ULaval:MED-1206/Microbiologie et infectiologie/Génétique bactérienne

De Wikimedica
Ce guide d’étude a été élaboré par les volontaires de Wikimedica dans le cadre du cours MED-1206 à l'Université Laval et est basé sur le travail des responsables du cours. Il est fourni comme aide à l'étude et ne constitue pas un document officiel du cours.

MIC-072. Comprendre le cheminement de l’information génétique

Dogme central de la biologie moléculaire : ADN --> ARNm --> protéine

  • Bactéries se divisent par fission binaire.
  • Particularités des bactéries :
    • Produisent les protéines uniquement quand elles en ont besoin = régulation des gènes.
      • Processus actif : nécessite état métabolique actif (plus rapide lors de phase exponentielle).

MIC-073. Distinguer génomes et plasmides chez les procaryotes

Génome bactérien Plasmide
1 seul chromosome, généralement

Compact, empaqueté dans le nucléoïde (pas de membrane nucléaire)

Circulaire

Gènes essentiels à la croissance de la bactérie, gènes de résistance et potentiellement de sélection

800-4500 k paires de bases (vs 3 milliards chez l’Homme)

Extra-chromosomiques

Réplication indépendante

Circulaire

Bihélical

Ne codent pas fonctions essentielles

  • Résistance aux antibiotiques
  • Capacité métabolique supplémentaire
  • Facteur favorisant l’infection.

MIC-074. Expliquer la régulation et l’expression des gènes chez les bactéries

Régulation de la séquence d’ADN Régulation transcriptionnelle (nombre de transcrits) Régulation post-transcriptionnelle (quantité du gène qui est actif)
Amplification de gène Activateurs (contrôle positif) Ajout de cofacteur ou groupe prosthétique
Réarrangement de gène (mutations) Répresseurs (contrôle négatif)

Ex : tetR pour tetB

Clivage protéolytique
Regroupement de gènes adjacents dans opéron Interactions avec d’autres molécules
Contrôle de gènes non contigus par régulon (même protéine régulatrice) Régulation transductionnelle
Contrôle de gènes non contigus par stimulon (même stimulus)

MIC-075. Expliquer les concepts de base liés à l’hérédité et aux mutations

  • Bactéries se divisent par fission binaire
    • E. coli : 20 min
  • Réplication fidèle
    • 10-7à 10-11= fréquence d’erreurs
      • 10-4pour transcriptase inverse du VIH, un rétrovirus (virus à ARN avec transcriptase inverse pour synthétiser ADN)
    • Systèmes de réparation :
      • Réparation directe de l’ADN
      • Réparation par excision
      • Réparation par recombinaison
      • Recombinaison SOS (peut stimuler transfert de gènes)
      • Recombinaison sujette à erreurs (peut induire mutations)
  • Mutations :
    • Spontanées
      • Rayons cosmiques
      • Erreurs de réplication
    • Induites
      • Agents mutagènes (physiques, chimiques, biologiques).
  • Types de mutations :
    • Délétions
    • Insertions
    • Substitutions de nucléotides
      • Silencieuses (aucun effet sur génotype ou phénotype)
      • Mauvais sens
      • Non-sens (codon stop)
  • Conséquences des mutations :
    • Mutants à nouveaux phénotypes
    • Motilité
    • Présence d’une capsule
    • Apparence des colonies
    • Éléments nutritionnels requis
    • Résistance aux antibiotiques
  • Ces phénotypes sont sélectionnables :
    • Avantage dans un certain milieu (ex : bactéries résistantes dans un milieu avec ABx)
  • Mutation survient au hasard et précède l'avantage sélectif (Luria et Delbruck)

MIC-076. Décrire le rôle des échanges génétiques de gènes dans la transmission des gènes de résistance

  • Résistance aux antibiotiques
    • Par altération de la perméabilité membranaire
      • Exemple de tetB àprotéine d’efflux tetB dans le cas de résistance à la vancomycine.
    • Par modification ou destruction de l’ATB
    • Par modification ou changement de la cible
  • Cibles fréquentes des ATB
    • Gyrases à ADN
    • Fragments de l’ADN
    • Polymérase à ARN
    • Membrane
    • Synthèse d’ATP
    • Biosynthèse de l’acide folique
    • Paroi
    • Synthèse des protéines impliquées dans le ribosome
    • ARNt synthétase
Transformation Conjugaison Transduction Transposition
ADN externe (libre dans le milieu) peut transformer bactéries.

