Génétique bactérienne Flashcards
(35 cards)
1
Q
Qu’est-ce que la génétique?
A
Science à deux volets.
1. Transmission de l’information génétique de génération en génération
- Variation des caractéristiques et leurs causes
- causes environnementales ou modifications dans le matériel génétique
2
Q
Quels sont les avantages de travailler avec des bactéries?
A
- Possibilité d’obtenir populations immenses en peu de temps
- plusieurs ont un g très court - Permettent de détecter des évènements génétiques rares
- p.ex. qui arrivent 1 fois sur 1 milliard - Haploïdes (1 seule copie du chromosome)
- donc s’il y a une mutation, elle s’exprime rapidement (on n’a pas besoin d’attendre qu’elle devienne dominante ou homozygote) - Types métaboliques nombreux
- donc, on peut établir une relation entre présence de gènes et voies métaboliques et on peut transposer ensuite vers organismes plus complexes
3
Q
Différencier phénotype et génotype?
A
Phénotype
-ensemble des caractères observables et mesurables d’un organisme
Génotype
- ensemble de l’info génétique
- porté par le chromosome + autres éléments génétiques extrachromosomiques
- dicte le phénotype
4
Q
Expliquer les 2 volets de la génétique.
A
- Transmission de l’info génétique
- la transmission se fait se manière très précise: réplication du matériel génétique, mais très rapidement (enzyme réplique + de 1000 nucléotides/sec), alors font parfois erreurs qui pourraient entraîner variations dans phénotype
- mécanismes de réparation/d’édition pour s’assurer que la séquence nucléotidique soit la même
- stabilité des caractères de l’espèce dépend de la réplication adéquate - Variation des caractères
- 2 causes aux modifications parfois observées:
- changements dans l’environnement, pour s’adapter (pour fonctionner de façon optimale)
- OU modification du matériel génétique
5
Q
Expliquer les différents types de mutations.
A
- Mutation silencieuse
changement de base azotée qui change le codon, mais même acide aminé introduit (car plusieurs codons codent pour même acide aminé, p.ex CUU et CUA = leucine). - Mutation détectable
- changement dans base azotée qui change le codon pour un codon d’arrêt (UAA, UAG et UGA)
- terminaison de la traduction
- protéine plus courte que c’était supposé - Mutation ponctuelle
- 1 seule paire de base est changée (paires de bases habituelles sont: A-T et G-C)
- transitions
- tranversions
- déletion/insertions
6
Q
Comparer les mutations in vivo vs in vitro?
A
- In vivo
- évènements spontanés et rares (10^-6 ou -10 par gène, par génération)
- machinerie de réplication très fiable - In vitro
- on augmente la fréquence des mutation avec notamment:
- agents mutagènes: agents chimiques/physiques (p.ex. UV) qui changent ADN
7
Q
Rôle des mutations dans l’évolution
A
Très importantes, car les bactéries ont une reproduction asexuée, alors la transmission est verticale : mutations favorables vont être conservées et désavantageuses vont être éliminées (organismes n’arriveront pas à survivre)
8
Q
Quels sont les débuts de la génétique bactérienne?
A
M. et Mme. Ledeberg
- ont démontré la différence entre mutations et adaptations environnementales des organismes bactériens
- objectif: montrer que bactéries ont un ADN stable qui peut être modifié (muter)
- technique: surface de velours pour “copier” milieu de la boîte mère (milieu qui est p.ex sans antibiotiques) et “coller” dans un nouveau milieu (p.ex avec antibiotiques) pour voir mutation de résistance aux antibios.
- résultat: apparition d’une nouvelle colonie résistante aux antibiotiques, mais provient d’une colonie qui n’a jamais été exposé aux antibios (pas une adaption environnementale, mais bien une mutation)
9
Q
Décrire les deux types de transmission.
