Structure et réplication de l'ADN procaryote

ADN : Structure et Organisation chez les Procaryotes

L'ADN est la molécule support universel de l'information génétique. Chez les procaryotes, il est localisé dans le cytoplasme, au sein d'une région appelée nucléoïde.

Définitions Indispensables

• ADN : support universel de l'information génétique.
• Nucléotide : unité monomérique de l'ADN, composée d'un phosphate, d'un désoxyribose (pentose) et d'une base azotée.
• Chromosome : ADN compacté associé à des protéines.
• Gène : portion d'ADN située à un locus précis, portant une information qui code souvent une protéine ou un caractère.
• Allèle : version différente d'un même gène, source de diversité génétique.

Le Nucléotide (Composition)

• Phosphate (H₃PO₄) : forme les liaisons phosphodiester, constituant l'ossature de la chaîne.
• Sucre : le désoxyribose, un pentose dont les carbones sont numérotés de 1' à 5'.
• Bases Azotées :
  • Pyrimidiques : Cytosine (C) et Thymine (T).
  • Puriques : Adénine (A) et Guanine (G).
  Ces quatre bases forment "l'alphabet chimique" de l'ADN.

Organisation en Double Hélice

• Le squelette de l'ADN est composé d'une alternance de sucres et de phosphates, situé à l'extérieur de l'hélice.
• Les bases sont orientées vers l'intérieur et sont accessibles via un grand et un petit sillon.
• L'appariement des bases se fait par des liaisons hydrogène (H) :
  • A–T : formation de 2 liaisons H.
  • C–G : formation de 3 liaisons H.
• La double hélice présente une complémentarité et un antiparallélisme des deux brins.

Paramètres et Formes de l'Hélice

La forme d'ADN prédominante in vivo est l'ADN B.

• 10 paires de bases par tour.
• Pas : 34 Å.
• Diamètre : environ 20 Å.
• Présence de deux sillons : un grand (~22 Å) et un petit (~12 Å).

Conformations de l'ADN

• ADN B : la forme la plus courante dans les conditions physiologiques.
• ADN A : se forme dans des conditions de faible humidité ou lorsque l'ADN est associé à des protéines. Il est plus "resserré", avec un diamètre plus grand et environ 11 pb par tour.
• ADN Z : une hélice gauche rare, favorisée par l'alternance purine/pyrimidine et plus étirée (~12 pb par tour).

Taille du Génome

La taille du génome peut être exprimée en longueur, en masse moléculaire (Dalton) ou en nombre de paires de bases (pb).

• Virus phage λ : ~48 kb.
• E. coli : ~4000 kb (≈ 4 Mb).
• Homme : 2–3 × $10^9$ pb (l'ADN total mesure environ 2 m).

Effets de la Température (Dénaturation)

• Les deux brins d'ADN sont maintenus ensemble par les liaisons H.
• Une augmentation de la température (T°) ou la présence de milieux salins/conditions in vitro peut provoquer la séparation des brins, appelée dénaturation.
• L'ADN simple brin absorbe davantage la lumière à 260 nm, un phénomène appelé effet hyperchromique.
• La température de fusion (Tm) augmente avec le pourcentage de paires G-C, car les liaisons C–G sont plus stables (3 liaisons H contre 2 pour A–T).

Réplication de l’ADN chez les Procaryotes

La réplication de l'ADN est le processus de duplication du matériel génétique, essentiel pour la transmission de l'information héréditaire.

Définition et Idées Clés

• Réplication semi-conservative : Chaque molécule d'ADN fille est constituée d'un brin parental et d'un brin néosynthétisé.
• La lecture de la matrice se fait toujours dans le sens 3'→5', et la synthèse du nouveau brin s'effectue toujours dans le sens 5'→3' (ajout de nucléotides sur l'extrémité 3'OH).
• Nécessite la séparation des deux brins de l'ADN parental par rupture des liaisons H.
• Il s'agit d'une réplication bidirectionnelle à partir d'une origine unique (chez les bactéries), formant une structure en "œil" ou en "forme thêta".

Spécificités Génétiques des Bactéries

• Haploïdes : possèdent une seule copie de chaque gène, rendant les mutations plus facilement observables.
• Temps de génération court, facilitant les expérimentations.
• Reproduction asexuée par division, produisant des clones.
• Possèdent une seule origine de réplication.
• Le génome bactérien est composé d'un chromosome circulaire indispensable, et souvent de plasmides facultatifs, petits, circulaires et présents en multicopies.

Éléments Nécessaires à la Réplication

Plusieurs composants sont indispensables pour la réplication de l'ADN :

• ADN parental : sert de matrice.
• dNTP (dATP, dCTP, dGTP, dTTP) : précurseurs triphosphate qui sont incorporés sous forme monophosphate.
• Énergie : libérée par l'hydrolyse du pyrophosphate (PPi) lors de l'ajout d'un nucléotide.
• Ions $Mg^{2+}$ : stabilisent les dNTP et sont essentiels à l'activité des ADN polymérases.
• Enzymes et Protéines :
  • DnaA : reconnaît et se fixe à l'origine de réplication (oriC), initiant l'ouverture (chez E. coli, oriC mesure ~245 pb et est riche en A/T).
  • Hélicase : déroule la double hélice en cassant les liaisons H.
  • ADN gyrase (topoisomérase) : élimine les superenroulements générés par le déroulement de l'ADN.
  • SSB (Single-Strand Binding proteins) : stabilise l'ADN simple brin, empêchant son réappariement.
  • Primase : synthétise des amorces d'ARN, nécessaires pour l'initiation de la synthèse d'ADN.
  • ADN Pol III : principal enzyme d'élongation, ajoute les nucléotides sur l'extrémité 3'OH à une vitesse d'environ 1000 nt/s.
  • ADN Pol I : élimine les amorces d'ARN grâce à son activité exonucléase 5'→3' et les remplace par de l'ADN.
  • Ligase : soude les fragments d'ADN (fragments d'Okazaki) par formation de liaisons phosphodiester, créant un brin continu.

Mécanisme de Réplication (Étapes)

1. Initiation

   1. La protéine DnaA se fixe sur la séquence oriC, provoquant une ouverture locale de l'ADN.
   2. L'hélicase et l'ADN gyrase déroulent et ouvrent davantage l'hélice, formant les fourches de réplication qui progressent bidirectionnellement, créant une structure en "œil".
   3. Les protéines SSB maintiennent les brins séparés pour éviter leur réappariement.

2. Élongation (sens 5'→3' uniquement)

   1. La primase synthétise les amorces d'ARN :
      • Une seule amorce sur le brin précoce (ou continu, leading strand).
      • Plusieurs amorces sur le brin tardif (ou discontinu, lagging strand).
   2. L'ADN Pol III allonge les brins :
      • Sur le brin précoce : la synthèse est continue, progressant vers la fourche de réplication.
      • Sur le brin tardif : la synthèse est discontinue, avec la formation de fragments d'Okazaki.
   3. L'ADN Pol I élimine les amorces d'ARN et les remplace par les nucléotides d'ADN correspondants.
   4. La ligase "colle" les fragments d'Okazaki entre eux, formant un brin continu.

3. Terminaison

   Le processus se termine lorsque les deux fourches de réplication se rejoignent, ou est activement régulé par des protéines comme Tus sur le site Ter.

Fidélité de la Réplication

La précision de la réplication est assurée par plusieurs mécanismes :

• La sélection correcte des bases par l'ADN polymérase grâce à la complémentarité.
• Les mécanismes de correction d'épreuves (proofreading) : les ADN polymérases réplicatives possèdent une activité exonucléase 3'→5' qui leur permet de supprimer les nucléotides mal appariés.
• Des systèmes de réparation post-réplication (non détaillés ici).

Réplication et Division Cellulaire

Chez les bactéries, la réplication commence à oriC et se poursuit jusqu'à Ter. Une fois le chromosome correctement dupliqué, la cellule peut alors achever sa division.

Pièges Fréquents

• Sens de synthèse : L'ADN est toujours synthétisé 5'→3', jamais 3'→5'.
• Matrice : Le brin parental est lu 3'→5'.
• Brin précoce vs. tardif :
  • Brin précoce : synthèse continue, une seule amorce.
  • Brin tardif : synthèse discontinue (fragments d'Okazaki), plusieurs amorces.
• Confusion des rôles enzymatiques :
  • Hélicase : ouvre la double hélice (rompt les liaisons H).
  • ADN gyrase / topoisomérase : élimine les superenroulements.
  • SSB : empêche le réappariement des brins séparés.
  • Ligase : soude les fragments.
  • ADN Pol III : allonge le brin.
  • ADN Pol I : élimine les amorces d'ARN et synthétise l'ADN à leur place.
• dNTP : entrent sous forme triphosphate mais sont intégrés sous forme monophosphate, libérant du PPi (énergie).
• Tm : augmente avec le pourcentage de GC (plus de liaisons H, stabilité accrue).
• Dénaturation : implique principalement la rupture des liaisons H, et non des liaisons phosphodiester du squelette.

Mutations et Agents Mutagènes

Le génome d'un organisme peut subir des modifications qui, si elles sont permanentes et héritables, sont appelées mutations. Ces mutations peuvent être spontanées ou induites par des agents environnementaux.

Définition et Notions Clés

• Mutation : toute modification de la séquence d'ADN pouvant entraîner une altération du phénotype de l'organisme.
• Mutation spontanée : survient sans intervention d'un agent extérieur, principalement due à des erreurs rares et aléatoires lors de la réplication de l'ADN.
• Mutation induite : est provoquée par l'exposition à un agent mutagène (chimique ou physique).

Différence essentielle entre lésion et mutation :

• Une lésion de l'ADN est un dommage transitoire à la molécule d'ADN (par exemple, un dimère de thymine dû aux UV, une base modifiée, un site abasique). Les lésions sont souvent réparables.
• Une mutation est un changement permanent et fixé dans la séquence de l'ADN, qui devient héréditaire. Elle résulte souvent d'une réplication sur un ADN endommagé non réparé.

Caractéristiques des Mutations

• Peuvent être spontanées ou induites.
• Sont des événements rares, avec une fréquence typique d'environ $10^{-7}$ à $10^{-11}$ par gène et par division.
• Sont spécifiques : elles affectent un ou plusieurs caractères précis.
• Sont héréditaires : une fois fixée, une mutation est transmise aux cellules filles et à la descendance.

Types de Mutations

A) Substitutions (Mutations Ponctuelles)

Impliquent le remplacement d'une base (ou d'une paire de bases) par une autre.

• Transition : remplacement d'une purine par une autre purine (A ↔ G) ou d'une pyrimidine par une autre pyrimidine (C ↔ T).
• Transversion : remplacement d'une purine par une pyrimidine, ou vice versa (A/G ↔ C/T).

B) Insertions / Délétions

• Micro-insertion (µ-insertion) : ajout d'un petit nombre de nucléotides.
• Micro-délétion (µ-délétion) : perte d'un petit nombre de nucléotides.
• Si le nombre de nucléotides insérés ou supprimés n'est pas un multiple de trois, cela entraîne un décalage du cadre de lecture (frameshift), qui résulte souvent en une protéine non fonctionnelle en aval de la mutation.

C) Réarrangements Génétiques

Ce sont des modifications à plus grande échelle, incluant des échanges, des déplacements ou des inversions de fragments d'ADN, pouvant entraîner des changements importants dans la structure du génome.

Comment les Mutations s'Expriment (Exemples chez les Bactéries)

Les mutations peuvent avoir divers effets phénotypiques chez les bactéries, tels que :

• Modification de la forme ou de la motilité (par exemple, flagelles modifiés, perte de motilité).
• Résistance aux antibiotiques.
• Auxotrophie : incapacité à synthétiser un composé essentiel, nécessitant un apport externe.
• Mutations cataboliques : affectent la capacité à utiliser ou dégrader certains substrats.
• Thermo-résistance / thermotolérance : capacité à croître à des températures élevées.

Mutation par Réversion

• Réversion vraie : la mutation est annulée par un événement qui restaure la séquence d'ADN originale (type sauvage).
• Réversion équivalente (suppresseur) : une deuxième mutation survient à un autre endroit du génome et compense la première, restaurant le phénotype sauvage sans pour autant restaurer la séquence d'ADN originale.

Agents Mutagènes

A) Mutagènes Chimiques

1. Analogues de bases :
   • Ressemblent aux bases normales et sont incorporés à leur place pendant la réplication.
   • Provoquent ensuite un appariement anormal, fixant la mutation.
   • Exemples : 5-bromouracile, 2-aminopurine.
2. Agents alkylants / méthylants :
   • Ajoutent un groupement alkyle (par exemple, méthyle) aux bases.
   • Ces bases modifiées induisent des mésappariements lors de la réplication.
   • Exemple : nitrosoguanidine.
3. Agents intercalaires :
   • S'insèrent entre les bases de l'ADN, perturbant la structure de l'hélice.
   • Induisent des insertions ou des délétions (frameshift) lors de la réplication.
   • Exemples : bromure d'éthidium, acridine orange.
4. Acide nitreux ($HNO_2$) : Désamination :
   • Transforme chimiquement certaines bases, entraînant des transitions :
     • A → hypoxanthine (s'apparie avec C).
     • C → uracile (s'apparie avec A).
     • G → xanthine (appariement modifié).
5. Tautomérisation des bases :
   • Les bases peuvent exister sous des formes tautomériques rares.
   • Ces formes rares induisent des appariements anormaux pendant la réplication, menant à une mutation après plusieurs cycles.

B) Mutagènes Physiques

1. Rayons UV :

Provoquent la formation de dimères de pyrimidines (principalement T-T ou T-C). Il s'agit de liaisons covalentes entre deux pyrimidines adjacentes sur le même brin d'ADN. Cela bloque ou introduit des erreurs dans la réplication et la transcription.

2. Radiations ionisantes (rayons X, $\gamma$, cosmiques) :

Très énergétiques, elles provoquent l'ionisation des molécules cellulaires, entraînant des lésions graves de l'ADN (bases instables, cassures de brins, etc.). Leur pouvoir mutagène est généralement supérieur à celui des radiations non ionisantes.

Effets des Mutations sur les Protéines

• Mutation silencieuse : Un changement de nucléotide entraîne un codon différent, mais celui-ci code le même acide aminé. Il n'y a pas de changement phénotypique.
• Mutation faux-sens (missense) : Un acide aminé est remplacé par un autre. La protéine est modifiée et sa fonction peut être altérée.
• Mutation non-sens (nonsense) : Le changement de nucléotide crée un codon STOP prématuré. La protéine est tronquée et souvent inactive.
• Frameshift (décalage du cadre de lecture) : Due à une insertion ou délétion de nucléotides non multiple de 3. Elle décale la lecture de tous les codons en aval, entraînant une modification massive de la protéine, qui est généralement non fonctionnelle.

Pièges Fréquents (Chapitre Mutations)

• Confondre une lésion (dommage réparable de l'ADN) et une mutation fixée (changement permanent et héréditaire).
• Confondre transition (purine $\leftrightarrow$ purine ou pyrimidine $\leftrightarrow$ pyrimidine) et transversion (purine $\leftrightarrow$ pyrimidine).
• Oublier que les agents intercalaires sont la cause principale des mutations par frameshift.
• Oublier que les rayons UV induisent spécifiquement des dimères de pyrimidines.
• Ne pas distinguer une réversion vraie (retour à la séquence originale) d'une réversion équivalente (compensation phénotypique sans retour à l'original).

Systèmes de Réparation des Mutations (Lésions de l’ADN)

L'intégrité de l'ADN est constamment menacée par des erreurs de réplication et des agressions environnementales. La cellule a développé de nombreux mécanismes pour réparer ces dommages avant qu'ils ne se transforment en mutations permanentes.

Pourquoi Réparer ?

• L'ADN est fréquemment altéré par des erreurs intrinsèques à la réplication ou par des facteurs physiques et chimiques externes.
• Si ces lésions ne sont pas réparées, elles peuvent être fixées sous forme de mutations permanentes lors du prochain cycle de réplication.

3 Grandes Stratégies de Réparation

1. Restauration directe : La lésion est directement inversée sans excision du fragment endommagé.
2. Suppression (excision) : La zone endommagée est excisée et remplacée par une nouvelle synthèse d'ADN.
3. Tolérance à la zone endommagée (réparation indirecte) : La réplication ou la transcription peut contourner la lésion, souvent au prix d'une fidélité réduite.

I) Restauration Directe (Sans Enlever un Fragment)

1. Photo-réactivation (Photolyase)

   • Répare spécifiquement les dimères de pyrimidines causés par les UV.
   • Nécessite la lumière visible : une enzyme, la photolyase, utilise l'énergie lumineuse pour casser les liaisons covalentes des dimères, restaurant ainsi l'ADN à son état original.

2. Réversion de dépurination

   • Une dépurination est la perte d'une base purique, créant un site abasique (AP).
   • Certaines enzymes peuvent directement restaurer la base à ce site.

3. Réparation des ruptures simple brin

   • Une ligase peut simplement ressouder les extrémités d'une cassure sur un seul brin.

4. Désalkylation (Alkyltransférases)

   • Exemple : la O$^6$-méthylguanine méthyltransférase.
   • Cette enzyme élimine spécifiquement le groupement méthyle (ou alkyle) ajouté à une base, restaurant ainsi la base à son état non modifié.

II) Suppression (Excision) de la Zone Endommagée

A) BER — Réparation par Excision de Base (Base Excision Repair)

Cible les bases anormales ou des lésions de petite taille affectant une seule base.

1. Reconnaissance de la base anormale.
2. Une ADN glycosylase spécifique excise la base endommagée, créant un site AP (abasique).
3. Une endonucléase AP coupe le squelette sucre-phosphate au niveau du site AP, puis le fragment est éliminé.
4. Une ADN polymérase (souvent Pol I chez les procaryotes) remplit l'espace vacant avec le nucléotide correct.
5. Une ligase scelle la coupure, complétant la réparation.

B) NER — Réparation par Excision de Nucléotides (Nucleotide Excision Repair)

Cible les lésions "volumineuses" ou les distorsions importantes de la double hélice, comme les dimères de pyrimidines induits par les UV.

1. Détection de la distorsion de l'hélice.
2. Un complexe enzymatique (chez E. coli, les protéines UvrA, B, C, D) excise un fragment d'ADN de plusieurs nucléotides (environ 12-13 nt chez les procaryotes) incluant la lésion.
3. Une ADN polymérase (Pol I chez les procaryotes) synthétise un nouveau fragment en utilisant le brin complémentaire comme matrice.
4. Une ligase scelle la nouvelle synthèse au reste du brin.

C) Correction des Mésappariements (Mismatch Repair - MMR)

1. Proofreading (Pendant la Réplication)

   • Correction immédiate effectuée par l'ADN polymérase elle-même grâce à son activité exonucléase 3'→5'. Elle retire le nucléotide mal incorporé et insère le bon.

2. MMR guidée par la Méthylation (chez les Procaryotes)

   Ce système permet de distinguer le brin parental du brin nouvellement synthétisé afin de corriger l'erreur sur le brin néosynthétisé.

   • Le brin parental (matrice) est méthylé (souvent sur les A des séquences GATC).
   • Le brin néosynthétisé n'est pas encore méthylé juste après la réplication.
   1. Des protéines (complexe MutS/MutL) détectent le mésappariement.
   2. Une protéine (MutH) repère un site GATC méthylé proche et, sur la base de cette méthylation, identifie le brin parental.
   3. Le complexe Mut et d'autres enzymes (exonucléases) coupent et excisent le segment du brin non méthylé contenant l'erreur.
   4. L'ADN Pol III (ou Pol I) remplit la lacune.
   5. Une ligase scelle le nouveau fragment.

III) Tolérance de la Zone Endommagée

Ces mécanismes sont souvent moins fidèles mais permettent à la cellule de survivre lorsque les dommages sont trop importants pour les systèmes de réparation “conventionnels”.

A) Réparation par Recombinaison Homologue (RecA)

• Lorsque la réplication est bloquée par une lésion, l'ADN polymérase peut sauter la lésion, laissant un espace (une lacune) en face d'elle.
• La protéine RecA intervient en utilisant le brin intact du chromosome homologue (ou de la chromatide sœur) comme modèle pour combler la lacune.
• Par la suite, la lésion elle-même peut être excisée par d'autres systèmes, puis la lacune réparée et scellée par une ligase.

B) Système SOS

• Le système SOS est activé lorsque les dommages à l'ADN sont massifs et que les autres systèmes de réparation sont dépassés. C'est une réponse de dernier recours.
• La protéine LexA agit normalement comme un répresseur de nombreux gènes SOS.
• En présence de nombreux dommages à l'ADN, la protéine RecA est activée (elle se lie à l'ADN simple brin exposé).
• Une RecA activée catalyse la protéolyse (destruction) de LexA.
• La destruction de LexA lève la répression des gènes SOS, entraînant l'expression de nombreuses protéines de réparation de l'ADN, y compris des polymérases moins fidèles (polymérases de translésion).
• Piège : Le système SOS relève de la tolérance aux dommages et est potentiellement plus "mutagène" car il utilise des polymérases moins fidèles, mais il permet la survie de la cellule face à des dommages irréparables autrement.

Pièges Fréquents

• Confondre la réparation directe (sans excision) avec la réparation par excision (BER/NER).
• Confondre les cibles distinctes de BER (une base) et NER (fragment de plusieurs nucléotides/distorsion).
• Oublier l'importance de la méthylation des sites GATC pour l'identification du brin parental dans la réparation des mésappariements (MMR).
• Négliger la cascade d'activation du système SOS (dommages → RecA activée → LexA dégradée → expression des gènes SOS).
• Employer le terme "mutation" pour décrire une lésion encore réparable et non fixée dans le génome.

Éléments Extrachromosomiques (Plasmides)

En plus de leur chromosome principal, les procaryotes possèdent souvent des éléments génétiques extrachromosomiques appelés plasmides. Ces molécules d'ADN confèrent des caractéristiques adaptatives à la bactérie.

1. Les Plasmides

Définition : Les plasmides sont des molécules d'ADN bicaténaire, fermées, circulaires, et souvent surenroulées, qui existent indépendamment du chromosome principal de la bactérie.

Caractéristiques Clés des Plasmides :

• Ce sont des structures facultatives, non essentielles à la survie de la bactérie en conditions normales.
• Généralement extrachromosomiques, bien que certains puissent s'intégrer au chromosome (épisomes).
• Possèdent une réplication autonome, indépendante de celle du chromosome.
• Sont transmis de manière stable à la descendance.
• Codent des fonctions qui confèrent un avantage adaptatif à la bactérie hôte (par exemple, résistance à des antibiotiques).

1.1 Fonctions des Plasmides

Les plasmides codent pour diverses fonctions non vitales mais bénéfiques :

• Fertilité et mobilisation d'autres éléments génétiques : Certains plasmides portent les gènes nécessaires à la formation de pili sexuels et au processus de conjugaison (facteur F).
• Résistance aux antibiotiques : Les plasmides R portent des gènes conférant une résistance aux antibiotiques.
• Résistance aux métaux lourds : Certains plasmides R peuvent aussi conférer une résistance à des composés antibactériens à base de métaux lourds.
• Capacités cataboliques / métaboliques supplémentaires : Permettent à la bactérie de dégrader ou d'utiliser de nouvelles sources de carbone ou d'énergie.
• Virulence : Les plasmides Vi portent des gènes codant des toxines ou des adhésines, augmentant la pathogénicité de la bactérie.

Les Plasmides de Fertilité (Facteur F)

• Portent les gènes nécessaires à la conjugaison bactérienne (transfert d'ADN direct entre bactéries). La cellule hôte devient donneuse (F+).
• Les gènes de transfert sont organisés en un grand opéron appelé tra :
  • Gènes des pili sexuels : traA, traL, traE, traK, traB, traV, traC, traW, traU, traF, traQ, traH, traG.
  • Gènes d'exclusion de surface : traS, traT.
  • Gènes de synthèse et transfert d'ADN (gènes mob) : traM, traY, traD, traI, traZ.
  • Gènes de régulation : finP, finO, traJ.
• Un plasmide F type inclut une région tra, des origines de réplication et de transfert (oriV et oriT), et peut contenir des séquences d'insertion (IS, ex: IS2/IS3) et des transposons (Tn, ex: Tn1000).

Les Plasmides de Résistance (Plasmides R)

• Contiennent des gènes qui confèrent une résistance à un ou plusieurs antibiotiques ou autres agents antibactériens (ex: plasmide R100).

Les Plasmides de Virulence (Plasmides Vi)

• Portent des gènes augmentant la capacité pathogène de la bactérie, comme ceux codant des toxines ou des facteurs d'adhésion.
• Exemple : le plasmide Ti chez Agrobacterium tumefaciens, qui induit la formation de tumeurs végétales.

Les Plasmides Cataboliques (Métaboliques)

• Contiennent des gènes codant des enzymes capables de dégrader des composés spécifiques (composés aromatiques, glucides, hydrocarbures, acides aminés), permettant à la bactérie de coloniser de nouveaux environnements.

Structure Génomique d'un Plasmide

1) Réplicon de base (2–3 kb) :

Cette région contient les éléments essentiels à la réplication autonome du plasmide :

• Origine de réplication (Ori C) : la séquence où la réplication débute. (Note : Dans le contexte plasmidique, on parle souvent d'oriV pour l'origine de réplication végétative).
• Gènes rep (réplication) : codent des protéines nécessaires à l'initiation et à la régulation de la réplication.
• Gènes cop (nombre de copies) : régulent le nombre de copies du plasmide par cellule.
  • Faible nombre de copies : 1 par chromosome (ex: facteur F).
  • Nombre de copies moyen : 10–20.
  • Nombre de copies élevé : 30–100 (ex: plasmide pUC18).
• Gènes inc (incompatibilité) : déterminent si deux plasmides peuvent coexister de manière stable dans la même cellule.
  • Des bactéries peuvent héberger plusieurs plasmides s'ils sont compatibles (mécanismes de réplication différents).
  • Si deux plasmides partagent le même mécanisme de régulation de réplication ou des origines similaires, ils sont incompatibles et ne peuvent coexister stablement en raison d'une inhibition en trans.

2) Gènes de maintenance :

Assurent la stabilité du plasmide dans la population bactérienne :

• Gènes par (partition) : garantissent une distribution équitable des copies plasmidiques aux cellules filles lors de la division.
• Gènes de résolution des multimères (résolvase) : préviennent la formation de multimères plasmidiques stables par recombinaison homologue, qui réduirait le nombre effectif de réplicons et la stabilité.
• Systèmes poison-antidote (PA) ou de mort post-ségrégationnelle : codent une toxine stable et un antidote instable. Les cellules filles qui n'héritent pas du plasmide perdent rapidement l'antidote et sont tuées par la toxine, assurant la persistance du plasmide.

3) Gènes de transfert (tra) :

Impliqués dans le processus de conjugaison, permettent le transfert du plasmide à d'autres bactéries.

4) Gènes codants :

Excluant les plasmides cryptiques (qui n'ont pas de fonctions connues), les plasmides portent divers gènes qui confèrent à la bactérie des avantages spécifiques (résistance, virulence, etc.).

Plasmides et Épisomes

Certains plasmides ont la capacité de s'intégrer de manière réversible dans le chromosome bactérien par recombinaison. On les appelle alors des épisomes.

Types de Plasmides

• Plasmides conjugatifs (autotransférables) :
  • Sont des ADN circulaires autoréplicatifs.
  • Très répandus chez les bactéries et les archées.
  • Une bactérie peut en héberger entre 0 et une dizaine.
  • Possèdent les gènes tra leur permettant de s'auto-transférer par conjugaison.
• Plasmides mobilisables :
  • Ne possèdent pas de système de conjugaison complet.
  • Peuvent être transférés par conjugaison s'ils sont aidés par la machinerie d'un autre élément conjugatif (helper plasmid) présent dans la même cellule.
• Plasmides non transférables :
  • Ne sont ni transférables ni mobilisables. Leur transfert ne peut se faire que par voie verticale lors de la division cellulaire.

Réplication des Plasmides

Les plasmides utilisent deux stratégies principales pour leur réplication :

A) Réplication de Type $\theta$ (Thêta)

• Mécanisme similaire à celui de la réplication du chromosome bactérien circulaire.
• Implique la séparation des deux brins, la formation de fourches de réplication.
• Synthèse d'une amorce ARN pour démarrer.
• Initiation dirigée par des protéines rep spécifiques.
• Synthèse continue sur un brin (précoce) et discontinue sur l'autre (tardif) avec production de fragments d'Okazaki.

B) Réplication par Cercle Roulant (Rolling-Circle Mechanism)

• Utilisée pour la réplication végétative de certains petits plasmides et lors du transfert d'ADN par conjugaison.
• Mécanisme unidirectionnel.
• Une protéine d'initiation (souvent une nucléase) crée une coupure simple brin à un site spécifique (oriT pour le transfert, ou dso pour la réplication).
• Cette protéine reste liée à l'extrémité 5' de la coupure. L'extrémité 3'OH sert d'amorce pour l'élongation.
• Un nouveau brin est synthétisé en déroulant le brin non coupé, qui sert de matrice. L'ancien brin est "roulé" hors de la structure circulaire.

Transfert de Gènes chez les Procaryotes

Les procaryotes peuvent échanger du matériel génétique de différentes manières, ce qui est crucial pour leur évolution, leur adaptation et la propagation de traits comme la résistance aux antibiotiques.

1. Transfert Vertical vs. Horizontal

• Vertical : Transmission des gènes de la cellule mère aux cellules filles lors de la croissance bactérienne et de la division cellulaire (mécanisme d'équipartition).
• Horizontal : Transfert d'ADN entre cellules à l'intérieur d'une même génération, entre la même espèce ou des espèces différentes, dans un même milieu. Les principaux mécanismes sont :
  1. Conjugaison
  2. Mobilisation (proche de la conjugaison, mais le plasmide n'est pas autotransférable)
  3. Transduction : Transfert via un bactériophage.
  4. Transformation : Transfert d'ADN nu (libre) dans une cellule.

1. Le Transfert de Gènes par Conjugaison

La conjugaison est un mécanisme de transfert d'ADN qui nécessite un contact physique direct entre deux cellules bactériennes.

Caractéristiques Clés :

• Implique un contact physique entre une cellule donneuse et une cellule receveuse.
• Nécessite une "différence sexuelle" : une souche donneuse possède un plasmide conjugatif (ex: F+), une receveuse non (F-).
• Peut avoir lieu entre bactéries de la même espèce ou d'espèces différentes.
• Typiquement, une copie de l'ADN plasmidique est transférée.

