Les bactéries se reproduisent de façon clonale, et pourtant elles évoluent très vite. Deux sources de variation l'expliquent : les mutations, qui modifient le génome d'une bactérie, et les transferts génétiques horizontaux, qui font passer de l'ADN d'une bactérie à une autre. Ce chapitre présente les types de mutations et leurs effets, puis les trois mécanismes de transfert — transformation, conjugaison, transduction — qui sont au programme de tous les examens de S3.
1. Le génome bactérien
Le chromosome bactérien est une molécule d'ADN bicaténaire circulaire unique (environ 4,6 millions de paires de bases et 4 300 gènes chez E. coli), surenroulée par les topoisomérases et compactée en nucléoïde. La bactérie est haploïde : toute mutation s'exprime immédiatement, sans être masquée par un allèle dominant. À côté du chromosome, les plasmides et les éléments transposables (séquences d'insertion, transposons) constituent un génome accessoire mobile. Un gène est un segment d'ADN dont la séquence détermine, par transcription puis traduction, la séquence d'un polypeptide ; chez les bactéries, gènes d'une même voie sont souvent groupés en opérons régulés ensemble (opéron lactose de Jacob et Monod).
2. Les mutations
Une mutation est une altération de la séquence de bases d'un gène. Elle est rare (fréquence de l'ordre de 10−6 à 10−9 par gène et par génération), spontanée et aléatoire (test de fluctuation de Luria et Delbrück, 1943 ; réplique sur velours de Lederberg), discontinue (en une seule étape) et héréditaire. Les mutations ponctuelles touchent une paire de bases : substitution (transition purine ↔ purine ou pyrimidine ↔ pyrimidine, transversion purine ↔ pyrimidine), microdélétion ou microinsertion d'une paire de bases. Les macrolésions affectent des segments entiers : délétion, insertion, duplication, inversion, translocation. Des agents mutagènes physiques (UV, qui créent des dimères de thymine ; rayons X) ou chimiques (acide nitreux, analogues de bases, agents intercalants comme l'acridine) augmentent fortement la fréquence des mutations.
Selon leur effet sur le polypeptide, les substitutions sont silencieuses (même acide aminé, grâce à la redondance du code : GAU → GAC codent tous deux l'aspartate), faux-sens (changement d'acide aminé, activité enzymatique altérée ou mutant thermosensible) ou non-sens (apparition d'un codon stop UAA, UAG ou UGA : polypeptide tronqué inactif). Les microinsertions et microdélétions provoquent un décalage du cadre de lecture (frameshift) qui change toute la séquence en aval. Une seconde mutation peut annuler l'effet de la première : c'est une réversion ou une mutation suppresseur. Les mutants les plus étudiés sont les auxotrophes, qui exigent un facteur de croissance et se détectent sur milieu minimum supplémenté, et les résistants aux antibiotiques, que l'on isole en étalant une population sensible sur un milieu contenant l'antibiotique : seuls poussent les mutants spontanés préexistants, l'antibiotique ne fait que les sélectionner, il ne les induit pas.
3. La transformation
En 1928, Griffith observe que l'injection à des souris d'un mélange de pneumocoques R (rugueux, non capsulés, avirulents) vivants et de pneumocoques S (lisses, capsulés, virulents) tués par la chaleur provoque une septicémie mortelle, et qu'on isole des souris mortes des pneumocoques S vivants : il parle d'un principe transformant. En 1944, Avery, MacLeod et McCarty montrent in vitro que ce principe est l'ADN — première preuve que l'ADN est le support de l'hérédité. La transformation est donc le transfert d'ADN libre, nu, libéré par lyse d'une bactérie donatrice, capté par une bactérie réceptrice en état de compétence (naturelle chez Streptococcus, Bacillus, Haemophilus, Neisseria ; induite au laboratoire par le CaCl2 ou l'électroporation chez E. coli). L'ADN est intégré au chromosome par recombinaison homologue. Le processus est sensible à la DNase, ce qui permet de le distinguer expérimentalement des deux autres mécanismes.
