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Pili, fimbriae et flagelles
Pili et fimbriae
La microscopie électronique a révélé la présence de structures filiformes, différentes des flagelles, non impliquées dans la mobilité et appelées pili ou fimbriae. Il existe une certaine confusion dans la nomenclature de ces appendices et on peut parler de pili pour désigner les appendices qui jouent un rôle dans la conjugaison (pili sexuels ou pili F) et de fimbriae pour désigner les appendices impliqués dans des phénomènes d'adhésion. Le terme d'adhésine est beaucoup plus général puisqu'il recouvre les fimbriae mais aussi de nombreuses autres molécules (notamment des protéines) jouant un rôle dans l'attachement des bactéries aux cellules eucaryotes.
Les fimbriae peuvent avoir deux aspects. Ce sont soit des bâtonnets rigides de 5 à 7 nm de diamètre soit des filaments flexibles de 2 à 3 nm de diamètre. Ces fimbriae semblent être présents chez de nombreuses bactéries à Gram négatif et ils semblent plus rares chez les bactéries à Gram positif.
Flagelles et mobilité
La mobilité s'observe chez de nombreuses bactéries appartenant aussi bien au domaine des "Bacteria" qu'au domaine des "Archaea". D'une manière générale, la mobilité s'observe chez les bacilles et seuls quelques coques sont mobiles (Agitococcus lubricus, Enterococcus casseliflavus, Enterococcus gallinarum, Methylococcus mobilis, Nitrococcus mobilis, Desulfurococcus mobilis, Planococcus sp. ...) . Plusieurs type de mobilité peuvent être observés :
La mobilité par glissement sur des surfaces solides ne se rencontre que chez des bacilles à Gram négatif (Cytophaga sp., Capnocytophaga sp., Flexithrix sp., Flexibacter sp., Flavobacterium columnare, Flavobacterium hydatis, Flavobacterium johnsoniae, Flavobacterium succinicans ...). Elle consiste en un déplacement lent sur une surface solide par un mécanisme non élucidé.
La nage est le type de mobilité le plus fréquent qui s'observe soit dans des milieux liquides soit dans des milieux semi-solides. La nage résulte de la présence de flagelles.
L'essaimage est une alternative à la nage qui est observée lorsque des bactéries flagellées sont présentes sur un milieu solide. Ce phénomène est bien connu chez certaines espèces du genre Proteus (Proteus mirabilis) mais il semble exister chez de nombreuses souches mobiles (Serratia sp., Vibrio sp., Escherichia coli, Salmonella typhimurium, Bacillus sp., Clostridium sp., Rhodospirillum sp., Azospirillum sp., Yersinia sp., Aeromonas sp.). L'essaimage nécessite une transformation morphologique des bactéries. En milieu liquide, les bactéries sont courtes et portent quelques flagelles mais, en milieu solide, les bactéries s'allongent et présentent de très nombreux flagelles. Chez Vibrio parahaemolyticus et chez Azospirillum brasiliense, les cellules possèdent soit un unique flagellaire polaire responsable de la nage soit de multiples flagelles responsables de l'essaimage. Ensemencées au centre d'une boîte de milieu gélosé, les bactéries se multiplient pour donner une colonie. Lorsque le milieu s'épuise, on voit apparaître des formes longues fortement mobiles capables de se déplacer à la surface du milieu (essaimage) et qui vont coloniser un endroit de la gélose riche en nutriment où elles donnent naissance à des formes courtes et faiblement mobiles. L'appauvrissement du milieu provoquera à nouveau l'apparition de formes longues qui repartiront vers des zones de milieu neuf. La succession de ces cycles se traduit par des vagues successives (voile) qui finissent par envahir la totalité du milieu.
Les flagelles sont des structures fines (environ 10 à 20 nm de diamètre), observées soit au microscope électronique soit au microscope optique après des colorations spéciales qui ont toutes pour effet d'épaissir les flagelles afin de les rendre visibles. Le nombre et la position des flagelles est un caractère important à prendre en considération pour le diagnostic (schéma 1). Le cas le plus simple est constitué par les bactéries ne possédant qu'un seul flagelle situé à une extrémité ou à proximité d'une extrémité de la cellule : l'appareil flagellaire est qualifié de monotriche et de polaire (ou subpolaire). Lorsqu'une touffe de flagelles est présente à une extrémité on parle de flagellation multitriche et polaire; lorsque des flagelles sont présents à chacune des extrémités de la cellule, la flagellation est qualifiée de bipolaire ou d'amphitriche et elle peut être monotriche ou multitriche ; enfin, lorsque des flagelles sont disposés sur toute la surface de la bactérie, la flagellation est péritriche.