Schéma F+ / F− :

• Une cellule F+ (donneuse, possédant le facteur F) et une cellule F− (receveuse, sans facteur F) entrent en contact.
• Le pilus sexuel de la cellule F+ établit un pont de conjugaison.
• Un pont cytoplasmique est créé entre les deux cellules.
• Un brin de l'ADN plasmidique (facteur F) est déroulé et transféré de la donneuse vers la receveuse à partir de son origine de transfert (oriT), selon le modèle de la réplication par cercle roulant.
• Pendant le transfert, le brin restant dans la donneuse est répliqué pour le remplacer.
• À l'arrivée dans la receveuse, le brin transféré est utilisé comme matrice pour synthétiser son brin complémentaire, formant un plasmide F complet.
• La cellule donneuse reste F+.
• La cellule receveuse acquiert une copie du facteur F et devient également F+.
• Il y a très peu de recombinants chromosomiques isolés car le facteur F ne se transfère pas avec le chromosome lors de cette conjugaison F+.

Souches Hfr (High frequency of recombination) :

• Les souches Hfr dérivent de souches F+ lorsque le facteur F s'intègre de manière stable dans le chromosome bactérien. Le facteur F perd son autonomie plasmidique et devient un épisome.
• Les souches Hfr sont caractérisées par une très haute fréquence de recombinaison des gènes chromosomiques (1000 fois plus importante) par rapport aux souches F+ non intégrées.
• Cette intégration est facilitée par la présence de Séquences d'Insertion (IS) et de Transposons (Tn), qui permettent des recombinaisons homologues entre le plasmide F et le chromosome.
• Le facteur F peut s'intégrer à divers endroits du chromosome, générant plusieurs types de souches Hfr.

Schéma Hfr $\times$ F− :

• Lors de la conjugaison Hfr $\times$ F−, le transfert de l'ADN débute à partir de l'oriT intégré dans le chromosome de la souche Hfr.
• Un transfert linéaire d'un brin d'ADN s'effectue depuis le chromosome Hfr vers la cellule F−. La réplication par cercle roulant est à l'œuvre.
• Comme le facteur F est intégré, des gènes chromosomiques adjacents à oriT sont transférés en premier, suivis des gènes subséquents sur le chromosome. Le facteur F lui-même est transféré en dernier.
• L'incorporation des gènes bactériens transférés dans le chromosome de la receveuse F− se fait par crossing-over (recombinaison homologue) entre les deux molécules d'ADN (fragment linéaire transféré et chromosome circulaire de la receveuse).
• Le transfert est un processus long (peut prendre jusqu'à 120 minutes pour le chromosome entier de E. coli) et est fréquemment interrompu avant la fin.
• Résultat : 1000 fois plus de recombinants sont obtenus par rapport à F+ $\times$ F−, mais la cellule receveuse F− reste rarement F+ car le transfert complet du facteur F est peu probable.

Plasmides F' (F-prime) :

• Les plasmides F' résultent d'une excision occasionnelle et anormale du facteur F intégré d'une souche Hfr.
• Lors de cette excision, le plasmide F "reprend" par erreur des gènes chromosomiques voisins qu'il emporte avec lui.
• La cellule redevient F+ et est maintenant nommée F'. Le plasmide F' porte à la fois les gènes du facteur F et des gènes chromosomiques.

Vocabulaire lié au transfert de gènes :

• Transconjugant : une cellule receveuse qui a acquis un plasmide par conjugaison.
• Souche curée : une souche où le plasmide a été éliminé (par exemple, par traitement spécifique ou incubation prolongée sans sélection).

2. Le Transfert de Gènes par Transduction

La transduction est l'introduction d'ADN bactérien exogène (provenant d'une cellule donneuse) dans une autre bactérie (receveuse) via un bactériophage (virus bactérien).

Phages (Bactériophages) :

• Phages virulents : Suivent un cycle lytique, infectent la bactérie, répliquent leur ADN, puis lysent la cellule pour libérer de nouveaux virions.
• Phages tempérés : Peuvent entrer dans un cycle lysogénique, où leur ADN s'intègre au chromosome bactérien (devenant un prophage). La bactérie est alors dite lysogène. Ils peuvent passer du cycle lysogénique au cycle lytique (spontanément ou induits par des stress comme les UV).

A) Transduction Généralisée :

• Assurée par des phages virulents (ou tempérés en cycle lytique).
• Pendant le cycle lytique, lors de l'assemblage des nouveaux phages, le système d'encapsidation peut par erreur et de manière aléatoire encapsider des fragments d'ADN bactérien de la cellule hôte, au lieu de l'ADN phagique. Cela représente environ 1 à 2,5% des particules.
• Ces particules, appelées phages composites ou particules transductrices, infectent ensuite une nouvelle bactérie.
• Elles transmettent un fragment d'ADN de la bactérie lysée à la cellule receveuse (qui devient une cellule transductrice).
• Exemples : phage P1 (pour E. coli), phage P22 (pour Salmonella enterica).
• La fréquence de transfert est faible.
• Notion clé : une transduction complète mène à l'expression stable des marqueurs transférés, si l'ADN introduit s'intègre par recombinaison homologue dans le chromosome de la receveuse.

B) Transduction Spécialisée (Localisée) :

• Assurée par des phages tempérés, dont l'ADN s'intègre à un site spécifique et toujours le même dans le chromosome bactérien.
• Lors du passage du cycle lysogénique au cycle lytique, l'excision du prophage peut être de deux types :
  • Excision normale : Grâce à une excisionase, le prophage s'excise précisément, formant un phage complet non modifié.
  • Excision anormale : Par erreur, le prophage s'excise de manière imprécise. Il laisse une partie de son ADN dans le chromosome bactérien et encapside par contre des gènes bactériens situés très près de son site d'intégration.
• En conséquence, la transduction spécialisée ne peut transférer que les gènes bactériens qui délimitent l'ADN phagique inséré, c'est-à-dire toujours les mêmes gènes spécifiques.

3. Transformation

La transformation est le transfert d'ADN nu (libre), présent dans le milieu extracellulaire, et son internalisation par une cellule bactérienne, suivie éventuellement de son intégration au génome hôte.

Les Transposons (Éléments Transposables)

Les transposons sont des séquences d'ADN mobiles capables de se déplacer au sein d'un génome, souvent appelés "gènes sauteurs" ou "éléments mobiles".

1) Définition

• Les transposons sont des éléments d'ADN qui peuvent se déplacer d'un emplacement à un autre :
  • Soit sur le même brin d'ADN (intra-chromosomique ou intra-plasmidique).
  • Soit vers un autre brin d'ADN (inter-moléculaire).
• Le processus de transposition nécessite des enzymes spécifiques comme l'intégrase ou la transposase, qui sont généralement codées par l'élément transposable lui-même.

2) Classification (Structure + Mode de Transposition)

Séquences d'Insertion (IS)

Ce sont les plus simples des éléments transposables.

• Caractéristiques :
  • Petits éléments transposables : de 750 à 2500 paires de bases (pb).
  • Organisation très compacte : codent principalement la transposase (TnpA), enzyme nécessaire à leur mobilité.
  • Flanquées à leurs extrémités par des Répétitions Inversées (IR) : courtes séquences de 10 à 40 pb, qui sont actives dans les mécanismes de recombinaison.
• Mode de transposition :
  • Certaines IS sont non réplicatives (ex: IS10) : elles se déplacent sans laisser de copie à leur emplacement d'origine.
  • D'autres sont réplicatives (ex: IS6) : elles se copient à un nouvel emplacement tout en restant à l'ancien.
  • Il existe aussi des IS avec un mode mixte (ex: IS1).
• Fréquence : La transposition des IS est un événement rare et contrôlé, soit par l'élément lui-même, soit par des facteurs de l'hôte.

Les Transposons

1) Transposons unitaires (ou transposons complexes non-composite) :

Ces transposons sont plus complexes que les IS et portent des gènes supplémentaires en plus de ceux de la transposition.

• Enzymes indispensables :
  • Transposase : catalyse le mouvement de l'élément.
  • Résolvase : enzyme qui termine la réaction de transposition réplicative en catalysant une recombinaison sur un site spécifique appelé site res, porté par le transposon.
• Sous-groupes : Classés en 2 groupes selon l'orientation du cadre de lecture de TnpR (résolvase) par rapport à TnpA (transposase).
• Contenu génétique : Outre les protéines de dissémination, ils codent souvent pour des gènes de résistance (antibiotiques ou métaux lourds).
• Mode de transposition :
  • Exclusivement réplicatif.
  • Conduit invariablement à une duplication de 5 pb du site cible lors de l'intégration, une "signature" de leur insertion.

Pièges : Ne pas confondre "unitaire" avec "IS" (il y a résolvase + site res en plus). Lors de l'examen, se souvenir de la duplication de 5 pb.

2) Transposons composites :

Ils sont formés de deux IS (séquences d'insertion) identiques ou très similaires, qui encadrent une région centrale contenant d'autres gènes (souvent de résistance).

• Les deux IS agissent conjointement pour mobiliser l'intégralité de la séquence comprise entre elles.
• L'orientation des deux IS peut être directe (même sens) ou inverse (sens opposé).
• Exemples à connaître :
  • Tn5 (encadré par IS50) : confère une résistance à l'ampicilline.
  • Tn9 (encadré par IS1) : confère une résistance au chloramphénicol.
  • Tn10 (encadré par IS10) : confère une résistance aux tétracyclines.

Piège : Un transposon composite est défini par deux IS + l'ADN contenu entre elles + les deux IS.

3) Transposons conjugatifs :

Ces éléments sont capables de transfert horizontal entre bactéries par conjugaison, en plus de leur capacité de transposition.

• Caractéristiques :
  • Appartiennent à une famille homogène d'éléments.
  • Ce sont de très grands éléments : le plus petit (Tn916) fait 18,4 kb, et certains peuvent atteindre 100 kb.
  • Leurs extrémités sont flanquées de séquences inversées répétées de 20 à 30 pb.
  • Entre ces bornes, ils portent des gènes impliqués dans la coupure et l'échange de brins d'ADN, la conjugaison, et des marqueurs de résistance.

C) Deux types de transposition

1. Transposition conservatrice (ou "couper-coller") :
   • La séquence d'ADN est excisée de son site donneur et insérée à un site accepteur, sans qu'une copie ne reste à l'emplacement d'origine.
2. Transposition réplicative :
   • L'élément est copié, et une nouvelle copie est insérée à un nouveau site, tandis que l'élément original reste à son site initial.
   • Cela entraîne une augmentation du nombre de copies de l'élément dans le génome.

Les Intégrons

Les intégrons sont des éléments génétiques bactériens qui ne sont pas des transposons mais qui sont capables de capturer et d'exprimer des gènes (souvent de résistance) sous forme de "cassettes géniques".

1) Définition + Localisation

• Les intégrons sont des plateformes génétiques capables d'acquérir et de mobiliser des gènes, généralement sous forme de cassettes géniques (éléments mobiles).
• L'intégration ou l'excision de ces cassettes se fait par recombinaison spécifique de site, catalysée par une enzyme appelée intégrase.
• Ils sont principalement retrouvés chez les bactéries Gram négatif, comme les entérobactéries, Pseudomonas, Acinetobacter, Vibrio, et Campylobacter.

2) Organisation Générale

Un intégron typique est composé de deux régions conservées et d'une région variable :

• Deux régions conservées : une région 5' conservée (5'-CS) et une région 3' conservée (3'-CS).
• Entre ces deux régions, s'insèrent une ou plusieurs cassettes géniques.
• Seule la région 5' conservée contient le gène intI, qui code une intégrase (par exemple, IntI1), appartenant à la famille des recombinases spécifiques de site (apparentées aux intégrases de bactériophages).

3) Classes d'Intégrons

Les intégrons sont classés en fonction de la séquence de leur gène intI :

• Classe 1 : Très répandus, souvent associés à des transposons de la famille Tn21.
  • Contiennent le gène intI1, codant l'intégrase IntI1 (337 acides aminés).
  • Confèrent souvent une résistance aux $\beta$-lactamines, au chloramphénicol, etc.
• Classe 2 : Souvent trouvés sur les transposons Tn7 et leurs dérivés.
  • Contiennent le gène intI2, codant l'intégrase IntI2 (qui a 46% d'homologie avec IntI1 et une taille réduite de 12 aa).
  • Confèrent généralement une résistance aux aminosides, à la streptothricine, au triméthoprime.
• Classe 3 :
  • Contiennent le gène intI3, codant l'intégrase IntI3 (61% d'identité avec IntI1).
  • Associés à la résistance aux $\beta$-lactamines et aux aminosides.

4) Les Cassettes : Structure Commune

• Une cassette génique est une petite unité d'ADN mobile qui contient :
  • Un seul gène (généralement sans promoteur propre).
  • Flanqué à son extrémité 3' d'une courte séquence palindromique et répétée, appelée site attC.
• Le site attC est la séquence spécifique reconnue par l'intégrase pour l'intégration ou l'excision de la cassette.
• Il est souvent appelé "élément 59-pb" car les premiers sites attC décrits faisaient 59 paires de bases.
• La structure d'attC présente des séquences relativement conservées, inversées et répétées, capables de former une structure cruciforme. La conservation est la plus forte sur les 20 premières et 20 dernières bases, avec une région centrale variable.
• Plus de 60 cassettes de résistance (aux antibiotiques, antiseptiques) ont été décrites à ce jour.

5) Mouvement des Cassettes

• Les cassettes se déplacent par recombinaison spécifique de site, catalysée par l'intégrase.
• Les cassettes intégrées dans l'intégron sont sous forme linéaire. Une fois excisées, elles peuvent exister sous une forme circulaire libre.
• L'intégrase (ex: IntI1) catalyse à la fois l'intégration des cassettes et leur excision.
• Ce processus de mouvement des cassettes ne fait pas intervenir la protéine RecA (recombinaison homologue).

Sites Impliqués

• attC : le site de reconnaissance situé à l'extrémité 3' de chaque cassette.
• attI : un site situé dans la région 5' conservée de l'intégron, à la jonction avec la première cassette.

Combinaisons et Préférences de Recombinaison

• Des recombinaisons peuvent avoir lieu entre : attC–attC ou attC–attI.
• Intégration d'une cassette : L'intégrase préfère recombiner le site attI de l'intégron avec un site attC d'une cassette libre et circulaire.
• Excision d'une cassette : L'intégrase favorise plutôt les recombinaisons entre deux sites attC adjacents (ou entre attI et un attC, mais l'attC–attC est souvent plus facile).

ADN : Structure et Organisation chez les Procaryotes

L'ADN est la molécule support universel de l'information génétique. Chez les procaryotes, il est localisé dans le cytoplasme, au sein de la région appelée nucléoïde.

Définitions Indispensables

• Nucléotide : Unité constitutive de l'ADN, composée d'un phosphate, d'un désoxyribose (un pentose) et d'une base azotée.

• Chromosome : Molécule d'ADN compactée, souvent associée à des protéines, supportant l'information génétique.

• Gène : Portion spécifique d'ADN située à un locus précis, portant une information codant généralement pour une protéine, qui détermine un caractère.

• Allèle : Version différente d'un même gène, contribuant à la diversité génétique.

Composition du Nucléotide

• Phosphate (H₃PO₄) : Forme les liaisons phosphodiester, reliant les nucléotides pour constituer la chaîne polynucléotidique.

• Sucre : Le désoxyribose, un pentose dont les carbones sont numérotés de 1’ à 5’.

• Bases azotées :

  • Pyrimidiques : Cytosine (C) et Thymine (T).

  • Puriques : Adénine (A) et Guanine (G).

  Ces quatre bases constituent "l'alphabet chimique" de l'ADN : A, T, C, G.

Organisation en Double Hélice

• Le squelette sucre–phosphate forme l'extérieur de l'hélice.

• Les bases azotées sont orientées vers l'intérieur, accessibles par le grand et le petit sillon.

• L'appariement des bases est spécifique et réalisé par des liaisons hydrogène :

  • Adénine (A) s'apparie avec la Thymine (T) par deux liaisons hydrogène.

  • Cytosine (C) s'apparie avec la Guanine (G) par trois liaisons hydrogène.

• Cette structure est caractérisée par la complémentarité et l'antiparallélisme des deux brins.

Paramètres et Forme de l'Hélice (Forme B)

• Environ 10 paires de bases (pb) par tour.

• Pas de l'hélice (hauteur d'un tour) : 34 Å.

• Diamètre de l'hélice : ≈ 20 Å.

• Présence de deux sillons de tailles différentes :

  • Grand sillon : ~22 Å.

  • Petit sillon : ~12 Å.

Conformations de l'ADN

• ADN B : La forme la plus commune de l'ADN in vivo.

• ADN A : Adoptée dans des conditions de faible hydratation ou lorsque l'ADN est lié à des protéines. Elle est plus "resserrée", avec un diamètre plus grand et environ 11 pb par tour.

• ADN Z : Une hélice gauche rare, favorisée par l'alternance de purines et de pyrimidines, plus étirée (~12 pb par tour).

Taille du Génome

La taille du génome peut être exprimée en longueur, en masse moléculaire (Dalton), ou en nombre de paires de bases (pb).

• Virus phage λ : ~48 kilobases (kb).

• Escherichia coli : ~4000 kb (soit 4 mégabases, Mb).

• Homme : 2-3 × 10⁹ pb (l'ADN total déroulé mesure environ 2 mètres).

Effets de la Température (Dénaturation)

• Les deux brins de l'ADN sont maintenus ensemble par des liaisons hydrogène.

• Une augmentation de la température (ou des conditions salines spécifiques in vitro) entraîne la rupture de ces liaisons et la séparation des brins, un phénomène appelé dénaturation.

• L'ADN simple brin absorbe davantage la lumière à 260 nm que l'ADN double brin, phénomène connu sous le nom d'effet hyperchrome.

• La température de fusion (Tm) de l'ADN augmente avec le pourcentage de paires Guanine-Cytosine (%GC), car les liaisons G-C sont plus stables (trois liaisons H contre deux pour A-T).

Réplication de l'ADN chez les Procaryotes

La réplication de l'ADN est le processus par lequel une molécule d'ADN est copiée pour produire deux molécules d'ADN identiques. Chez les procaryotes, elle est caractérisée par sa rapidité et son efficacité.

Définition et Idées Clés

• Réplication semi-conservative : Chaque molécule d'ADN fille est composée d'un brin parental (ancien) et d'un brin nouvellement synthétisé.

• La lecture du brin matrice est toujours effectuée dans le sens 3' → 5', tandis que la synthèse du nouveau brin s'effectue toujours dans le sens 5' → 3' (ajout de nucléotides sur le 3'-OH libre).

• Le processus nécessite la séparation des brins de l'ADN par rupture des liaisons hydrogène.

• Chez les bactéries, la réplication est bidirectionnelle et démarre à partir d'une origine unique (forme un "œil" ou structure thêta).

Spécificités Génétiques des Bactéries

• Haploïdes : Elles ne possèdent qu'une seule copie de chaque gène, rendant les mutations immédiatement phénotypiques.

• Temps de génération court : Facilite les expérimentations génétiques.

• Reproduction asexuée (par division binaire) : Conduit à la formation de clones génétiquement identiques.

• Une seule origine de réplication.

• Le génome est composé d'un chromosome circulaire principal indispensable et de plasmides facultatifs, petits, circulaires et souvent présents en multicopies.

Éléments Nécessaires à la Réplication

Le processus de réplication requiert une série de composants :

• ADN parental : Sert de matrice pour la synthèse des nouveaux brins.

• dNTP (dATP, dCTP, dGTP, dTTP) : Désoxyribonucléotides triphosphates, précurseurs qui seront incorporés sous forme de monophosphates.

• Énergie : Fournie par la libération du pyrophosphate (PPi) lors de l'ajout de chaque nucléotide.

• Ions Mg²⁺ : Indispensables pour la stabilisation des dNTP et l'activité de l'ADN polymérase.

• Enzymes et Protéines Clés :

  • DnaA : Protéine initiatrice reconnaissant l'origine de réplication (oriC chez E. coli, riche en A/T, ~245 pb).

  • Hélicase : Ouvre la double hélice en rompant les liaisons hydrogène.

  • ADN gyrase (topoisomérase) : Relâche les superenroulements positifs induits par le déroulement de l'hélice.

  • SSB (Single-Strand Binding proteins) : Stabilise l'ADN simple brin et empêche son réappariement prématuré.

  • Primase : ARN polymérase qui synthétise de courtes amorces d'ARN nécessaires au démarrage de la synthèse d'ADN.

  • ADN polymérase III (ADN Pol III) : Enzyme principale de l'élongation, ajoute les nucléotides sur le 3'-OH libre à une vitesse d'environ 1000 nt/s.

  • ADN polymérase I (ADN Pol I) : Possède une activité exonucléasique 5' → 3' pour éliminer les amorces d'ARN et les remplace par de l'ADN.

  • Ligase : Soude les fragments d'ADN entre eux en formant des liaisons phosphodiester, notamment les fragments d'Okazaki.

Mécanisme de Réplication (Étapes)

1. Initiation

   1. La protéine DnaA se fixe sur oriC, provoquant une ouverture locale de l'ADN.

   2. L'hélicase et la gyrase déroulent et ouvrent davantage l'ADN, formant deux fourches de réplication qui progressent bidirectionnellement, créant l'"œil" de réplication.

   3. Les protéines SSB se lient aux brins séparés pour les maintenir monocaténaires.

2. Élongation (sens 5' → 3' uniquement)

   1. La primase synthétise des amorces d'ARN.

      • Une seule amorce sur le brin précoce (leading strand).

      • Plusieurs amorces sur le brin tardif (lagging strand).

   2. L'ADN Pol III allonge les nouveaux brins :

      • Sur le brin précoce : synthèse continue en direction de la fourche.

      • Sur le brin tardif : synthèse discontinue sous forme de fragments d'Okazaki.

   3. L'ADN Pol I élimine les amorces d'ARN et les remplace par de l'ADN.

   4. La ligase "colle" les fragments d'Okazaki pour former un brin continu.

3. Terminaison

   La réplication se termine lorsque les deux fourches de réplication se rencontrent et/ou est contrôlée par des protéines spécifiques (comme Tus) se fixant sur des sites de terminaison (Ter).

Fidélité de la Réplication

La haute fidélité de la réplication est assurée par plusieurs mécanismes :

• La sélection correcte des bases par l'ADN polymérase, basée sur la complémentarité.

• Les mécanismes de correction ("proofreading") : Les polymérases réplicatives possèdent une activité exonucléasique 3' → 5' qui permet de retirer les nucléotides mal appariés.

• Des systèmes de réparation post-réplication (abordés dans d'autres chapitres).

Réplication et Division Cellulaire

Chez les bactéries, la réplication de l'ADN débute à oriC et se poursuit jusqu'aux sites Ter. Une fois la duplication du chromosome correctement achevée, la cellule peut procéder à la division cellulaire.

Pièges Fréquents à Éviter

• Sens de synthèse : L'ADN est toujours synthétisé dans le sens 5' → 3'.

• Lecture de la matrice : Le brin parental est lu dans le sens 3' → 5'.

• Brin précoce (leading) vs. tardif (lagging) :

  • Brin précoce : synthèse continue avec une seule amorce.

  • Brin tardif : synthèse discontinue (fragments d'Okazaki) avec plusieurs amorces.

• Confondre les rôles des enzymes :

  • Hélicase : ouvre (rompt liaisons H).

  • Gyrase/topoisomérase : enlève les superenroulements.

  • SSB : empêche le réappariement.

  • Ligase : soude.

  • Pol III : allonge.

  • Pol I : enlève les amorces ARN et remplace par ADN.

• dNTP : Entrent sous forme triphosphate mais sont intégrés sous forme monophosphate (avec libération de PPi pour l'énergie).

• Tm : Augmente avec le %GC (plus de liaisons H → plus stable).

• La dénaturation de l'ADN n'est pas une rupture du squelette sucre-phosphate ; elle implique la rupture des liaisons hydrogène entre les bases.

Mutations et Agents Mutagènes

Une mutation est une modification de la séquence de l'ADN qui peut potentiellement altérer le phénotype d'un organisme. Les mutations sont essentielles à l'évolution mais peuvent aussi être délétères.

Définition et Notions Clés

• Mutation : Une altération stable et héréditaire de la séquence nucléotidique de l'ADN.

• Mutation spontanée : Survient sans intervention d'un agent extérieur, souvent due à des erreurs rares lors de la réplication de l'ADN.

• Mutation induite : Provoquée par l'exposition à des agents mutagènes (chimiques ou physiques).

Différence Essentielle

• Lésion de l'ADN : Dommage transitoire à la structure de l'ADN (ex: dimère UV, base modifiée). Une lésion est potentiellement réparable.

• Mutation : Changement permanent et fixé dans la séquence de l'ADN, généralement après qu'une lésion non réparée soit répliquée, rendant le changement stable et héréditaire.

Caractéristiques des Mutations

• Peuvent être spontanées ou induites.

• Sont des événements rares, avec des fréquences estimées entre 10⁻⁷ et 10⁻¹¹.

• Souvent spécifiques, affectant un ou plusieurs caractères précis.

• Sont héréditaires : une fois fixées, elles sont transmises aux cellules filles et à la descendance.

Types de Mutations

A) Substitutions (Mutation Ponctuelle)

Remplacement d'une base (ou d'une paire de bases) par une autre.

• Transition : Substitution d'une purine par une autre purine (A ↔ G) ou d'une pyrimidine par une autre pyrimidine (C ↔ T).

• Transversion : Substitution d'une purine par une pyrimidine, ou inversement (A/G ↔ C/T).

Piège : Ne jamais confondre transition et transversion.

B) Insertions / Délétions

• µ-insertion : Ajout d'un ou de quelques nucléotides dans la séquence d'ADN.

• µ-délétion : Perte d'un ou de quelques nucléotides dans la séquence d'ADN.

• Si le nombre de nucléotides insérés ou supprimés n'est pas un multiple de trois, cela entraîne un décalage du cadre de lecture (frameshift), ce qui modifie radicalement la séquence d'acides aminés de la protéine et la rend souvent non fonctionnelle.

C) Réarrangements Génétiques

Modifications de grande ampleur impliquant des segments d'ADN plus longs :

• Échanges de fragments.

• Déplacements de fragments (translocations).

• Inversions de séquences d'ADN.

Expression des Mutations (Exemples chez les Bactéries)

Les mutations peuvent avoir divers effets phénotypiques chez les bactéries :

• Modification de la forme ou de la motilité (ex: perte de flagelles).

• Acquisition de résistance aux antibiotiques.

• Auxotrophie : Incapacité à synthétiser un composé essentiel, nécessitant un apport externe.

• Altération des capacités cataboliques (utilisation ou dégradation de substrats).

• Augmentation de la thermo-résistance / thermotolérance (capacité de croissance à des températures plus élevées).

Mutation par Réversion

• Réversion vraie : Retour exact à la séquence nucléotidique d'origine (wild-type).

• Réversion équivalente (suppresseur) : Une deuxième mutation, située à un autre endroit, compense l'effet de la première mutation et restaure le phénotype sauvage, sans pour autant restaurer la séquence initiale de l'ADN.

Piège : Une "réversion" ne signifie pas toujours un retour exact à la séquence d'ADN originale.

Agents Mutagènes

A) Mutagènes Chimiques

1. Analogues de bases :

   • Ressemblent structurellement aux bases azotées normales et peuvent être incorporés dans l'ADN durant la réplication.

   • Leur appariement anormal avec d'autres bases conduit à des mutations fixées.

   • Exemples : 5-bromouracile, 2-aminopurine.

2. Agents alkylants / méthylants :

   • Ajoutent des groupements (méthyle, alkyle) aux bases, ce qui peut provoquer des mésappariements.

   • Exemple : nitrosoguanidine.

3. Agents intercalaires :

   • S'insèrent entre les paires de bases de l'ADN, provoquant une distorsion de la double hélice.

   • Cela perturbe la réplication et entraîne des insertions ou délétions, induisant souvent des mutations de frameshift.

   • Exemples : bromure d'éthidium, acridine orange.

4. Acide nitreux (HNO₂) : Désamination

   • Transformation chimique de certaines bases, conduisant à des transitions.

   • A → hypoxanthine (s'apparie avec C).

   • C → uracile (s'apparie avec A).

   • G → xanthine (appariement modifié).

5. Tautomérisation des bases :

   • Les bases peuvent exister sous des formes rares (tautomères) qui modifient leurs propriétés d'appariement.

   • Si ces formes tautomères existent lors de la réplication, elles peuvent entraîner un appariement anormal et donc une mutation après plusieurs cycles de réplication.

B) Mutagènes Physiques

1. Ultraviolets (UV) :

   • Provoquent la formation de dimères de pyrimidines (principalement T-T ou T-C) : des liaisons covalentes se forment entre deux pyrimidines adjacentes sur le même brin.

   • Ces dimères bloquent ou provoquent des erreurs lors de la réplication et de la transcription.

2. Radiations ionisantes (rayons X, gamma, cosmiques) :

   • Très énergétiques, elles provoquent l'ionisation des molécules et causent des lésions très graves à l'ADN (bases instables, cassures double ou simple brin, etc.).

   • Leur pouvoir mutagène est généralement plus élevé que celui des radiations non ionisantes.

Effets des Mutations sur les Protéines

Les mutations dans les régions codantes de l'ADN peuvent avoir des conséquences diverses sur les protéines :

• Mutation silencieuse : Un changement de nucléotide dans l'ADN conduit à un codon différent, mais qui code pour le même acide aminé. Le phénotype reste inchangé.

• Mutation faux-sens (missense) : Un changement de nucléotide altère le codon pour qu'il spécifie un acide aminé différent. La protéine est modifiée, et sa fonction peut être altérée (réduite, augmentée, perdue).

• Mutation non-sens (nonsense) : Un changement de nucléotide crée un codon STOP prématuré. La protéine résultante est tronquée et souvent inactive ou non fonctionnelle.

• Mutation par décalage du cadre de lecture (frameshift) : Causée par des insertions ou délétions de nucléotides dont le nombre n'est pas un multiple de trois. Cela décale la lecture de tous les codons en aval, entraînant une modification majeure de la séquence d'acides aminés et la production d'une protéine généralement non fonctionnelle.

Pièges Fréquents (Chapitre Mutations)

• Confondre une lésion de l'ADN (dommage réparable) et une mutation fixée (changement stable et héréditaire).