A
- Transmission verticale
- reproduction asexuée
- production de matériel génétique identique pour les cellules filles
- évolution basée sur accumulations de mutations - Transmission horizontale
- échange d’ADN (d’une partie de leur génome) entre organismes qui ne sont pas reliés/parentés: ils sont dans la même génération
- accélération de l’évolution
10
Q
Expliquer les variations des caractères d’une espèce due aux changements environnementaux.
A
Changements en fonction des stimuli environnementaux, pour s’adapter.
- modification réversible si l’on retire les stimuli on revient au phénotype original (car le matériel génétique n’est pas altéré)
- l’organisme n’exprime pas toute son information génétique simultanément (ce serait une dépense énergétique inutile)
- choisit d’exprimer tel ou tel gène pour s’adapter
- p.ex. source change du glucose au lactose
- p.ex. anaérobies facultatives passe de respiration à fermentation (exprime enzyme pour chacun, selon présence ou non d’oxygène)
11
Q
Expliquer les variations de caractères d’un espèce due aux changements du matériel génétique.
A
Si l’on élimine les stimuli et que les variations phénotypiques restent, alors il ne s’agit pas d’une adaption, mais d’une modification génotoypique
- beaucoup plus rare
- on appelle cela une mutation
- changement au niveau de l’ADN: modification séquence nucléotidique des gènes (code pour prots ou ARNr/ARNt stables)
12
Q
Quels sont les types de mutations ponctuelles?
A
- Transition
- si purine devient une purine (AG) ou une pyrimidine devient une pyrimidine (CT)
- donc A-G ou T-C s’interchangent (donne un nucléotide de la même famille)
- plus souvent de transitions (2-3x plus), car quand on reste dans même famille il y a moins de conséquences, alors changement a plus de chances d’être conservé - Transversion
- changement de famille: si purine devient pyrimidine
- si AC ou TG s’interchangent - Déletion/insertion
- changement de “cadre de lecture”
- lecture change complètement, car codons suivants sont tous changés
- protéine non-fonctionnelle
13
Q
Comment appliquons-nous aujourd’hui l’étude de mutants de M. et Mme. Ledeberg?
A
- Différents mutants amenant phénotype commun
- tolérance à une substance inhibitrice
- permet d’identifier mécanisme d’action: quelles protéines sont essentielles pour que l’antibiotique agisse, etc. - Modifier capacités de fermentation
- sélection de mutants qui vont produire p.ex. plus d’éthanol pour la même source de carbone - Déficiences nutritionnelles
- choisir mutants qui ne sont pas capables de synthétiser certains acides aminés: identifier les voies de biosynthèse des a.a. (protéines impliquées,etc.) - Biosynthèse de structures
- p.ex: mutants ftsZ
- comprendre mécanismes de formation de capsules, pili, septum, etc.
14
Q
Quels sont les mécanismes permettant la transmission horizontale?
A
- Transformation
- découverte par Dr. Griffith
- étude des bactéries streptococcus pneumoniae et avaient des colonies lisses (capsules) et rugueuses (non-capsulées)
- les bactéries qui avaient des capsules étaient pathogènes et les non-capsulées étaient non-pathogènes = mutation de lisse à rugueuse diminuait pathogénécité
- expérience avec souris: injecte mélange de rugueuses vivantes et de lisses mortes, mais la souris a développé une pneumonie. Donc, des cellules rugueuses devenaient lisses (d’où la transformation)
- conclusion: il y a principe transformant dans lequel une molécule porteuse de l’info génétique transforme l’autre
- fait intervenir de l’ADN nu (libre) libéré dans l’environnement, cellules à proximité doivent être en état de compétence (proximité obligatoire) - Conjugaison
- découverte par Ledeberg et Tatum (en 1946)
- expérience: croisement de 2 souches E. coli qui sont des mutants auxotrophes (qui a une demande nutritionnelle supplémentaire à celle de la souche mère)
- E.coli peuvent faire biosynthèse de tous les a.a. mais certains ont perdu cette capacité et on les appelle auxotrophes
- ont mélangé His- et Leu- et le résultat: His ou Leu avaient retrouvé capacité à synthétiser His/Leu
- des gens ont dit que cela ne prouvait pas l’échange d’ADN, car il s’agissait p-ê de révertants: cellules qui ont subi une mutation secondaire (une 2e mutation qui regénère une capacité originale de la cellule)
- pour prouver qu’ils n’avaient pas de révertants: ils ont utilisé des mutants polyauxotrophes (plusieurs demandes nutritionnelles supplémentaires), donc probabilité que ce soit des polyrévertants était impossible, non-applicable.
