Les bactéries n'ont pas de reproduction sexuée, mais elles échangent du matériel génétique par trois mécanismes de transfert horizontal : la transformation, la conjugaison et la transduction. Ce chapitre décrit chacun d'eux, montre comment ils permettent de cartographier le chromosome bactérien et explique pourquoi ils sont au cœur de la dissémination des résistances aux antibiotiques. Aux examens, on te demande surtout de comparer les trois mécanismes et de raisonner sur un croisement Hfr × F−.
1. Le génome bactérien et les souches mutantes
Le génome d'une bactérie comme Escherichia coli est un chromosome circulaire unique d'ADN double brin, non enfermé dans un noyau, souvent accompagné de plasmides, petites molécules circulaires autonomes portant des gènes accessoires (résistance aux antibiotiques, facteur F). La bactérie est haploïde : toute mutation s'exprime immédiatement, ce qui facilite l'analyse génétique. On distingue les souches prototrophes, capables de croître sur milieu minimum, des souches auxotrophes, mutantes incapables de synthétiser un métabolite essentiel (on note par exemple leu− une souche exigeant la leucine), ainsi que les mutants résistants à un antibiotique (strr) ou à un phage. Ces marqueurs, associés à des milieux sélectifs, permettent de repérer des recombinants rares parmi des millions de cellules : c'est le principe de la sélection. L'expérience de Luria et Delbrück (1943) a montré que les mutations bactériennes surviennent spontanément, avant toute exposition à l'agent sélectif.
2. La transformation
La transformation est l'absorption par une bactérie réceptrice d'un ADN libre présent dans le milieu, provenant de la lyse d'une bactérie donatrice, suivie de son intégration dans le chromosome. Décrite par Griffith en 1928 chez le pneumocoque puis expliquée par Avery en 1944, elle exige que la cellule soit en état de compétence, naturelle chez Streptococcus, Bacillus ou Haemophilus, ou induite au laboratoire (chlorure de calcium, électroporation). L'ADN double brin se fixe sur des protéines de surface ; un brin est dégradé par une nucléase à l'entrée et l'autre s'intègre par recombinaison homologue en remplaçant le segment correspondant du chromosome. Deux gènes proches sont transformés ensemble plus souvent que deux gènes éloignés : la fréquence de cotransformation est un indice de proximité.
3. La conjugaison
Découverte par Lederberg et Tatum en 1946 chez E. coli (des recombinants prototrophes apparaissent en mélangeant deux souches auxotrophes différentes, mais pas si elles sont séparées par un filtre : le contact est nécessaire), la conjugaison est un transfert unidirectionnel d'ADN par contact entre une donatrice et une réceptrice. Elle est gouvernée par le facteur F (fertilité), un plasmide qui code le pilus sexuel. Une bactérie F+ transfère à une F− une copie du plasmide par réplication en cercle roulant : la réceptrice devient F+, mais aucun gène chromosomique n'est transmis. Lorsque F s'intègre dans le chromosome, la souche devient Hfr (high frequency of recombination) : le transfert commence à l'origine située dans F et entraîne les gènes chromosomiques dans un ordre fixe, à partir d'un point fixe. Le transfert complet demanderait environ 100 minutes et il est presque toujours interrompu avant : la réceptrice reçoit rarement F entier et reste F−, mais peut intégrer les gènes reçus par recombinaison.
La technique du croisement interrompu (Wollman et Jacob) exploite cet ordre : on mélange Hfr et F−, on prélève à intervalles réguliers, on interrompt la conjugaison au mixeur et l'on note le temps d'apparition de chaque marqueur chez les recombinants. Les gènes sont ainsi cartographiés en minutes ; la carte d'E. coli compte 100 minutes et la comparaison de différentes souches Hfr, dont les origines diffèrent, a démontré la circularité du chromosome. Enfin, si F s'excise imparfaitement en emportant des gènes chromosomiques voisins, on obtient un plasmide F' ; son transfert (sexduction) crée des mérozygotes partiellement diploïdes, utiles pour étudier la dominance chez les bactéries (opéron lactose).
