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Cytoplasme et matériel génétique
Cytoplasme
Le cytoplasme est un hydrogel colloïdal avec une phase dispersante composée de protéines et de sels minéraux et une phase dispersée formée de ribosomes, de diverses inclusions et parfois de magnétosomes (structures permettant aux bactéries de s'orienter dans le champ magnétique). Les ribosomes sont de petites granulations sphériques, de 20 à 30 nm de diamètre, contenant environ 66 p. cent d'ARN ribosomal (ARNr) et 33 p. cent de protéines et présents en grand nombre dans le cytoplasme (environ 18 000 chez Escherichia coli). Les ribosomes bactériens ont une constante de sédimentation de 70S et, en l'absence de magnésium, ils se dissocient en deux sous-unités. La petite sous-unité, de constante de sédimentation 30S, est constituée par de l'ARNr 16S et par 21 protéines. La grande sous-unité, de constante de sédimentation 50S, contient de l'ARNr 23S, de l'ARNr 5S et 31 protéines. Les ARNr forment le squelette de chaque sous-unité. Ils présentent des bases appariées responsables de structures secondaires en épingles à cheveux au niveau desquelles se fixent les protéines. Les ribosomes sont le lieu de traduction du message génétique en protéines.
Les inclusions renferment des matières organiques ou inorganiques constituant des substances de réserve.
Matériel génétique
Le matériel génétique d’une bactérie comprend (i) un "chromosome" ou nucléoïde ou appareil nucléaire, (ii) des éléments extra-chromosomiques ou plasmides et (iii) des séquences génétiques présentes sur le "chromosome" ou sur les plasmides et jouissant d’une certaine autonomie (transposons, îlots génomiques, intégrons, prophages, etc.).
Nucléoïde
Chez les bactéries, l'absence de membrane nucléaire conduit à parler d'appareil nucléaire ou de nucléoïde ou de "chromosome" plutôt que de noyau.
La longueur de la chaîne d'ADN est très grande (1360 mm chez Escherichia coli) et elle est pelotonnée dans la cellule. La taille du "chromosome" diffère selon les genres, les espèces et les souches. Le chromosome de Escherichia coli comprend environ 4700 kpb, celui de Clostridium perfringens environ 3500 kpb et celui de Mycoplasma pneumoniae environ 600 kpb. L'ADN chromosomique est couvert dans certaines régions par de nombreux polysomes. En effet, l'ARNm s'associe aux ribosomes et forme des polysomes dès le début de sa synthèse, avant la fin de la transcription. L'étude en cinématographie de bactéries en croissance montre que la forme de l'appareil nucléaire change constamment et il existe un mouvement des gènes. Les gènes actifs ayant terminés leur transcription se replient à l'intérieur du chromosome alors que les gènes nouvellement déréprimés émergent vers l'interface nucléoïde-cytoplasme. La forme du "chromosome" reflète d'ailleurs l'activité de synthèse : l'ADN est très compact chez des bactéries en phase stationnaire et il est de forme irrégulière et découpée chez les bactéries en croissance. Quelques espèces bactériennes possèdent deux ou trois "chromosomes" de taille inégale. C'est le cas de Aliivibrio fischeri, des Brucella spp. (à l'exception de Brucella suis biovar 3), des Burkholderia spp., des Leptospira spp., de Ochrobactrum anthropi, de Photobacterium profundum, de Pseudoalteromonas haloplanktis, de Ralstonia eutropha (Cupriavidus necator), de quelques espèces du genre Vibrio (Vibrio anguillarum, Vibrio cholerae, Vibrio fluvialis, Vibrio mimicus, Vibrio parahaemolyticus, Vibrio vulnificus, ...), etc.. Certaines bactéries (comme les Borrelia spp.) possèdent un chromosome linéaire dont les extrémités comprennent des séquences répétées inversées.
Le "chromosome" est porteur de toute l’information génétique nécessaire à la vie et à la reproduction de la cellule bactérienne. Toute la séquence d’ADN du chromosome n’est pas codante et les gènes sont séparés par des régions intergéniques qui ne possèdent aucune fonction particulière connue.
Les "chromosomes" des diverses espèces ou souches bactériennes diffèrent par leurs séquences ce qui est mis à profit pour le typage moléculaire. La détermination du G + C p. cent est utilisée en taxonomie et elle peut servir à l’identification. Toutefois, les principales techniques de typage moléculaire reposent sur les profils de restriction, sur l'amplification de séquences, ou sur l'utilisation conjointe de ces deux techniques.