- étalement sur milieu avec aucun nutriments qu’ils ont besoin, résultat: colonies pouvaient synthétiser les a.a.
- ADN protégé
- efficace pour propagation des plasmides (système de priorités et plasmides sont privilégiées dans transfert) - Transduction
- Zinder et Ledeberg ont fait l’expérience du tube en U et ont observé de l’échange matériel génétique, ce n’était pas de la conjugaison (ne demandait pas de contact cellule-cellule) ni de la transformation (ajout de DNase n’empêchait pas transfert de matériel génétique, car capside protège l’ADN)
- donc, bactériophage responsable du transfert d’ADN
- 2 types: généralisée et spécialisée
- ADN protégé par capside
- possibilité de transfert à distance (bactériophages peuvent être transportés par micro-courants) et dans le temps
- surtout à l’intérieur de la même espèce, car les bactériophages sont spécifiques à une espèce, ils vont reconnaître leur surface
15
Q
Quelle étape est obligatoire avant la transmission de matériel génétique, peu importe la méthode?
A
La recombinaison.
- permet au bout d’ADN entrant (ADN exogène) d’intégrer le chromosome, pour qu’il soit répliqué lui aussi et hérité par les cellules filles.
- réarrangement du chromosome suite à un échange de matériel génétique entre 2 organismes
- reconnaissance par machinerie enzymatique de séquences similaires entre ADN exogène et chromosome
- couper chromosome et introduire cette séquence
- séquence qui est remplacée est dégradée par la suite
Séquences similaires = espèces apparentées, ancêtre commun près
16
Q
Que se passe-t-il s’il n’y a pas de recombinaison?
A
Si les séquences ne sont pas suffisamment similaires, il n’y a pas de recombinaison.
Alors, l’ADN exogène va être dégradé et utilisé comme source nucléotidique SAUF si ADN autoréplicatif (seule exception)
17
Q
Comment avons-nous identifié le principe transformant et comment fonctionne-t-il?
A
Expériences réalisées par Avery, MacCleod et McCarthy (en 1944)
- découvert que la molécule porteuse était l’ADN
- cellules capsulées mortes + non-capsulées vivantes + protéases = transformation
- avec RNase = transformation (donc, pas l’ARN responsable)
- avec DNase = pas de transfo (donc la responsable de la transfo)
Conclusions
- comme la DNase dégrade seulement les segments libres, alors l’ADN passant de cellule donatrice à receptrice est nu (libre) : durée de vie très courte
- DONC cellule donatrice et réceptrice doivent être à proximité, parce que sinon ADN libre va être dégradé
- seulement certaines cellules bactériennes vont être capables de reconnaître, capturer et importer une si grosse molécule (ADN) dans leur cytoplasme: les cellules compétentes (compétence varie d’espèce en espèce et est un état transitoire)
Fonctionnement
- Lyse d’une cellule qui libère les segments d’ADN libres
- Cellules compétentes ont une machinerie multiprotéique pour reconnaître, capturer et faire traverser l’ADN à travers la membrane externe (ADN doit être à proximité)
Ensuite: recombinaison OU dégradation (si pas de recombinaison), MAIS ne fait pas partie du principe de transformation
18
Q
Comment pouvons-nous induire le principe transformant in vitro?
A
- Induction chimique
2. Induction électrique
19
Q
Comment avons-nous pu différencier la conjugaison de la transformation?
A
Les chercheurs se sont demander s’ils étaient en présence de transformation (lors de l’expérience avec E. coli).
