Fiche de révision : Microbiologie transfert

📋 Plan du Cours

1. Rôles de la génétique microbienne
2. Éléments génétiques bactériens
3. Taille des génomes et diversité
4. Phylogénie et taxonomie bactériennes
5. Espèces du groupe Bacillus cereus
6. Marqueurs moléculaires et MLST
7. Transferts horizontaux et phylogénie
8. Phylogénie par génomes complets
9. Mécanismes de transfert génétique
10. Transferts verticaux et horizontaux
11. Transformation bactérienne
12. Conjugaison et plasmides
13. Transduction et lysogénie
14. Transfert de facteurs de pathogénie
15. CRISPR et phages environnementaux

📖 1. Rôles de la génétique microbienne

★ À maîtriser

• La génétique microbienne contribue à optimiser les bioconversions, la production de métabolites et l’expression de protéines hétérologues, ainsi qu’à découvrir des organismes et développer de nouvelles capacités chez ceux déjà utilisés.

Compléments

• 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 thérapeutiques et d’immunoprophylaxie.

• En environnement, la génétique microbienne permet d’étudier les interactions dans un écosystème et la bioremédiation.

• En recherche fondamentale, la génétique microbienne contribue à développer des systèmes de génie génétique, notamment les transposases, CRISPR/Cas et circuits logiques, et à étudier l’évolution des souches et des pathogènes émergents par épidémiologie moléculaire.

📖 2. Éléments génétiques bactériens

★ À maîtriser

• Les chromosomes bactériens mesurent typiquement de 1 à 10 Mb et sont le plus souvent circulaires, présents en un seul exemplaire, avec une origine de réplication et un site de terminaison définis ; leur transfert est principalement vertical, mais des portions peuvent être transférées horizontalement.

• Les plasmides mesurent de 5 à 200 kb, sont majoritairement circulaires et se répliquent en thêta ou en cercle roulant ; ils se transmettent verticalement ou horizontalement, et les grands plasmides peuvent être conjugatifs.

• Les transposons mesurent de 2 à 20 kpb, se déplacent dans un génome et peuvent se multiplier par réplication ; ils se transfèrent horizontalement par conjugaison ou après intégration dans un plasmide conjugatif et portent souvent des gènes de résistance aux antibiotiques.

📌 Les bactériophages peuvent suivre un cycle lytique, qui provoque la lyse de la cellule, ou un cycle lysogène, qui intègre le génome viral dans celui de l’hôte.

Compléments

• Les plasmides apportent souvent un avantage à la bactérie hôte, notamment des résistances aux antibiotiques ou aux métaux lourds, l’utilisation de sources nutritives spécialisées ou des facteurs d’adaptation et de pathogénie.

• Les bactériophages mesurent de 5 à 200 kb, se transmettent verticalement après intégration au chromosome et horizontalement par infection, et peuvent porter des gènes d’adaptation ou de pathogénie.

💡 Astuce mémo

Le chromosome se transmet surtout verticalement ; plasmides, transposons et phages peuvent aussi se transmettre horizontalement.

📖 3. Taille des génomes et diversité

★ À maîtriser

• Escherichia coli possède un génome d’environ 5 Mb.

Compléments

• Les génomes de bactéries présentés couvrent des tailles allant de 0,16 Mb chez Carsonella ruddii à 13 Mb chez Sorangium cellulosum.

📖 4. Phylogénie et taxonomie bactériennes

🔑 Notions clés & Définitions

• Clade : Groupe monophylétique d’organismes.

★ À maîtriser

• La phylogénie moléculaire classique compare les séquences des 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 rend leur analyse utile entre espèces mais insuffisante pour distinguer finement des souches au sein d’une espèce, notamment en raison du manque de signal.

Compléments

• Les arbres phylogénétiques bactériens fondés sur les séquences disponibles dans les années 2000 étaient biaisés par une représentation surtout constituée de séquences de pathogènes ; de nouveaux groupes ont ensuite été découverts, les relations ont évolué et des noms d’organismes ont été révisés.

• Le phylum anciennement nommé Proteobacteria est désormais appelé Pseudomonadota, et les noms de phylums peuvent être dérivés d’un genre type. - Oren et al., Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 73:006123, 2023

📖 5. Espèces du groupe Bacillus cereus

★ À maîtriser

• Dans le groupe Bacillus cereus sensu lato, les espèces définies phénotypiquement se mélangent dans les alignements de gènes, et ni B. cereus sensu stricto ni B. thuringiensis ne forment un groupe monophylétique. - Rasko et al., FEMS Microbiol. Rev., 29:303, 2005

• Chez les bactéries du groupe Bacillus cereus, les plasmides pXO1 et pXO2 sont associés à Bacillus anthracis, tandis que les plasmides portant les gènes Cry sont associés à Bacillus thuringiensis et à sa pathogénicité pour les insectes.

