamment de filtrats d’eau de mer ou de fèces humaines.
Les séquences de phages environnementaux présentent une très grande diversité, sont souvent entièrement nouvelles et constituent une ressource pour découvrir des fonctions métaboliques ou de nouvelles stratégies thérapeutiques. - Edwards, Nature Rev. Microbiol., 2005
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1. Une équipe cherche à améliorer la fabrication d’un métabolite par une souche microbienne et à lui faire exprimer une protéine provenant d’une autre espèce. Quel rôle de la génétique microbienne correspond à ces objectifs ?
2. Lors d’une investigation médicale, une équipe veut identifier un agent infectieux, retracer la transmission de la maladie et repérer des cibles pour une intervention. Quelle contribution de la génétique microbienne répond à cet ensemble d’objectifs ?
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Quelle taille et quelle organisation caractérisent typiquement le chromosome bactérien ?
Il mesure de 1 à 10 Mb, est le plus souvent circulaire, généralement unique, et possède une origine de réplication et un site de terminaison définis.
Comment le chromosome bactérien est-il principalement transmis ?
Principalement par transmission verticale, avec certains transferts horizontaux de portions.
Quelles applications industrielles la génétique microbienne permet-elle d’optimiser ?
Les bioconversions, la production de métabolites et l’expression de protéines hétérologues.
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