4. La conjugaison
Découverte par Lederberg et Tatum en 1946 chez E. coli, la conjugaison est un transfert d'ADN par contact direct entre une bactérie donatrice et une réceptrice, contact établi par le pilus sexuel (expérience du tube en U de Davis : le transfert est aboli par un filtre qui sépare les deux populations). Le transfert est polarisé et orienté : la donatrice F+ possède le plasmide F (facteur de fertilité) ; elle en transfère une copie simple brin, par réplication en cercle roulant, à la réceptrice F− qui devient F+ à son tour. Lorsque le plasmide F s'intègre au chromosome, la bactérie devient Hfr (haute fréquence de recombinaison) et transfère des gènes chromosomiques dans un ordre fixe à partir de l'origine de transfert ; le temps d'entrée de chaque gène dans les expériences de conjugaison interrompue (Jacob et Wollman) a permis d'établir la carte du chromosome d'E. coli en minutes (100 min pour le transfert complet, rarement achevé). Une excision imparfaite du F intégré produit un plasmide F' emportant des gènes chromosomiques (sexduction). La conjugaison est le principal mode de diffusion des plasmides R de résistance, y compris entre espèces différentes.
5. La transduction
La transduction (Zinder et Lederberg, 1952, chez Salmonella) est le transfert de gènes bactériens par l'intermédiaire d'un bactériophage. Dans la transduction généralisée, au cours du cycle lytique, un fragment quelconque du chromosome bactérien fragmenté est encapsidé par erreur à la place de l'ADN viral ; la particule défective injecte cet ADN à une nouvelle bactérie, où il se recombine. Dans la transduction spécialisée, un phage tempéré intégré (prophage λ) s'excise de façon imprécise et emporte les gènes adjacents à son site d'insertion (gènes gal ou bio chez E. coli). La conversion lysogénique est un cas voisin : le prophage lui-même apporte un caractère nouveau, comme la toxine diphtérique ou la toxine cholérique, codées par des gènes phagiques.
| Mécanisme | Vecteur de l'ADN | Contact requis | Sensible à la DNase | Découverte |
|---|---|---|---|---|
| Transformation | ADN nu libre | Non | Oui | Griffith 1928, Avery 1944 |
| Conjugaison | Plasmide F, pilus sexuel | Oui | Non | Lederberg et Tatum 1946 |
| Transduction | Bactériophage | Non | Non | Zinder et Lederberg 1952 |
Les trois transferts génétiques horizontaux
Modification rare, spontanée, discontinue et héréditaire de la séquence nucléotidique d'un gène, indépendante des conditions du milieu qui ne font que la sélectionner.
Souche donatrice dont le plasmide F est intégré au chromosome ; elle transfère les gènes chromosomiques avec une haute fréquence de recombinaison, dans un ordre fixe à partir de l'origine de transfert.
- Mutation : rare, spontanée, discontinue, héréditaire ; l'antibiotique sélectionne les mutants, il ne les crée pas.
- Ponctuelles : transition, transversion, microinsertion/délétion (frameshift) ; effets silencieux, faux-sens, non-sens.
- Transformation = ADN nu capté par une bactérie compétente (Griffith 1928, Avery 1944) ; abolie par la DNase.
- Conjugaison = contact par pilus sexuel, plasmide F ; F⁺ × F⁻, Hfr, F' ; carte du chromosome en minutes.
- Transduction = transfert par phage, généralisée (cycle lytique) ou spécialisée (prophage λ).
Question reine : « Comparez transformation, conjugaison et transduction » sous forme de tableau (vecteur, contact, DNase). On te demande aussi de décrire l'expérience de Griffith et d'expliquer ce qu'Avery a ajouté, ou de raisonner sur un croisement Hfr × F⁻ (la réceptrice reste F⁻ car le facteur F, en bout de chromosome, n'est presque jamais transféré). Piège : dans un croisement F⁺ × F⁻ seul le plasmide passe, pas les gènes chromosomiques.