• Confondre transition et transversion.

• Oublier que les agents intercalaires sont des causes majeures de frameshift.

• Oublier que les UV induisent principalement des dimères de pyrimidines (ex: T-T).

• Différencier la réversion vraie de la réversion équivalente (suppresseur).

Systèmes de Réparation des Mutations (Lésions de l'ADN)

L'intégrité de l'ADN est constamment menacée par des erreurs de réplication et des agressions environnementales. Les cellules ont développé des systèmes de réparation sophistiqués pour maintenir la fidélité de leur génome. Une lésion non réparée peut devenir une mutation fixée.

Pourquoi Réparer ?

• L'ADN est fréquemment altéré par diverses sources comme des erreurs de réplication ou des agressions physiques/chimiques.

• Ces lésions, si elles ne sont pas réparées avant la réplication ou la transcription, peuvent être converties en mutations permanentes et héréditaires.

Trois Grandes Stratégies de Réparation

1. Restauration (réparation directe) : La lésion est directement réparée sans enlever de fragment d'ADN.

2. Suppression (excision) de la zone endommagée : La lésion et une portion d'ADN environnante sont excisées, puis le brin est resynthétisé.

3. Tolérance de la zone endommagée (réparation indirecte) : Des mécanismes permettent de passer outre la lésion, souvent à un coût en fidélité.

I) Restauration Directe (Sans Enlever un Fragment)

1. Photo-réactivation (par la photolyase) :

   • Répare spécifiquement les dimères de pyrimidines (principalement les dimères de thymine) induits par les UV.

   • Nécessite la lumière visible : la photolyase utilise cette énergie pour cliver les liaisons covalentes du dimère, restaurant l'ADN à son état initial.

2. Réversion de dépurination :

   • La dépurination crée un site apurinique (AP). Certaines enzymes peuvent directement restaurer la base manquante ou modifier la région.

3. Réparation des ruptures simple brin :

   • Les cassures sur un seul brin de l'ADN peuvent être directement ressoudées par une ligase.

4. Désalkylation (par alkyltransférases) :

   • Exemple : l'O⁶-méthylguanine méthyltransférase.

   • Cette enzyme enlève directement le groupement méthyle (ou alkyle) d'une base modifiée, restaurant ainsi sa forme normale.

Piège : La photoréactivation est un mécanisme de réparation dépendant de la lumière.

II) Suppression (Excision) de la Zone Endommagée

A) BER - Excision de Base (Base Excision Repair)

Cible les bases anormales ou modifiées (petites lésions affectant une seule base).

Étapes :

1. Reconnaissance de la base anormale par des ADN glycosylases.

2. L'ADN glycosylase excise la base endommagée, créant un site AP (apurinique/apyrimidinique).

3. Une AP endonucléase clive le squelette sucre-phosphate au niveau du site AP, suivi par l'élimination du désoxyribose-phosphate.

4. Une ADN polymérase (souvent ADN Pol I chez les procaryotes) remplit le trou avec le nucléotide correct.

5. Une ligase scelle le brin réparé.

Exemple : l'uracile ADN-glycosylase, qui élimine l'uracile de l'ADN.

B) NER - Excision de Nucléotides (Nucleotide Excision Repair)

Cible les lésions "volumineuses" ou les distorsions de l'hélice (ex: dimères d'UV, adduits chimiques).

Étapes :

1. Détection de la distorsion de l'ADN.

2. Excision d'un fragment de plusieurs nucléotides (environ 12-13 nt chez les procaryotes) autour de la lésion.

3. Une ADN polymérase (ADN Pol I) synthétise une nouvelle portion d'ADN pour combler la lacune.

4. Une ligase scelle les extrémités.

Piège BER vs NER : Le BER retire une seule base (site AP), tandis que le NER excise un fragment (plusieurs nucléotides).

C) Correction des Mésappariements (Mismatch Repair - MMR)

1. "Proofreading" (pendant la réplication) :

   • Correction immédiate par l'activité exonucléase 3' → 5' de l'ADN polymérase réplicative (ADN Pol III).

   • Permet de retirer les nucléotides mal appariés juste après leur insertion, augmentant significativement la fidélité de la réplication.

2. MMR guidée par la méthylation (chez les procaryotes) :

   Ce système permet de distinguer le brin parental du brin néosynthétisé.

   • Brin ancien (matrice) : est méthylé spécifiquement sur certaines adénines (sites GATC).

   • Brin néosynthétisé : n'est pas encore méthylé juste après la réplication.

   Étapes :

   1. Détection d'un mésappariement (base mal appariée).

   2. Repérage d'un site GATC (méthylé sur le brin ancien) à proximité.

   3. Un complexe de protéines (notamment MutS, MutL, MutH) identifie le brin non méthylé (le nouveau brin) comme celui à corriger.

   4. Coupure et excision d'un segment de l'ADN contenant l'erreur sur ce brin néosynthétisé.

   5. L'ADN Pol III (ou Pol I) resynthétise la portion excisée, et une ligase scelle les extrémités.

Piège Majeur : Le système MMR corrige le brin néosynthétisé (non méthylé), et non le brin matrice.

III) Tolérance de la Zone Endommagée

A) Réparation par Recombinaison Homologue (impliquant RecA)

• Lorsqu'une lésion bloque la progression de l'ADN polymérase durant la réplication, une lacune peut être laissée en face de la lésion sur le brin nouveau.

• La protéine RecA intervient pour utiliser le brin homologue intact du chromosome frère (après réplication) comme modèle pour combler cette lacune.

• Une fois la lacune comblée, la lésion elle-même peut être excisée par un autre mécanisme, suivie du remplissage et de la ligation.

B) Système SOS

• C'est un système de réparation d'urgence, activé lorsque les dommages à l'ADN sont trop nombreux et que les autres systèmes sont saturés.

• Normalement, Le répresseur LexA réprime l'expression des gènes du système SOS.

• En présence de dommages importants à l'ADN, la protéine RecA (activée par l'ADN simple brin) induit la protéolyse de LexA.

• La destruction/inactivation de LexA permet l'expression de nombreux gènes SOS (ex: polymérases de trans-lésion), qui gèrent les dommages.

Piège : Le système SOS est un mécanisme de dernier recours ("tolérance"). Il a tendance à être plus mutagène car il permet la réplication même sur une matrice endommagée, souvent avec un risque accru d'erreurs, mais assure la survie de la cellule.

Pièges Fréquents (Chapitre Systèmes de Réparation)

• Confondre les mécanismes de réparation directe (restauration) et de réparation par excision (BER/NER).

• Confondre les cibles et mécanismes spécifiques du BER et du NER.

• Oublier le rôle crucial de la méthylation des sites GATC pour distinguer les brins parental et nouveau dans la réparation MMR.

• Oublier la cascade d'activation RecA → LexA → SOS en cas de dommages massifs à l'ADN.

• Utiliser le terme "mutation" alors qu'il s'agit d'une lésion (réparable et non encore fixée).

Éléments Extrachromosomiques (Plasmides)

Les plasmides sont des molécules d'ADN extrachromosomiques importantes, surtout chez les procaryotes, qui confèrent souvent des avantages adaptatifs à leurs hôtes.

1. Les Plasmides

Définition : Molécules d'ADN bicaténaire, majoritairement circulaires et fermées, souvent surenroulées, qui existent indépendamment du chromosome bactérien.

Caractéristiques :

• Ce sont des structures facultatives : leur présence n'est pas essentielle à la survie de la bactérie dans toutes conditions.

• Généralement extrachromosomiques.

• Possèdent une réplication autonome, indépendante de celle du chromosome.

• Sont transmis de manière stable à la descendance lors de la division cellulaire.

• Codent des fonctions qui confèrent un avantage adaptatif à la bactérie hôte (ex: résistance aux antibiotiques, fonctions métaboliques).

1.1 Fonctions des Plasmides

Bien que non indispensables, les fonctions codées par les plasmides sont souvent très utiles :

• Fertilité et mobilisation d'autres éléments génétiques (plasmides F, pili sexuels).

• Résistance aux antibiotiques (plasmides R).

• Résistance aux métaux lourds (également des plasmides R).

• Fourniture de capacités cataboliques / métaboliques supplémentaires.

• Augmentation de la virulence (production de toxines, adhésines - plasmides Vi).

Les Plasmides de Fertilité (F)

• Portent les gènes nécessaires à la conjugaison, transformant la cellule hôte en cellule donneuse (F+).

• Les gènes de transfert sont regroupés dans l'opéron tra :

  • Gènes des pili sexuels : traA, traL, traE, traK, traB, traV, traC, traW, traU, traF, traQ, traH, traG.

  • Gènes d'exclusion de surface : traS, traT.

  • Gènes de synthèse et transfert d'ADN (gènes mob) : traM, traY, traD, traI, traZ.

  • Gènes de régulation : finP, finO, traJ.

• Schéma général d'un plasmide F : présence d'une région tra, de l'oriT (origine de transfert) et de l'oriV (origine de réplication végétative), ainsi que d'éléments d'insertion (IS - ex: IS2/IS3) et de transposons (Tn - ex: Tn1000).

Les Plasmides de Résistance (R)

• Contiennent des gènes conférant une résistance à un ou plusieurs antibiotiques ou autres antibactériens (ex: plasmide R100).

Les Plasmides de Virulence (Vi)

• Contiennent des gènes qui confèrent à la bactérie hôte une pathogénicité ou une virulence accrue (ex: gènes codant des toxines, des facteurs d'adhésion).

• Exemple : le plasmide Ti d'Agrobacterium tumefaciens, inducteur de tumeurs chez les plantes.

Les Plasmides Cataboliques (Métaboliques)

• Portent des gènes codant des enzymes impliquées dans la dégradation de composés rares ou spécifiques (ex: composés aromatiques, glucides complexes, hydrocarbures, acides aminés).

Structure Génomique d'un Plasmide

1. Réplicon de base (2–3 kb) : La partie minimale d'un plasmide nécessaire à sa réplication autonome.

   • Origine de réplication (oriV ou oriC) : Site où la réplication est initiée.

   • Gènes rep : Codent des protéines régulant la réplication.

   • Gènes cop : Régulent le nombre de copies du plasmide par chromosome (contrôle du nombre).

     • Faible nombre de copies : ex. plasmide F (1 copie).

     • Moyen nombre de copies : 10–20 copies.

     • Haut nombre de copies : 30–100 copies (ex. pUC18, utilisé en clonage).

   • Gènes inc : Déterminent l'incompatibilité entre plasmides.

     • Une bactérie peut héberger plusieurs plasmides s'ils sont compatibles (c'est-à-dire qu'ils utilisent des mécanismes de régulation de réplication différents).

     • Si deux plasmides partagent le même mécanisme de régulation de réplication, ils s'inhibent mutuellement (inhibition en trans) et sont dits incompatibles : ils ne peuvent pas coexister de manière stable dans la même cellule.

2. Gènes de maintenance : Assurent la stabilité et le maintien du plasmide dans la population.

   • par (partition) : Gènes assurant une distribution équitable des copies plasmidiques aux cellules filles lors de la division.

   • Résolution des multimères : Des enzymes (résolvases) contrecarent la recombinaison homologue entre les copies de plasmides qui pourrait générer des multimères (plusieurs plasmides liés entre eux).

   • Systèmes poison–antidote (PA) : Mécanismes de "mort post-ségrégationnelle" qui tuent les cellules filles n'ayant pas hérité d'au moins une copie du plasmide, assurant ainsi sa présence obligatoire.

3. Gènes de transfert (tra) : Impliqués dans la conjugaison (plasmides conjugatifs).

4. Gènes codants : Les gènes qui confèrent les avantages adaptatifs (résistance, virulence, fonctions métaboliques), à l'exception des plasmides cryptiques qui ne codent aucune fonction connue.

Plasmides et Épisomes

• Certains plasmides ont la capacité de s'intégrer de manière réversible dans le chromosome bactérien par recombinaison. On les appelle alors des épisomes.

Types de Plasmides

• Plasmides Conjugatifs (autotransférables) :

  • Possèdent tous les gènes nécessaires à leur transfert d'une bactérie à une autre par conjugaison (ex: plasmide F).

  • Très répandus chez les bactéries et archées.

  • Une bactérie peut en héberger entre 0 et une dizaine.

  • Confèrent des fonctions diverses.

• Plasmides Mobilisables :

  • Ne possèdent pas un système complet de conjugaison (leur manquent certains gènes tra).

  • Peuvent être transférés s'ils sont co-hébergés avec un plasmide conjugatif (qualifié de "helper") qui fournit la machinerie de transfert manquante.

• Plasmides Non Transférables :

  • Ne peuvent être ni transférés par conjugaison, ni mobilisés par un plasmide conjugatif.

La Réplication des Plasmides

Deux stratégies principales de réplication existent pour les plasmides :

A) Réplication de Type θ (Thêta)

• Similaire à la réplication du chromosome circulaire bactérien.

• Implique une séparation des deux brins formant une fourche de réplication.

• Synthèse d'une amorce ARN pour l'initiation.

• Initiation souvent régulée par une protéine (rep).

• Synthèse continue sur le brin précoce et discontinue sur le brin tardif.

B) Réplication par Cercle Roulant (Rolling-Circle)

• Utilisée pour la réplication végétative de certains plasmides et lors du transfert par conjugaison.

• Mécanisme unidirectionnel.

• Une protéine d'initiation appelée nucléase crée une coupure simple brin spécifique sur le plasmide.

• La protéine rep se fixe à l'extrémité 3'-OH libre et initie la synthèse d'un nouveau brin, qui "déroule" l'ancien brin circulaire.

Transfert de Gènes chez les Procaryotes

Les bactéries transfèrent du matériel génétique non seulement verticalement (de parent à descendance) mais aussi horizontalement (entre cellules non ascendantes), jouant un rôle majeur dans l'adaptation et l'évolution bactérienne.

Modes de Transfert de Gènes

1. Transfert Vertical : Transmission de gènes de la cellule mère aux cellules filles lors de la croissance bactérienne et de la division.

2. Transfert Horizontal (entre cellules) : Se produit entre cellules indépendamment de la filiation directe et peut avoir lieu entre espèces différentes. Il existe trois principaux mécanismes :

   1. Conjugaison : Transfert direct d'ADN via un contact physique.

   2. Mobilisation : Transfert d'plasmides non conjugatifs de manière indirecte.

   3. Transduction : Transfert d'ADN via un bactériophage.

   4. Transformation : Transfert d'ADN nu (libre) directement dans une cellule.

1. Le Transfert de Gènes par Conjugaison

Caractéristiques :

• Nécessite un contact physique direct entre deux cellules bactériennes.

• Implique une "différence sexuelle" : une cellule donneuse (possédant le facteur de fertilité) et une cellule receveuse (ne le possédant pas).

• Peut avoir lieu entre bactéries de la même espèce ou d'espèces différentes.

• Le transfert concerne généralement une copie d'ADN plasmidique (plasmide F, R, etc.).

Schéma F+ / F− :

• Une cellule F+ (donneuse, possédant le plasmide F) entre en contact avec une cellule F− (receveuse, sans plasmide F) grâce aux pili sexuels.

• Un pont cytoplasmique (ou pore de conjugaison) se forme entre les deux cellules.

• Une des deux brins du plasmide F est clivée au niveau de l'oriT (origine de transfert) et est transféré vers la cellule receveuse par un mécanisme de cercle roulant.

• Une copie du plasmide F est synthétisée dans la cellule receveuse à partir du brin transféré, tandis qu'une copie est resynthétisée dans la cellule donneuse.

• La cellule donneuse reste F+.

• La cellule receveuse acquiert une copie du plasmide F et devient elle-même F+.

• Très peu de recombinants chromosomiques sont observés dans ce type de conjugaison.

Hfr (Haute Fréquence de Recombinaison) :

• Les souches Hfr dérivent des souches F+ : le facteur F s'est intégré au chromosome bactérien. Il perd donc son autonomie et devient un épisome.

• Les souches Hfr sont caractérisées par une fréquence de transfert des gènes chromosomiques environ 1000 fois plus élevée que la normale.

• L'intégration du facteur F est facilitée par la présence d'éléments d'insertion (IS) et de transposons (Tn) sur le chromosome et le plasmide F, capables de recombinaison homologue.

• Le facteur F peut s'intégrer à plusieurs endroits sur le chromosome, donnant lieu à différents types de souches Hfr.

Schéma Hfr × F− :

• Lors de la conjugaison Hfr × F−, un transfert linéaire d'un brin d'ADN commence à partir de l'oriT du facteur F intégré.

• L'ADN monocaténaire transféré est répliqué dans la cellule receveuse par un mécanisme de cercle roulant.

• Les gènes bactériens transférés (chromosomiques) peuvent être incorporés dans le chromosome de la bactérie receveuse par crossing-over (recombinaison homologue).

• Le transfert du chromosome entier prend environ 120 minutes, mais les interruptions sont fréquentes.

• Résultat : une fréquence élevée (1000× plus) de recombinants chromosomiques, mais la cellule receveuse F− devient rarement F+ (car le transfert du F intégré se situe souvent en fin de réplication et est rarement complet).

F' (F prime) :

• Il s'agit d'une excision occasionnelle du plasmide F intégré du chromosome Hfr.

• Lors de cette excision, des gènes chromosomiques adjacents peuvent être emportés avec le plasmide F et s'incorporer à celui-ci, formant un plasmide F'.

• La cellule possédant ce nouveau plasmide est alors appelée une cellule F'.

Vocabulaire (Gel d'agarose ou d'autres techniques) :

• "Transconjuguant" : Désigne une cellule bactérienne receveuse qui a acquis un plasmide par conjugaisons.

• "Souche curée" : Décrit une souche bactérienne qui a perdu son plasmide (ex: après un traitement éliminant le plasmide).

2. Le Transfert de Gènes par Transduction

Définition : Introduction d'ADN bactérien exogène (provenant d'une cellule donneuse) dans une bactérie receveuse via un bactériophage (phage).

Phages :

• Phages virulents : Suivent un cycle lytique, entraînant la lyse de la cellule hôte et la libération de nouveaux virions.

• Phages tempérés : Peuvent suivre soit un cycle lytique, soit un cycle lysogénique, où leur ADN s'intègre au chromosome bactérien (il devient un prophage) ; la bactérie est alors dite lysogène.

• Le passage d'un cycle tempéré à un cycle virulent (lyse) peut être spontané ou induit (par ex: irradiation UV).

A) Transduction Généralisée

• Réalisée par des phages virulents (ou des phages tempérés en cycle lytique).

• Au cours du cycle lytique, lors de l'encapsidation de l'ADN phagique, il peut arriver (par erreur et aléatoirement, ~1 à 2,5% des cas) que des fragments d'ADN bactérien soient encapsidés à la place ou en même temps que l'ADN phagique.

• Cela forme un phage composite ou une particule transductrice (qui contient de l'ADN bactérien).

• Ce phage composite infecte alors une nouvelle bactérie et lui transmet le fragment d'ADN de la bactérie lysée (la "cellule transduite").

• Exemples : phage P1 (chez E. coli) ; phage P22 (chez Salmonella enterica).

• La fréquence de transfert est généralement faible.

• Si l'ADN transféré s'intègre par recombinaison homologue, les marqueurs sont exprimés de manière stable (transduction complète).

B) Transduction Spécialisée (Localisée)

• Se produit avec des phages tempérés dont l'ADN s'intègre à un site chromosomique spécifique (toujours le même endroit).

• Lors du passage du cycle lysogénique au cycle lytique, le prophage doit s'exciser du chromosome.

  • Si l'excision est normale (par une excisionase), le phage est complet.

  • Si l'excision est anormale, une partie de l'ADN phagique peut rester dans le chromosome, tandis que des gènes bactériens adjacents au site d'intégration sont excisés et encapsidés avec une partie de l'ADN phagique.

• Par conséquent, la transduction spécialisée ne concerne que les gènes bactériens se trouvant à proximité immédiate du site d'insertion du prophage : ce sont toujours les mêmes gènes, ou un petit ensemble de gènes, qui sont transférés.

4. Transformation

Définition : Le processus par lequel une bactérie receveuse incorpore de l'ADN nu (libre) présent dans son environnement et l'intègre dans son propre génome. La bactérie doit être "compétente" pour ce processus.

Les Transposons (Éléments Transposables)

Les transposons, ou "gènes sauteurs", sont des séquences d'ADN capables de se déplacer au sein d'un génome, un processus appelé transposition. Ils jouent un rôle important dans l'évolution génomique et la propagation de gènes, notamment de résistance.

1) Définition

• Les transposons sont des éléments génétiques mobiles, des fragments d'ADN qui ont la capacité de se déplacer d'une position à une autre :

  • Soit sur la même molécule d'ADN (chromosome ou plasmide).

  • Soit d'une molécule d'ADN à une autre (par exemple, d'un plasmide à un chromosome, ou d'un plasmide à un autre plasmide).

• La transposition (parfois appelée "recombinaison" dans certains contextes) nécessite des enzymes spécifiques pour leur mouvement, comme l'intégrase ou la transposase, qui sont généralement codées par l'élément transposable lui-même.

2) Classification (Structure et Mode de Transposition)

Séquences d'Insertion (IS)

Ce sont les éléments transposables les plus simples.

Caractéristiques :

• Petits éléments transposables : Leur taille varie généralement de 750 à 2500 paires de bases (pb).

• Organisation compacte : Leur génome est presque exclusivement dédié à la mobilité, codant principalement :

  • La transposase (TnpA), l'enzyme clé pour la transposition.

• Extrémités Inversées Répétées (IR) : Elles sont flanquées de courtes séquences répétées en inversion (10 à 40 pb), essentielles pour l'activité de la transposase et reconnues comme les sites d'intégration.

Mode de Transposition :

• Le mode n'est pas unique :

  • Certaines IS sont non réplicatives (mode "couper-coller") (ex: IS10).

  • D'autres sont réplicatives (mode "copier-coller") (ex: IS6).

  • Certaines peuvent avoir des modes mixtes (ex: IS1).

• La fréquence de transposition est généralement faible et étroitement régulée, soit par l'élément lui-même, soit par des facteurs de la cellule hôte.

Piège : Ne pas confondre les tailles : les IS mesurent 750–2500 pb, tandis que leurs IR mesurent 10–40 pb.

Les Transposons

Plus complexes que les IS, ils contiennent des gènes additionnels.

1) Transposons Unitaires (ou "composites de classe I")

Ils sont caractérisés par une structure plus complexe.

Enzymes Indispensables :

• Transposase : Essentielle pour le mouvement.

• Résolvase (TnpR) : Intervient pour terminer la réaction de transposition réplicative, en catalysant une recombinaison sur un site spécifique appelé site res, porté par le transposon.

Sous-groupes :

• On les classe souvent selon l'orientation du cadre de lecture de TnpR par rapport à celui de TnpA (transposase).

Contenu Génétique :

• En plus des protéines nécessaires à leur dissémination, ces transposons codent souvent des gènes de résistance (ex : aux antibiotiques ou métaux lourds).

Mode de Transposition :

• Exclusivement réplicatif (mode "copier-coller").

• La transposition réplicative conduit invariablement à la duplication d'une séquence de 5 pb (signature de la transposition) au site cible initial.

Pièges :

• Un transposon unitaire n'est pas une IS ; il possède une résolvase et un site res en plus.

• Rappelez-vous la signature des 5 pb dupliquées.

2) Transposons Composites (Classe II)

• Ils sont constitués d'une séquence d'ADN centrale (qui porte souvent des gènes de résistance) flanquée par deux séquences d'insertion (IS) qui se comportent comme les extrémités de l'ensemble.

• Ces deux IS "collaborent" pour mobiliser l'intégralité de la séquence comprise entre elles.

• L'orientation des deux IS peut être directe ou inverse.

Exemples à savoir :

• Tn5 (encadré par des IS50) : Confère une résistance à l'ampicilline.

• Tn9 (encadré par des IS1) : Confère une résistance au chloramphénicol.

• Tn10 (encadré par des IS10) : Confère une résistance aux tétracyclines.

Piège : Un transposon composite est une structure IS + ADN entre les IS + IS.

3) Transposons Conjugatifs

• Famille d'éléments transposables qui peuvent se transférer d'une bactérie à une autre par conjugaison.

• Ce sont de très grands éléments :

  • Le plus petit, Tn916, fait 18,4 kilopaires de bases (kpb).

  • Certains peuvent atteindre 100 kpb.

• Leurs extrémités sont constituées de séquences inversées répétées de 20 à 30 pb.

• Entre ces bornes, ils contiennent des gènes impliqués dans :

  • La coupure et l'échange de brins d'ADN (mécanismes de transposition).

  • La conjugaison (certains gènes tra).

  • Des marqueurs de résistance (aux antibiotiques, etc.).

C) Deux Types de Transposition

1. Transposition Conservatrice ("couper-coller") :

   • L'élément transposable est excisé de son site donneur et inséré à un nouveau site accepteur.

   • Le nombre de copies de l'élément dans le génome ne change pas.

2. Transposition Réplicative ("copier-coller") :

   • L'élément transposable est copié, la copie est insérée à un nouveau site, tandis que l'original reste au site donneur.

   • Cela entraîne une augmentation du nombre de copies de l'élément dans le génome.

Piège :

• Conservatrice = déplacement de l'élément.

• Réplicative = copie et conservation à l'ancien site, plus une nouvelle copie au nouveau site.

Les Intégrons

Les intégrons sont des systèmes génétiques bactériens capables de capturer, d'exprimer et de réarranger des gènes, souvent sous forme de "cassettes". Ils sont particulièrement importants dans la propagation de la résistance aux antibiotiques.

1) Définition et Localisation

• Les intégrons sont des éléments génétiques spécialisés dans l'acquisition et la perte de gènes (appelées cassettes géniques), qui sont souvent des gènes de résistance.

• Ces gènes cassettes sont intégrés ou excisés via une recombinaison spécifique de site, catalysée par une enzyme dédiée, l'intégrase.

• On les retrouve principalement chez les bactéries Gram négatif (ex: entérobactéries, Pseudomonas, Acinetobacter, Vibrio, Campylobacter).

Piège : Contrairement aux transposons, les cassettes géniques des intégrons ne contiennent pas le gène qui code l'enzyme de leur mouvement (l'intégrase) ; l'intégrase est codée par l'intégron lui-même, et non par la cassette individuelle.

2) Organisation Générale

Un intégron est caractérisé par deux régions essentielles :

• Une région 5' conservée (5'-CS).

• Une région 3' conservée (3'-CS).

• Entre ces deux régions, des cassettes géniques (une ou plusieurs) peuvent être insérées.

• Seule la région 5' conservée contient le gène intI, qui code une intégrase (par exemple, IntI1). Cette intégrase est apparentée aux recombinases spécifiques de site, notamment les intégrases de bactériophages.

3) Classes d'Intégrons

Les intégrons sont classés en différentes catégories en fonction de la séquence de leur gène intI.

• Classe 1 :

  • Souvent associés aux transposons de la famille Tn21.

  • Le gène intI1 code l'intégrase IntI1 (337 acides aminés).

  • Confèrent des résistances à diverses substances (ex: β-lactamines, chloramphénicol).

• Classe 2 :

  • Souvent trouvés sur le transposon Tn7 et ses dérivés.

  • Le gène intI2 code l'intégrase IntI2 (qui partage 46% d'homologie avec IntI1, mais est plus petite de 12 acides aminés).

  • Confèrent des résistances (ex: aminosides, streptothricine, triméthoprime).

• Classe 3 :

  • Le gène intI3 code l'intégrase IntI3 (qui a 61% d'identité avec IntI1).

  • Confèrent des résistances (ex: β-lactamines, aminosides).

Piège : Il est utile de savoir associer : classe 1 ↔ Tn21 ; classe 2 ↔ Tn7.

4) Les Cassettes : Structure Commune

• Une cassette génique est une unité d'ADN qui contient :

  • Un ou plusieurs gènes (souvent des gènes de résistance).

  • À son extrémité 3', une séquence palindromique appelée site attC.

• Le site attC est le site spécifique reconnu par l'intégrase et est crucial pour l'intégration et l'excision de la cassette.

• Ces sites sont souvent appelés "éléments 59-pb" car les premiers attC décrits avaient une taille de 59 paires de bases.

• La structure de l'attC présente des séquences relativement conservées, inversées et répétées, capables de former une structure secondaire cruciforme. La conservation est particulièrement forte sur les 20 premières et 20 dernières bases, la région centrale étant plus variable.

• Plus de 60 cassettes de résistance (aux antibiotiques, antiseptiques) ont été décrites.

5) Mouvement des Cassettes

• Le mouvement des cassettes (intégration et excision) se fait par recombinaison spécifique de site, catalysé par l'intégrase IntI.

• Lorsque les cassettes sont intégrées, elles sont sous forme linéaire au sein de l'intégron.

• Lorsqu'elles sont excisées, elles peuvent exister sous forme circulaire et libre.

• L'intégrase IntI1 peut catalyser à la fois l'intégration et l'excision des cassettes.

• Ce mouvement ne dépend pas de la protéine de recombinaison homologue RecA.

Sites Impliqués :

• Le site attC : À l'extrémité 3' de chaque cassette.

• Le site attI : Situé à la jonction entre la région 5' conservée de l'intégron et la première cassette (c'est le site d'intégration des cassettes dans l'intégron).

Combinaisons et Préférences de Recombinaison :

• La recombinaison peut avoir lieu entre un attC et un autre attC, ou entre un attC et le site attI.

• Pour l'intégration : l'intégrase a une préférence pour la recombinaison entre le site attI (de l'intégron) et l'attC (de la cassette libre).

• Pour l'excision : l'intégrase préfère la recombinaison entre deux sites attC (situés sur des cassettes déjà intégrées).

Piège : L'intégration et l'excision n'ont pas la même préférence de sites de recombinaison.

ADN : Structure et Organisation chez les Procaryotes

L'ADN est la molécule universelle support de l'information génétique. Chez les procaryotes, il est situé dans le cytoplasme, au sein d'une région appelée nucléoïde.

Définitions Indispensables

• ADN : Molécule support universel de l'information génétique (chez les procaryotes : dans le cytoplasme, région nucléoïde).

• Nucléotide : Unité de base de l'ADN, composée d'un phosphate, d'un désoxyribose (pentose) et d'une base azotée.

• Chromosome : ADN compacté associé à des protéines.

• Gène : Portion d'ADN (à un locus précis) portant une information qui conduit souvent à la synthèse d'une protéine, déterminant ainsi un caractère.