• La spécificité d’hôte des pathogènes du groupe Bacillus cereus dépend en grande partie de la présence ou de l’absence de plasmides, dont la distribution est également liée à leur compatibilité fonctionnelle et écologique avec le fond génétique.

Compléments

• Bacillus anthracis forme un clade très peu variable au sein de Bacillus cereus sensu lato. - White et al., Mol.Ecol. 31:3584, 2022

• Les espèces de Brucella sont distinguées par la possession différentielle de certaines régions génomiques. - Lopez-Garcia, Res. Microbiol. 159:67, 2008

💡 Astuce mémo

Le nom d’espèce suit parfois le phénotype, tandis que le clade reflète la parenté évolutive.

📖 6. Marqueurs moléculaires et MLST

🔑 Notions clés & Définitions

• MLSA et MLST : Analyse les séquences de plusieurs loci pour différencier les souches au sein d’une espèce.

★ À maîtriser

• 🔄 L’analyse intra-espèce procède ainsi :

  1. Choisir des gènes plus variables que les ARNr, souvent des gènes d’enzymes du métabolisme central
  2. Concaténer les séquences de plusieurs gènes non liés, typiquement environ sept ou davantage
  3. Comparer les séquences pour obtenir plus d’information qu’avec un seul gène

• Les bactéries typiquement asexuées, avec peu ou pas de transfert horizontal du chromosome, présentent une structure de population clonale issue de la reproduction asexuée et de l’accumulation de mutations.

Compléments

• Dans l’exemple présenté, le deuxième locus ne distingue pas les deux premiers isolats ; l’analyse du quatrième locus apporte l’information supplémentaire nécessaire. - Reid et al., Nature 406:64, 2000

• Des bactéries naturellement transformables comprennent :

  • Neisseria meningitidis
  • Campylobacter jejuni
  • Streptococcus pneumoniae
  • Helicobacter pylori

💡 Astuce mémo

Gènes plus variables → plusieurs loci concaténés → comparaison des souches.

📖 7. Transferts horizontaux et phylogénie

★ À maîtriser

• Les transferts horizontaux compliquent la définition des groupes phylogénétiques, car un marqueur peut être transféré entre lignées et rompre son association avec des gènes de phénotype comme ceux de la pathogénie.

• Pour les bactéries à transfert horizontal, un arbre classique peut être insuffisant et la structure phylogénétique est mieux représentée par un réseau, où une bactérie peut avoir plus d’un parent.

Compléments

📌 Dans l’exemple présenté, le gène marqueur est typiquement un gène de ménage et ne code pas, a priori, un facteur de pathogénie, même si une lignée contient une proportion élevée de souches pathogènes.

• Des algorithmes dédiés traitent les résultats MLST pour représenter les transferts horizontaux, tout en permettant de définir des clades associés, par exemple, à une pathogénie accrue ou au commensalisme.

💡 Astuce mémo

Transfert horizontal → rupture des lignées et des associations entre marqueur et pathogénie.

📖 8. Phylogénie par génomes complets

🔑 Notions clés & Définitions

• ANI : Mesure fondée sur la comparaison des séquences globales.

★ À maîtriser

• Les approches génomiques peuvent :
  • Comparer les séquences globales
  • Comparer les séquences des CDS communes entre souches en ignorant les éléments génétiques mobiles
  • Comparer d’autres ensembles de séquences

Compléments

• Le séquençage à haut débit a fourni des dizaines de milliers de séquences de génomes pour les analyses phylogénétiques.

• Les distances génomiques peuvent être calculées simplement comme le pourcentage de sites différents ou à l’aide de modèles de mécanisme d’évolution moléculaire.

• Plusieurs approches déterministes ou probabilistes et plusieurs algorithmes sont utilisés pour construire des arbres phylogénétiques à partir des données génomiques.

📖 9. Mécanismes de transfert génétique

★ À maîtriser

• Les bactériophages transfèrent de l’information génétique par transduction ou par lysogénie, après infection de la bactérie hôte et intégration dans son génome.

Compléments

• Les plasmides se transmettent typiquement par conjugaison et peuvent aussi être transférés par transformation, notamment en laboratoire.

• Les transposons se transmettent par conjugaison ou après réplication suivie de leur intégration dans un plasmide conjugatif.

📖 10. Transferts verticaux et horizontaux

📝 Points essentiels

📌 Le transfert vertical transmet tout ou partie du chromosome lors de la réplication et de la ségrégation des chromosomes, tandis que le transfert horizontal peut résulter de la transformation par l’ADN chromosomique.

💡 Astuce mémo

La réplication transmet verticalement le chromosome ; la transformation transfère horizontalement de l’ADN chromosomique.