Les flagelles sont constitués de trois parties, un filament hélicoïdal, un crochet et un corpuscule basal (schéma 2) :
Le filament dont la longueur peut atteindre 10 mm est formé de l'assemblage de sous-unités protéiques formées généralement d'une seule protéine, la flagelline dont le poids moléculaire varie de 15 à 70 kDa. Le filament est hélicoïdal et se compose de onze fibrilles disposés comme les torons d'une corde et parcouru par un fin canal axial. Chez certaines espèces, le filament est entouré par une gaine. Cette gaine est constituée d'un prolongement de la membrane externe (Bdellovibrio, Vibrio cholerae, Vibrio parahaemolyticus, Helicobacter) ou d'une structure protéique (spirochètes à l'exception des espèces du genre Borrelia).
Le crochet est très court, incurvé et flexible et présente une structure protéique.
Le corpuscule ou corps basal correspond au lieu d'insertion du flagelle dans la cellule. Son architecture est complexe et comprend une partie mobile et une partie fixe. Le filament et le crochet se prolongent par un cylindre axial qui constitue l'arbre de transmission. Autour du cylindre axial on trouve des anneaux ou disques. Chez toutes les bactéries deux disques internes sont localisés dans la membrane cytoplasmique, le disque M (membrane) et le disque S (supramembrane). Chez les bactéries à Gram négatif, se surajoute un disque P (périplasmique) localisé dans le peptidoglycane et un disque L (lipopolysaccharide). Les disques S, P et L seraient fixes et le disque M mobile. Plusieurs protéines membranaires interviennent pour la rotation et le sens de rotation du moteur.
Les flagelles confèrent à la bactérie une mobilité variant de quelques micromètres par seconde (Halobacterium spp.) à quelques dizaines (entérobactéries) voire centaines (Bdellovibrio spp.) de micromètres par seconde. Le record de vitesse est détenu par Thiovulum majus qui a été chronométré à 615 µm par seconde. Pour une entérobactérie, compte tenu de la taille des cellules, une vitesse de 10 à 20 µm par seconde correspondrait pour un homme à une vitesse de 65 km par heure.
C'est chez les entérobactéries (ciliature péritriche) que la mobilité est la mieux connue. Les flagelles étant des hélices lévogyres, la rotation dans le sens inverse des aiguilles d'une montre propulse la bactérie selon un processus appelé la nage ; la rotation dans le sens contraire provoque une culbute ou un pivotement. Chez les bactéries péritriches, lorsque les flagelles tournent dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, ils se fondent en un faisceau qui fonctionne comme une hélice composite. Après une brève période de nage, le sens de rotation des flagelles s'inverse, le faisceau qu'ils constituaient se sépare et s'étale conduisant la cellule à une culbute (ou pivotement) sur place. Cette période de culbute dure moins d'une seconde mais elle conduit à modifier la direction de la nage. En présence de substances attractives ou répulsives, les périodes de nage sont plus longues, la culbute moins fréquente et les bactéries progressent dans la direction du gradient élevé de concentration ou s'en éloignent. Les bactéries détectent donc des gradients de concentration grâce à des protéines membranaires appelées protéines du chimiotactisme acceptrices de méthyle (MCP, Methyl-accepting Chemotaxis Protein). Ces protéines sont méthylées en réponse à des changements de concentration des attractifs (ou des répulsifs) et un niveau élevé de méthylation prolonge la durée de la nage. Il existe cinq classes de MCP, Tsr, Tar, Trg, Tap et Tip, chacune d'elles étant responsable des réponses chimiotactiques vis-à-vis de différents attractifs. La fixation d'un attractif induit un changement de conformation de la MCP qui permet sa méthylation par une méthylase spécifique. Si la concentration de l'attractif ou du répulsif n'augmente pas, une méthylestérase spécifique déméthyle progressivement la protéine. Les signaux sont transmis au moteur flagellaire par au moins six protéines cytoplasmiques.
Le mode de locomotion des bactéries non péritriches est moins bien connu. Rhodobacter sphaeroides possède un seul flagelle polaire et nage en faisant tourner son flagelle dans le sens des aiguilles d'une montre. Cette bactérie ne change pas le sens de rotation de son flagelle mais se réoriente en arrêtant la rotation et en subissant les mouvements browniens. Un mécanisme similaire existe chez Pseudomonas putida qui possède plusieurs flagelles polaires, qui se propulse en faisant tourner ses flagelles dans le sens contraire des aiguilles d'une montre et qui change de direction en arrêtant la rotation. Chez les bactéries amphitriches comme Spirillum volutans, le faisceau avant est recourbé en cloche vers le pôle opposé et le faisceau arrière prolonge la cellule. Lorsque la bactérie inverse sa direction de nage, les deux faisceaux réorientent simultanément leur configuration de telle sorte que le faisceau avant devienne le faisceau arrière et vice versa.