• Allèle : Version différente d'un même gène, source de diversité génétique.

Composition du Nucléotide

• Phosphate (H₃PO₄) : Forme les liaisons phosphodiester entre les nucléotides, constituant la chaîne.

• Sucre : Désoxyribose (pentose dont les carbones sont numérotés 1' à 5').

• Bases Azotées :

  • Pyrimidiques : Cytosine (C), Thymine (T).

  • Puriques : Adénine (A), Guanine (G).

  Ces quatre bases constituent l'alphabet chimique de l'ADN.

Organisation de la Double Hélice

• Squelette : Alternance sucre–phosphate (situé à l'extérieur de l'hélice).

• Bases : Orientées vers l'intérieur de l'hélice, accessibles via les grands et petits sillons.

• Appariement : Réalisé par des liaisons hydrogène (liaisons H) spécifiques :

  • A–T (2 liaisons H).

  • C–G (3 liaisons H).

• Complémentarité et Antiparallélisme : Les deux brins sont complémentaires (A en face de T, C en face de G) et orientés en sens inverse (un brin 5'→3' et l'autre 3'→5').

Paramètres et Forme de l'Hélice (Forme B)

La forme B est la plus fréquente in vivo.

• Nombre de paires de bases/tour : 10 paires de bases.

• Pas de l'hélice : .

• Diamètre de l'hélice : .

• Sillons : Deux sillons, un grand () et un petit ().

Conformations de l'ADN

• ADN B : Forme la plus fréquente et biologiquement active in vivo.

• ADN A : Observable dans des conditions de faible humidité ou lorsque l'ADN est associé à des protéines. Plus "resserrée", avec un diamètre plus grand et environ 11 paires de bases par tour.

• ADN Z : Hélice lévogyre (gauche), rare, favorisée par une alternance de purines et pyrimidines, plus étirée avec environ 12 paires de bases par tour.

Taille du Génome

La taille du génome peut être exprimée en longueur, en masse moléculaire (Dalton) ou en nombre de paires de bases (pb).

• Virus phage : (kilobases).

• E. coli : (soit ).

• Homme : (l'ADN total déroulé mesure environ ).

Effets de la Température (Dénaturation)

• Les deux brins de l'ADN sont maintenus ensemble par les liaisons H.

• Une augmentation de la température (ou des conditions salines/autres conditions in vitro) provoque la séparation des brins, appelée dénaturation.

• L'absorbance à 260 nm de l'ADN simple brin est plus élevée que celle de l'ADN double brin, phénomène connu sous le nom d'effet hyperchrome.

• La température de fusion (Tm) de l'ADN augmente avec le pourcentage de paires G-C, car les paires G-C sont plus stables (3 liaisons H contre 2 pour A-T).

Réplication de l'ADN chez les Procaryotes

La réplication de l'ADN est un processus fondamental qui assure la duplication précise du matériel génétique avant la division cellulaire.

Définition et Idées Clés

• Réplication semi-conservative : Chaque molécule d'ADN fille est constituée d'un brin parental (matrice) et d'un brin néosynthétisé.

• Sens de synthèse : Le brin matrice est lu dans le sens , et le brin néosynthétisé l'est toujours dans le sens (par addition de nucléotides à l'extrémité ).

• Nécessité de séparation : La réplication nécessite la séparation des deux brins parentaux par rupture des liaisons H.

• Réplication bidirectionnelle : Chez les bactéries, elle démarre à partir d'une origine unique et progresse dans les deux sens, formant une structure en "œil" ou en "thêta".

Spécificités Génétiques des Bactéries

• Haploïdes : Possèdent une seule copie de chaque gène, rendant les effets des mutations plus facilement observables.

• Temps de génération court : Permet des expérimentations rapides.

• Reproduction asexuée : Par division simple, produisant des clones.

• Origine de réplication unique : Contrairement aux eucaryotes qui en possèdent plusieurs.

• Génome : Constitué d'un chromosome circulaire indispensable et de plasmides, qui sont facultatifs, petits, multicopies et circulaires.

Éléments Nécessaires à la Réplication

La réplication requiert une matrice, des précurseurs énergétiques et une panoplie d'enzymes et de protéines.

• ADN parental : Sert de matrice pour la synthèse du nouveau brin.

• dNTP (dATP, dCTP, dGTP, dTTP) : Désoxyribonucléotides triphosphates. Ce sont les précurseurs qui sont incorporés sous forme de monophosphates.

• Énergie : Libérée par l'hydrolyse du pyrophosphate (PPi) lors de l'ajout d'un nucléotide.

• Ions Mg²⁺ : Stabilisent les dNTP et sont indispensables à l'activité de l'ADN polymérase.

• Enzymes/Protéines :

  • DnaA : Protéine qui reconnaît et se fixe à l'origine de réplication (oriC chez E. coli, riche en A/T, ).

  • Hélicase : Ouvre la double hélice en rompant les liaisons H.

  • ADN gyrase (Topoisomérase) : Réduit les tensions torsionnelles (surenroulements) causées par le déroulement de l'hélice.

  • SSB (Single-Strand Binding proteins) : Stabilisent l'ADN simple brin et empêchent son réappariement.

  • Primase : ARN polymérase qui synthétise de courtes amorces d'ARN nécessaires au démarrage de la réplication de l'ADN.

  • ADN Pol III : Principale enzyme d'élongation, ajoute des nucléotides sur l'extrémité à une vitesse d'environ .

  • ADN Pol I : Possède une activité exonucléase qui permet d'enlever les amorces d'ARN et de les remplacer par de l'ADN, ainsi qu'une activité polymérase .

  • Ligase : Soude les fragments d'ADN (fragments d'Okazaki) en catalysant la formation de liaisons phosphodiester.

Mécanisme de Réplication

I. Initiation

1. DnaA se fixe à oriC, provoquant une ouverture locale de la double hélice.

2. L'hélicase et l'ADN gyrase poursuivent le déroulement et l'ouverture, formant des fourches de réplication bidirectionnelles ("œil").

3. Les protéines SSB maintiennent les brins séparés, empêchant leur réappariement.

II. Élongation ( uniquement)

1. La primase synthétise de courtes amorces d'ARN :

   • Une seule amorce sur le brin précoce (ou continu, leading strand).

   • Plusieurs amorces sur le brin tardif (ou discontinu, lagging strand).

2. L'ADN Pol III allonge les brins :

   • Sur le brin précoce, la synthèse est continue et se dirige vers la fourche de réplication.

   • Sur le brin tardif, la synthèse est discontinue et se fait par petits fragments (appelés fragments d'Okazaki) qui s'éloignent de la fourche.

3. L'ADN Pol I retire les amorces d'ARN et les remplace par de l'ADN.

4. La ligase soude les fragments d'Okazaki entre eux, formant un brin continu.

III. Terminaison

• La réplication se termine lorsque les deux fourches de réplication se rencontrent et/ou est contrôlée par des protéines comme Tus se fixant sur des sites Ter.

Fidélité de la Réplication

La fidélité de la réplication est cruciale pour le maintien de l'intégrité du génome et repose sur plusieurs mécanismes :

• Sélection correcte des bases : L'ADN polymérase sélectionne le nucléotide correct grâce à la complémentarité des bases et à une conformation spécifique du site actif.

• Corrections/Proofreading : Les ADN polymérases réplicatives possèdent une activité exonucléase qui leur permet de corriger les erreurs immédiatement après l'incorporation d'un mauvais nucléotide.

• Systèmes de réparation : D'autres systèmes de réparation agissent après la réplication pour corriger les erreurs résiduelles.

Réplication et Division Cellulaire

• Chez les bactéries, la réplication commence à oriC et progresse jusqu'à Ter. Une fois le chromosome correctement dupliqué, la cellule peut achever sa division.

Pièges Fréquents

1. Sens de synthèse : L'ADN est toujours synthétisé (jamais ).

2. Matrice : Le brin parental (matrice) est lu .

3. Brin précoce vs tardif :

   • Brin précoce : synthèse continue, une seule amorce.

   • Brin tardif : synthèse discontinue, fragments d'Okazaki, plusieurs amorces.

4. Confusion des rôles :

   • Hélicase : Ouvre l'hélice (rompt les liaisons H).

   • Gyrase/Topoisomérase : Supprime les surenroulements.

   • SSB : Empêche le réappariement des brins séparés.

   • Ligase : Soude les fragments.

   • Pol III : Allonge l'ADN.

   • Pol I : Retire les amorces d'ARN et les remplace par de l'ADN.

5. dNTP : Entrent sous forme triphosphate mais sont intégrés sous forme monophosphate (avec libération de PPi pour l'énergie).

6. Tm : Augmente avec le pourcentage G-C (plus de liaisons H, donc plus stable).

7. Dénaturation : Il s'agit principalement de la rupture des liaisons H, et non des liaisons phosphodiester du squelette.

Mutations et Agents Mutagènes

Les mutations représentent des modifications de la séquence d'ADN qui peuvent avoir des conséquences importantes sur le phénotype d'un organisme.

Définition et Notions Clés

• Mutation : Toute modification de la séquence d'ADN. Elle peut entraîner un changement de phénotype.

• Mutation spontanée : Survient naturellement, souvent due à des erreurs de réplication non corrigées.

• Mutation induite : Provoquée par des agents mutagènes externes (chimiques ou physiques).

Différence Essentielle entre Lésion de l'ADN et Mutation
Une lésion de l'ADN est un dommage localisé (ex: dimère UV, base modifiée). Elle est réparable. Une mutation est un changement fixé et stable dans la séquence d'ADN, souvent après une réplication sur un ADN endommagé. Elle est héréditaire.

Caractéristiques des Mutations

• Spontanées ou induites : Selon leur origine.

• Rares : Fréquence de l'ordre de à par réplication.

• Spécifiques : Affectent un ou plusieurs caractères précis.

• Héréditaires : Si fixées, elles sont transmises aux cellules filles et à la descendance.

Types de Mutations

A) Substitutions (Mutation Ponctuelle)

Remplacement d'une base (ou paire de bases) par une autre.

• Transition : Remplacement d'une purine par une autre purine (A G) ou d'une pyrimidine par une autre pyrimidine (C T).

• Transversion : Remplacement d'une purine par une pyrimidine, ou vice versa (A/G C/T).

Piège : Ne jamais confondre transition et transversion.

B) Insertions / Délétions

• Micro-insertion (-insertion) : Ajout d'un petit nombre de nucléotides.

• Micro-délétion (-délétion) : Perte d'un petit nombre de nucléotides.

• Si le nombre de nucléotides ajouté ou supprimé n'est pas un multiple de 3, il en résulte un décalage du cadre de lecture (frameshift), ce qui altère gravement la protéine et la rend souvent non fonctionnelle.

C) Réarrangements Génétiques

Modifications plus importantes de la structure chromosomique.

• Échanges, déplacements, inversions de fragments d'ADN, pouvant entraîner des changements significatifs.

Expression des Mutations (Exemples chez les Bactéries)

Les mutations peuvent affecter divers phénotypes bactériens :

• Forme / Motilité : par exemple, modification ou perte des flagelles.

• Résistance aux antibiotiques : Capacité à survivre en présence d'antibiotiques.

• Auxotrophie : Incapacité à synthétiser un composé essentiel, nécessitant un apport externe.

• Mutations cataboliques : Affectent l'utilisation ou la dégradation de substrats spécifiques.

• Thermo-résistance / Thermotolérance : Capacité à croître à des températures élevées.

Mutation par Réversion

• Réversion vraie : Retour exact à la séquence d'ADN originale (type sauvage).

• Réversion équivalente (suppresseur) : Une seconde mutation compense la première, restaurant le phénotype sauvage sans pour autant restaurer la séquence originale de l'ADN.

Piège : Une "réversion" n'implique pas obligatoirement un retour exact à la séquence d'origine.

Agents Mutagènes

A) Mutagènes Chimiques

1. Analogues de bases

   • Ressemblent aux bases normales et sont incorporés lors de la réplication.

   • Provoquent des appariements anormaux, entraînant une mutation fixée.

   • Exemples : 5-bromouracile (analogue de la thymine), 2-aminopurine (analogue de l'adénine).

2. Agents alkylants / méthylants

   • Ajoutent un groupement (méthyle ou alkyle) sur les bases de l'ADN.

   • Entraînent des mésappariements.

   • Exemple : nitrosoguanidine.

3. Agents intercalaires

   • S'intercalent entre les paires de bases de l'ADN.

   • Perturbent la réplication et la transcription, provoquant des insertions ou délétions (frameshift).

   • Exemples : bromure d'éthidium, acridine orange.

4. Acide nitreux (HNO₂) : Désamination

   • Transforme chimiquement certaines bases, conduisant à des transitions :

     • Adénine (A) hypoxanthine (s'apparie avec C).

     • Cytosine (C) uracile (s'apparie avec A).

     • Guanine (G) xanthine (appariement modifié).

5. Tautomérisation des bases

   • Les bases peuvent exister sous des formes rares (tautomères).

   • Ces tautomères s'apparient de manière anormale pendant la réplication, induisant des mutations après plusieurs cycles.

B) Mutagènes Physiques

1. Rayons Ultraviolets (UV)

   • Provoquent la formation de dimères de pyrimidines (ex : T-T ou T-C). Il s'agit de liaisons covalentes entre deux pyrimidines adjacentes sur le même brin.

   • Conséquence : blocage de la réplication ou de la transcription, ou erreurs lors de ces processus.

2. Radiations ionisantes (rayons X, , cosmiques)

   • Très énergétiques, elles provoquent l'ionisation des molécules et des lésions graves de l'ADN (bases instables, cassures simple ou double brin).

   • Leur pouvoir mutagène est généralement supérieur à celui des radiations non ionisantes.

Effets des Mutations sur les Protéines

Les mutations dans la séquence codante de l'ADN peuvent avoir des répercussions diverses sur la protéine synthétisée.

• Silencieuse : Le changement d'un nucléotide modifie le codon, mais le nouvel codon code le même acide aminé. Le phénotype n'est pas altéré.

• Faux-sens (missense) : Le changement de nucléotide entraîne le remplacement d'un acide aminé par un autre. La protéine est modifiée, et sa fonction peut être altérée.

• Non-sens (nonsense) : La mutation crée un codon STOP prématuré. La protéine est tronquée et souvent inactive.

• Décalage du cadre de lecture (frameshift) : Provoqué par une insertion ou une délétion non multiple de trois nucléotides. Le cadre de lecture est décalé, entraînant une modification radicale de la séquence d'acides aminés en aval, produisant généralement une protéine non fonctionnelle.

Pièges Fréquents (Chapitre III)

• Confondre une lésion ( dommage ADN réparable) et une mutation fixée (changement permanent et héréditaire).

• Confondre transition (purine purine / pyrimidine pyrimidine) et transversion (purine pyrimidine).

• Oublier que les agents intercalaires provoquent des mutations par frameshift.

• Oublier que les UV induisent la formation de dimères de pyrimidines.

• Distinguer la réversion vraie de la réversion équivalente (suppresseur).

Systèmes de Réparation des Mutations (Lésions de l'ADN)

Les systèmes de réparation sont essentiels pour maintenir l'intégrité du génome face aux erreurs de réplication et aux agressions environnementales.

Pourquoi Réparer ?

• L'ADN est constamment altéré par des erreurs de réplication ou des agressions physiques/chimiques.

• Si non réparées, ces lésions peuvent être fixées en mutations lors de la réplication, devenant ainsi héréditaires.

Trois Grandes Stratégies de Réparation

1. Restauration (réparation directe) : La lésion est directement modifiée pour retrouver sa forme initiale.

2. Suppression (excision) : La zone endommagée est excisée et remplacée par un nouveau brin d'ADN sain.

3. Tolérance : Le système contourne la lésion, permettant la réplication même en sa présence, souvent en dernier recours et avec un risque mutagène accru.

I) Restauration Directe (Sans Enlever un Fragment)

1. Photo-réactivation (Photolyase)

   • Répare spécifiquement les dimères de pyrimidines causés par les UV.

   • Nécessite la lumière visible : la photolyase utilise l'énergie lumineuse pour briser les liaisons covalentes des dimères, restaurant l'ADN.

2. Réversion de dépurination

   • Une dépurination entraîne la perte d'une base et la formation d'un site AP (apurinique). Certaines enzymes peuvent restaurer la base manquante.

3. Réparation des ruptures simple brin

   • La ligase ressoude directement la cassure dans le brin.

4. Désalkylation (Alkyltransférases)

   • Des enzymes comme l'O⁶-méthylguanine méthyltransférase enlèvent directement les groupes alkyles ou méthyles ajoutés à des bases, restaurant leur forme originale.

Piège : La photoréactivation est dépendante de la lumière visible.

II) Suppression (Excision) de la Zone Endommagée

A) BER — Réparation par excision de base (Base Excision Repair)

Cible les bases anormales (lésions petites, affectant une seule base).

1. Une ADN glycosylase reconnaît et enlève la base anormalement modifiée, créant un site AP (apurinique ou apyrimidinique).

2. Une AP endonucléase puis une phosphodiestérase coupent le squelette sucre-phosphate au niveau du site AP.

3. Une ADN polymérase (Pol I chez les procaryotes) remplit l'espace avec le bon nucléotide.

4. Une ligase scelle la brèche.

Exemple : L'uracile ADN-glycosylase enlève l'uracile de l'ADN (suite à la désamination de la cytosine).

B) NER — Réparation par excision de nucléotides (Nucleotide Excision Repair)

Cible les lésions "volumineuses" ou les distorsions de la double hélice (ex : dimères de pyrimidines causés par les UV).

1. Un complexe enzymatique détecte la distorsion de l'hélice.

2. Un fragment de plusieurs nucléotides (environ 12-13 chez les procaryotes) entourant la lésion est excisé.

3. Une ADN polymérase (Pol I chez les procaryotes) remplit la brèche en synthétisant un nouveau fragment d'ADN.

4. Une ligase scelle le brin réparé.

Piège BER vs NER : Le BER enlève une seule base (site AP), tandis que le NER enlève un fragment de plusieurs nucléotides.

C) Correction des mésappariements (Mismatch Repair - MMR)

1. Proofreading (Pendant la réplication)

   • Correction immédiate par l'ADN polymérase (activité exonucléase des polymérases réplicatives).

   • Elle retire le nucléotide incorrectement incorporé et le remplace par le bon.

2. MMR guidée par la méthylation (chez les Procaryotes)

   Ce système permet de distinguer le brin parental du brin néosynthétisé.

   • Le brin ancien (matrice) est méthylé (principalement sur les adénines des séquences GATC).

   • Le brin néosynthétisé n'est pas encore méthylé.

   Étapes :

   1. Détection du mésappariement par un complexe de protéines Mut (MutS, MutL).

   2. MutH (endonucléase) est recrutée et coupe le brin non méthylé au niveau d'un site GATC en amont ou en aval du mésappariement.

   3. Une hélicase et une exonucléase retirent le segment d'ADN contenant l'erreur sur le brin non méthylé.

   4. L'ADN Pol III remplit la brèche, et la ligase scelle le nouveau brin.

Piège Majeur : Le système MMR corrige le brin néosynthétisé, et non le brin matrice.

III) Tolérance de la Zone Endommagée

A) Réparation par Recombinaison Homologue (Protéoine RecA)

• Lorsqu'une lésion bloque la réplication, l'ADN polymérase peut sauter la lésion, laissant une lacune sur le brin néosynthétisé.

• La protéine RecA intervient pour utiliser l'autre brin parental intact comme modèle, permettant le remplissage de cette lacune par recombinaison homologue.

• Par la suite, la lésion elle-même peut être excisée et l'ADN réparé par d'autres systèmes.

B) Système SOS

• C'est un mécanisme de dernier recours activé lorsque les dommages à l'ADN sont trop nombreux et généralisés.

• Normalement, la protéine LexA réprime l'expression des gènes du système SOS.

• En cas de dommages massifs, la protéine RecA est activée et promeut la destruction/inactivation de LexA.

• Cette inactivation lève la répression, entraînant l'expression d'un grand nombre de gènes SOS, dont certains codent des ADN polymérases à fidélité réduite.

Piège : Le système SOS est un mécanisme de tolérance et de survie, mais il est plus "mutagène" car il peut entraîner de nouvelles mutations en sacrifiant la fidélité de la réplication au profit de la survie de la cellule.

Pièges Fréquents

• Confondre réparation directe (sans excision) et réparation par excision (BER/NER).

• Confondre BER (réparation d'une seule base) et NER (réparation d'un fragment de nucléotides) .

• Oublier le rôle de la méthylation des sites GATC dans la discrimination des brins par le MMR.

• Oublier la cascade RecA inactivation de LexA activation du système SOS.

• Utiliser le terme "mutation" alors qu'il s'agit d'une lésion réparable (non fixée).

Éléments Extrachromosomiques (Plasmides)

Les plasmides sont des molécules d'ADN distinctes du chromosome principal, qui confèrent souvent des avantages adaptatifs aux bactéries.

1. Les Plasmides

Molécules d'ADN bicaténaires, généralement fermées, circulaires et souvent surenroulées. Elles coexistent avec le chromosome bactérien.

Caractéristiques

• Structures facultatives (non indispensables à la survie de la bactérie dans des conditions normales).

• Généralement extrachromosomiques.

• Possèdent une réplication autonome (indépendante de celle du chromosome).

• Sont transmis de manière stable à la descendance.

• Codent des fonctions qui confèrent un avantage adaptatif à la bactérie (ex: résistance aux antibiotiques).

1.1 Fonctions des Plasmides

Ces fonctions, bien que non indispensables, sont très utiles pour la survie et l'adaptation bactérienne.

• Fertilité et mobilisation d'autres éléments génétiques (ex: production de pili sexuels, facteur F).

• Résistance aux antibiotiques (ex: plasmides R).

• Résistance aux métaux lourds (action antibactérienne, ex: certains plasmides R).

• Capacités cataboliques / métaboliques supplémentaires (dégradation de composés rares).

• Virulence : Production de toxines, adhésines ou autres facteurs de pathogénicité (ex: plasmides Vi).

Les Plasmides de Fertilité (F)

• Portent les gènes nécessaires à la conjugaison (transfert d'ADN entre bactéries), faisant de la cellule hôte une donneuse.

• Les gènes de transfert (tra) sont regroupés dans un opéron tra et codent :

  • Des protéines pour la formation des pili sexuels (traA, traL, etc.)

  • Des protéines d'exclusion de surface (traS, traT) qui empêchent le transfert à une autre cellule F+.

  • Des protéines impliquées dans la synthèse et le transfert d'ADN (gènes mob : traM, traY, traD, traI, traZ).

  • Des régulateurs (finP, finO, traJ).

• Le plasmide F possède une région tra, une origine de transfert (oriT), une origine de réplication végétative (oriV), et des séquences d'insertion (IS) ou des transposons (Tn) qui permettent son intégration occasionnelle au chromosome.

Les Plasmides de Résistance (R)

• Contiennent des gènes qui confèrent une résistance aux antibiotiques ou à d'autres agents antibactériens (ex: plasmide R100).

Les Plasmides de Virulence (Vi)

• Portent des gènes augmentant la pathogénicité ou la virulence de la bactérie (ex: toxines, facteurs d'adhésion).

• Exemple : le plasmide Ti (Tumor inducing) chez Agrobacterium tumefaciens, qui induit des tumeurs végétales.

Les Plasmides Cataboliques (Métaboliques)

• Contiennent des gènes codant des enzymes de dégradation de composés variés (composés aromatiques, glucides, hydrocarbures, acides aminés).

Structure Génomique d'un Plasmide

1. Réplicon de base (2-3 kb)

   Contient les éléments essentiels à la réplication autonome du plasmide :

   • Origine de réplication (oriV) : Site où débute la réplication.

   • Gènes rep : Codent des protéines régulant l'initiation et la progression de la réplication.

   • Gènes cop : Régulent le nombre de copies du plasmide par chromosome bactérien (peut être faible, moyen ou élevé, ex: F=1, pUC18=30-100).

   • Gènes inc : Déterminent le groupe d'incompatibilité du plasmide. Des plasmides incompatibles ne peuvent pas coexister de manière stable dans la même cellule car ils partagent le même mécanisme de régulation de réplication.

2. Gènes de maintenance

   Assurent la stabilité du plasmide et sa bonne transmission aux cellules filles :

   • Gènes par (partition) : Participent à la distribution équitable des copies plasmidiques lors de la division cellulaire.

   • Résolution des multimères (résolvase) : Résout les multimères formés par recombinaison homologue entre plusieurs copies du même plasmide.

   • Système poison–antidote (PA) : Induit la mort des cellules filles qui n'ont pas hérité d'au moins une copie du plasmide, assurant ainsi la persistance du plasmide dans la population.

3. Gènes de transfert (tra)

   • Impliqués dans la conjugaison, ces gènes sont présents sur les plasmides conjugatifs et permettent leur transfert intercellulaire.

4. Gènes codants

   • En plus des éléments de réplication et de maintenance, les plasmides contiennent des gènes qui confèrent des fonctions spécifiques (résistance, virulence, etc.), à l'exception des plasmides cryptiques dont les fonctions sont inconnues.

Plasmides et Épisomes

• Certains plasmides ont la capacité de s'intégrer au chromosome bactérien par recombinaison. On les appelle alors des épisomes.

Types de Plasmides

• Conjugatifs (autotransférables) :

  • Contiennent tous les gènes nécessaires à leur propre transfert par conjugaison.

  • Très répandus chez les bactéries et archées.

  • Une bactérie peut en héberger entre 0 et une dizaine.

  • Confèrent des fonctions diverses.

• Mobilisables :

  • Ne possèdent pas un système de conjugaison complet.

  • Peuvent être transférés s'ils coexistent avec un plasmide conjugatif (dit "helper") qui fournit la machinerie de conjugaison en trans.

• Non transférables :

  • Ni transférables (ne possèdent pas la machinerie) ni mobilisables (ne sont pas reconnus par la machinerie d'autres plasmides).

La Réplication des Plasmides

Les plasmides peuvent se répliquer selon deux stratégies principales :

A) Réplication de type (Thêta)

• Mécanisme similaire à celui de la réplication du chromosome bactérien circulaire.

• Implique la séparation des deux brins, la formation d'une amorce ARN, puis une synthèse d'ADN continue sur un brin et discontinue (fragments d'Okazaki) sur l'autre.

• L'initiation est contrôlée par une protéine Rep plasmidique.

B) Réplication par Cercle Roulant (Rolling-Circle)

• Utilisée pour la réplication végétative de certains plasmides et lors du transfert par conjugaison.

• Mécanisme unidirectionnel.

• Une protéine d'initiation (nucléase) catalyse une coupure simple brin à l'origine de réplication (oriT pour le transfert, ou oriV pour la réplication végétative).

• Cette protéine se fixe à l'extrémité libre et sert d'amorce pour une ADN polymérase, qui commence l'élongation. Le brin parental "déroule" et sert de matrice.

Transfert de Gènes chez les Procaryotes

Le transfert de gènes est un processus crucial pour l'évolution et l'adaptation bactérienne, permettant l'échange de matériel génétique non seulement verticalement (de parent à progéniture), mais aussi horizontalement (entre individus).

1. Vertical : Transfert de gènes lors de la croissance bactérienne et de la division cellulaire (de la cellule mère aux cellules filles).

2. Horizontal : Transfert de gènes entre cellules (de la même ou de différentes espèces) situées dans le même environnement, via quatre mécanismes principaux :

   1. Conjugaison : Transfert par contact physique.

   2. Mobilisation : Transfert d'un plasmide non conjugatif aidé par un plasmide conjugatif.

3. Transduction : Transfert d'ADN bactérien via un bactériophage (virus).

4. Transformation : Transfert direct d'ADN nu (libre dans le milieu) dans une cellule.

1. Le Transfert de Gènes par Conjugaison

Caractéristiques

• Nécessite un contact physique direct entre une cellule donneuse et une cellule receveuse.

• Implique une "différence sexuelle" : une cellule donneuse (généralement F+) et une cellule receveuse (F-).

• Peut avoir lieu entre bactéries de la même espèce ou d'espèces différentes.

• Le transfert est d'une copie d'ADN plasmidique (ou chromosomique dans certains cas).

Cas F+ / F-

1. La cellule donneuse F+ établit un contact avec la cellule receveuse F- via ses pili sexuels (ou pili F).

2. Un pont cytoplasmique se forme, permettant la connexion entre les deux cellules.

3. Le plasmide F est "coupé" au niveau de son origine de transfert (oriT). Un seul brin est transféré vers la cellule F- par un mécanisme de cercle roulant.

4. Simultanément, le brin restant dans la cellule F+ est répliqué, gardant la cellule F+ donneuse. Le brin transféré dans la cellule F- est également répliqué, la transformant en une cellule F+.

5. Le facteur F (plasmide) reste donc dans la donneuse qui reste F+. La receveuse acquiert une copie du plasmide et devient F+.

6. Ce mécanisme permet principalement le transfert de l'intégralité du plasmide, avec très peu de gènes chromosomiques recombinés.

Cas Hfr (High Frequency of Recombination)

• Les souches Hfr dérivent de souches F+ : le facteur F s'est intégré au chromosome bactérien par recombinaison (le plasmide est devenu un épisome). Cette intégration est souvent médiatisée par des séquences d'insertion (IS) ou des transposons (Tn) présents sur le plasmide F et le chromosome.

• Une souche Hfr est caractérisée par une haute fréquence de recombinaison de gènes chromosomiques avec la cellule receveuse (environ 1000 fois plus élevée que pour une F+ simple).

• L'intégration du facteur F peut se produire à différents endroits sur le chromosome, entraînant l'existence de plusieurs types de souches Hfr.

Cas Hfr F-

1. Le transfert commence à l'oriT, qui est maintenant intégré au chromosome. Un seul brin du chromosome (avec le F intégré) est transféré linéairement via le pont de conjugaison.

2. Le transfert de ce brin monocaténaire suit le modèle du cercle roulant.

3. La réplication du brin transféré se fait dans la cellule receveuse.

4. Les gènes chromosomiques transférés peuvent ensuite être incorporés dans le chromosome de la cellule receveuse par crossing-over (recombinaison homologue).

5. La durée du transfert (environ 120 minutes pour le chromosome entier d'E. coli) fait que le transfert est rarement complet. Les interruptions sont fréquentes.

6. Résultat : de nombreux recombinants chromosomiques sont observés, mais la bactérie receveuse reste F- car elle reçoit rarement l'intégralité du facteur F.