📖 11. Transformation bactérienne

★ À maîtriser

• De nombreuses espèces sont naturellement transformables, notamment :

  • Helicobacter pylori
  • Acinetobacter calcoaceticus
  • Neisseria meningitidis
  • Haemophilus influenzae
  • Bacillus subtilis
  • Streptococcus pneumoniae
  • Vibrio cholerae

• La transformation est utilisée pour :

  • créer des banques d’ADN et d’ARNc
  • créer des banques de mutants
  • cloner et surexprimer des gènes
  • créer des allèles variants
  • créer des mutants
  • créer des KO

Compléments

• La transformation naturelle a été découverte par Griffith en 1928 chez Streptococcus pneumoniae.

• Chez Bacillus subtilis, une vingtaine de protéines sont dédiées à la compétence.

• En laboratoire, la transformation peut être obtenue par compétence induite chimiquement, par exemple avec CaCl2, ou par électroporation.

📖 12. Conjugaison et plasmides

★ À maîtriser

📌 Un plasmide conjugatif code les fonctions de réplication conjugative et de transfert, tandis qu’un plasmide mobilisable possède une origine de transfert et utilise les systèmes de conjugaison d’autres plasmides.

• La conjugaison transfère un plasmide d’une cellule donneuse à une cellule réceptrice, avec une réplication en cercle roulant initiée à l’origine de transfert oriT.

• Lorsqu’un plasmide s’intègre au chromosome, la souche devient Hfr (High frequency of recombination) et le transfert peut inclure des gènes chromosomiques.

Compléments

• Environ la moitié des plasmides naturels connus et la majorité des grands plasmides sont mobiles.

• Chez E. coli, le transfert de gènes chromosomiques consécutif à l’intégration d’un plasmide est très rare dans la nature.

💡 Astuce mémo

Intégration du plasmide conjugatif au chromosome → transfert de gènes chromosomiques par une souche Hfr.

📖 13. Transduction et lysogénie

★ À maîtriser

• La transduction est couramment utilisée pour transférer du matériel génétique entre bactéries, par exemple avec le bactériophage P1 chez E. coli.

📌 Un phage tempéré comme lambda peut intégrer son génome dans celui de la bactérie, tandis qu’un phage lytique comme T7 ne laisse pas de survivants au centre des plages de lyse.

Compléments

• Lors de la première observation de la transduction par le phage P22 chez Salmonella enterica et d’autres entérobactéries, dans les années 1950, 2 % des particules contenaient de l’ADN de l’hôte plutôt que de l’ADN phagique.

• 🔄 La transduction expérimentale se déroule ainsi :

  1. Infecter la souche donneuse avec des bactériophages.
  2. Récolter les particules après la croissance des phages et la lyse des bactéries.
  3. Infecter la souche réceptrice.
  4. Sélectionner les bactéries ayant incorporé le gène sauvage sur un milieu où le galactose est la seule source d’énergie.

📖 14. Transfert de facteurs de pathogénie

★ À maîtriser

• Les souches virulentes de Corynebacterium diphtheriae sont lysogénisées par un bactériophage B, tandis que les souches dépourvues de ce phage sont inoffensives. - Freeman, J. Bacteriol., 1951

• La lysogénie peut transférer des facteurs de pathogénie de souches virulentes à des souches non pathogènes et contribuer à l’évolution de la virulence ainsi qu’à l’émergence de pathogènes.

Compléments

• Chez Escherichia coli entérohémorragique, la toxine Shiga (Stx) est associée à des bactériophages Stx.

💡 Astuce mémo

Lysogénie par un phage porteur → acquisition d’un facteur de virulence.

📖 15. CRISPR et phages environnementaux

★ À maîtriser

• Le système CRISPR constitue une immunité acquise : après une attaque manquée, des séquences d’environ 20 pb du parasite sont conservées, puis transcrites en ARN qui guide un complexe nucléasique vers le parasite pour le couper au point d’hybridation.

• La plupart des bactéries et des archées n’étant pas cultivables en laboratoire, la plupart des bactériophages ne sont pas isolables.

• Le clonage shotgun de métagénomes, par exemple à partir de filtrats d’eau de mer ou de fèces humaines, révèle une grande diversité de séquences de phages, dont la plupart sont entièrement nouvelles et constituent une bioressource pour découvrir de nouvelles fonctions métaboliques et stratégies thérapeutiques. - Edwards, Nature Rev. Microbiol., 2005

Compléments

• 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.

• Les ARN guides CRISPR ont une longueur d’environ 20 bases et peuvent être choisis selon le point de coupure désiré.

• Les bactériophages sont une cause majeure de mortalité chez les bactéries et les archées, et la phagothérapie est utilisée contre des maladies bactériennes.

💡 Astuce mémo

Reconnaître → mémoriser une séquence du parasite → guider l’attaque.