Chez les spirochètes, l'appareil flagellaire est original. Il est constitué de flagelles entourés d'une gaine. La structure de ces flagelles est classique mais ils sont localisés dans un espace compris entre le peptidoglycane et la membrane externe. Le corpuscule basal ne comprend que les disques M et S et ressemble donc à celui des bactéries à Gram positif. Ces flagelles sont insérés à chacune des extrémités de la cellule, ils sont entourés autour de la cellule et viennent éventuellement se chevaucher dans la partie médiane de la cellule. Grâce à la rotation de ces flagelles (dont le sens de rotation peut s'inverser), les spirochètes sont doués de mouvement de translation, de rotation autour de l'axe longitudinal ou de flexion.
La synthèse des flagelles nécessite de l'énergie et lorsque leur présence n'est pas indispensable, certaines bactéries deviennent immobiles. La mobilité s'exprime donc de manière différente selon les conditions du milieu. Par exemple, Listeria monocytogenes est mobile à 20 °C et immobile à 37 °C (notamment lorsqu'elle est en position intracellulaire), Yersinia pseudotuberculosis et Yersinia enterocolitica ne sont mobiles qu'à une température inférieure à 30 °C, etc.
La flagelline est immunogène et constitue l'Ag H. Les antigènes H varient selon les espèces mais ils peuvent également être variables au sein d'une même espèce et contribuent à définir des sérovars. Chez les salmonelles, pour la plupart des sérovars, les bactéries possèdent deux systèmes génétiques codant pour des flagellines différentes (schéma 3) . Les flagelles existent alors sous deux formes antigéniques qualifiées de phase 1 et de phase 2, on dit que les antigènes H sont diphasiques.
. Pour une cellule bactérienne donnée, un seul des deux gènes s'exprime et les flagelles seront soit en phase 1 soit en phase 2. D'une manière aléatoire, toutes les 1000 à 10 000 générations, le gène qui n'est pas exprimé s'exprime et l'autre cesse de s'exprimer. Ainsi, Salmonella Typhimurium (ou Salmonella enterica subsp. enterica sérovar Typhimurium ou Salmonella typhimurium) possède des flagelles dont l'antigénicité est qualifiée de i en phase 1 et de 1,2 en phase 2. Si on prélève au micromanipulateur une cellule dont les flagelles sont en phase 1 (antigénicité i) et si on place cette cellule dans un milieu de culture, il apparaît dans la population bactérienne en croissance des bactéries ayant des flagelles en phase 2 (antigénicité 1,2).
. Le plus souvent, une souche est constituée d'un mélange de cellules dont les unes (environ 50 p. cent) expriment les antigènes flagellaires de la phase 1 et les autres (environ 50 p. cent) expriment les antigènes correspondant à la phase 2. Dans ces conditions, il sera facile de déterminer les spécificités antigéniques des phases 1 et 2 grâce à l'utilisation de sérums spécifiques.
Dans une minorité de cas, un très grand pourcentage des cellules d'une souche (par exemple 99,9 p. cent) exprime ses flagelles sous une même phase (par exemple la phase 2) et un faible pourcentage des cellules (0,1 p. cent) exprime ses flagelles sous l'autre phase (phase 1). Dans ces conditions, il sera facile de déterminer la spécificité antigénique de la phase 2 par contre la spécificité antigénique correspondant à la phase 1 ne sera pas mise en évidence. Pour la caractériser, il conviendra d'effectuer une manipulation supplémentaire connue sous le nom de changement de phase (schéma 4). Pour effectuer un changement de phase on incorpore dans une gélose semi-molle les anticorps capables de se fixer sur les antigènes dont on a pu déterminer la spécificité. Cette gélose est coulée en boîte de Pétri et la souche à étudier est ensemencée au centre de la boîte. Les bactéries dont les flagelles portent la spécificité antigénique H correspondant aux anticorps sont immobilisées et seules les quelques bactéries ayant des antigènes présentant une spécificité antigénique différente peuvent se déplacer et envahir la gélose. Après incubation et multiplication des bactéries, les cellules prélevées en périphérie de la zone d'inoculation initiale permettent de déterminer la spécificité antigénique qui, initialement, était faiblement exprimée par la souche.
. Pour une minorité de sérovars (par exemple Agona, Enteritidis, Montevideo, Rissen, Senftenberg, Tennessee, ...) la bactérie ne peut synthétiser des flagelles que d'une seule spécificité car elle ne possède pas l'information génétique pour l'autre spécificité. L'antigène H est alors qualifié de monophasique.
Outre leur rôle dans la mobilité, les flagelles pourraient intervenir dans la virulence même si les conclusions de diverses expériences sont parfois contradictoires. La mobilité permettrait aux bactéries d'envahir les tissus et les flagelles pourraient même se comporter comme des adhésines. Un rôle de la mobilité dans la virulence a été tout particulièrement évoqué pour les spirochètes, Clostridium chauvoei, Proteus mirabilis, Campylobacter jejuni, Campylobacter coli, Pseudomonas aeruginosa, Vibrio cholerae, Vibrio parahaemolyticus, Vibrio anguillarum, Salmonella typhi, les légionelles (toutes les souches virulentes possèdent des flagelles)...
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