Cas F'

• Une excision occasionnelle du facteur F intégré d'une souche Hfr peut se produire.

• Si cette excision est anormale, elle peut emporter avec elle un ou plusieurs gènes chromosomiques adjacents. Le plasmide ainsi formé est appelé plasmide F'.

• Ce plasmide F' peut alors se comporter comme un plasmide F+ mais porte en plus des gènes chromosomiques, qu'il peut transférer.

Vocabulaire (Gel d'agarose)

• "Transconjugant" : Une cellule receveuse qui a acquis un plasmide par conjugaison.

• "Souche curée" : Une souche bactérienne dont le plasmide a été éliminé (intentionnellement ou non).

2. Le Transfert de Gènes par Transduction

Définition : Introduction d'ADN bactérien exogène (provenant d'une cellule donneuse) dans une autre bactérie (receveuse) via un bactériophage.

Phages

• Phages virulents : Suivent un cycle lytique, infectent la bactérie, répliquent leur ADN et produisent de nouvelles particules virales, puis lysent (détruisent) la cellule hôte.

• Phages tempérés : Peuvent suivre un cycle lytique ou un cycle lysogénique, où leur génome s'intègre au chromosome bactérien (devenant un prophage). La bactérie est alors dite lysogène.

• Un prophage peut passer du cycle lysogénique au lytique (induction), spontanément ou par provocation (ex: irradiation UV).

A) Transduction Généralisée

• Réalisée par des phages virulents (ou tempérés en cycle lytique).

• Lors du cycle lytique, la machinerie du phage peut, par erreur et de manière aléatoire, encapsider des fragments d'ADN bactérien de la cellule hôte au lieu de l'ADN viral.

• Cela forme un phage composite ou une particule transductrice, contenant de l'ADN bactérien.

• Cette particule infecte une nouvelle bactérie et lui transmet le fragment d'ADN bactérien de la cellule lyée (cellule transduite).

• L'ADN introduit peut s'intégrer par recombinaison homologue.

• Exemples : bactériophages P1 (E. coli) et P22 (S. enterica).

• La fréquence de transfert est faible.

Si l'ADN transféré s'intègre stablement et s'exprime, on parle de transduction complète.

B) Transduction Spécialisée (Localisée)

• Réalisée par des phages tempérés dont l'ADN s'intègre à un site spécifique du chromosome bactérien.

• Lors de l'induction (passage du cycle lysogénique au lytique), l'excision du prophage peut être :

  • Normale : L'excisionase retire précisément le prophage, formant un phage complet.

  • Anormale : L'excision est imprécise ; une partie de l'ADN phagique est abandonnée sur le chromosome, et/ou des gènes bactériens adjacents au prophage sont encapsidés avec l'ADN viral.

• Par conséquent, la transduction est limitée aux gènes bactériens situés à proximité directe du site d'intégration du prophage. Ce sont toujours les mêmes gènes, ou un pool réduit, qui sont transférés.

3. Transformation

• Définition : Transfert d'ADN nu (sous forme libre) du milieu extérieur directement dans une cellule bactérienne.

• La bactérie doit être compétente (capable d'absorber l'ADN).

• L'ADN absorbé peut ensuite s'intégrer au chromosome par recombinaison homologue.

Les Transposons (Éléments Transposables)

Les transposons sont des séquences d'ADN mobiles, capables de se déplacer au sein du génome ou entre différents éléments génétiques.

1) Définition

• Les transposons, ou éléments transposables, sont des fragments d'ADN qui peuvent se déplacer d'un site à un autre :

  • Sur un même brin d'ADN.

  • Ou vers un autre brin d'ADN (chromosome, plasmide).

• Le processus de transposition nécessite des enzymes spécifiques, principalement des intégrases ou des transposases, qui sont généralement codées par l'élément transposable lui-même.

2) Classification (Structure + Mode de Transposition)

Séquences d'Insertion (IS)

Ce sont les transposons les plus simples.

• Caractéristiques :

  • Petits éléments transposables : de $750 paires de bases (pb).

  • Organisation compacte : codent principalement pour les protéines nécessaires à leur mobilité (la transposase TnpA).

  • Extrémités IR (Inverted Repeats) : Courtes séquences d'ADN répétées et inversées (de $10 pb) flanquant le gène de la transposase. Ces séquences sont essentielles pour la transposition.

• Modes de transposition :

  • Certaines IS sont non réplicatives (ou conservatrices), se "découpant" d'un site pour s'insérer ailleurs (ex: IS10).

  • D'autres sont réplicatives, laissant une copie à l'emplacement d'origine tout en s'insérant à un nouveau site (ex: IS6).

  • Certaines peuvent avoir des modes mixtes (ex: IS1).

• Fréquence : La transposition est un événement rare et contrôlé, soit par l'élément lui-même, soit par des facteurs de l'hôte.

Piège : Retenir les tailles : IS = pb ; IR = pb.

Les Transposons

1) Transposons Unitaires (ou Complexes)

Plus grands que les IS, ils intègrent un gène de résistance en plus de leur machinerie de transposition.

• Enzymes indispensables :

  • Transposase : Média le mouvement de l'élément.

  • Résolvase (TnpR) : Termine la réaction de transposition en catalysant une recombinaison sur un site spécifique appelé site res, porté par le transposon.

• Contenu génétique : En plus des protéines de dissémination (transposase et résolvase), ils codent souvent pour des gènes de résistance (antibiotiques, métaux lourds).

• Mode de transposition :

  • Exclusivement réplicatif.

  • Conduit invariablement à une duplication de 5 pb du site cible d'insertion, une signature caractéristique.

Pièges : Unitaire IS (car il y a résolvase + site res en plus). La duplication de $5$ pb est une signature importante.

2) Transposons Composites

• Formés par l'association de deux séquences d'insertion (IS) qui flanquent un segment d'ADN contenant un ou plusieurs gènes (souvent de résistance).

• Les deux IS peuvent être orientées soit en direct, soit en inverse.

• Le mécanisme permet de mobiliser l'ensemble de la séquence comprise entre les deux copies de l'IS.

• Exemples :

  • Tn5 (flanqué par IS50) : résistance à la kanamycine (et ne contient pas forcement le gene de l'ampicilline).

  • Tn9 (flanqué par IS1) : résistance au chloramphénicol.

  • Tn10 (flanqué par IS10) : résistance aux tétracyclines.

Piège : Composite = IS + ADN entre les IS + IS.

3) Transposons Conjugatifs

• Famille de très grands éléments (de à ).

• Possèdent des séquences répétées inversées aux extrémités ($20 pb).

• Entre les bornes, ils contiennent des gènes impliqués dans la coupure et l'échange de brins d'ADN, la conjugaison (permettant leur transfert intercellulaire) et souvent des marqueurs de résistance.

C) Deux Types de Transposition

1. Transposition conservatrice (ou "couper-coller")

   • La séquence d'ADN est excisée de son site d'origine (donneur) et insérée à un nouveau site (accepteur), sans réplication.

2. Transposition réplicative

   • L'élément est répliqué. Une copie reste au site d'origine tandis que l'autre copie est insérée à un nouveau site.

   • Cela entraîne une augmentation du nombre de copies de l'élément dans le génome.

Piège : Conservatrice = déplacement (une copie). Réplicative = duplication (copie au site d'origine + nouvelle copie insérée).

Les Intégrons

Les intégrons sont des éléments génétiques bactériens qui ont la capacité unique d'acquérir et d'exprimer des gènes présents sous forme de "cassettes" d'ADN, souvent des gènes de résistance aux antibiotiques.

1) Définition + Localisation

• Les intégrons sont des éléments génétiques capables d'acquérir ou de perdre des gènes, qui sont généralement liés à la résistance aux antibiotiques.

• Ces gènes sont stockés sous forme de cassettes géniques (éléments mobiles dépourvus de promoteur).

• L'intégration et l'excision des cassettes se font via une recombinaison spécifique de site, catalysée par une intégrase portée par l'intégron.

• Les intégrons sont principalement trouvés chez les bactéries Gram négatives (entérobactéries, Pseudomonas, Acinetobacter, Vibrio, Campylobacter) et sont souvent localisés sur des transposons ou des plasmides.

Piège : Contrairement aux transposons, les cassettes des intégrons ne codent pas l'enzyme de leur propre mouvement. C'est l'intégron qui fournit l'intégrase en trans.

2) Organisation Générale

Un intégron est caractérisé par deux régions conservées et la capacité d'insérer des cassettes entre elles :

• Une région conservée 5' (5'-CS) : contient le gène intI (codant l'intégrase IntI), un promoteur (PC) pour l'expression des gènes des cassettes, et un site de reconnaissance (attI) pour l'intégration des cassettes.

• Une région conservée 3' (3'-CS) : située en aval et moins constante.

• Entre ces deux régions, s'insèrent une ou plusieurs cassettes géniques.

• Seule la région 5' contient le gène intI (ex: intI1 codant l'intégrase IntI1), qui est apparentée aux recombinases spécifiques de site des bactériophages.

3) Classes d'Intégrons

Les intégrons sont classés en fonction de la séquence de leur gène intI (intégrase).

• Classe 1 : Les plus fréquemment trouvés en clinique. Souvent localisés sur des transposons de la famille Tn21.

  • Gène intI1 intégrassse IntI1 (337 aa).

  • Confèrent typiquement la résistance aux -lactamines, au chloramphénicol, etc.

• Classe 2 : Associés aux transposons Tn7 et leurs dérivés.

  • Gène intI2 intégrassse IntI2 (homologie de 46% avec IntI1, taille réduite de 12 aa).

  • Confèrent des résistances aux aminosides, à la streptothricine, au triméthoprime.

• Classe 3 : Moins fréquents.

  • Gène intI3 intégrassse IntI3 (61% d'identité avec IntI1).

  • Confèrent des résistances aux -lactamines et aux aminosides.

Piège : Savoir associer : classe 1 Tn21 ; classe 2 Tn7.

4) Les Cassettes : Structure Commune

• Une cassette génique contient :

  • Un seul gène (absence de promoteur propre).

  • Flanqué à son extrémité 3' par un site de reconnaissance spécifique, une séquence palindromique appelée site attC.

• Le site attC (souvent appelé "élément 59-pb", d'après les premiers décrits) est le site spécifique reconnu par l'intégrase IntI.

• Structure de attC : Séquences relativement conservées, inversées et répétées, capables de former une structure cruciforme. La conservation est la plus forte sur les $20 dernières bases, la région centrale étant variable.

• Plus de $60$ cassettes de résistance aux antibiotiques ou antiseptiques ont été décrites.

5) Mouvement des Cassettes

• Le mouvement des cassettes se fait par recombinaison spécifique de site, catalysée par l'intégrase Intr.

• Les cassettes peuvent exister sous forme linéaire (quand intégrées dans l'intégron) ou sous forme circulaire (quand excisées et libres).

• L'intégrase IntI1 catalyse à la fois l'intégration et l'excision des cassettes.

• Ce mouvement ne fait pas intervenir la protéine RecA (recombinaison homologue).

Sites Impliqués dans la Recombinaison

• Site attC : Situé à l'extrémité 3' de chaque cassette.

• Site attI : Situé à la jonction entre la région 5' conservée de l'intégron et la première cassette. C'est le site d'intégration des nouvelles cassettes.

Combinaisons et Préférences

• La recombinaison est possible entre attC–attC ou attC–attI.

• Intégration d'une cassette : se fait préférentiellement entre un attI de l'intégron et un attC de la cassette.

• Excision d'une cassette : se fait plutôt entre deux attC de cassettes adjacentes.

Piège : L'intégration et l'excision n'ont pas les mêmes préférences en termes de sites de recombinaison.

ADN : Structure et Organisation chez les Procaryotes

L'ADN est la molécule universelle support de l'information génétique. Chez les procaryotes, il est situé dans le cytoplasme, au sein d'une région appelée nucléoïde.

Définitions Indispensables

• ADN : Molécule support universel de l'information génétique (situé dans le nucléoïde chez les procaryotes).
• Nucléotide : Unité de base de l'ADN, composée d'un phosphate, d'un désoxyribose (pentose) et d'une base azotée.
• Chromosome : ADN compacté associé à des protéines.
• Gène : Portion d'ADN (à un locus précis) portant une information qui conduit souvent à une protéine et à un caractère.
• Allèle : Version différente d'un même gène, source de diversité génétique.

Le Nucléotide (Composition)

• Phosphate ($\text{H}_3\text{PO}_4$) : Forme les liaisons phosphodiester qui relient les nucléotides entre eux pour constituer la chaîne d'ADN.
• Sucre : Le désoxyribose, un pentose dont les carbones sont numérotés de 1' à 5'.
• Bases Azotées :
  • Pyrimidiques : Cytosine (C) et Thymine (T).
  • Puriques : Adénine (A) et Guanine (G).
  Ces bases forment l'« alphabet chimique » de l'ADN : A, T, C, G.

Double Hélice : Organisation

• Squelette : Alternance de sucres et de phosphates, formant l'extérieur de l'hélice.
• Bases : Orientées vers l'intérieur, accessibles via le grand et le petit sillon.
• Appariement par liaisons hydrogène :
  • A-T : 2 liaisons H.
  • C-G : 3 liaisons H.
• L'ADN est caractérisé par la complémentarité des bases et l'antiparallélisme de ses deux brins.

Paramètres et Forme de l'Hélice (Forme B)

• Environ 10 paires de bases par tour.
• Pas de l'hélice : 34 Å.
• Diamètre : environ 20 Å.
• Présence de deux sillons : un grand sillon ($\approx 22$ Å) et un petit sillon ($\approx 12$ Å).

Conformations de l'ADN

• ADN B : La forme la plus fréquente et biologiquement active in vivo.
• ADN A : Observable dans des conditions de faible hydratation ou lorsque l'ADN est associé à des protéines. Elle est plus compacte, avec un diamètre plus grand et environ 11 paires de bases par tour.
• ADN Z : Une hélice gauche, rare, favorisée par l'alternance de purines et de pyrimidines. Elle est plus étirée, avec environ 12 paires de bases par tour.

Taille du Génome

La taille du génome peut être exprimée en :

• Longueur.
• Masse moléculaire (Dalton).
• Nombre de paires de bases (pb).

Exemples :

• Virus phage $\lambda$ : $\approx 48$ kb.
• E. coli : $\approx 4000$ kb ($\approx 4$ Mb).
• Homme : $2-3 \times 10^9$ pb (ADN total $\approx 2$ m).

Effets de la Température (Dénaturation)

• Les deux brins de l'ADN sont maintenus ensemble par des liaisons hydrogène.
• Une augmentation de la température ou des conditions spécifiques (milieu salin, in vitro) provoque la séparation des brins, appelée dénaturation.
• L'ADN simple brin absorbe plus la lumière à 260 nm que l'ADN double brin, phénomène appelé effet hyperchromique.
• La température de fusion ($\text{T}_m$) de l'ADN augmente avec le pourcentage de paires de bases G-C, car les liaisons G-C (3 liaisons H) sont plus stables que les A-T (2 liaisons H).

Réplication de l'ADN chez les Procaryotes

La réplication de l'ADN est un processus fondamental qui permet la transmission fidèle de l'information génétique d'une génération cellulaire à l'autre.

Définition et Idées Clés

• Réplication semi-conservative : Chaque molécule d'ADN fille est composée d'un brin parental et d'un brin nouvellement synthétisé.
• La lecture de la matrice se fait toujours dans le sens 3' $\to$ 5', et la synthèse du nouveau brin se fait toujours dans le sens 5' $\to$ 3' (ajout de nucléotides sur le groupement 3'-OH).
• Nécessite la séparation des brins parentaux par rupture des liaisons H.
• Chez les bactéries, la réplication est bidirectionnelle, démarrant à partir d'une origine unique et formant une structure en forme d'« œil » ou de thêta ($\theta$).

Spécificités Génétiques des Bactéries

• Haploïdes : Possèdent une seule copie de chaque gène, rendant les mutations facilement observables.
• Temps de génération court : Facilite les expérimentations.
• Reproduction asexuée (par division) : Produit des clones.
• Possèdent une seule origine de réplication.
• Le génome comprend un chromosome circulaire indispensable, et souvent des plasmides facultatifs, petits, multicopies et circulaires.

Éléments Nécessaires à la Réplication (Matériel et Rôle)

• ADN parental : Sert de matrice.
• dNTP (dATP, dCTP, dGTP, dTTP) : Précurseurs qui sont incorporés sous forme de monophosphates, après libération d'un pyrophosphate.
• Énergie : Fournie par l'hydrolyse du pyrophosphate (PPi) lors de l'ajout de nucléotides.
• Ions $\text{Mg}^{2+}$ : Stabilisent les dNTP et sont indispensables à l'activité de l'ADN polymérase.
• Enzymes/Protéines :
  • DnaA : Reconnaît l'origine de réplication (oriC) chez E. coli ($\approx 245$ pb, riche en A/T).
  • Hélicase : Ouvre la double hélice en rompant les liaisons H.
  • ADN gyrase (topoisomérase) : Élimine les superenroulements générés par le déroulement de l'ADN.
  • SSB (Single-Strand Binding proteins) : Stabilisent l'ADN simple brin et empêchent son réappariement.
  • Primase : Synthétise de courtes amorces d'ARN.
  • ADN Pol III : Enzyme principale d'élongation, ajoute des nucléotides sur le 3'-OH à une vitesse d'environ 1000 nt/s.
  • ADN Pol I : Possède une activité exonucléase 5' $\to$ 3' qui enlève les amorces d'ARN et les remplace par de l'ADN.
  • Ligase : Soude les fragments d'ADN (liaisons phosphodiester), unissant notamment les fragments d'Okazaki.

Mécanisme de Réplication (Étapes)

I. Initiation

1. DnaA se fixe sur oriC, provoquant une ouverture locale de la double hélice.
2. L'hélicase et l'ADN gyrase continuent le déroulement et l'ouverture, formant deux fourches de réplication qui progressent bidirectionnellement, créant l'« œil » de réplication.
3. Les protéines SSB maintiennent les brins séparés.

II. Élongation (sens 5' $\to$ 3' uniquement)

1. La primase synthétise les amorces d'ARN :
   • Une seule amorce sur le brin précoce (leading strand).
   • Plusieurs amorces sur le brin tardif ou retardé (lagging strand).
2. L'ADN Pol III allonge les nouveaux brins :
   • Sur le brin précoce : synthèse continue vers la fourche de réplication.
   • Sur le brin tardif : synthèse discontinue, formant des fragments d'Okazaki.
3. L'ADN Pol I retire les amorces d'ARN et les remplace par de l'ADN.
4. La ligase « colle » les fragments d'Okazaki, formant un brin continu.

III. Terminaison

• La réplication se termine lorsque les deux fourches de réplication se rejoignent et/ou est contrôlée par des protéines comme Tus au niveau des sites Ter.

Fidélité de la Réplication

La haute fidélité de la réplication est assurée par :

• La sélection correcte des bases par l'ADN polymérase (basée sur la complémentarité).
• Les systèmes de correction sur épreuve (proofreading) : activité exonucléase 3' $\to$ 5' des polymérases réplicatives, qui permet de retirer les nucléotides mal appariés.
• Les systèmes de réparation post-réplication (selon le programme d'étude).

Réplication et Division Cellulaire (Lien)

Chez les bactéries, la réplication démarre à oriC, progresse jusqu'aux sites Ter, puis la cellule peut achever sa division après la duplication correcte du chromosome.

Pièges Fréquents

• Le sens de synthèse de l'ADN est toujours 5' $\to$ 3' (jamais 3' $\to$ 5').
• Le brin parental (matrice) est lu 3' $\to$ 5'.
• Brin précoce : Synthèse continue, une seule amorce. Brin tardif : Synthèse discontinue, fragments d'Okazaki, plusieurs amorces.
• Confusion des rôles des enzymes :
  • Hélicase : ouvre les liaisons H.
  • Gyrase/Topoisomérase : supprime les superenroulements.
  • SSB : empêche le réappariement.
  • Ligase : soude les fragments.
  • Pol III : allonge le brin.
  • Pol I : retire les amorces ARN et les remplace par ADN.
• Les dNTP entrent sous forme triphosphate mais sont intégrés sous forme monophosphate, libérant un PPi (pyrophosphate) qui fournit l'énergie.
• La $\text{T}_m$ (température de fusion) augmente avec le %GC (plus de liaisons H, plus stable).
• La dénaturation de l'ADN implique principalement la rupture des liaisons H, et non des liaisons phosphodiester du squelette.

Mutations et Agents Mutagènes

Les mutations sont des modifications de la séquence de l'ADN qui peuvent avoir des conséquences importantes sur le phénotype des organismes.

Définition et Notions Clés

• Mutation : Modification de la séquence de l'ADN qui peut entraîner une altération du phénotype.
• Mutation spontanée : Apparaît sans intervention d'agent extérieur, souvent due à des erreurs rares de réplication.
• Mutation induite : Provoquée par l'exposition à un agent mutagène (chimique ou physique).

Différence essentielle :

• Lésion de l'ADN : Dommage transitoire sur l'ADN (ex: dimère UV, base modifiée). Elle est réparable.
• Mutation : Changement permanent et fixé dans la séquence de l'ADN. Elle devient stable et héréditaire après réplication sur un ADN endommagé non réparé.

Caractéristiques des Mutations

• Spontanées ou induites.
• Rares : Fréquence d'environ $10^{-7}$ à $10^{-11}$.
• Spécifiques : Affectent un ou plusieurs caractères précis.
• Héréditaires : Si fixée, la mutation est transmise aux cellules filles ou à la descendance.

Types de Mutations

A) Substitutions (Mutation Ponctuelle)

Remplacement d'une base (ou paire de bases).

• Transition : Remplacement d'une purine par une autre purine (A $\leftrightarrow$ G) ou d'une pyrimidine par une autre pyrimidine (C $\leftrightarrow$ T).
• Transversion : Remplacement d'une purine par une pyrimidine (A/G $\leftrightarrow$ C/T) ou vice-versa.

Piège : Ne jamais confondre transition et transversion.

B) Insertions / Délétions

• Micro-insertion ($µ$-insertion) : Ajout de quelques nucléotides.
• Micro-délétion ($µ$-délétion) : Perte de quelques nucléotides.
• Si le nombre de nucléotides ajouté/supprimé n'est pas un multiple de 3, il y a un décalage du cadre de lecture (frameshift), ce qui entraîne souvent la production d'une protéine non fonctionnelle.

C) Réarrangements Génétiques

Modifications plus importantes de la structure chromosomique, incluant :

• Échanges.
• Déplacements.
• Inversions de fragments d'ADN.

Ces réarrangements peuvent entraîner des changements majeurs.

Comment les Mutations S'expriment (Exemples chez les Bactéries)

• Modification de la forme ou de la motilité (ex: flagelles modifiés, perte de mobilité).
• Acquisition d'une résistance aux antibiotiques.
• Auxotrophie : Incapacité à synthétiser un composé essentiel, nécessitant un apport externe.
• Mutations cataboliques : Affectent la capacité d'utiliser/dégrader certains substrats.
• Thermo-résistance / thermotolérance : Capacité de croître à des températures plus élevées.

Mutation par Réversion

• Réversion vraie : Retour exact à la séquence d'ADN d'origine (phénotype de type sauvage).
• Réversion équivalente (ou suppresseur) : Une deuxième mutation compense la première, restaurant le phénotype sauvage sans pour autant restaurer la séquence originale.

Piège : La "réversion" n'implique pas toujours un retour exact à la séquence d'origine.

Agents Mutagènes

A) Mutagènes Chimiques (Mécanismes et Exemples)

1. Analogues de bases :
   • Ressemblent aux bases normales et sont incorporés pendant la réplication.
   • Provoquent des appariements anormaux, fixant la mutation.
   • Ex : 5-bromouracile, 2-aminopurine.
2. Agents alkylants / méthylants :
   • Ajoutent un groupement (méthyle ou alkyle) sur les bases, entraînant des mésappariements.
   • Ex : nitrosoguanidine.
3. Agents intercalaires :
   • S'insèrent entre les bases de l'ADN, perturbant la réplication.
   • Provoquent des insertions/délétions (frameshift).
   • Ex : bromure d'éthidium, acridine orange.
4. Acide nitreux ($\text{HNO}_2$) : Désamination :
   • Transforme chimiquement des bases, induisant des transitions.
   • A $\to$ hypoxanthine (s'apparie avec C).
   • C $\to$ uracile (s'apparie avec A).
   • G $\to$ xanthine (appariement modifié).
5. Tautomérisation des bases :
   • Les bases existent sous des formes rares (tautomères) qui peuvent s'apparier anormalement pendant la réplication, entraînant des mutations après plusieurs cycles.

B) Mutagènes Physiques

1. UV (rayons ultraviolets) :
   • Provoquent la formation de dimères de pyrimidines (T-T ou T-C) : liaisons covalentes entre deux pyrimidines adjacentes sur le même brin d'ADN.
   • Conséquence : blocage ou erreurs lors de la réplication et de la transcription.
2. Radiations ionisantes (rayons X, $\gamma$, cosmiques) :
   • Très énergétiques, elles entraînent une ionisation et des lésions graves (bases instables, cassures de l'ADN).
   • Leur pouvoir mutagène est généralement supérieur à celui des radiations non ionisantes.

Effets des Mutations sur les Protéines

• Silencieuse : Changement de codon, mais codage du même acide aminé. Le phénotype n'est pas modifié.
• Faux-sens (missense) : Changement d'un acide aminé. La protéine est modifiée, sa fonction peut être altérée.
• Non-sens (nonsense) : Apparition prématurée d'un codon STOP. La protéine est tronquée et souvent inactive.
• Frameshift (insertion/délétion non multiple de 3) : Décalage du cadre de lecture, entraînant une modification majeure de la protéine, souvent non fonctionnelle.

Pièges Fréquents (Chapitre Mutations)

• Confondre lésion (dommage réparable) et mutation fixée (changement permanent).
• Confondre transition et transversion.
• Oublier que les agents intercalaires entraînent des frameshifts.
• Oublier que les UV induisent des dimères de pyrimidines.
• La notion de réversion : distinction entre réversion vraie et équivalente.

Systèmes de Réparation des Mutations (Lésions de l'ADN)

La réparation de l'ADN est essentielle pour maintenir l'intégrité du génome face aux erreurs de réplication et aux agressions environnementales.

Pourquoi Réparer ?

• L'ADN est constamment altéré par des erreurs internes (réplication) ou des agents externes (physiques/chimiques).
• Les lésions non réparées peuvent devenir des mutations permanentes si elles sont fixées lors de la réplication.

3 Grandes Stratégies de Réparation

1. Restauration (réparation directe) : Inverse la lésion sans enlever de fragment d'ADN.
2. Suppression (excision) : Retire la zone endommagée et la resynthétise correctement.
3. Tolérance : Permet à la cellule de survivre malgré la lésion, souvent comme dernier recours.

I) Restauration Directe (Sans Enlever un Fragment)

1. Photoréactivation (par la photolyase) :
   • Répare les dimères de pyrimidines induits par les UV.
   • Nécessite la lumière visible pour que la photolyase clive les liaisons covalentes, restaurant ainsi l'ADN.
2. Réversion de dépurination :
   • Certaines enzymes peuvent restaurer une zone après une dépurination, qui crée un site abasique anormal.
3. Réparation des ruptures simple brin :
   • La ligase peut simplement ressouder une cassure sur un simple brin.
4. Désalkylation (par alkyltransférases) :
   • Ex : l'O$^6$-méthylguanine méthyltransférase enlève un groupement méthyle d'une base, la restaurant à son état initial.

Piège : La photoréactivation est dépendante de la lumière.

II) Suppression (Excision) de la Zone Endommagée

A) BER — Excision de Base (Base Excision Repair)

Cible : Une base anormale (petites lésions, affectant une seule base).

Étapes :

1. Reconnaissance de la base anormale.
2. Une ADN glycosylase spécifique retire la base, créant un site AP (apurinique/apyrimidinique).
3. Des enzymes coupent le brin et éliminent le sucre-phosphate au niveau du site AP.
4. Une ADN polymérase remplit le manque avec la base correcte.
5. La ligase scelle l'entaille.

Exemple : Uracile ADN-glycosylase.

B) NER — Excision de Nucléotides (Nucleotide Excision Repair)

Cible : Lésions "volumineuses" ou distorsions de l'hélice (ex : dimères UV, bases volumineuses modifiées).

Étapes :

1. Détection de la distorsion de l'hélice.
2. Excision d'un fragment de plusieurs nucléotides autour de la lésion.
3. Une ADN polymérase remplit la brèche.
4. La ligase scelle le brin.

Piège BER vs NER :

• BER enlève une seule base (site AP).
• NER enlève un fragment (plusieurs nucléotides).

C) Correction des Mésappariements (Mismatch Repair, MMR)

1. Proofreading (pendant la réplication) :
   • Correction immédiate par l'ADN polymérase (activité exonucléase 3' $\to$ 5') qui retire le mauvais nucléotide et insère le bon.
2. MMR guidée par la méthylation (chez les procaryotes) :

   Idée clé : Distinguer le brin parental du brin néosynthétisé.

   • Brin ancien (matrice) : Méthylé au niveau des séquences GATC.
   • Brin néosynthétisé : Non méthylé juste après sa synthèse.

   Étapes :

   1. Détection d'un mésappariement.
   2. Repérage d'un site GATC méthylé à proximité.
   3. Un complexe de protéines Mut (MutS, MutL, MutH) identifie le brin non méthylé comme étant celui à corriger.
   4. Coupure du brin non méthylé et excision du segment contenant l'erreur.
   5. L'ADN Pol III remplit la brèche et la ligase scelle.

   Piège majeur : Le système MMR corrige le brin néosynthétisé, pas le brin matrice.

III) Tolérance de la Zone Endommagée

A) Réparation par Recombinaison Homologue (RecA)

• Lorsqu'une lésion bloque l'ADN polymérase durant la réplication, une lacune peut être laissée sur le brin néosynthétisé en face de la lésion.
• La protéine RecA utilise l'autre brin parental intact et homologue comme modèle pour combler cette lacune.
• La lésion elle-même peut ensuite être réparée par excision, suivi d'un comblement et scellement par une ligase.

B) Système SOS

• Activé en cas de dommages ADN massifs et irréparables par d'autres systèmes.
• Normalement, la protéine LexA réprime l'expression des gènes SOS.
• En présence de dommages importants, la protéine RecA (activée par l'ADN simple brin) induit la destruction/inactivation de LexA.
• Cela entraîne l'expression de nombreux gènes SOS, dont certains codent des polymérases "tolérantes aux lésions" qui peuvent répliquer au-delà des dommages, même si cela introduit des mutations.