- traitement avec DNase, ont refait l’expérience et ont eu les mêmes résultats, donc ce n’était pas de la transformation
- expérience avec le tube en U (M. Davis), membrane filtre au milieu: d’un côté un polyauxotrophe et de l’autre le polyauxo. complémentaire. faisait des pulsions/succions pour “mélanger” le milieu, mais séparer physiquement les cellules. Résultat : jamais d’échange d’ADN.
- DONC: cellule réceptrice et donatrice doivent être en contact physique
- éliminer le filtre = échange d’ADN
20
Q
Quelle est la condition pour que la conjugaison ait lieu?
A
Cellules donatrices doivent avoir un facteur de fertilité (facteur F) qui est la présence de plasmides.
- plasmide: molécule d’ADN circulaire extrachromosomique autoréplicative non-essentielles à la survie des cellules, mais portent des gènes qui sont avantageux dans certaines conditions
- toutes les souches ne portent pas les plasmides, elles sont distribuées de façon aléatoire.
- cellules portant le plasmide F sont appelées F+
- cellules ne le portant pas: F-
- F+ et F- font de la conjugaison: les deux sont F+ (F+ ne perd rien, F- gagne des plasmides)
21
Q
Quels rôles vont jouer les gènes des plasmides?
A
- Rôle conjugatif
- certains plasmides sont conjugatifs: portent les gènes responsables de la transmission de l’info génétique (gènes qui synthétisent le pilus de conjugaison entre autres) donc induit la conjugaison
- toute la machinerie conjugative est codée par gènes sur plasmides
- d’autres sont non-conjugatifs mais ont d’autres rôles comme 2. et 3 ; - Bactériocines (+ immunité)
- molécules inhibant les bactéries apparentées
- elles tuent les bactéries à la recherche des mêmes nutriments dans le milieu = avantage écologique
- bactéries portant les bactériocines sont immunisées aux bactériocines des autres
- résistance aux antibiotiques: grand nombre de gènes codant pour résistance aux antibiotiques sont dans les plasmides
- résistance aux bactériophages également - Facteurs de virulence
- toxines comme l’anthrax, tétanos (sans le plasmide la souche ne causera pas d’infection) - Métabolisme de certaines sources de carbone comme le pétrole
22
Q
Expliquer la conjugaison des F+ et F-.
A
Les F- obtiennent des plasmides et les F+ ne perdent rien. Pourquoi?
- Facteur F synthéthise le pilus de conjugaison qui établit le contact avec la cellule réceptrice
- Pilus sexuel se contracte et amène les cellules en contact = formation d’un pont intercytoplasmique
- Coupure: un brin du cercle d’ADN de la plasmide se coupe au site “oriT = origine de transfert” et devient linéaire
- ADN transféré par le pont intercytoplasmique lors de la conjugaison est monocaténaire: 1 seul des deux brins est transféré (ce qui fait que la F+ ne perd pas ses plasmides)
- Réplication en cercle roulant: cellule donatrice réplique le brin manquant au fur et à mesure qu’il est transféré (synthétise le brin complémentaire)
- Réplication dans la cellule réceptrice: synthèse du brin complémentaire
- Recircularisation dans cellule donatrice: ADN redevient bicaténaire circulaire
Caractéristiques
- en raison du pont intercytoplasmique, la DNase est ineffective: l’ADN est protégé à l’intérieur, il ne sort jamais des cellules
- le facteur F est transféré dans 100% des cas (extrêmement efficace)
23
Q
Expliquer la conjugaison des autres gènes chromosomiques.