Pour l'identification d'une souche, les résultats obtenus avec ces différentes techniques seront comparés à ceux obtenus avec la souche type de l'espèce. Ces techniques permettent également de comparer des souches pour des raisons épidémiologiques ou pour différencier, au sein d'une même espèce, les souches pathogènes et les souches saprophytes.
Plasmides
Les plasmides sont des molécules d'ADN bicaténaires, généralement circulaires (des plasmides linéaires sont présents chez les Borrelia spp. et les Streptomyces spp.), extra-chromosomiques, d'une taille variant de 1 à 400 kb, douées de réplication autonome (réplicon) et transmissibles de façon stable à la descendance. Les plasmides sont très largement répandus dans le monde bactérien puisqu'ils ont pu être identifiés dans pratiquement toutes les espèces où ils ont été recherchés. Ils peuvent être perdus, soit spontanément au cours des repiquages ou de la conservation des souches, soit sous l'influence de facteurs physiques (rayons UV) ou de facteurs chimiques (agents curants comme les colorants d'acridine ou les quinolones à des concentrations non bactéricides). Outre leur nature moléculaire (ADN bicaténaire), la seule propriété commune à l'ensemble des plasmides est celle de se répliquer de façon autonome par des mécanismes génétiques qui peuvent être très divers. Cette grande variabilité des systèmes génétiques intervenant dans la réplication permet de classer les plasmides en groupe d'incompatibilité. Les plasmides d'un même groupe d'incompatibilité utilisent les mêmes contrôles génétiques lors de la réplication et ils ne peuvent coexister de façon stable au sein d'une même bactérie. Les plasmides d'un même groupe d'incompatibilité présentent de larges homologies génétiques et ils sont généralement fortement apparentés. La réplication des plasmides de grande taille est le plus souvent synchrone avec la réplication du chromosome ce qui n'est généralement pas le cas pour des plasmides de petite taille. Au cours de la croissance de la cellule, chaque plasmide possède un nombre caractéristique de copies. Il est de 1 copie par chromosome pour les gros plasmides et de 10 à 20 copies pour les petits plasmides. La régulation du nombre de copies est sous la dépendance d'un répresseur codé par un gène plasmidique. Au cours de la croissance bactérienne, les plasmides sont transmis de bactéries mères à bactéries filles selon un mécanisme d'équipartition (égale répartition du nombre de plasmides dans les cellules filles). Les plasmides peuvent être divisés en deux catégories : les plasmides conjugatifs et les plasmides non conjugatifs. . Les plasmides conjugatifs (schéma 1), pouvant être transmis sur un mode horizontal entre bactéries par un processus de conjugaison, ont une taille supérieure à 30 kb. Le phénomène de conjugaison a été décrit chez les bacilles à Gram négatif, les streptocoques, les entérocoques, les staphylocoques, les clostridies, les espèces du genre Streptomyces... Chez les bactéries à Gram négatif, les plasmides conjugatifs possèdent un opéron tra sur lequel sont rassemblés les gènes codant pour la conjugaison et ils dirigent la synthèse de pili sexuels situés à la surface de la bactérie donatrice et qui constituent des câbles d'amarrage permettant la fixation sur une bactérie réceptrice. À la suite de l'interaction entre les pili de la bactérie donatrice et la paroi de la bactérie réceptrice, il s'établit entre les deux cellules un pont cytoplasmique constituant la voie de passage pour l'information génétique. Chez les bactéries à Gram positif, il n'existe pas de pili impliqués dans la conjugaison et les signaux responsables de l'appariement entre une bactérie donatrice et une bactérie réceptrice sont véhiculés par des molécules solubles, les phéromones. Une bactérie réceptrice produit des phéromones codées par le chromosome et qui stimulent des gènes présents sur le plasmide de la bactérie donatrice. Ces gènes envoient à leur tour un signal à un autre gène plasmidique qui produit une substance d'agrégation, la protéine AS, qui se localise à la surface de la cellule. Cette protéine