Piège : Le système SOS est un dernier recours de tolérance. Il peut être plus "mutagène" car il privilégie la survie de la cellule, même au détriment de la fidélité de l'ADN.

Pièges Fréquents (Chapitre Réparation)

• Confondre réparation directe (restauration) et réparation par excision (BER/NER).
• Confondre BER (une base) et NER (fragment de plusieurs nucléotides).
• Oublier le rôle crucial de la méthylation GATC pour guider la MMR sur le brin néosynthétisé.
• Oublier la cascade d'activation RecA $\to$ LexA $\to$ SOS.
• Utiliser le terme "mutation" alors qu'il s'agit d'une lésion réparable (pas encore fixée).

Éléments Extrachromosomiques (Plasmides)

Les plasmides sont des molécules d'ADN distinctes du chromosome principal, qui confèrent souvent des avantages adaptatifs aux bactéries.

1. Les Plasmides

Définition : Molécules d'ADN bicaténaire, fermé, circulaire, et souvent surenroulé, existant en plus du chromosome bactérien.

Caractéristiques :

• Structures facultatives (non essentielles à la survie de la cellule dans des conditions normales).
• En général extrachromosomiques.
• Possèdent une réplication autonome (indépendante du chromosome).
• Transmission stable aux cellules filles lors de la division cellulaire.
• Codent des fonctions qui confèrent un avantage adaptatif à la bactérie.

1.1 Fonctions

Fonctions non indispensables mais utiles à la bactérie :

• Fertilité et mobilisation d'autres éléments génétiques (ex : production de pili sexuels, facteur F).
• Résistance aux antibiotiques (plasmides R).
• Résistance aux métaux lourds (utilisés comme antibactériens).
• Capacités cataboliques / métaboliques supplémentaires (dégradation de composés spécifiques).
• Virulence : Production de toxines, adhésines ou autres facteurs de pathogénicité (plasmides Vi).

Les Plasmides de Fertilité (F)

• Portent les gènes nécessaires à la conjugaison, transformant la cellule hôte en donneuse (F+).
• Les gènes de transfert sont regroupés dans l'opéron tra :
  • Pili sexuels : traA, traL, traE, traK, traB, traV, traC, traW, traU, traF, traQ, traH, traG.
  • Exclusion de surface (empêche la conjugaison avec d'autres F+) : traS, traT.
  • Synthèse et transfert de l'ADN (gènes mob) : traM, traY, traD, traI, traZ.
  • Régulation : finP, finO, traJ.
• Schéma du plasmide F : Inclut la région tra, les origines de transfert (oriT) et de réplication (oriV), et souvent des séquences d'insertion (IS) comme IS2/IS3 et transposons (Tn) comme Tn1000.

Les Plasmides de Résistance (R)

• Contiennent des gènes qui confèrent une résistance aux antibiotiques ou à d'autres agents antibactériens (ex : plasmide R100).

Les Plasmides de Virulence (Vi)

• Codent des gènes qui confèrent à la bactérie une pathogénicité ou une capacité de virulence (ex : production de toxines, facteurs d'adhésion).
• Exemple : Plasmide Ti (Agrobacterium tumefaciens), inducteur de tumeurs végétales.

Les Plasmides Cataboliques (Métaboliques)

• Contiennent des gènes codant des enzymes impliquées dans la dégradation de composés variés (ex : composés aromatiques, glucides, hydrocarbures, acides aminés).

Structure Génomique d'un Plasmide

1. Réplicon de base (2–3 kb) :
   • Contient l'origine de réplication (oriV chez les plasmides, parfois appelée oriC par extension).
   • Gènes rep (régulant la réplication).
   • Gènes cop (régulant le nombre de copies).
   • Gènes inc (régulant l'incompatibilité).

   cop : Nombre de copies par chromosome :

   • Faible : 1 (ex : facteur F).
   • Moyen : 10–20.
   • Élevé : 30–100 (ex : pUC18).

   inc : Incompatibilité :

   • Une bactérie peut héberger plusieurs plasmides compatibles.
   • La compatibilité est due à des origines ou mécanismes de réplication différents.
   • Si les mécanismes de régulation de la réplication sont les mêmes, il y a inhibition en trans, et deux plasmides incompatibles ne peuvent pas coexister de manière stable dans la même cellule.
2. Gènes de maintenance :
   • Gènes par (partition) : Assurent la distribution équitable des copies plasmidiques aux cellules filles lors de la division.
   • Résolution des multimères (par résolvase) : Empêche la recombinaison homologue entre plusieurs copies d'un même plasmide, qui conduirait à la formation de multimères instables.
   • Système poison–antidote (PA) ou mort post-ségrégationnelle : Tue les cellules filles qui n'ont pas hérité d'au moins une copie du plasmide, assurant ainsi la stabilité du plasmide dans la population.
3. Gènes de transfert (tra) : Impliqués dans la conjugaison (absents des plasmides non conjugatifs).
4. Gènes codants : Tous les autres gènes portés par le plasmide, à l'exception des plasmides cryptiques qui n'ont pas de fonction connue.

Plasmides et Épisomes

• Un épisome est un plasmide qui a la capacité de s'intégrer au chromosome bactérien par recombinaison.

Types de Plasmides

• Conjugatifs (autotransférables) :
  • Molécules d'ADN circulaires autoréplicatives, très répandues chez les bactéries et archées.
  • Une bactérie peut en héberger entre 0 et une dizaine.
  • Codent des fonctions diverses, incluant la machinerie de transfert.
• Mobilisables :
  • Ne possèdent pas un système de conjugaison complet.
  • Dépendent de la machinerie de transfert d'un élément conjugatif (helper plasmid) pour être transférés.
• Non transférables :
  • Ni transférables ni mobilisables. Ils ne peuvent être transmis que par division cellulaire.

La Réplication des Plasmides

Deux stratégies principales :

1. Réplication de type $\theta$ (thêta) :
   • Similaire à la réplication du chromosome bactérien : séparation des deux brins aux fourches de réplication.
   • Synthèse d'une amorce ARN et initiation par une protéine (rep).
   • Synthèse continue sur un brin (précoce) et discontinue sur l'autre (tardif).
2. Réplication par cercle roulant (rolling-circle) :
   • Utilisée pour la réplication végétative de certains plasmides et lors du transfert par conjugaison.
   • Mécanisme unidirectionnel.
   • Une protéine d'initiation (nucléase) réalise une coupure sur un seul brin.
   • La protéine rep se fixe sur l'extrémité 3'-OH, puis après une amorce, l'élongation du nouveau brin se produit en déroulant l'ancien brin (qui est déplacé).

Transfert de Gènes chez les Procaryotes

Le transfert de gènes est crucial pour l'évolution bactérienne et l'acquisition de nouvelles propriétés, comme la résistance aux antibiotiques.

1. Transfert vertical : Transmission des gènes de la cellule mère aux cellules filles lors de la croissance bactérienne et de la division.
2. Transfert horizontal : Gènes sont échangés entre cellules (même espèce ou espèces différentes) au sein d'un même milieu, via :
   1. Conjugaison : Contact physique direct entre les cellules.
   2. Mobilisation : Transfert d'plasmides mobilisables aidé par des plasmides conjugatifs.
3. Transduction : Transfert de matériel génétique bactérien via un bactériophage.
4. Transformation : Acquisition d'ADN nu (libre) par une cellule et son incorporation dans son génome.

1. Le Transfert de Gènes par Conjugaison

Caractéristiques :

• Implique un contact physique direct entre deux cellules.
• Nécessite une « différence sexuelle » entre les souches : une cellule donneuse et une cellule receveuse.
• Peut se produire au sein de la même espèce ou entre espèces différentes.
• Entraîne le transfert d'une copie d'ADN plasmidique.

Schéma F+ / F− (points essentiels) :

• Union de la cellule donneuse F+ (contenant le plasmide F) et de la cellule receveuse F− (dénuée de plasmide F) grâce aux pili sexuels.
• Formation d'un canal de transfert appelé pont cytoplasmique.
• Transfert d'un brin d'ADN du plasmide F à partir de l'origine de transfert (oriT), selon le modèle du cercle roulant.
• Le facteur F reste dans la cellule donneuse, qui demeure F+.
• La cellule receveuse acquiert une copie du plasmide F et devient à son tour F+.
• Très peu de recombinants chromosomiques sont isolés, car c'est principalement le plasmide F qui est transféré.

Hfr (Haute fréquence de recombinaison) :

• Les souches Hfr dérivent des souches F+ : le facteur F s'est intégré au chromosome bactérien, perdant son autonomie et se transformant en épisome.
• Les souches Hfr se caractérisent par une fréquence de transfert des gènes chromosomiques 1000 fois plus élevée que celle des plasmides F libres.
• Cette intégration est facilitée par des séquences d'insertion (IS) et des transposons (Tn) qui permettent la recombinaison entre le plasmide F et le chromosome.
• L'intégration du facteur F peut se faire à plusieurs endroits sur le chromosome, donnant lieu à différents types de souches Hfr.

Schéma Hfr $\times$ F− (à retenir) :

• Transfert linéaire d'un brin d'ADN chromosomique, démarrant à partir de l'origine de transfert du facteur F intégré.
• Réplication de l'ADN monocaténaire transféré chez la receveuse selon le modèle du cercle roulant.
• Incorporation des gènes bactériens transférés par crossing-over (recombinaison homologue) entre l'ADN transféré et le chromosome de la bactérie réceptrice.
• La durée de transfert peut aller jusqu'à 120 minutes pour le chromosome entier, mais le processus est souvent interrompu avant.
• Résultat : Production de 1000 fois plus de recombinants chromosomiques, mais peu de bactéries F− deviennent F+, car le transfert complet du facteur F est rare.

F' (F prime) :

• Excision occasionnelle du facteur F intégré (dans une souche Hfr).
• Lors de cette excision, des gènes chromosomiques adjacents peuvent être emportés et s'incorporer au plasmide F libéré, créant un plasmide F'.

Gel d'agarose (vocabulaire) :

• « Transconjuguant » : Cellule receveuse ayant acquis le plasmide par conjugaison.
• « Souche curée » : Souche où le plasmide a été éliminé.

2. Le Transfert de Gènes par Transduction

Définition : Introduction d'ADN bactérien exogène (provenant d'une cellule donneuse) dans une autre bactérie (receveuse) via un bactériophage (virus bactérien).

Phages :

• Virulents : Suivent un cycle lytique, entraînant la lyse de la cellule bactérienne et la libération de nouveaux virions.
• Tempérés : Peuvent suivre un cycle lysogénique, où leur génome s'intègre au chromosome bactérien pour former un prophage. La bactérie est alors dite lysogène.
• Le passage d'un cycle tempéré à un cycle virulent (lyse) peut être spontané ou induit (ex : irradiation UV).

A) Transduction Généralisée :

• Assurée par des phages virulents.
• Au cours du cycle lytique, il peut y avoir une encapsidation accidentelle et aléatoire de fragments d'ADN bactérien (environ 1 à 2,5% des phages).
• Ces phages anormaux sont appelés phages composites ou particules transductrices.
• Lorsqu'une particule transductrice infecte une nouvelle bactérie, elle lui transfère un fragment d'ADN de la bactérie lysée (cellule transduite).
• Exemples : Phage P1 (chez E. coli) ; Phage P22 (chez Salmonella enterica).
• La fréquence de transfert est généralement faible.
• Notion : Une transduction complète conduit à une expression stable des marqueurs transférés si l'ADN introduit s'intègre par recombinaison homologue.

B) Transduction Spécialisée (Localisée) :

• L'ADN phagique est intégré à un site spécifique sur le chromosome bactérien.
• Assurée par des phages tempérés (l'insertion a toujours lieu au même endroit).
• Lors du passage du cycle lysogénique au cycle lytique :
  • Soit l'excision est normale (grâce à une excisionase), produisant un phage complet.
  • Soit l'excision est anormale :
    • Une partie de l'ADN phagique est abandonnée sur le chromosome.
    • Une portion des gènes bactériens adjacents à l'ADN phagique intégré est encapsidée avec le reste du génome phagique.
• Par conséquent, la transduction est limitée aux gènes bactériens qui sont à proximité du site d'intégration des phages, les mêmes gènes étant toujours transmis.

4. Transformation

• La transformation est le processus par lequel une cellule bactérienne incorpore et exprime de l'ADN nu (libre) provenant de l'environnement, l'intégrant dans son propre génome.

Les Transposons (Éléments Transposables)

Les transposons, ou éléments transposables, sont des séquences d'ADN "sautantes" qui peuvent se déplacer et modifier ainsi la structure et la fonction des génomes.

1) Définition

• Les transposons sont des éléments d'ADN capables de se déplacer d'un endroit à un autre :
  • Sur un même brin d'ADN (au sein du même réplicon).
  • Ou sur un autre brin d'ADN (vers un autre réplicon, comme un plasmide ou un autre chromosome).
• La transposition (parfois appelée "recombinaison" dans certains contextes) nécessite des enzymes spécifiques : l'intégrase ou la transposase, généralement codées par le transposon lui-même.

2) Classification (Structure et Mode de Transposition)

Séquences d'Insertion (IS)

Caractéristiques :

• Petits éléments transposables : de 750 à 2500 paires de bases (pb).
• Organisation très compacte : codent principalement pour les protéines nécessaires à leur mobilité (la transposase TnpA).
• Aux extrémités, elles possèdent des séquences inversées répétées (IR) :
  • Courtes séquences de 10 à 40 pb.
  • Ces séquences sont actives dans le processus de recombinaison.

Mode de transposition :

Il n'y a pas un mode unique de transposition pour toutes les IS :

• Certaines IS sont non réplicatives (ex : IS10).
• D'autres sont réplicatives (ex : IS6).
• D'autres encore ont des modes mixtes (ex : IS1).

Fréquence : Le taux de transposition est faible et rigoureusement contrôlé, soit par l'élément transposable lui-même, soit par des facteurs de l'hôte.

Piège : Ne pas confondre les tailles : IS = 750–2500 pb ; IR = 10–40 pb.

Les Transposons

1) Transposons Unitaires

Enzymes indispensables :

• Transposase.
• Résolvase : Enzyme qui catalyse une recombinaison sur un site spécifique (site res, porté par le transposon) pour terminer la réaction de transposition réplicative.

Sous-groupes :

• Classés selon l'orientation du cadre de lecture de la TnpR (résolvase) par rapport à la TnpA (transposase).

Contenu génétique :

• En plus des protéines de dissémination (transposase, résolvase), ils codent des gènes de résistance (aux antibiotiques ou aux métaux lourds).

Mode de transposition :

• Exclusivement réplicatif.
• Conduit systématiquement à une duplication de 5 pb du site cible d'insertion. C'est une "signature" de l'intégration du transposon.

Pièges : Unitaire $\neq$ IS (il y a résolvase et un site res en plus). Détail pour l'examen : la duplication de 5 pb est une signature importante.

2) Transposons Composites

• Les IS peuvent "collaborer" : cela permet de mobiliser toute la séquence d'ADN comprise entre deux copies d'une même IS.
• L'orientation des deux IS peut être directe ou inverse.

Exemples à connaître :

• Tn5 (avec les IS50) : Conférant une résistance à l'ampicilline.
• Tn9 (avec les IS1) : Conférant une résistance au chloramphénicol.
• Tn10 (avec les IS10) : Conférant une résistance aux tétracyclines.

Piège : Composite = IS + ADN entre les IS + IS.

3) Transposons Conjugatifs

Caractéristiques :

• Famille de transposons homogène.
• Très grands éléments : le plus petit (Tn916) mesure 18,4 kpb, ils peuvent atteindre 100 kpb.
• Extrémités : Possèdent des séquences inversées répétées de 20 à 30 pb.
• Entre les bornes : Contiennent des gènes impliqués dans :
  • La coupure et l'échange de brins d'ADN.
  • La conjugaison (machinerie de transfert).
  • Des marqueurs de résistance.

C) Deux Types de Transposition

1. Transposition conservatrice (ou "couper-coller") :
   • Une séquence d'ADN est excisée de son site donneur et insérée à un nouveau site accepteur. Il n'y a pas d'augmentation du nombre de copies.
2. Transposition réplicative :
   • L'élément est copié et la nouvelle copie est insérée à un nouveau site, tandis que l'original reste au site donneur.
   • Cela entraîne une augmentation du nombre de copies de l'élément dans le génome.

Piège :

• Conservatrice = déplacement (couper-coller).
• Réplicative = copie + conservation au site d'origine.

Les Intégrons

Les intégrons sont des systèmes génétiques bactériens capables d'acquérir et d'exprimer des gènes, souvent de résistance, sous forme de cassettes de gènes.

1) Définition et Localisation

• Les intégrons sont des éléments génétiques spécialisés capables d'acquérir, d'empiler et d'exprimer des gènes (souvent des gènes de résistance aux antibiotiques).
• Les gènes sont portés sur des structures appelées cassettes de gènes, qui sont des éléments mobiles démunis de promoteur.
• L'intégration ou l'excision de ces cassettes se fait par recombinaison spécifique de site, grâce à une enzyme, l'intégrase.
• Les intégrons sont principalement trouvés chez les bactéries Gram négatif, notamment les entérobactéries, les Pseudomonas, les Acinetobacter et les Vibrio, Campylobacter.

Piège : Contrairement aux transposons, les cassettes de gènes des intégrons ne contiennent pas le gène codant l'enzyme de leur propre mouvement (l'intégrase est codée par l'intégron lui-même).

2) Organisation Générale

• Un intégron est caractérisé par deux régions conservées :
  • Une région 5' conservée (5'-CS).
  • Une région 3' conservée (3'-CS).
• Entre ces deux régions, des cassettes de gènes peuvent être insérées.
• Seule la région 5' conservée contient le gène intI, qui code l'intégrase (ex : IntI1), une enzyme apparentée aux recombinases spécifiques de site (notamment les intégrases de bactériophages). C'est cette intégrase qui catalyse le mouvement des cassettes.

3) Classes d'Intégrons

Les intégrons sont classifiés en différentes classes selon la séquence de leur gène intI :

• Classe 1 :
  • Souvent retrouvés sur des transposons de la famille Tn21.
  • Le gène intI1 code l'intégrase IntI1 (337 acides aminés).
  • Confère une résistance aux $\beta$-lactamines, au chloramphénicol, etc.
• Classe 2 :
  • Associés au transposon Tn7 et à ses dérivés.
  • Le gène intI2 code l'intégrase IntI2 (46% d'homologie avec IntI1, avec une taille réduite de 12 acides aminés).
  • Confère une résistance aux aminosides, à la streptothricine, au triméthoprime.
• Classe 3 :
  • Le gène intI3 code l'intégrase IntI3 (61% d'identité avec IntI1).
  • Confère une résistance aux $\beta$-lactamines et aux aminosides.

Piège : Savoir associer les classes d'intégrons à leurs transposons : classe 1 $\leftrightarrow$ Tn21 ; classe 2 $\leftrightarrow$ Tn7.

4) Les Cassettes : Structure Commune

• Une cassette de gènes contient un gène (dépourvu de promoteur propre).
• Ce gène est flanqué à son extrémité 3' par une séquence palindromique appelée site attC.
• Le site attC est un site spécifique reconnu par l'intégrase.
• Il est souvent désigné comme "élément 59-pb", car les premiers sites attC décrits avaient une taille de 59 paires de bases.
• Structure du site attC :
  • Comprend des séquences relativement conservées, inversées et répétées.
  • Est capable de former une structure cruciforme.
  • La conservation est principalement observée sur les 20 premières et 20 dernières bases, la région centrale étant plus variable.
• Plus de 60 cassettes de résistance (aux antibiotiques/antiseptiques) ont été décrites.

5) Mouvement des Cassettes

• Le mouvement des cassettes se fait par recombinaison spécifique de site, catalysée par l'intégrase (IntI1).
• Les cassettes intégrées sont sous forme linéaire au sein de l'intégron.
• Les cassettes excisées peuvent exister sous forme circulaire (libre) dans le cytoplasme.
• L'intégrase (ex : IntI1) catalyse à la fois l'intégration et l'excision des cassettes.
• Ce mouvement ne fait pas intervenir la protéine RecA (recombinaison homologue).

Sites impliqués :

• Le site attC : Situé à l'extrémité 3' de chaque cassette.
• Le site attI : Situé à la jonction entre la région 5' conservée de l'intégron et la première cassette.

Combinaisons et préférences :

• La recombinaison est possible entre un site attC et un autre attC, ou entre un site attC et le site attI.
• Pour l'intégration : L'intégrase préfère la combinaison attI (de l'intégron) $\times$ attC (de la cassette).
• Pour l'excision : L'intégrase préfère la combinaison attC $\times$ attC.

Piège : L'intégration et l'excision n'ont pas la même préférence de sites de recombinaison.

Ce document fournit une vue d'ensemble structurée de l'ADN chez les procaryotes, y compris sa structure, sa réplication, les mutations, les mécanismes de réparation, ainsi que les éléments génétiques mobiles comme les plasmides, les transposons et les intégrons. Il est conçu pour maximiser l'efficacité de l'apprentissage avec des points clés, des exemples et des pièges fréquents.

ADN : Structure et organisation chez les procaryotes

L'étude de l'ADN chez les procaryotes révèle une molécule fondamentale, support universel de l'information génétique, dont la structure et les mécanismes de maintien sont cruciaux. Chez les procaryotes, l'ADN est localisé dans le cytoplasme, au sein d'une région appelée nucléoïde.

Définitions indispensables

• ADN : Acide désoxyribonucléique, support universel de l'information génétique. Chez les procaryotes, il est principalement situé dans le cytoplasme, dans une région appelée le nucléoïde.

• Nucléotide : Unité de base de l'ADN, composée d'un phosphate, d'un désoxyribose (un pentose) et d'une base azotée.

• Chromosome : Molécule d'ADN compactée, souvent associée à des protéines (bien que moins structurée que chez les eucaryotes).

• Gène : Portion d'ADN située à un locus précis, portant une information spécifique. Cette information conduit souvent à la synthèse d'une protéine, laquelle détermine un caractère.

• Allèle : Version différente d'un même gène, contribuant à la diversité génétique.

Composition du nucléotide

• Phosphate (H₃PO₄) : Forme les liaisons phosphodiester, qui constituent l'ossature sucre-phosphate de la chaîne d'ADN.

• Sucre : Le désoxyribose, un pentose (sucre à 5 carbones), dont les carbones sont numérotés de 1' à 5'.

• Bases azotées :

  • Pyrimidiques : Cytosine (C) et Thymine (T).

  • Puriques : Adénine (A) et Guanine (G).

  Ces quatre bases constituent l'« alphabet chimique » de l'ADN.

Organisation en double hélice

La structure en double hélice de l'ADN est caractérisée par :

• Le squelette sucre–phosphate : Constitué de l'alternance de sucres et de phosphates, il est situé à l'extérieur de l'hélice.

• Les bases azotées : Orientées vers l'intérieur de l'hélice, elles sont accessibles via le grand et le petit sillon.

• L'appariement par liaisons hydrogène : Les bases s'apparient de manière spécifique :

  • Adénine (A) avec Thymine (T) via 2 liaisons hydrogène.

  • Cytosine (C) avec Guanine (G) via 3 liaisons hydrogène (plus stables).

• La complémentarité et l'antiparallélisme : Les deux brins sont complémentaires et orientés en sens opposé (un brin 5'→3' et l'autre 3'→5').

Paramètres et forme de l'hélice (forme B dominante)

Conformations de l'ADN

L'ADN peut adopter différentes conformations :

• ADN B : La forme la plus commune, observée in vivo dans des conditions physiologiques.

• ADN A : Forme plus compacte, avec un diamètre plus grand et environ 11 paires de bases par tour. Elle est favorisée dans des conditions de faible humidité ou lorsque l'ADN est associé à des protéines.

• ADN Z : Une hélice gauche, rare, plus étirée (~12 paires de bases par tour). Sa formation est favorisée par l'alternance de séquences purine/pyrimidine.

Taille du génome et son expression

La taille du génome peut être exprimée en :

• Longueur

• Masse moléculaire (en Daltons)

• Nombre de paires de bases (pb) ou de milliers de paires de bases (kb) ou de millions de paires de bases (Mb).

Exemples de tailles de génomes :

• Virus phage λ : ~48 kb

• E. coli : ~4000 kb (soit ≈ 4 Mb)

• Homme : 2–3 × pb (ADN total ~2 m de long)

Effets de la température (dénaturation)

• Les deux brins d'ADN sont maintenus ensemble par des liaisons hydrogène.

• Une augmentation de la température (ou des changements de pH/conditions salines in vitro) peut entraîner la séparation des brins, un processus appelé dénaturation.

• L'absorbance à 260 nm de l'ADN simple brin est supérieure à celle de l'ADN double brin, phénomène appelé effet hyperchrome, utilisé pour suivre la dénaturation.

• La température de fusion (Tm), qui est la température à laquelle 50% de l'ADN est dénaturé, augmente avec le pourcentage de paires G-C, car les liaisons C-G (3 liaisons H) sont plus stables que les liaisons A-T (2 liaisons H).

Mensonges courants

• La dénaturation de l'ADN ne "casse pas le squelette" (les liaisons phosphodiester), elle rompt les liaisons hydrogène entre les bases.

Réplication de l'ADN chez les procaryotes

La réplication de l'ADN est un processus fondamental qui garantit la transmission fidèle de l'information génétique aux cellules filles. Chez les procaryotes, ce mécanisme présente des spécificités importantes.

Définition et idées clés

• Réplication semi-conservative : Chaque molécule d'ADN fille est composée d'un brin parental (ancien) et d'un brin néosynthétisé (nouveau).

• Sens de la synthèse : La lecture du brin matrice s'effectue toujours dans le sens 3'→5', tandis que la synthèse du nouveau brin a lieu uniquement dans le sens 5'→3' (ajout de nucléotides sur l'extrémité 3'-OH).

• Séparation des brins : Pour la réplication, la double hélice doit être

ouverte par rupture des liaisons hydrogène entre les bases.

• Réplication bidirectionnelle : Chez les bactéries, la réplication démarre à une origine unique et progresse dans les deux sens, formant une structure en "œil" ou en forme de "thêta".

Spécificités génétiques des bactéries

Ces caractéristiques sont importantes pour comprendre la réplication bactérienne :

• Haploïdes : Les bactéries possèdent une seule copie de chaque gène, ce qui rend les effets des mutations plus facilement observables.

• Temps de génération court : Permet des expérimentations rapides et l'étude des processus génétiques sur des cycles courts.

• Reproduction asexuée par division : Produit des clones génétiquement identiques.

• Origine de réplication unique : Contrairement aux eucaryotes, les bactéries n'ont qu'un seul point de départ pour la réplication chromosomique.

• Génome : Composé d'un chromosome circulaire indispensable et de plasmides (facultatifs, petits, circulaires et souvent présents en plusieurs copies).

Éléments nécessaires à la réplication

La réplication requiert du matériel génétique, des précurseurs énergétiques et un ensemble complexe d'enzymes :

• ADN parental : Sert de matrice pour la synthèse des nouveaux brins.

• dNTP (dATP, dCTP, dGTP, dTTP) : Désoxyribonucléoside triphosphates, précurseurs des nucléotides. Ils sont incorporés sous forme de monophosphates, après la libération de pyrophosphate.

• Énergie : Fournie par l'hydrolyse du pyrophosphate (PPi) libéré lors de l'incorporation des dNTP.

• Ions Mg²⁺ : Essentiels pour la stabilisation des dNTP et l'activité catalytique des ADN polymérases.

• Enzymes et protéines :

  • DnaA : Protéine initiatrice reconnaissant l'origine de réplication (oriC chez E. coli, région d'environ 245 pb riche en A/T).

  • Hélicase : Ouvre la double hélice en rompant les liaisons hydrogène, permettant la séparation des brins.

  • ADN gyrase (ou topoisomérase de type II) : Relâche les contraintes de surenroulement générées par l'ouverture de l'hélice en amont de la fourche de réplication.

  • SSB (Single-Strand Binding proteins) : Protéines qui se fixent à l'ADN simple brin pour le stabiliser et empêcher son réappariement prématuré.

  • Primase : ARN polymérase qui synthétise de courtes amorces d'ARN nécessaires au démarrage de la synthèse d'ADN.

  • ADN polymérase III (ADN Pol III) : Enzyme principale de l'élongation, qui ajoute les nucléotides sur l'extrémité 3'-OH de l'amorce, avec une vitesse d'environ 1000 nucléotides par seconde.

  • ADN polymérase I (ADN Pol I) : Possède une activité exonucléase 5'→3' qui permet d'enlever les amorces d'ARN et de les remplacer par des nucléotides d'ADN.

  • Ligase : Enzyme qui soude les fragments d'ADN (notamment les fragments d'Okazaki) en catalysant la formation de liaisons phosphodiester.

Mécanisme de réplication (étapes)

I. Initiation

1. Fixation de DnaA sur l'oriC, provoquant une ouverture locale de la double hélice.

2. L'hélicase et l'ADN gyrase déroulent l'ADN et ouvrent davantage l'hélice, formant deux fourches de réplication qui progressent de manière bidirectionnelle, créant un "œil" de réplication.

3. Les protéines SSB se fixent sur les brins séparés pour les maintenir stables et éviter leur réappariement.

II. Élongation (sens 5'→3' uniquement)

1. La primase synthétise des amorces d'ARN :

   • Une seule amorce est nécessaire sur le brin précoce (leading strand).

   • Plusieurs amorces sont synthétisées sur le brin tardif (lagging strand).

2. L'ADN polymérase III allonge les brins d'ADN :

   • Sur le brin précoce : La synthèse est continue, dans la direction de la fourche de réplication.

   • Sur le brin tardif : La synthèse est discontinue, produisant de courts fragments d'ADN appelés fragments d'Okazaki.

3. L'ADN polymérase I retire les amorces d'ARN grâce à son activité exonucléase 5'→3' et comble les espaces avec de l'ADN.

4. La ligase soude les fragments d'Okazaki entre eux, transformant le brin tardif discontinu en un brin continu.

III. Terminaison

La réplication se termine lorsque les deux fourches de réplication se rencontrent, ou par un arrêt contrôlé au niveau de sites Ter où agissent des protéines Tus.