A
- Plus souvent d’erreurs de transfert: efficacité d’environ 1/10 000 à 1/100 000
- ADN doit être recombiné, pas comme plasmides
- Les souches les plus efficaces pour cette conjugaison sont les Hfr = efficacité 1/10 ou 1/100
- état Hfr est réversible à état F+
- M. Wollman et M. Jacob ont utilisé différentes souches Hfr dans lesquelles le facteur F est intégré à des endroits différents, résultat = différents gènes chromosomiques étaient transférés. Ils ont donc réussi à établir la carte physique des gènes d’E. coli et trouvé que la conjugaison complète était de 100 minutes
- DONC soit avec Hfr (gènes transférés variables) ou avec F’ (même gènes transférés)
Différences des Hfr
- facteur F des Hfr est intégré au chromosome (recombinaison du facteur F)
- ensuite, même mécanisme qu’expliqué avant
- suite à la conjugaison, Hfr reste Hfr, F- reste F- et reçoit une partie des facteurs F + gènes chromosomique
24
Q
Comment fonctionne la conjugaison entre Hfr et F- et quels en sont les résultats?
A
Résultats
- Hfr reste Hfr.
- F- reste F- : elle reçoit une partie du facteur F et d’autres gènes chromosomiques adjacents
- car conjugaison se fait, mais est limitée dans le temps: pont intercytoplasmique est temporaire, il se brise éventuellement (conjugaison ne dure jamais assez longtemps pour que le brin au complet soit transféré)
Fonctionnement
- OriT dicte le sens de transfert (commence toujours par l’extremité 5’)
- vitesse de transfert est constante
- bris du pont et ensuite recombinaison
25
Comment expliquer le succès de conjugaison entre F+ et F-?
Facteur F (le plasmide) est une petite molécule (taille d'environ 2% du chromosome), alors demande seulement une conjugaison de 2 minutes. C'est pourquoi il est transféré dans 100% des cas.
26
Qu'est-ce qu'une cellule F' ?
Une F' possède des gènes chromosomiques dans ses plasmides.
Comment une cellule devient F'?
1. La cellule est Hfr (facteur F intégré dans chromosome)
2. Il y a excision du facteur F pour devenir plasmidique, mais il y a erreur dans l'excision et une partie des gènes chromosomiques sont emportés en même temps
27
Que se passe-t-il lors d'une conjugaison d'une cellule F' vers F- ?
F' et F- = F' et F' (F- devient F')
Toujours les mêmes gènes chromosomiques sont transférés
28
Faire un résumé de la conjugaison.
1. Contact cellule-cellule obligatoire (pour faire pont intercytoplasmique)
2. F+ vers F- : toujours transfert du plasmide F, mais rarement de gènes chromosomiques (il s'agit alors d'erreurs)
3. Hfr : transfert fréquent de gènes chromosomiques (dépend de la durée de conjugaison), mais rarement du F complet
4. F' : toujours transfert du plasmide F' et de gènes chromosomiques
29
Qu'en est-il de la conjugaison chez les Gram+?
Elle est aussi possible.
Différences
- Cellule receptrice produit co-peptides appelées "phéromones" détectées par cellule donatrice et provoquant attraction
- Pas de pilus de conjugaison, mais molécules à la surface permettent agrégation/rétention de la cellule (contact physique) et formation du pont inter-cytoplasmique
Similarités
- Contact cellule-cellule est aussi essentiel
- Transfert du plasmide est conservatif: donatrice ne perd pas son plasmide (plasmide+) et réceptrice devient plasmide+, car ont les même mécanismes (réplication à cercle roulant, etc.)
- Résistance à la DNase en raison de la protection de l'ADN dans le pont intercytoplasmique (ADN n'est jamais exposé au milieu)
30
Comparer conjugaison vs transformation.
1. Protection de l'ADN
- conj: protection de l'ADN, donc résistance à la DNase
- transfo: éclatement de la cellule, exposition de l'ADN dans le milieu
2. Efficacité de transfert
- conj: plus élevée que transfo due à la protection de la molécule d'ADN + priorité à l'ADN conjugatif (molécules à la porte du pont cytoplasmique qui reconnaissent l'oriT, donc il y a un transfert orienté et spécifique, au contraire de la transfo)
- transfo: ADN libéré et récupéré "au hasard" par une cellule compétente
3. Transfert intra-espèce
- conj: mécanismes de reconnaissance (pilus reconnaît surface) dictent quelles cellules seront réceptrices, donc transfert conjugatif dans la même espèce bactérienne. Parfois inter-espèces/inter-genres (certaines espèces, mais très rares), au contraire de la transfo
31
Expliquer le cycle lysogène.