AS est capable de se fixer sur une protéine, la substance de fixation, également présente à la surface cellulaire et codée par un gène chromosomique. Il se forme alors des amas entre cellules donatrices et réceptrices permettant le transfert plasmidique. Chez les souches donatrices, porteuses du plasmide, la production de phéromones est régulée par un inhibiteur codé par le plasmide. Le transfert par conjugaison s'effectue selon un processus de "sur-réplication" de l'ADN qui permet à la bactérie donatrice de conserver une copie de l'information qu'elle héberge et de la transmettre à une bactérie réceptrice qui en était dépourvue. Les plasmides sont donc capables de coder pour leur propre dissémination. Le transfert plasmidique s'effectue entre souches bactériennes d'une même espèce mais aussi entre souches bactériennes d'espèces différentes. Les plasmides conjugatifs ne peuvent pas se transférer efficacement entre bactéries à Gram positif et bactéries à Gram négatif. La conjugaison est possible, mais le plasmide ne peut pas s'établir de manière stable chez la bactérie réceptrice. Toutefois, des gènes plasmidiques peuvent s’intégrer de manière stable dans les bactéries réceptrices par recombinaison légitime due à la présence de séquences d’insertion identiques sur le plasmide et le "chromosome" ou par recombinaison site-spécifique grâce à la présence d’un transposon sur le plasmide . Les plasmides non conjugatifs ont généralement une taille de 7 à 10 kb, ils codent rarement pour plusieurs caractères (notamment pour la résistance à plus de deux familles d'antibiotiques), ils sont dépourvus d'opéron tra mais ils peuvent cependant se transmettre à la faveur d'une conjugaison codée par un plasmide conjugatif coexistant dans la même bactérie (phénomène de mobilisation ou de co-transfert). Le plasmide mobilisable profite du travail effectué par le plasmide conjugatif, en particulier la mise en contact de la bactérie donatrice et de la bactérie réceptrice. Expérimentalement, certains plasmides non conjugatifs des bactéries à Gram positif peuvent se répliquer et s'exprimer chez des bactéries à Gram négatif. Dans la nature, des transferts trans-Gram ont été observés spontanément grâce à un processus de mobilisation. C'est le cas notamment d'un transfert plasmidique observé dans l'intestin de la souris entre Enterococcus faecalis (bactérie donatrice) et Escherichia coli (bactérie réceptrice).
Dans les deux cas, transfert par conjugaison ou transfert par mobilisation, il convient de noter deux faits essentiels :
La dissémination des plasmides est exacerbée par les autres modes de transfert horizontaux. En effet, les plasmides conjugatifs ou non conjugatifs peuvent également être transmis par transduction (transfert par l'intermédiaire d'un bactériophage) ou par transformation (pénétration dans une bactérie réceptrice d'ADN libre). Un ADN plasmidique peut s'intégrer à un ADN chromosomique par simple crossing-over, à condition qu'il existe des séquences homologues sur chacun des réplicons. Un plasmide intégré dans le chromosome est dit "en situation épisomique" et il se réplique avec le chromosome. Un plasmide conjugatif intégré peut entraîner un transfert de caractères chromosomiques au cours de la conjugaison. Toutefois, en dehors du facteur F (bactéries Hfr), cette éventualité est rare car la production des pili sexuels est généralement réprimée. Les plasmides sont des réplicons facultatifs, non indispensables, mais apportant une information génétique supplémentaire et permettant aux bactéries une meilleure adaptation au milieu environnant. On dit que les plasmides donnent un avantage sélectif aux bactéries qui les hébergent, avantage sélectif bien illustré par les plasmides de résistance aux antibiotiques. Toutefois, certains plasmides sont qualifiés de cryptiques car ils ne codent pour aucun caractère décelable. De nombreuses activités biologiques sont sous la dépendance de plasmides. Les plus importantes sont les propriété de résistance aux antibiotiques, l'acquisition de facteurs de pathogénicité et l'acquisition de nouvelles propriétés métaboliques.