Fidélité de la réplication

La haute fidélité est assurée par plusieurs mécanismes :

• Sélection correcte des bases : L'ADN polymérase incorpore le nucléotide correct basé sur la complémentarité des bases.

• Corrections (proofreading) : Les ADN polymérases réplicatives (notamment l'ADN Pol III) possèdent une activité exonucléase 3'→5' qui permet de retirer les nucléotides mal appariés immédiatement après leur incorporation.

• Systèmes de réparation post-réplication : Des mécanismes spécifiques corrigent les erreurs qui auraient échappé au proofreading (ex: Mismatch Repair).

Réplication et division cellulaire

Chez les bactéries, la réplication commence à l'oriC et se poursuit jusqu'à la terminaison. Une fois le chromosome entièrement dupliqué, la cellule peut achever sa division, assurant la distribution de deux copies identiques du génome aux cellules filles.

Pièges fréquents

• Sens de synthèse : L'ADN est toujours synthétisé 5'→3', jamais 3'→5'.

• Matrice : Le brin parental est lu 3'→5'.

• Brin précoce vs. tardif :

  • Brin précoce : synthèse continue avec une seule amorce.

  • Brin tardif : synthèse discontinue (fragments d'Okazaki) avec plusieurs amorces.

• Rôles des enzymes :

  • Hélicase : ouvre l'hélice (liaisons H).

  • Gyrase/topoisomérase : élimine les surenroulements.

  • SSB : stabilise l'ADN simple brin.

  • Ligase : soude les fragments.

  • Pol III : élongation (ajout de nucléotides).

  • Pol I : enlève les amorces d'ARN et remplace par de l'ADN.

• dNTP : Entrent sous forme triphosphatée mais sont incorporés en monophosphate (libération de PPi).

• Tm : Augmente avec le %GC (plus de liaisons H donc plus stable).

• Dénaturation : Rupture des liaisons H, pas des liaisons phosphodiester (le "squelette" n'est pas cassé).

Mutations et agents mutagènes

Les mutations sont des changements dans la séquence de l'ADN qui, bien que parfois nuisibles, sont aussi la force motrice de l'évolution. Elles peuvent être spontanées ou induites par des agents externes.

Définition et notions clés

• Mutation : Une modification permanente de la séquence de nucléotides de l'ADN. Elle peut entraîner une altération du phénotype.

• Mutation spontanée : Se produit sans intervention d'un agent extérieur, souvent due à des erreurs rares lors de la réplication de l'ADN.

• Mutation induite : Ca utilisée par un agent mutagène spécifique (chimique ou physique).

Différence essentielle

• Lésion de l'ADN : Un dommage physique ou chimique temporaire de l'ADN (ex: dimère de thymine UV-induit, base modifiée, site AP). Ces lésions sont souvent réparables.

• Mutation : Un changement fix é et stable dans la séquence d'ADN, qui devient héréditaire. Une lésion non réparée avant la réplication peut se transformer en une mutation fixée.

Caractéristiques des mutations

• Spontanées ou induites.

• Rares : Leur fréquence est généralement très faible, de l'ordre de à par gène et par génération.

• Spécifiques : Elles peuvent affecter un ou plusieurs caractères précis de l'organisme.

• Héréditaires : Si une mutation est fixée (non réparée), elle est transmise aux cellules filles ou à la descendance.

Types de mutations

A) Substitutions (mutations ponctuelles)

Remplacement d'une base (ou d'une paire de bases) par une autre :

• Transition : Remplacement d'une purine par une autre purine (A ↔ G) ou d'une pyrimidine par une autre pyrimidine (C ↔ T).

• Transversion : Remplacement d'une purine par une pyrimidine (A ou G ↔ C ou T) ou vice versa.

🔴 Piège : Ne jamais confondre transition et transversion.

B) Insertions / Délétions

C) Réarrangements génétiques

Modifications plus larges et complexes de la structure de l'ADN, incluant les échanges, les déplacements, ou les inversions de fragments d'ADN. Elles peuvent entraîner des changements majeurs dans l'expression des gènes ou la fonction des protéines.

Comment les mutations s'expriment (exemples chez les bactéries)

Les mutations peuvent avoir diverses conséquences phénotypiques chez les bactéries :

• Modification de la forme ou de la motilité (ex: production de flagelles modifiés, perte de mobilité).
• Acquisition d'une résistance aux antibiotiques.
• Auxotrophie : Incapacité à synthétiser un composé essentiel, nécessitant un apport externe.
• Altérations des mutations cataboliques : Modification de l'utilisation ou de la dégradation de certains substrats.
• Augmentation de la thermorésistance / thermotolérance : Capacité à croître à des températures plus élevées.

Mutation par réversion

• Réversion vraie : Une seconde mutation qui restaure exactement la séquence d'ADN originale (type sauvage) et donc le phénotype sauvage.
• Réversion équivalente (mutations suppresseuses) : Une seconde mutation qui se produit à un autre endroit du génome (sur le même gène ou un gène différent) et qui compense l'effet de la première mutation. Le phénotype sauvage est rétabli, mais la séquence d'ADN originale n'est pas forcément restaurée.

🔴 Piège : Une "réversion" ne signifie pas nécessairement un retour exact à la séquence d'ADN d'origine.

Agents mutagènes

Les agents mutagènes sont des substances ou des rayonnements qui augmentent le taux de mutation.

A) Mutagènes chimiques (mécanismes et exemples)

1. Analogues de bases :
   • Ressemblent structurellement aux bases azotées normales et peuvent être incorporés dans l'ADN lors de la réplication.
   • Leur appariement anormal avec d'autres bases entraîne des mutations une fois fixées.
   • Exemples : 5-bromouracile (analogue de la thymine), 2-aminopurine (analogue de l'adénine).
2. Agents alkylants / méthylants :
   • Ajoutent des groupes alkyle ou méthyle sur les bases azotées, modifiant leurs propriétés d'appariement.
   • Provoquent des mésappariements lors de la réplication.
   • Exemple : Nitrosoguanidine.
3. Agents intercalaires :
   • S'insèrent entre les paires de bases de la double hélice d'ADN, déformant la structure.
   • Cette perturbation entraîne des insertions ou des délétions de nucléotides lors de la réplication, provoquant des mutations par frameshift.
   • Exemples : Bromure d'éthidium, acridine orange.
4. Acide nitreux (HNO₂) : Désamination
   • Transforme chimiquement les bases azotées par désamination oxidative, altérant leurs capacités d'appariement.
   • Provoque des transitions :
     • Adénine (A) → Hypoxanthine (s'apparie avec C).
     • Cytosine (C) → Uracile (s'apparie avec A).
     • Guanine (G) → Xanthine (appariement modifié).
5. Tautomérisation des bases :
   • Les bases azotées peuvent exister sous des formes tautomères rares (isomères structurels qui diffèrent par la position d'un atome d'hydrogène).
   • Ces formes tautomères ont des propriétés d'appariement modifiées, conduisant à des appariements anormaux et des mutations après des cycles de réplication.

B) Mutagènes physiques

1. Rayons UV (ultraviolets) :
   • Induisent la formation de dimères de pyrimidines, principalement des dimères de thymine (T-T) ou de thymine-cytosine (T-C).
   • Ces liaisons covalentes entre deux pyrimidines adjacentes sur le même brin bloquent ou perturbent la réplication et la transcription de l'ADN.
2. Radiations ionisantes (rayons X, gamma, cosmiques) :
   • Hautement énergétiques, elles provoquent l'ionisation des molécules et entraînent des lésions graves de l'ADN (bases instables, cassures de simple ou double brin, etc.).
   • Leur pouvoir mutagène est généralement supérieur à celui des radiations non ionisantes.

Effets des mutations sur les protéines (très demandé)

• Silencieuse : Un changement de nucléotide dans l'ADN entraîne un changement de codon, mais ce nouveau codon spécifie le même acide aminé. Il n'y a donc pas de modification de la protéine ni de son phénotype.
• Faux-sens (missens) : La mutation modifie un codon de manière à ce qu'il spécifie un acide aminé différent. La protéine est modifiée, et sa fonction peut être altérée (réduite, abolie, ou parfois améliorée).
• Non-sens (nonsense) : Un codon spécifiant un acide aminé est transformé en un codon STOP prématuré. Cela conduit à la production d'une protéine tronquée, généralement non fonctionnelle ou instable.
• Frameshift (décalage du cadre de lecture) : Causées par des insertions ou délétions de nucléotides dont le nombre n'est pas un multiple de 3. Elles décalent la lecture du code génétique à partir du point de mutation, entraînant une séquence d'acides aminés complètement différente en aval, et souvent un codon STOP prématuré. La protéine est presque toujours non fonctionnelle.

Pièges fréquents (Chapitre III)

• Ne pas confondre une lésion de l'ADN (dommage réparable) et une mutation fixée (changement stable et héréditaire).
• Confondre transition et transversion.
• Oublier que les agents intercalaires provoquent des mutations par frameshift.
• Oublier que les UV induisent principalement des dimères de pyrimidines.
• Ne pas distinguer la réversion vraie de la réversion équivalente (suppresseur).

Systèmes de réparation des mutations (lésions de l'ADN)

L'intégrité de l'ADN est constamment menacée par des erreurs de réplication et des agressions environnementales. Les cellules ont développé des mécanismes sophistiqués pour réparer ces lésions et prévenir leur transformation en mutations stables.

Pourquoi réparer ?

• L'ADN est fréquemment altéré : Les lésions peuvent se produire par des erreurs inherentes à la réplication (mutations spontanées) ou par exposition à des agents chimiques ou physiques (mutations induites).
• Les lésions peuvent devenir des mutations : Si une lésion n'est pas réparée avant le prochain cycle de réplication, elle peut être transformée en une mutation permanente et héréditaire.

Trois grandes stratégies de réparation

1. Restauration (réparation directe) : La lésion est directement inversée ou corrigée sans excision de nucléotides.
2. Suppression (excision) de la zone endommagée : La partie de l'ADN contenant la lésion est retirée, puis resynthétisée.
3. Tolérance de la zone endommagée (réparation indirecte) : Les lésions ne sont pas directement réparées, mais contournées, souvent pour permettre à la réplication de continuer. Ce sont des mécanismes de dernier recours.

I) Restauration directe (sans enlever un fragment)

Ces mécanismes corrigent la lésion sans enlever de nucléotides de l'ADN :

1. Photoréactivation (photolyase) :
   • Répare spécifiquement les dimères de pyrimidines (formés par les UV).
   • Nécessite la lumière visible comme source d'énergie. La photolyase absorbe cette énergie pour cliver les liaisons covalentes du dimère, restaurant ainsi la structure originale de l'ADN.
2. Réversion de dépurination :
   • Certaines enzymes peuvent restaurer directement une base perdue (site abasique) ou modifier une base anormale résultant d'une dépurination.
3. Réparation des ruptures simple brin :
   • Les cassures sur un seul brin de l'ADN peuvent être directement ressoudées par une ADN ligase.
4. Désalkylation (alkyltransférases) :
   • Des enzymes comme la O⁶-méthylguanine méthyltransférase enlèvent directement les groupes alkyle ou méthyle attachés à une base, restaurant ainsi sa structure normale.

🔴 Piège : La photoréactivation est un mécanisme lumière-dépendant.

II) Suppression (excision) de la zone endommagée

Ces mécanismes impliquent l'excision d'une partie de l'ADN endommagé, suivie d'une nouvelle synthèse et d'une ligature.

A) BER — Excision de base (Base Excision Repair)

Ce système cible la réparation d'une seule base anormale ou de petites lésions locales.

1. Reconnaissance de la base anormale.
2. Une ADN glycosylase spécifique clive la base glycosidique entre la base azotée et le sucre, créant un site AP (apurinique/apyrimidinique).
3. Une endonucléase AP coupe le brin au niveau du site AP, et une phosphodiestérase enlève le sucre-phosphate.
4. Une ADN polymérase remplit l'espace avec le nucléotide correct.
5. Une ligase scelle la brèche en formant une liaison phosphodiester.

✅ Exemple : L'uracile ADN-glycosylase, qui retire l'uracile de l'ADN.

B) NER — Excision de nucléotides (Nucleotide Excision Repair)

Ce système répare les lésions "volumineuses" ou celles qui déforment la double hélice, comme les dimères de pyrimidines induits par les UV.

1. Détection de la distorsion de la double hélice.
2. Excision d'un fragment d'environ 12-13 nucléotides (chez les procaryotes) incluant la lésion, par des endonucléases.
3. Une ADN polymérase remplit l'espace vacant en utilisant le brin complémentaire comme matrice.
4. Une ligase scelle le nouveau fragment à l'ADN existant.

🔴 Piège BER vs NER :

• BER enlève une seule base, créant un site AP.
• NER enlève un fragment de plusieurs nucléotides.

C) Correction des mésappariements (Mismatch Repair - MMR)

Ce système corrige les erreurs (mésappariements de bases ou petits loops d'insertion/délétion) qui ont échappé à la correction d'épreuve pendant la réplication.

1. Proofreading (correction d'épreuve) :
   • Première ligne de défense, effectuée par l'ADN polymérase elle-même grâce à son activité exonucléase 3'→5'. Elle retire immédiatement les nucléotides mal appariés et les remplace.
2. MMR guidée par la méthylation (chez les procaryotes) :
   • Idée clé : Distinguer le brin parental du brin néosynthétisé pour corriger l'erreur sur le bon brin.
   • Le brin ancien (parental) est méthylé sur certaines adénines (sites GATC chez E. coli).
   • Le brin néosynthétisé n'est pas encore méthylé juste après la réplication.
   • Étapes :
     1. Détection d'un mésappariement par le complexe protéique MutS/MutL.
     2. MutH se lie à un site GATC méthylé et, en collaboration avec MutSL, crée une entaille sur le brin non méthylé, soit en amont soit en aval du mésappariement.
     3. Une hélicase et une exonucléase retirent un segment du brin non méthylé contenant l'erreur.
     4. L'ADN polymérase III remplit l'espace vacant.
     5. La ligase scelle le brin.

🔴 Piège majeur : Le système MMR corrige l'erreur sur le brin néosynthétisé, jamais sur le brin matrice (parental).

III) Tolérance de la zone endommagée

Ces systèmes sont des mécanismes de "dernier recours" pour permettre la survie de la cellule face à des dommages importants, quitte à être potentiellement mutagènes.

A) Réparation par recombinaison homologue (RecA)

• Lorsqu'une lésion bloque l'ADN polymérase pendant la réplication, elle peut laisser une lacune sur le brin nouveau.
• La protéine RecA intervient pour combler cette lacune en utilisant l'information du brin homologue intact de la chromatide sœur (ou du chromosome parental).
• Après cette recombinaison, la lésion originale peut être excisée et l'espace comblé par synthèse et ligature.

B) Système SOS

• Système d'urgence activé lorsque les dommages à l'ADN sont trop nombreux et que les autres mécanismes de réparation sont dépassés.
• Normalement, le répresseur LexA bloque l'expression des gènes SOS.
• Face à des dommages massifs, la protéine RecA est activée et clive LexA, ce qui permet l'expression de nombreux gènes SOS.

🔴 Piège : Le système SOS est un mécanisme de dernier recours (tolérance) qui peut introduire des mutations ("polymérases de l'erreur") pour assurer la survie de la cellule, mais avec une fidélité de réplication réduite.

Pièges fréquents

• Confondre la réparation directe (restauration) avec les systèmes d'excision (BER/NER).
• Confondre les spécificités de BER (une base) et NER (fragment de plusieurs nucléotides).
• Oublier l'importance de la méthylation GATC pour guider la correction du brin néosynthétisé dans le DNT.
• Oublier la cascade RecA → clivage LexA → activation des gènes SOS.
• Utiliser le terme "mutation" alors qu'il s'agit encore d'une lésion réparable (non encore fixée).

Éléments extrachromosomiques (plasmides)

En plus de leur chromosome principal, les bactéries contiennent souvent des éléments génétiques extrachromosomiques appelés plasmides, qui confèrent des avantages adaptatifs importants.

Définition et caractéristiques des plasmides

Les plasmides sont des molécules d'ADN bicaténaire, fermées, circulaires et souvent surenroulées, distinctes et indépendantes du chromosome bactérien.

• Structures facultatives : Les bactéries peuvent survivre sans eux.
• Généralement extrachromosomiques, mais certains peuvent s'intégrer au chromosome (épisomes).
• Possèdent une réplication autonome, indépendante de celle du chromosome.
• Assurent une transmission stable à la descendance lors de la division cellulaire.
• Codent des fonctions qui confèrent un avantage adaptatif à la cellule hôte, bien qu'elles ne soient pas indispensables à sa survie de base.

1.1 Fonctions des plasmides

Les fonctions codées par les plasmides ne sont pas essentielles à la vie de la bactérie dans des conditions normales, mais elles peuvent lui conférer des avantages significatifs dans des environnements spécifiques :

• Fertilité et mobilisation d'autres éléments génétiques : Les plasmides de fertilité (ex: facteur F) codent des protéines (comme les pilis sexuels) nécessaires à la conjugaison, un mécanisme de transfert de gènes.
• Résistance aux antibiotiques : Les plasmides R portent des gènes qui confèrent une résistance à un ou plusieurs antibiotiques.
• Résistance aux métaux lourds : Certains plasmides R portent aussi des gènes de résistance contre des composés toxiques comme les métaux lourds.
• Capacités cataboliques / métaboliques supplémentaires : Permettent à la bactérie de dégrader ou d'utiliser de nouvelles sources de carbone ou d'énergie.
• Virulence : Les plasmides Vi codent des facteurs de virulence (toxines, adhésines) qui augmentent la pathogénicité de la bactérie.

Les plasmides de fertilité (F)

• Portent les gènes nécessaires à la conjugaison, transformant la cellule hôte en cellule donneuse (F+).
• Les gènes de transfert (tra) sont organisés en un opéron et codent :
  • Des protéines des pilis sexuels (ex: traA, traL, traE, traK, traB, traV, traC, traW, traU, traF, traQ, traH, traG).
  • Des protéines d'exclusion de surface (ex: traS, traT) pour empêcher la conjugaison entre cellules F+.
  • Des protéines impliquées dans la synthèse et le transfert de l'ADN (gènes mob) (ex: traM, traY, traD, traI, traZ).
  • Des régulateurs (ex: finP, finO, traJ).
• Schéma du plasmide F : Il contient la région tra, une origine de transfert (oriT), une origine de réplication (oriV), et souvent des séquences d'insertion (IS comme IS2/IS3) ou des transposons (Tn comme Tn1000) qui favorisent l'intégration au chromosome.

Les plasmides de résistance (R)

• Contiennent des gènes qui confèrent une résistance à un ou plusieurs antibiotiques ou autres agents antibactériens (ex: plasmide R100).

Les plasmides de virulence (Vi)

• Portent des gènes augmentant la pathogénicité d'une bactérie, tels que des toxines ou des adhésines.
• Exemple : Le plasmide Ti chez Agrobacterium tumefaciens, qui induit la formation de tumeurs chez les plantes.

Les plasmides cataboliques (métaboliques)

• Contiennent des gènes codant des enzymes capables de dégrader des composés spécifiques (aromatiques, glucides, hydrocarbures, acides aminés), permettant à la bactérie de métaboliser des substrats inhabituels.

Structure génomique d'un plasmide

Un plasmide est organisé en plusieurs éléments clés :

1. Réplicon de base (2–3 kb) : La partie minimale nécessaire à la réplication autonome du plasmide.
   • Origine de réplication (Ori V) : Séquence où débute la réplication du plasmide. (Note : le terme Ori C est utilisé pour le chromosome bactérien, mais on peut le retrouver pour le plasmide dans certains contextes d'apprentissage).
   • Gènes rep : Codent des protéines essentielles à la réplication du plasmide.
   • Gènes cop : Régulent le nombre de copies du plasmide par chromosome (ou par cellule).
     • Faible nombre de copies : 1 par chromosome (ex: plasmide F).
     • Nombre de copies moyen : 10–20.
     • Nombre de copies élevé : 30–100 (ex: pUC18, utilisé en clonage).
   • Gènes inc : Déterminent l'incompatibilité.
     • Une bactérie peut héberger plusieurs plasmides s'ils sont compatibles (c'est-à-dire s'ils utilisent des mécanismes de régulation ou des origines de réplication différents).
     • Si deux plasmides partagent le même mécanisme de régulation de la réplication, ils seront incompatibles et ne pourront pas coexister de manière stable dans la même cellule, entraînant la perte de l'un d'entre eux.
2. Gènes de maintenance : Assurent la stabilité et le maintien du plasmide dans la population bactérienne.
   • Gènes par (partition) : Codent des protéines qui aident à la ségrégation équitable des copies du plasmide vers les cellules filles lors de la division.
   • Résolution des multimères (résolvase) : Résout les multimères formés par recombinaison homologue entre plusieurs copies d'un même plasmide, assurant que les plasmides restent sous forme monomére et peuvent être correctement ségrégués.
   • Systèmes poison–antidote (PA) ou toxine-antitoxine : Assurent la "mort post-ségrégationnelle". Si une cellule fille n'hérite pas du plasmide, elle produira un poison stable non neutralisé par l'antidote dégradable (codé par le plasmide), ce qui entraînera sa mort. Cela favorise la rétention du plasmide.
3. Gènes de transfert (tra) : Impliqués dans le mécanisme de conjugaison (chez les plasmides conjugatifs).
4. Gènes codants : Les gènes qui confèrent les avantages adaptatifs (résistance, virulence, etc.), à l'exception des plasmides cryptiques qui ne codent aucune fonction connue.

Plasmides et épisomes

Certains plasmides ont la capacité de s'intégrer de manière réversible dans le chromosome bactérien. Lorsqu'ils sont intégrés, on les appelle des épisomes.

Types de plasmides

• Conjugatifs (autotransférables) :
  • Ce sont des molécules d'ADN circulaires autoréplicatives et auto-transférables.
  • Très répandus chez les bactéries et les archées.
  • Une bactérie peut en héberger entre 0 et une dizaine.
  • Codent une large gamme de fonctions diverses.
• Mobilisables :
  • Ne possèdent pas un système complet de conjugaison pour se transférer eux-mêmes.
  • Dépendent de la machinerie d'un élément conjugatif (un plasmide conjugatif "helper") pour être transférés entre cellules.
• Non transférables :
  • Ni auto-transférables ni mobilisables. Leur transfert ne peut se faire que par transformation.

La réplication des plasmides

Les plasmides utilisent deux principales stratégies de réplication autonome :

A) Réplication de type $ \theta $ (thêta)

• Similaire à la réplication du chromosome circulaire bactérien.
• Implique la formation de deux fourches de réplication après séparation des deux brins.
• Une protéine d'initiation (protéine rep) se fixe à l'origine de réplication (Ori V).
• Synthèse d'une amorce ARN par la primase.
• Synthèse continue sur un brin (précoce) et discontinue sur l'autre (tardif) pour chaque fourche.

B) Réplication par cercle roulant (rolling-circle)

• Mécanisme utilisé pour la réplication végétative de certains plasmides et pendant le transfert par conjugaison.
• C'est un mécanisme unidirectionnel.
• Une protéine d'initiation (souvent une nucléase codée par le plasmide) crée une coupure sur un seul brin de l'ADN circulaire, exposant une extrémité 3'-OH.
• La polymérase s'y fixe pour démarrer l'élongation, en utilisant le brin intact comme matrice et en "déroulant" l'ADN, ce qui déplace le brin coupé.
• Le brin déplacé sert ensuite de matrice pour une synthèse d'ADN complémentaire, produisant une nouvelle molécule d'ADN double brin.

• Un plasmide de fertilité ne devient pas F- après avoir conjugué : il reste F+.
• La présence de séquences IS n'est pas uniquement liée aux transposons ; elles sont des éléments mobiles à part entière.

Transfert de gènes chez les procaryotes

Le transfert de gènes chez les procaryotes peut s'effectuer de manière verticale (de cellule mère à cellule fille) ou horizontale (entre cellules d'une même espèce ou d'espèces différentes). Ce dernier mécanisme est crucial pour l'évolution bactérienne et l'adaptation aux environnements changeants.

1. Transfert vertical

• Transmission de l'information génétique lors de la croissance bactérienne (division cellulaire).
• Mécanisme d'équipartition garantissant que l'ADN (chromosome et plasmides répliqués) est distribué aux deux cellules filles.

2. Transfert horizontal (transfert de cellule à cellule)

Mécanismes de transfert génétique entre bactéries :

1. Conjugaison : Contact physique direct entre deux cellules.
2. Mobilisation : Transfert d'un plasmide non conjugatif grâce à un plasmide conjugatif helper.
3. Transduction : Transfert d'ADN bactérien via un bactériophage.
4. Transformation : Acquisition d'ADN nu (libre) par une cellule bactérienne.

1. Le transfert de gènes par conjugaison

Mécanisme de transfert direct d'ADN d'une bactérie (donneuse) à une autre (receveuse) via contact physique.

Caractéristiques

• Nécessite un contact physique étroit entre deux cellules.
• Implique une différence de "sexe" : une cellule donneuse (F+) et une cellule receveuse (F−).
• Peut avoir lieu entre bactéries de la même espèce ou d'espèces différentes.
• Transfert d'une copie du plasmide conjugatif (souvent le facteur F).

Schéma F+ / F− (points clés à retenir)

1. Une cellule F+ (donneuse) établit un contact avec une cellule F− (receveuse) via des pilis sexuels.
2. Formation d'un pont cytoplasmique (ou pore de conjugaison) entre les deux cellules.
3. L'ADN du plasmide F est entaillé à l'origine de transfert (oriT).
4. Un brin de l'ADN plasmidique est transféré de la F+ vers la F− selon le modèle de réplication par cercle roulant.
5. Pendant le transfert, l'ADN monocaténaire est synthétisé dans la cellule receveuse pour le rendre bicaténaire.
6. Le facteur F reste dans la cellule donneuse (qui reste F+).
7. La cellule receveuse acquiert une copie complète du plasmide F et devient à son tour F+.
8. Très peu de recombinants génomiques sont isolés (principalement transfert plasmidique).

Hfr (Haute Fréquence de Recombinaison)

• Les souches Hfr dérivent de souches F+ lorsque le facteur F s'intègre au chromosome bactérien. Le plasmide F cesse alors d'être un élément autonome et devient un épisome.
• Les souches Hfr ont une fréquence de recombinaison chromosomique 1000 fois plus élevée que les souches F+.
• Cette intégration est facilitée par des éléments mobiles comme les séquences d'insertion (IS) et les transposons (Tn) qui se trouvent sur le plasmide F et le chromosome.
• Le facteur F peut s'intégrer à divers endroits sur le chromosome, donnant lieu à différents types de souches Hfr.

Schéma Hfr × F− (étapes à réciter)

1. Contact entre une souche Hfr et une F− via les pilis sexuels.
2. Le plasmide F intégré débute son transfert à partir de son origine de transfert (oriT), entraînant avec lui une partie de l'ADN chromosomique. Le transfert s'effectue de manière linéaire.
3. La réplication de l'ADN monocaténaire transféré se fait selon le modèle du cercle roulant dans la receveuse.
4. L'incorporation des gènes chromosomiques transférés dans le chromosome de la bactérie réceptrice se fait par crossing-over (recombinaison homologue).
5. Le transfert est long (jusqu'à 120 minutes pour un chromosome entier) et est souvent interrompu avant la fin.
6. Résultat : On obtient 1000 fois plus de recombinants chromosomiques. Cependant, très peu de bactéries receveuses F− deviennent F+ (car le transfert complet du facteur F est rare).

F'

• Une souche Hfr peut occasionnellement subir une excision imprécise du facteur F intégré.
• Lors de cette excision, le plasmid e F libéré peut emporter avec lui une partie des gènes chromosomiques adjacents.
• La cellule est alors qualifiée de F' et porte un plasmide F qui contient des gènes chromosomiques.

Vocabulaire (lié à l'analyse sur gel d'agarose)

• Transconjugant : Cellule receveuse qui a acquis le plasmide (ou des gènes chromosomiques) par conjugaison.
• Souche curée : Souche bactérienne dont le plasmide a été éliminé.

2. Le transfert de gènes par transduction

Définition : Introduction d'ADN bactérien exogène (provenant d'une cellule donneuse) dans une autre bactérie (receveuse) via un vecteur viral, le bactériophage (phage).

Phages

• Phages virulents : Effectuent un cycle lytique, lysant la bactérie hôte et libérant de nouveaux virions.
• Phages tempérés : Peuvent entrer dans un cycle lysogénique, où leur génome (prophage) s'intègre au chromosome bactérien. La bactérie hôte est alors appelée lysogène.
• Le passage d'un cycle lysogénique à un cycle virulent (induction) peut être spontané ou provoqué (ex: irradiation UV).

A) Transduction généralisée

• Réalisée par des phages virulents (ou tempérés lors de leur cycle lytique).
• Pendant le cycle lytique, lors de l'encapsidation de l'ADN viral, il y a parfois une erreur aléatoire où des fragments d'ADN bactérien sont encapsidés dans les capsides phagiques (environ 1 à 2,5% des phages).
• Ces phages anormaux sont appelés phages composites ou particules transductrices.
• Une particule transductrice peut infecter une nouvelle bactérie et lui transférer un fragment d'ADN de la bactérie lysée (cellule transduite).
• Exemples : Phage P1 (chez E. coli) ; Phage P22 (chez Salmonella enterica).
• La fréquence de transfert est généralement faible.
• L'ADN bactérien introduit peut s'intégrer par recombinaison homologue au chromosome de la cellule receveuse, permettant une expression stable des marqueurs transférés (transduction complète).

B) Transduction spécialisée (localisée)

• Réalisée par des phages tempérés qui s'intègrent au chromosome bactérien à un site spécifique et toujours le même.
• Lorsque le prophage passe du cycle lysogénique au cycle lytique, il s'excise du chromosome bactérien grâce à une excisionase.
• Normalement, l'excision est précise et ne libère que l'ADN phagique.
• Une excision anormale peut parfois se produire :
  • Le phage abandonne une partie de son propre ADN.
  • Il encapside en échange des gènes bactériens situés à proximité immédiate des sites d'insertion du prophage.
• Par conséquent, la transduction est limitée aux gènes bactériens qui sont adjacents aux sites d'intégration du phage, ce sont toujours les mêmes gènes qui sont transférés.

3. Transformation

• Définition : Acquisition directe d'ADN nu (libre) présent dans l'environnement par une cellule bactérienne naturellement compétente ou rendue compétente artificiellement (en laboratoire).
• L'ADN exogène peut par la suite s'intégrer au génome de la bactérie receveuse par recombinaison homologue.

