J.P. Euzéby : Abrégé de Bactériologie Générale et Médicale à l'usage des étudiants de l'Ecole Nationale Vétérinaire de Toulouse
 

Bactériologie Générale
Bactériologie Médicale

Autres sites Web : List of Prokaryotic Names with Standing in Nomenclature - Dictionnaire de Bactériologie Vétérinaire - SBSV
 

Transformation bactérienne

Définition et découverte

La transformation est un transfert génétique au cours duquel de l'ADN bicaténaire, libre, nu et en solution est introduit dans une bactérie réceptrice, puis intégré au chromosome.

La transformation a été mise en évidence chez Streptococcus pneumoniae par Frederick Griffith en 1928 (voir schéma 1). Griffith travaillait alors sur l'épidémiologie des infections à Streptococcus pneumoniae.

Préalablement, les travaux de Avery et Goebel avaient montré que toutes les souches virulentes de pneumocoques formaient des colonies lisses et possédaient une capsule dont la spécificité antigénique était variable selon la souche. Ces souches capsulées sont qualifiées de S (pour smooth, c'est à dire donnant des colonies lisses). En culture, une souche capsulée donne fréquemment des mutants non virulents, dépourvus de capsule et formant des colonies rugueuses. Ces souches non capsulées sont appelées R (pour rugueuses, c'est à dire donnant des colonies rugueuses).  L'inoculation à la souris de nombreuses bactéries R peut conduire à une réversion vers la forme parentale. Des cellules capsulées peuvent apparaître et tuer l'animal. Il convient de remarquer qu'en 1928, les mutations étaient inconnues et que les mécanismes de cette réversion n'étaient pas expliqués.

Pour analyser ce phénomène de réversion, Griffith a injecté à des souris un petit nombre de bactéries R vivantes avec ou sans bactéries S tuées par la chaleur (voir schéma 1). Cet auteur a utilisé une souche portant les antigènes capsulaires S1 (Streptococcus pneumoniae S1) et une souche R dérivée d'une souche parentale portant les antigènes capsulaires S2 (Streptococcus pneumoniae R2). Cet auteur  montre qu'une souris est tuée par l'injection d'un mélange constitué de bactéries S1 tuées par la chaleur et de bactéries R2 vivantes. Chez les animaux morts, on isole des souches de Streptococcus pneumoniae possédant une capsule de type S1.
Griffith a analysé les résultats de manière totalement erronée. Il pensait que les cellules S libéraient du matériel capsulaire en quantité suffisamment importante pour que les cellules R puissent se recouvrir d'une véritable capsule et devenir virulentes. Griffith pensait aussi que l'apparition des cellules S, obtenues après inoculation in vivo de cellules R, résultait d'un mécanisme analogue : les bactéries R conservaient des traces d'antigène capsulaire et la lyse de ces cellules libéraient du matériel capsulaire en quantité suffisamment importante pour que quelques cellules R se recouvrent d'une véritable capsule.

Les véritables implications de la transformation ne furent connues qu'en 1944 lorsque Oswald Avery, Colin MacLeod et Maclyn McCarty montrent que le "principe transformant" correspond à de l'ADN. En effet, aucune transformation n'est possible en présence de DNAse.
À cette époque, on savait que les chromosomes des cellules animales et végétales étaient constitués d'ADN et de protéines, mais aucun rôle n'était véritablement dévolu à l'ADN. L'ADN semblait avoir une structure trop simple (présence d'uniquement quatre types de base) et trop répétitive pour être le support des caractères génétiques. Aussi, la majorité des scientifiques estimaient que les protéines étaient impliquées dans l'hérédité. Les travaux de Avery, MacLeod et McCarty montraient, pour la première fois, que l'ADN était le support de l'information génétique. Cette idée n'a pas été immédiatement acceptée par tous les biologistes et certains d'entre eux soutenaient que la transformation était liée à des résidus de protéines contaminant l'ADN, même si les protéases étaient incapables d'abolir la transformation.

Mécanismes de la transformation

Certaines souches bactériennes, comme celles utilisées par Griffith, sont naturellement compétentes, c'est à dire qu'elles ont la capacité à capturer de l'ADN présent dans l'environnement. La compétence naturelle est un état physiologique génétiquement programmé qui n'a été bien identifié que chez quelques espèces bactériennes : Streptococcus spp., Staphylococcus spp., Bacillus subtilis, Haemophilus influenzae, Neisseria spp., Xanthomonas phaseoli, Rhizobium spp et Acinetobacter spp. Il est cependant possible que la transformation naturelle soit un mécanisme largement répandu, mais difficile à mettre en évidence.
Pour de nombreuses bactéries, aucune transformation naturelle n'a été observée, mais il est possible d'obtenir une transformation artificielle.

L'ADN transformant doit être un ADN bicaténaire (aucune transformation n'est possible avec un ADN monocaténaire) et sa taille joue un rôle déterminant. Dans le cas de Streptococcus pneumoniae, la masse molaire moyenne d'un ADN transformant est d'environ 5 X 10⁶ daltons.
L'ADN transformant et l'ADN de la bactérie réceptrice doivent être similaires et la transformation n'est possible qu'entre bactéries d'une même espèce ou qu'entre bactéries appartenant à des espèces voisines.