Transposons
Les transposons ou éléments génétiques transposables sont des séquences d'ADN linéaires (non circulaires), n'apparaissant jamais à l'état libre, capables de promouvoir leur translocation d'une molécule d'ADN à une autre ou leur translocation à un autre site de la même molécule d'ADN. Ce sont des éléments génétiques mobiles qui n'ont pas d'existence autonome stable et qui doivent s'intégrer dans un réplicon et être dupliqués avec lui. À la différence de la recombinaison classique, la transposition s'effectue en l'absence d'homologie génétique entre l'élément transposable et la molécule d'ADN cible. La transposition est un processus de recombinaison illégitime. La transposition conduit à l'insertion d'un élément génétique transposable dans l'ADN cible, il y a addition et non échange de matériel génétique. La fréquence de transposition est généralement faible (10-3 à 10-4 par génération bactérienne chez Escherichia coli) car la transposition est un processus mutagène. En effet, l'insertion d'un élément génétique dans un gène interrompt sa continuité et conduit à une mutation par insertion. Chez les "Bacteria" il est possible de distinguer deux grandes catégories d'éléments génétiques transposables : les éléments génétiques transposables classiques et les transposons conjugatifs. 1) Éléments génétiques transposables classiques
Les éléments transposables classiques possèdent trois caractéristiques communes :
L'insertion de ces éléments génétiques conduit toujours à la duplication d'une courte séquence d'ADN (5 ou 9 paires de bases pour la majorité des éléments génétiques transposables) de la molécule receveuse, appelée séquence cible. Pour un même élément génétique transposable, la séquence cible est différente. En d'autres termes, un élément transposable peut s'intégrer en de multiples points d'une molécule d'ADN même s'il existe des sites d'insertion privilégiés correspondant à des portions d'ADN particulièrement riches en adénine et thymine (ces portions possèdent une plus grande plasticité car le nombre de liaisons hydrogène est de deux entre adénine et thymine au lieu de trois entre guanine et cytosine).
La transposition se fait selon deux grandes modalités :
Les éléments génétiques transposables classiques peuvent être distingués en 3 catégories (schéma 2):
2) Transposons conjugatifs Les transposons conjugatifs ont été mis en évidence chez les bactéries à Gram positif, notamment chez les streptocoques, les entérocoques et les clostridies. Quelques exemples de transposons conjugatifs figurent dans le tableau I. Les transposons conjugatifs partagent des propriétés communes avec les éléments génétiques transposables classiques : ils sont capables de s'exciser d'une molécule d'ADN pour aller s'insérer dans de multiples endroits d'une molécule d'ADN cible. Ils se distinguent des éléments génétiques transposables classiques d'une part par l'absence de séquences répétées inversées et d'autre part par leur capacité de se transférer d'une cellule à une autre par conjugaison (d'où leur nom). Devant assurer des fonctions de transfert, ces éléments génétiques sont de grande taille (environ 15,5 kb pour les plus petits jusqu'à 67 kb pour les plus grands).
Leur aptitude à la conjugaison s'exerce sur un spectre d'hôtes large. Exemples :
En revanche, ils ne semblent pas pouvoir se transférer d'eux-mêmes à des bactéries à Gram négatif comme Escherichia coli mais, une fois qu'ils y sont introduits, ils sont capables de se transposer avec une grande fréquence sur le chromosome ou un plasmide (éventuellement conjugatif) et de se transmettre ensuite entre bactéries à Gram négatif. L'introduction dans une bactérie à Gram négatif d'un transposon conjugatif peut se réaliser par le transfert inter-Gram d'un plasmide conjugatif ou mobilisable hébergeant un tel transposon. La manière exacte par laquelle les transposons conjugatifs obtiennent leur transfert est mal connue. Ils semblent qu'ils soient capables de s'exciser de la molécule d'ADN qui les héberge, de se circulariser puis, sous forme circulaire, de se transférer à une autre cellule.
Îlots génomiques
Les îlots génomiques sont des zones du chromosome bactérien possédant des caractéristiques différentes du reste du génome. Notamment, le G + C p. cent peut être différent. Ces îlots ont été acquis par une souche à la faveur d'une transformation, d'une transduction ou d'une conjugaison et ils se sont intégrés de manière plus ou moins stable dans le "chromosome" bactérien (ou dans un plasmide). Certains îlots génomiques ne codent pour aucun phénotype connu, mais la plupart d'entre eux codent pour des informations biochimiques ou des facteurs de pathogénicité (îlots de pathogénicité).
Par définition, les îlots de pathogénicité sont porteurs de gènes qui codent pour des facteurs de pathogénicité. Ils ont été décrits dans de nombreuses espèces bactériennes à Gram négatif, mais aussi dans certaines espèces de bactéries à Gram positif.
Certains îlots de pathogénicité sont en fait hébergés par des prophages intégrés (Cf. infra). C'est le cas des îlots de pathogénicité de Vibrio cholerae (îlot de virulence TCP codant pour des pili et îlot de pathogénicité CTX codant pour la toxine cholérique) et de Escherichia coli (souches EPEC ou Enteropathogenic Escherichia coli et souches EHEC ou EnteroHemorrhagic Escherichia coli).