Les bactéries capables de transformation sont dites compétentes.

Plus efficace entre bactéries de la même espèce

Contact entre 2 cellules

Échange de gènes codés par plasmides conjugatifs

Médiée par les bactériophages

Exemples :

  • Toxines (E. coli, Strep, diphtérie)
  • Résistance aux bêta-lactames (Pseudomonas)
Mouvement d’ADN dans une même cellule bactérienne

--> Entre plusieurs parties de chromosomes, 2 chromosomes différents, chromosome et plasmide ou phage, entre plasmides, entre phages, etc.

Exemple :
  • Pneumocoques :
    • Colonies S (smooth) qui tuent souris
    • Colonies R (rough) non létales
    • Si on mélange des bactéries S et R, les bactéries S tuées relâchent leur ADN et celui-ci transforme les R en S.
Unidirectionnel : de mâle à femelle

Ex : facteur de fertilité F de E. coli

Transduction lytique (phages virulents)
  • Matériel génétique du phage s’intègre au chromosome de la bactérie.
  • Réplication et production de nouveaux virions.
  • Lyse de la bactérie et libération des virions
Trois classes de transposons (segments d’ADN qui se déplacent dans le génome) :
  • Séquences d’insertion (IS)
  • Transposons complexes (IS + autres gènes)
    • Codent toxines
    • Codent résistance aux ATB
    • Codent intégrons
  • Phages transposables.
Capacité innée
  • Bacillus
  • H. influenzae
  • Neisseria
  • S. pneumoniae

Capacité acquise par :

  • CaCl2
  • Décharges électriques
Plasmides conjugatifs de type R (résistance aux ATB) : chez Gram (-) et Gram (+) Strep et Clostridium.

Chez Clostridium, mécanisme distinct de pili sexuel pour rapprochement

Transduction lysogénique (phages tempérés)
  • Matériel génétique du phage s’intègre au chromosome de la bactérie.
  • Réplication et production de nouveaux virions.
  • Libération sans lyse bactérienne
Intégrons :
  • Recrutent gènes de résistance via leur système de capture
  • Les intègrent les uns à la suite de l’autre devant des promoteurs forts = concaténation
  • Expression de multiples gènes simultanément.
  • Dans transposons complexes ou sur plasmides.
Mobilisation :
  • Certains plasmides non conjugatifs peuvent accompagner les plasmides conjugatifs.
Spécialisée :
  • Génome du phage est empaqueté dans capside virale avec un peu de génome bactérien

Généralisée :

  • Génome bactérien (pas de génome de phage) empaqueté dans capside virale.
  • Plus fréquent

MIC-078. Concevoir la restriction de ces échanges génétiques

Système de restriction-modification de classe II CRISPR/Cas
  • Protège bactéries contre l’invasion d’ADN étranger
  • 2 composantes :
    • Méthylase :
      • Ajoute des CH3 aux séquences bactériennes
      • Ne fait rien aux séquences non bactériennes
    • Nucléase de restriction :
      • Détruit l’ADN non méthylé (donc l’ADN étranger)
  • Mémoire de la bactérie :
    • Quand un phage infecte une bactérie, une partie de son génome est conservée par le système CRISPR
    • ARN CRISPR patrouille l’intérieur de la bactérie :
      • Recherche séquences de phages connues
  • Si ARN CRISPR reconnaît une séquence, il appelle Cas :
    • Cas clive ADN étranger à bactérie non infectée par le phage.

MIC-079. Énumérer quelques applications de la génétique moléculaire dans la production de médicaments et le diagnostic

  • Production de molécules utiles à la science (ex insuline, EPO etc) par ADN recombinant
    • Insérer séquences humaines dans micro-organismes avec temps de génération court et stimuler la production des protéines souhaitées mise devant un promoteur fort et inductible
  • Diagnostic par PCR
    • Identification d’une bactérie de prélèvement plus rapide que par culture (2-3 jours)
    • Design des primers/amorces spécifiques à l’ADN qu’on recherche pour l’amplifier
    • Identification de souches résistantes