Transformation naturelle (voir schéma 2)

La bactérie réceptrice doit être dans un état de compétence qui apparaît en fin de phase exponentielle de croissance lorsque le taux de nutriments diminue.

Ches les bactéries à Gram positif, l'état de compétence nécessite l'apparition à la surface de la cellule d'un complexe protéique constitué d'une endonucléase, d'une exonucléase, de polypeptides capables de lier l'ADN et d'une autolysine. L'autolysine augmente la perméabilité cellulaire et permet au complexe protéique de gagner la surface cellulaire. L'ADN bicaténaire présent dans le milieu extérieur peut alors être capté, il est découpé par l'endonucléase en fragments d'environ 15 Kpb, puis l'exonucléase dégrade l'un des deux brins d'ADN alors que le deuxième brin pénètre dans le cytoplasme.
L'ADN peut alors être dégradé par les enzymes cellulaires ou, s'il est très proche de l'ADN chromosomique, il peut être utilisé par les enzymes de réparation de l'ADN pour être recombiné avec le chromosome. La transformation peut alors se traduire par la modification d'un caractère de la bactérie réceptrice.

Chez les bactéries à Gram négatif, les mécanismes sont proches, mais il existe deux différences essentielles :
. L'état de compétence et la capture de l'ADN sont associés à la présence de petites vésicules membranaires, appelées transformasomes, et qui font saillie à l'extérieur de la cellule. L'ADN transformant est capturé par ces vésicules et il est transporté dans l'espace périplasmique. Dans l'espace périplasmique il est dégradé et un unique brin d'ADN gagne le cytoplasme avant d'être incorporé au chromosome.
. La capture de l'ADN exogène nécessite la reconnaissance de séquences spécifiques de 10 à 11 pb. Par exemple, la séquence AAGTGCGGTCA pour Haemophilus influenzae ou la séquence GCCGTCTCAA pour Neisseria gonorrhoeae. Des séquences d'une telle longueur ont peu de chance d'être présentes sur de nombreuses molécules d'ADN ce qui confère une certaine spécificité à la transformation (seul des ADN spécifiques peuvent être transformants).

Transformation artificielle

La transformation artificielle est d'un usage courant dans les laboratoires de biologie moléculaire. Elle a pour but de transférer diverses molécules d'ADN à des bactéries non naturellement transformables telle que Escherichia coli. La bactérie réceptrice est alors utilisée pour amplifier l'ADN exogène qui est souvent un plasmide.

Pour rendre compétente la bactérie réceptrice, on utilise des techniques permettant de perforer les enveloppes bactériennes. Une de ces techniques consiste à placer les bactéries et l'ADN transformant dans un milieu riche en calcium et à soumettre le mélange à un choc thermique (chauffage à 42 °C suivi d'un refroidissement brutal dans la glace). Une autre technique classique est celle de l'électroporation qui consiste à soumettre les bactéries à des impulsions électriques à haute tension ayant pour but de créer des pores dans les enveloppes bactériennes.

Importance de la transformation

L'importance pour les bactéries de la transformation naturelle est encore discutée et il existe trois grandes hypothèses.
. La captation d'un ADN étranger pourrait constituer une source de nucléotides et la transformation n'aurait qu'une importance nutritionnelle. Cependant, on peut remarquer que la dégradation de l'ADN par des enzymes extracellulaires suivie d'une importation des nucléotides serait un système plus simple et plus efficace.
. La transformation serait un mécanisme permettant à la bactérie de réparer des lésions de son ADN en incorporant de l'ADN potentiellement homologue. Cette hypothèse est en accord avec le fait que l'ADN transformant doit être proche de celui de la bactéries réceptrice. Toutefois, la création de lésions de l'ADN ne semble pas induire la transformation.
. La captation d'ADN permettrait à la souche réceptrice d'augmenter la diversité de son potentiel génétique.

La transformation a eu un grand intérêt historique puisque l'analyse de son mécanisme a permis de prouver que c'est l'ADN, et non les protéines , qui est le support de l'hérédité. Elle a également permis l'établissement de cartes génétiques partielles. 

Dans le domaine médical, l'intérêt de la transformation est lié à l'émergence d'espèces résistantes aux antibiotiques comme Streptococcus pneumoniae, d'autres streptocoques, Neisseria meningitidis  ou des Staphylococcus spp. Ainsi, le traitement antibiotique d'une infection rhino-pharyngée peut conduire à la sélection de souches résistantes de streptocoques commensaux susceptibles de transmettre, par transformation, les gènes de résistance à Streptococcus pneumoniae.
En 2006, une équipe du CNRS de Toulouse a montré que plusieurs antibiotiques (aminoglycosides et fluoroquinolones) ainsi que la mitomycine C sont capables d'induire la transformation génétique de Streptococcus pneumoniae. Cette étude met en évidence la capacité d'une bactérie pathogène à augmenter, en réponse aux antibiotiques, son taux d'échanges génétiques, afin de favoriser l'acquisition de gènes de résistance.

En biologie moléculaire, la transformation artificielle est une technique de base du génie génétique.
 

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