L’expression des gènes de pathogénicité est régulée par différents mécanismes influencés par des paramètres extérieurs : température, pH, présence ou absence d’oxygène... Ces régulations se produisent via des réarrangements génétiques, des régulations transcriptionnelles et/ou des modifications post-traductionnelles.
Intégrons
Un intégron est un élément génétique immobile, incapable d'autoréplication et obligatoirement porté par un réplicon ("chromosome", plasmide, transposon).
Les cassettes (250 à 1500 pb) possèdent une organisation commune (voir schéma 3). Une cassette est constituée d'un gène (souvent un gène de résistance aux antibiotiques ou aux antiseptiques) et d'un site spécifique de recombinaison attC reconnu par l'intégrase.
Pour se maintenir, un gène cassette doit s'intégrer à un réplicon (voir schéma 3). L'intégrase codée par l'intégron catalyse préférentiellement la réaction de recombinaison attI X attC qui aboutit à l'intégration de la cassette au sein de l'intégron, mais elle est aussi capable de catalyser une réaction attC X attC qui aboutit à l'excision de la cassette hors de l'intégron.
Des intégrons ont été identifiés chez des bactéries à Gram négatif (entérobactéries, Pseudomonas, Vibrio, Acinetobacter, Campylobacter etc.) et chez des bactéries à Gram positif (Corynebacterium glutamicum, Corynebacterium striatum, Enterococcus faecalis etc.). Les bactéries hébergeant des intégrons ont été retrouvés chez l'homme, chez l'animal et dans l'environnement.
L'origine des intégrons est encore mal connus. Les intégrons proviendraient de super-intégrons, contenant plus de 100 cassettes et décrits sur le chromosome de différentes espèces appartenant à plusieurs genres (notamment Pseudomonas, Xanthomonas, Shewanella, Vibrio). Les cassettes des super-intégrons contiennent des gènes codant pour la résistance aux antibiotiques et aux antiseptiques, des gènes codant pour des toxines, des gènes impliqués dans des fonctions métaboliques et des cadres ouverts de lecture n'ayant pas de fonction connue.
Les intégrons constituent un système de capture et d'expression de gènes jouant un rôle important dans l'acquisition et la dissémination des gènes de résistance aux antibiotiques. L'intégration de plusieurs cassettes et leur mouvement au sein d'un même intégron permet la constitution de véritables mosaïques génétiques conférant aux bactéries des capacités rapides d'adaptation à des conditions hostiles (présence d'antibiotiques ou d'antiseptiques dans leur environnement).
Prophages
Les phages ou bactériophages sont les virus des bactéries. Les phages qualifiés de virulents se multiplient dans les bactéries hôtes (cycles productifs). D'autres phages dits tempérés établissent avec les bactéries des rapports de longue durée, éventuellement réversibles, qualifiés de lysogénie (cycles lysogènes). La lysogénie se caractérise par l'existence de prophages intégrés au "chromosome". Sous forme intégrée, le phage perd ses capacités de réplication autonome, il se réplique en même temps que le "chromosome" et il est transmis aux bactéries filles lors de la division bactérienne. Le passage de l'état lysogène à un cycle productif peut être spontané ou induit par des inducteurs tels que les rayons X, les ultraviolets, les oxydants, etc.
Les bactériophages, virulents ou tempérés sont impliqués dans des transferts génétiques appelés transduction et les phages tempérés peuvent être responsables d'une conversion lysogénique.
La conversion lysogénique peut conduire à la synthèse de toxines, à la synthèse de facteurs d'adhésion ou à des modifications antigéniques des bactéries.
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* : Quorum sensing Le phénomène du quorum sensing a été découvert lors de l'étude de la bioluminescence chez Vibrio (Photobacterium) fischeri. Lorsque la bactérie est cultivée en bouillon, la luminescence n'apparaît que lorsque la densité bactérienne est importante. Initialement, on a cru que le milieu contenait un inhibiteur qui devait être dégradé par les bactéries pour que la bioluminescence soit observée. En fait, la bioluminescence apparaît, non pas après dégradation d'un inhibiteur, mais après synthèse d'un activateur [la N-(3-oxohexanoyl)-homosérine lactone]. Cette molécule est excrétée par les germes puis réincorporée par les cellules et lorsque sa concentration est importante elle active les gènes responsables de la luminescence. En d'autres termes, les bactéries sont aptes à apprécier leur propre densité en évaluant la concentration de l'activateur. Ce phénomène a été qualifié de quorum sensing et pourrait se traduire par évaluation du quorum.
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