4. La transduction
La transduction est le transfert de gènes bactériens par l'intermédiaire d'un bactériophage, découvert par Zinder et Lederberg en 1952 chez Salmonella. Dans la transduction généralisée, lors du cycle lytique, un fragment quelconque du chromosome de l'hôte est encapsidé par erreur à la place de l'ADN viral ; la particule transductrice injecte ce fragment dans une nouvelle bactérie, où il peut s'intégrer par recombinaison. N'importe quel gène peut être transféré, et la cotransduction de deux gènes n'est possible que s'ils sont assez proches pour tenir dans une même capside. Dans la transduction spécialisée, un phage tempéré comme lambda, intégré en un site précis du chromosome (entre les gènes gal et bio chez E. coli), s'excise parfois de façon imprécise en emportant un gène adjacent : seuls les gènes voisins du site d'intégration sont transférés.
5. Recombinaison et portée de ces transferts
Dans les trois mécanismes, l'ADN reçu n'est stabilisé que s'il est intégré par recombinaison homologue (protéine RecA) sous forme d'un double échange qui remplace le segment résident ; un fragment linéaire non intégré est dégradé. La cellule réceptrice, temporairement mérozygote, retrouve ensuite l'haploïdie. Ces transferts horizontaux expliquent la vitesse de propagation des gènes de résistance aux antibiotiques, portés par des plasmides conjugatifs et des transposons, et ils sont les outils de base du génie génétique : la transformation de cellules compétentes par un plasmide recombinant est l'étape centrale du clonage moléculaire.
Plasmide conjugatif d'E. coli qui code le pilus sexuel et permet le transfert d'ADN ; libre chez les bactéries F+, intégré au chromosome chez les Hfr, porteur de gènes chromosomiques chez les F'.
Souche mutante incapable de synthétiser un métabolite indispensable (acide aminé, vitamine) et qui ne pousse que si le milieu en est enrichi, par opposition à la souche prototrophe.
| Critère | Transformation | Conjugaison | Transduction |
|---|---|---|---|
| Vecteur de l'ADN | ADN libre dans le milieu | Contact par pilus (facteur F) | Bactériophage |
| Découverte | Griffith 1928, Avery 1944 | Lederberg et Tatum 1946 | Zinder et Lederberg 1952 |
| Sensibilité à l'ADNase | Oui | Non | Non |
| Contact entre cellules | Non | Oui (obligatoire) | Non |
| Cartographie | Cotransformation | Croisement interrompu (minutes) | Cotransduction |
Les trois modes de transfert génétique chez les bactéries
- Bactérie haploïde, chromosome circulaire unique, plasmides accessoires ; auxotrophe vs prototrophe, milieu sélectif.
- Transformation : ADN libre capté par une cellule compétente, intégré par recombinaison homologue ; sensible à l'ADNase.
- Conjugaison : F+ × F− transfère le plasmide ; Hfr × F− transfère les gènes chromosomiques dans un ordre fixe ; carte en minutes (100 min chez E. coli).
- F' issu d'une excision imprécise de F : sexduction et mérozygotes partiellement diploïdes.
- Transduction généralisée : n'importe quel gène, phage lytique ; spécialisée : gènes voisins du site d'intégration (lambda, gal et bio).
La question classique est un tableau comparatif des trois mécanismes ou l'exploitation d'un croisement interrompu : ordonne les gènes selon leur temps d'entrée et rappelle que la réceptrice reste F− dans un croisement Hfr × F−. Pièges fréquents : dire qu'une F− devient Hfr après conjugaison, oublier que la transformation est le seul mécanisme sensible à l'ADNase, et confondre transduction généralisée (encapsidation au hasard) et spécialisée (excision imprécise d'un prophage).