Machinerie enzymatique qui maintient dormante celle pour le cycle lytique.
1. Insertion de l'ADN (acide nucléique) du bactériophage dans bactérie
2. ADN à l'état prophage: intégration au chromosome bactérien (état dormant)
3. Réplication de la cellule et du chromosome, donc 2 cellules-filles contenant bactériophage à l'état dormant
4. Stress: le bactériophage s'active et entreprend le cycle lytique
32
Expliquer les deux types de transduction.
1. Généralisée
- n'importe quelle portion du chromosome peut être échangée entre donatrice et réceptrice
- phages virulents particulièrement efficaces pour transduction généralisée, mais tempéré ET virulent peuvent
- bactériophage coupe chromosome de la bactérie infectée, donc seulement l'acide nucléique du bactériophage est fonctionnel = monopole/contrôle de la cellule
- étape d'encapsidation du cycle lytique (constituants de phages fabriqués encapsident l'ADN du bactériophage) va parfois subir des erreurs (encapside fragments d'ADN chromosomique bactérien)
- le bactériophage défectueux va être libéré et injecter l'ADN avec gènes chromosomiques bactériens, donc ne peut pas faire le cycle lytique
- s'il y a erreur d'encapsidation: va parfois subir recombinaison (intégration dans chromosome bactérien) ou alors dégradation
- erreurs d'encapsidation: fréquence d'environ 10^-5 à 10^-7
2. Spécialisée
- transfert d'une portion restreinte du chromosome (quelques gènes), car seulement les gènes bactériens adjacents du site d'insertion de l'ADN phagique dans chromosome bactérien peuvent être transduits
- obligatoirement un phage tempéré
- injecte son acide nucléique et s'insère dans chromosome, stress arrive et il y a excision pour commencer le cycle lytique
- MAIS il y a erreur d'excision et phage va apporter gènes chromosomiques bactériens adjacents
- phages seront défectueux, car une partie de son génome est restée dans la cellule donatrice (ne peut pas encapsider génome complet du phage ET les gènes bactériens, ça ne rentrerait pas)
- résultat: soit recombiné ou dégradé
- détection par la complémentation de mutants
33
Décrire la structure des bactériophages.
Des bactériophages sont des virus spécifiques aux bactéries.
- 2 constituants du bactériophage: capside et acide nucléique
- capside: enveloppe protéique (est externe)
- acide nucléique: molécule d'ADN à l'intérieur (sert au bactériophage à se répliquer)
- rôles de la capside: 1ères étapes du cyle lytique + protection de l'acide nucléique
- certains bactériophages sont différents: présence de queues qui reconnaissent surfaces bactériennes, fibres, etc.
- bactériophages, comme tous les virus, sont des parasites intracellulaires obligatoires. Ils sont un assemblage de macromolécules organiques, elles n'ont pas de métabolisme
- pour se répliquer, ils ont besoin d'une cellule bactérienne: ils imposent à la cellule la production de phages et induit lyse de la cellule pour libérer les phages
34
Quels sont les deux types de phages?
1. Phage virulent
- cycle lytique se terminant obligatoirement par la lyse de la cellule pour libérer les phages dans l'environnement
2. Phage tempéré
- font soit cycle lytique OU cycle lysogénie qui est un cycle lytique à retardement
35
Quel est l'impact de la transmission horizontale vs les mutations?
1. Évolution grandement accélérée
- partage des mutations.
- exemple: résistance aux antibiotiques (gènes sur plasmides, donc souvent par conjugaison)
2. Échanges dans le même environnement
- p.ex. transformation (car proximité essentielle)
- organismes pas nécessairement apparentés, mais dans le même environnement
3. 81% du génome bactérien provient de transmission horizontale
- ils sont fréquents, efficaces