• Les pilis sexuels ne sont pas toujours longs ; il existe différents types.
• Le plasmide F ne fusionne pas toujours entièrement avec le chromosome pour former une Hfr, cela dépend des séquences IS.

Les transposons (éléments transposables)

Les transposons sont des séquences d'ADN "sautantes" ou mobiles, capables de se déplacer au sein d'un génome. Ils jouent un rôle important dans l'évolution génomique et l'acquisition de nouvelles fonctions chez les procaryotes.

1) Définition

• Les transposons, ou éléments transposables, sont des fragments d'ADN qui ont la capacité de se déplacer d'un locus à un autre.
• Ce déplacement peut s'effectuer sur un même brin d'ADN (intrachromosomique ou intra-plasmidique) ou d'un fragment d'ADN (plasmide) à un autre (chromosome ou autre plasmide).
• Le processus de transposition (parfois appelée "recombinaison" non homologue) nécessite des enzymes spécifiques : l'intégrase ou la transposase, qui sont généralement codées par le transposon lui-même.

2) Classification (structure + mode de transposition)

Séquences d'insertion (IS)

Les IS sont les transposons les plus simples.

Caractéristiques :

• Petits éléments transposables : Leur taille varie généralement de 750 à 2500 paires de bases (pb).
• Organisation compacte : Ils codent principalement pour les protéines nécessaires à leur propre mobilité.
  • La principale enzyme codée est la transposase (TnpA).
• Extrémités Inverted Repeats (IR) : Elles sont flanquées par de courtes séquences répétées inversées (IR), de 10 à 40 pb de long. Ces séquences sont essentielles pour le mécanisme de transposition.

Modes de transposition :

• Les IS n'ont pas un mode de transposition unique :
  • Certaines IS sont non réplicatives (conservatrices), où l'élément se déplace sans faire de copie (ex: IS10).
  • D'autres sont réplicatives, où une copie de l'élément est insérée à un nouvel endroit, l'original restant en place (ex: IS6).
  • D'autres encore peuvent avoir des modes mixtes (ex: IS1).
• Fréquence : La transposition est généralement un événement rare et strictement contrôlé, soit par l'élément lui-même, soit par des facteurs de l'hôte.

✅ Piège : Ne pas oublier les tailles : IS = 750–2500 pb ; IR = 10–40 pb.

Les transposons

1) Transposons unitaires (ou composites simples)

Ces transposons sont plus complexes que les IS et contiennent des gènes "utiles" en plus de ceux de la transposition.

Enzymes indispensables :

• Transposase : Essentielle pour le processus de coupe et d'insertion.
• Résolvase (TnpR) : Enzyme qui catalyse une recombinaison sur un site spécifique (site res) porté par le transposon, terminant ainsi la réaction en mode réplicatif.

Sous-groupes :

• Ils sont classés en deux groupes majeurs selon l'orientation du cadre de lecture de la résolvase (TnpR) par rapport à la transposase (TnpA).

Contenu génétique :

• En plus des protéines impliquées dans leur dissémination, les transposons unitaires codent souvent des gènes de résistance (aux antibiotiques ou aux métaux lourds).

Mode de transposition :

• Exclusivement réplicatif (une copie est insérée à un nouveau site, l'original restant en place).
• Conduit systématiquement à une duplication de 5 pb du site cible d'insertion. Cette duplication est une "signature" caractéristique de la transposition réplicative.

✅ Pièges :

• Unitaire ≠ IS (présence de résolvase et d'un site res en plus des gènes de résistance).
• Détail important pour l'examen : La duplication de 5 pb au site d'insertion.

2) Transposons composites

Les transposons composites sont formés par deux séquences d'insertion (IS) qui flanquent un segment d'ADN contenant des gènes "utiles" (souvent des gènes de résistance).

• Les IS peuvent "collaborer" : elles fournissent les transposases nécessaires pour mobiliser l'intégralité de la séquence comprise entre les deux IS.
• Les deux IS peuvent être orientées de manière directe ou inverse l'une par rapport à l'autre.

Exemples à savoir :

• Tn5 (flanqué par des IS50) : Confère une résistance à la kanamycine.
• Tn9 (flanqué par des IS1) : Confère une résistance au chloramphénicol.
• Tn10 (flanqué par des IS10) : Confère une résistance aux tétracyclines.

✅ Piège : Un transposon composite est constitué de IS + ADN entre les IS + IS.

3) Transposons conjugatifs

Ce sont des éléments transposables capables de se transférer directement entre bactéries par un mécanisme de conjugaison.

Caractéristiques :

• Appartiennent à une famille homogène.
• Sont de très grands éléments : le plus petit (Tn916) fait 18,4 kpb, et ils peuvent atteindre 100 kpb.
• Flanqués par des séquences inversées répétées de 20 à 30 pb à leurs extrémités.
• Entre ces bornes, ils contiennent des gènes impliqués dans :
  • Les mécanismes de coupure et d'échange de brins d'ADN (pour la transposition).
  • Le processus de conjugaison.
  • Divers marqueurs de résistance (antibiotiques, etc.).

C) Deux types de transposition

1. Transposition conservatrice (ou "couper-coller") :
   • La séquence d'ADN est excisée de son site donneur et insérée à un nouveau site accepteur.
   • Il n'y a pas de duplication de l'élément transposable; le nombre de copies reste le même.
2. Transposition réplicative :
   • L'élément est copié, et la copie est insérée à un nouveau site.
   • L'élément original reste à son site donneur.
   • Cela entraîne une augmentation du nombre de copies de l'élément transposable dans le génome.

✅ Piège :

• Conservatrice = déplacement de l'original.
• Réplicative = copie de l'élément + conservation au site d'origine.

• Tous les transposons ne sont pas conjugatifs.
• La présence d'IR n'indique pas automatiquement un mode de transposition réplicatif.

Les intégrons

Les intégrons sont des plateformes génétiques bactériennes spécialisées qui permettent l'acquisition, l'expression et la dissémination de gènes, souvent de résistance aux antibiotiques, sous forme de cassettes géniques.

1) Définition + localisation

• Les intégrons sont des éléments génétiques capables d'acquérir ou de perdre des gènes, principalement des gènes de résistance aux antibiotiques, organisés sous forme de cassettes géniques.
• L'intégration ou l'excision de ces cassettes se fait via une recombinaison spécifique de site, catalysée par une enzyme appelée intégrase.
• On les retrouve principalement chez les bactéries Gram négatif, notamment les entérobactéries (E. coli, Klebsiella), Pseudomonas, Acinetobacter, Vibrio et Campylobacter.

✅ Piège : Contrairement aux transposons, les cassettes géniques elles-mêmes ne contiennent pas de gène codant l'enzyme de leur mouvement (l'intégrase est codée par l'intégron, pas par la cassette).

2) Organisation générale

Un intégron est caractérisé par deux régions conservées et une zone d'insertion des cassettes :

• Deux régions conservées : une région 5' conservée et une région 3' conservée.
• Entre ces deux régions, on trouve une zone où peuvent s'insérer une ou plusieurs cassettes géniques.
• Seule la région 5' conservée contient le gène intI, qui code l'intégrase (IntI1, IntI2, IntI3, etc.). Cette intégrase est apparentée aux recombinases spécifiques de site, notamment les intégrases de bactériophages.

3) Classes d'intégrons

Les intégrons sont classés en différentes classes selon la séquence de leur gène intI :

• Classe 1 :
  • Souvent associés aux transposons de la famille Tn21.
  • Possèdent le gène intI1 codant l'intégrase IntI1 (337 acides aminés).
  • Confèrent une résistance à de nombreux antibiotiques (β-lactamines, chloramphénicol, etc.).
• Classe 2 :
  • Souvent trouvés sur le transposon Tn7 et ses dérivés.
  • Contiennent le gène intI2 codant l'intégrase IntI2 (qui a 46% d'homologie avec IntI1 et est légèrement plus courte de 12 acides aminés).
  • Confèrent une résistance aux aminosides, streptothricine, triméthoprime.
• Classe 3 :
  • Contiennent le gène intI3 codant l'intégrase IntI3 (qui a 61% d'identité avec IntI1).
  • Confèrent une résistance aux β-lactamines et aux aminosides.

✅ Piège : Savoir associer : Classe 1 $\leftrightarrow$ Tn21 ; Classe 2 $\leftrightarrow$ Tn7.

4) Les cassettes : structure commune

La cassette génique est l'unité mobile de l'intégron :

• Une cassette contient un gène (ouvert de lecture).
• Ce gène est flanqué à son extrémité 3' par une séquence palindromique et de petite taille, le site attC.
• Le site attC est le site de reconnaissance spécifique par l'intégrase, permettant l'intégration ou l'excision de la cassette.
• Le site attC est souvent appelé "élément 59-pb" car les premiers sites décrits avaient cette taille.
• La structure du site attC est caractérisée par des séquences relativement conservées, inversées et répétées, capables de former une structure cruciforme. La conservation est la plus forte sur les 20 premières et 20 dernières bases, tandis que la région centrale est très variable.
• Plus de 60 familles de cassettes de résistance (antibiotiques/antiseptiques) ont été décrites.

5) Mouvement des cassettes

• Le mouvement des cassettes (intégration et excision) se produit par recombinaison spécifique de site.
• Les cassettes intégrées sont sous forme linéaire dans l'intégron.
• Les cassettes excisées peuvent exister sous forme circulaire libre.
• L'intégrase (ex: IntI1) catalyse à la fois l'intégration et l'excision des cassettes. Ce mouvement n'implique pas la protéine RecA, contrairement à la recombinaison homologue.

Sites impliqués :

• attC : Situé à l'extrémité 3' de chaque cassette génique.
• attI : Un site d'intégration situé à la jonction entre la région 5' conservée de l'intégron et la première cassette insérée.

Combinaisons et préférences :

• La recombinaison est possible entre : attC–attC ou attC–attI.
• L'intégration de nouvelles cassettes se fait préférentiellement entre le site attI de l'intégron et le site attC d'une cassette libre.
• L'excision des cassettes se produit plutôt entre deux sites attC–attC voisins.

✅ Piège : L'intégration et l'excision n'ont pas la même préférence de sites de recombinaison.

ADN : Structure et Organisation chez les Procaryotes

L'ADN est la molécule support universel de l'information génétique. Chez les procaryotes, il est localisé dans le cytoplasme, au sein d'une région appelée nucléoïde.

Définitions Indispensables

• ADN : Molécule support de l'information génétique.

• Nucléotide : Unité de base de l'ADN, composée d'un phosphate, d'un désoxyribose (pentose) et d'une base azotée.

• Chromosome : ADN compacté associé à des protéines.

• Gène : Portion d'ADN située à un locus précis, portant une information qui code souvent pour une protéine, déterminant ainsi un caractère.

• Allèle : Version différente d'un même gène, source de diversité génétique.

La Composition du Nucléotide

• Phosphate (H₃PO₄) : Forme les liaisons phosphodiester qui relient les nucléotides entre eux pour construire la chaîne d'ADN.

• Sucre : Le désoxyribose, un pentose dont les carbones sont numérotés de 1' à 5'.

• Bases Azotées :

  • Pyrimidiques : Cytosine (C) et Thymine (T).

  • Puriques : Adénine (A) et Guanine (G).

  Ces bases constituent l'« alphabet chimique » de l'ADN : A, T, C, G.

Organisation en Double Hélice

• Le squelette sucre–phosphate est situé à l'extérieur de l'hélice.

• Les bases azotées sont orientées vers l'intérieur et sont accessibles via les grands et petits sillons de l'hélice.

• Les bases s'apparient par des liaisons hydrogène :

  • Adénine (A) se lie à la Thymine (T)

par 2 liaisons H.

• Cytosine (C) se lie à la Guanine (G) par 3 liaisons H.

• Cette structure est caractérisée par la complémentarité des brins et leur orientation antiparallèle.

Paramètres et Forme de l'Hélice (Forme B)

• Environ 10 paires de bases par tour.

• Le pas de l'hélice est de 34 Å.

• Le diamètre approximatif est de 20 Å.

• Présence de 2 sillons : un grand sillon (~22 Å) et un petit sillon (~12 Å).

Conformations de l'ADN

• ADN B : La forme la plus fréquente et biologiquement active in vivo.

• ADN A : Apparaît dans des conditions pauvres en eau ou lorsque l'ADN est associé à des protéines ; hélice plus "resserrée" avec un diamètre plus grand et environ 11 paires de bases par tour.

• ADN Z : Une hélice gauche, rare, favorisée par une alternance purine/pyrimidine et plus étirée (~12 paires de bases par tour).

Taille du Génome

La taille du génome peut être exprimée en longueur, en masse moléculaire (Dalton) ou en nombre de paires de bases (pb).

• Virus phage λ : ~48 kilobases (kb).

• E. coli : ~4000 kb (≈ 4 mégabases, Mb).

• Homme : 2–3 × 10⁹ paires de bases (l'ADN total mesure environ 2 mètres).

Effets de la Température (Dénaturation)

La dénaturation de l'ADN est la séparation des deux brins due à la rupture des liaisons hydrogène, sans casser le squelette phosphodiester.

• Les deux brins d'ADN sont maintenus ensemble par des liaisons hydrogène.

• Une augmentation de la température ou des conditions spécifiques in vitro (milieu salin) entraînent la séparation des brins, appelée dénaturation.

• L'absorbance à 260 nm de l'ADN simple brin est plus élevée que celle de l'ADN double brin, un phénomène connu sous le nom d'effet hyperchrome.

• La température de fusion (Tm) de l'ADN augmente avec le pourcentage de paires de bases C–G, car ces paires sont plus stables (3 liaisons H contre 2 pour A–T).

Réplication de l'ADN chez les Procaryotes

La réplication de l'ADN assure la transmission fidèle de l'information génétique lors de la division cellulaire.

Définition et Idées Clés

• Réplication semi-conservative : Chaque molécule d'ADN fille est constituée d'un brin parental et d'un brin nouvellement synthétisé.

• La matrice d'ADN est lue dans le sens 3'→5', tandis que la synthèse de l'ADN se fait toujours dans le sens 5'→3', par l'ajout de nouveaux nucléotides sur l'extrémité 3'-OH libre.

• La réplication nécessite la séparation des deux brins d'ADN par rupture des liaisons hydrogène.

• Chez les bactéries, la réplication est bidirectionnelle et démarre à partir d'une origine unique de réplication, formant une structure en "œil" ou en "thêta".

Spécificités Génétiques des Bactéries

• Haploïdes : Elles possèdent une seule copie de chaque gène, ce qui rend les effets des mutations plus facilement observables.

• Temps de génération court : Facilite l'expérimentation rapide.

• Reproduction asexuée : Par division binaire, produisant des clones.

• Elles ont une seule origine de réplication sur leur chromosome.

• Le génome bactérien comprend un chromosome circulaire indispensable et des plasmides, qui sont facultatifs, petits, multicopies et circulaires.

Éléments Nécessaires à la Réplication

La réplication fait intervenir de multiples composants :

• ADN parental : Sert de matrice pour la synthèse des nouveaux brins.

• dNTP (dATP, dCTP, dGTP, dTTP) : Désoxyribonucléotides triphosphates, utilisés comme précurseurs et intégrés sous forme de monophosphates.

• Énergie : Fournie par la libération de pyrophosphate (PPi) lors de l'incorporation des dNTP.

• Ions Mg²⁺ : Essentiels pour stabiliser les dNTP et sont indispensables à l'activité de l'ADN polymérase.

• Enzymes/Protéines clés :

  • DnaA : Reconnaît et se fixe à l'origine de réplication (oriC), riche en A/T chez E. coli (~245 pb).

  • Hélicase : Ouvre la double hélice en rompant les liaisons H.

  • ADN gyrase (topoisomérase) : Relâche les contraintes de surenroulement générées par le déroulement de l'ADN.

  • SSB (Single-Strand Binding proteins) : Protéines qui stabilisent l'ADN simple brin, empêchant son réappariement.

  • Primase : Synthétise de courtes amorces d'ARN nécessaires au démarrage de la polymérisation de l'ADN.

  • ADN Pol III : Principale enzyme d'élongation, ajoute les nucléotides sur l'extrémité 3'-OH à une vitesse d'environ 1000 nucléotides par seconde.

  • ADN Pol I : Possède une activité exonucléase 5'→3' pour retirer les amorces d'ARN et les remplace par de l'ADN.

  • Ligase : Catalyse la formation de liaisons phosphodiester pour souder les fragments d'ADN, notamment les fragments d'Okazaki.

Mécanisme de Réplication (Étapes)

I. Initiation

1. DnaA se fixe à oriC, provoquant une ouverture locale de la double hélice.

2. L'hélicase et l'ADN gyrase poursuivent le déroulement et l'ouverture de l'ADN, formant deux fourches de réplication qui progressent bidirectionnellement, créant l'« œil de réplication ».

3. Les protéines SSB maintiennent les brins séparés pour éviter leur réappariement.

II. Élongation (sens 5'→3' uniquement)

1. La primase synthétise les amorces d'ARN :

   • Une seule amorce est nécessaire sur le brin précoce (leading strand).

   • Plusieurs amorces sont synthétisées sur le brin tardif (lagging strand).

2. L'ADN Pol III allonge les brins :

   • Sur le brin précoce, la synthèse est continue et se dirige vers la fourche de réplication.

   • Sur le brin tardif, la synthèse est discontinue, produisant des fragments d'Okazaki.

3. L'ADN Pol I retire les amorces d'ARN et remplit les espaces avec de l'ADN.

4. La ligase "colle" les fragments d'Okazaki les uns aux autres, transformant le brin tardif discontinu en un brin continu.

III. Terminaison

• La réplication se termine lorsque les deux fourches de réplication se rencontrent et fusionnent, ou est contrôlée par des protéines spécifiques, comme Tus sur les sites Ter chez E. coli.

Fidélité de la Réplication

La fidélité de la réplication est cruciale pour éviter les mutations et maintenir l'intégrité du génome.

Elle repose principalement sur :

• La sélection correcte des bases par l'ADN polymérase, garantissant la complémentarité des nucléotides.

• Les mécanismes de correction ou "proofreading", assurés par l'activité exonucléase 3'→5' des ADN polymérases réplicatives, qui permet de retirer les nucléotides mal appariés.

• Les systèmes de réparation post-réplication (abordés dans le chapitre suivant).

Réplication et Division Cellulaire (Lien)

Chez les bactéries, la réplication commence à oriC et progresse jusqu'aux sites Ter. Une fois le chromosome correctement dupliqué, la cellule peut achever sa division.

Pièges Fréquents

• Sens de synthèse : L'ADN est toujours synthétisé 5'→3' et non 3'→5'.

• Matrice : Le brin parental est lu 3'→5'.

• Brin précoce vs. tardif :

  • Brin précoce : synthèse continue, nécessité d'une seule amorce.

  • Brin tardif : synthèse discontinue, fragments d'Okazaki, plusieurs amorces.

• Confusion des rôles enzymatiques :

  • Hélicase : Ouvre l'hélice (rompt les liaisons H).

  • Gyrase/Topoisomérase : Élimine les surenroulements.

  • SSB : Stabilise l'ADN simple brin.

  • Ligase : Soude les fragments.

  • ADN Pol III : Élonge les brins.

  • ADN Pol I : Retire les amorces ARN et les remplace par de l'ADN.

• dNTP : Ils entrent sous forme triphosphate mais sont intégrés sous forme monophosphate, libérant un PPi (pyrophosphate) qui fournit l'énergie.

• Tm : La température de fusion augmente avec le pourcentage de paires G-C (plus stables).

• Dénaturation : Il s'agit principalement de la rupture des liaisons hydrogène, et non des liaisons phosphodiester du squelette.

Mutations et Agents Mutagènes

Les mutations sont des modifications de la séquence de l'ADN, potentiellement à l'origine de changements phénotypiques.

Définition et Notions Clés

• Mutation : Changement permanent et héréditaire de la séquence des bases de l'ADN.

• Mutation spontanée : Survient sans agent extérieur identifié, souvent due à des erreurs de réplication rares ou à des altérations chimiques naturelles de l'ADN.

• Mutation induite : Provoquée par l'exposition à un agent mutagène, qu'il soit chimique ou physique.

La différence essentielle entre une lésion de l'ADN et une mutation est que la lésion est un dommage temporaire (ex: dimère de thymine) qui peut être réparé, tandis que la mutation est un changement fixé et héréditaire dans la séquence de l'ADN, souvent après une réplication sur un ADN endommagé non réparé.

Caractéristiques des Mutations

• Spontanées ou induites.

• Rares : Leur fréquence est généralement très faible, de l'ordre de 10⁻⁷ à 10⁻¹¹.

• Spécifiques : Elles peuvent affecter un ou plusieurs caractères précis.

• Héréditaires : Une fois fixée, une mutation est transmise aux cellules filles ou à la descendance.

Types de Mutations

A) Substitutions (Mutation Ponctuelle)

Remplacement d'une base unique (ou d'une paire de bases) par une autre.

• Transition : Remplacement d'une purine par une autre purine (A↔G) ou d'une pyrimidine par une autre pyrimidine (C↔T).

• Transversion : Remplacement d'une purine par une pyrimidine, ou inversement (A/G ↔ C/T).

Il est important de ne pas confondre transition et transversion.

B) Insertions / Délétions

• Micro-insertion (µ-insertion) : Ajout d'un petit nombre de nucléotides.

• Micro-délétion (µ-délétion) : Perte d'un petit nombre de nucléotides.

• Si le nombre de nucléotides inséré ou supprimé n'est pas un multiple de 3, cela provoque un décalage du cadre de lecture (frameshift), qui altère la traduction complète du gène et conduit souvent à une protéine non fonctionnelle.

C) Réarrangements Génétiques

Modifications plus importantes de la structure chromosomique, incluant :

• Échanges de fragments d'ADN.

• Déplacement (translocation) de segments d'ADN.

• Inversion de fragments d'ADN.

Ces réarrangements peuvent entraîner des changements majeurs dans les fonctions cellulaires.

Expression des Mutations (Exemples chez les Bactéries)

Les mutations peuvent avoir divers effets phénotypiques chez les bactéries :

• Modification de la forme ou de la motilité (ex : altération des flagelles, perte de mobilité).

• Acquisition d'une résistance aux antibiotiques.

• Auxotrophie : Incapacité à synthétiser un composé essentiel, nécessitant un apport externe pour la croissance.

• Modifications des capacités cataboliques ou métaboliques (utilisation/dégradation de substrats).

• Thermorésistance ou thermotolérance : Capacité à croître à des températures plus élevées.

Mutation par Réversion

• Réversion vraie : Retour exact à la séquence d'ADN d'origine, restaurant le phénotype sauvage.

• Réversion équivalente (suppresseur) : Une seconde mutation qui compense la première, restaurant le phénotype sauvage sans pour autant rétablir la séquence nucléotidique originale.

La "réversion" ne signifie pas obligatoirement un retour exact à la séquence d'origine.

Agents Mutagènes

A) Mutagènes Chimiques

1. Analogues de bases

   • Ressemblent aux bases normales de l'ADN et sont incorporés lors de la réplication.

   • Provoquent des appariements anormaux, menant à des mutations fixées.

   • Exemples : 5-bromouracile, 2-aminopurine.

2. Agents alkylants / méthylants

   • Ajoutent un groupement (méthyle ou alkyle) sur les bases de l'ADN.

   • Induisent des mésappariements lors de la réplication.

   • Exemple : nitrosoguanidine.

3. Agents intercalaires

   • S'insèrent entre les paires de bases de l'ADN.

   • Perturbent la réplication et la transcription, provoquant des insertions ou délétions (frameshift).

   • Exemples : bromure d'éthidium, acridine orange.

4. Acide nitreux (HNO₂) : Désamination

   • Transforme chimiquement certaines bases, entraînant des transitions :

     • A se désamine en hypoxanthine (s'apparie avec C).

     • C se désamine en uracile (s'apparie avec A).

     • G se désamine en xanthine (modifie l'appariement).

5. Tautomérisation des bases

   • Les bases peuvent exister sous des formes rares (tautomères).

   • Ces formes tautomériques s'apparient de manière anormale pendant la réplication, entraînant des mutations après plusieurs cycles de réplication.

B) Mutagènes Physiques

1. Ultraviolets (UV)

   • Provoquent la formation de dimères de pyrimidines (principalement T-T, mais aussi T-C).

   • Ces dimères sont des liaisons covalentes entre deux pyrimidines adjacentes sur le même brin d'ADN.

   • Conséquence : blocage ou erreurs de réplication et de transcription.

2. Radiations ionisantes (rayons X, rayons γ, rayons cosmiques)

   • Très énergétiques, elles provoquent l'ionisation des molécules et des lésions graves : bases instables, cassures simple ou double brin de l'ADN.

   • Leur pouvoir mutagène est généralement supérieur à celui des radiations non ionisantes.

Effets des Mutations sur les Protéines

Les effets des mutations sur les produits protéiques sont une composante fréquente des évaluations.

• Mutation silencieuse : Un changement de base entraîne un codon qui spécifie le même acide aminé. Le phénotype n'est pas altéré.

• Mutation faux-sens (missense) : Le changement de base modifie le codon de telle sorte qu'il spécifie un acide aminé différent. La protéine peut être modifiée, avec une fonction parfois altérée.

• Mutation non-sens (nonsense) : Le changement de base génère un codon STOP prématuré. Cela conduit à une protéine tronquée, souvent inactive ou non fonctionnelle.

• Frameshift (décalage du cadre de lecture) : Causé par une insertion ou délétion d'un nombre de nucléotides non multiple de 3. Il modifie tous les codons en aval de la mutation, entraînant généralement une protéine complètement différente et souvent non fonctionnelle.

Pièges Fréquents (Chapitre III)

• Confondre une lésion d'ADN (réparable) avec une mutation fixée (héréditaire).

• Confondre transition (purine-purine ou pyrimidine-pyrimidine) et transversion (purine-pyrimidine).

• Oublier que les agents intercalaires sont des causes de frameshift.

• Oublier que les UV provoquent des dimères de pyrimidines.

• Ne pas distinguer réversion vraie (retour exact de séquence) et réversion équivalente (restauration du phénotype par une seconde mutation).

Systèmes de Réparation des Mutations (Lésions de l'ADN)

L'ADN est constamment exposé à des dommages internes et externes. Les systèmes de réparation sont essentiels pour maintenir l'intégrité du génome.

Pourquoi Réparer ?

• L'ADN est altéré par des erreurs de réplication (spontanées) ou par des agressions physiques et chimiques (induites).

• Ces lésions peuvent être converties en mutations permanentes et héréditaires si elles ne sont pas réparées avant la prochaine réplication ou fixation sur un brin.

Trois Grandes Stratégies de Réparation

1. Restauration (réparation directe) : Les lésions sont réparées sans enlever de fragment d'ADN.

2. Suppression (excision) de la zone endommagée : Un fragment d'ADN contenant la lésion est retiré et resynthétisé.

3. Tolérance de la zone endommagée (réparation indirecte) : Permet à la réplication de se poursuivre malgré la lésion, souvent en dernier recours.

I) Restauration Directe (Sans Enlever un Fragment)

1. Photolréactivation (par photolyase)

   • Répare spécifiquement les dimères de pyrimidines (dus aux UV).

   • Nécessite de la lumière visible : la photolyase utilise cette énergie pour casser les liaisons covalentes du dimère, restaurant l'ADN à son état initial.

2. Réversion de dépurination

   • Corrige une dépurination, qui entraîne la perte d'une base purique, en restaurant la zone anormale grâce à des enzymes spécifiques.

3. Réparation des ruptures simple brin

   • En cas de cassure d'un seul brin d'ADN, l'ADN ligase intervient pour ressouder la cassure.

4. Désalkylation (par alkyltransférases)

   • Des enzymes comme l'O⁶-méthylguanine méthyltransférase enlèvent directement un groupement méthyle (ou alkyle) d'une base modifiée, restaurant ainsi la base à sa forme normale.

La photoréactivation est un mécanisme de réparation directement dépendant de la lumière visible.

II) Suppression (Excision) de la Zone Endommagée

A) BER (Base Excision Repair - Excision de Base)

Cible : Des lésions "petites" qui affectent une seule base anormale.

1. Reconnaissance de la base anormale par une ADN glycosylase.

2. L'ADN glycosylase clive la liaison N-glycosidique, retirant la base et créant un site AP (apurinique/apyrimidinique).

3. Une endonucléase AP clive le squelette sucre-phosphate au site AP.

4. L'ADN polymérase remplit l'espace vacant avec le nucléotide correct.

5. La ligase scelle la brèche dans le squelette phosphodiester.

Exemple clé : L'uracile ADN-glycosylase, qui retire l'uracile de l'ADN en cas de désamination de la cytosine.

B) NER (Nucleotide Excision Repair - Excision de Nucléotides)

Cible : Lésions "volumineuses" ou distorsions de l'hélice d'ADN (ex: dimères de pyrimidines induits par les UV).

1. Détection de la distorsion de l'hélice par des protéines spécifiques.

2. Excision d'un fragment de plusieurs nucléotides (environ 12-13 chez les procaryotes) incluant la lésion.

3. L'ADN polymérase synthétise un nouveau brin pour combler le vide, en utilisant le brin intact comme matrice.

4. La ligase scelle la dernière brèche.

Piège BER vs NER : « Le BER enlève une base unique (créant un site AP) », tandis que « le NER enlève un fragment (plusieurs nucléotides) ».

C) Correction des Mésappariements (Mismatch Repair - MMR)

Corrige les erreurs d'appariement de bases non corrigées par l'ADN polymérase.

1. Proofreading (correction sur relecture) (pendant la réplication)

   • Activité exonucléase 3'→5' des ADN polymérases, qui retire immédiatement le nucléotide mal apparié et le remplace par le bon.

2. MMR guidée par la méthylation (chez les procaryotes)

   L'idée clé est de distinguer le brin parental du brin nouvellement synthétisé.

   • Le brin ancien (matrice) est méthylé (sites GATC).

   • Le brin néosynthétisé n'est pas encore méthylé juste après la réplication.

   Étapes :

   1. Détection d'un mésappariement de bases par le complexe Mut (MutS, MutL, MutH).

   2. Le complexe Mut repère un site GATC méthylé proche et identifie le brin non méthylé comme celui à corriger.

   3. MutH clive le brin non méthylé, et une exonucléase retire un segment d'ADN contenant l'erreur, depuis le site GATC jusqu'au mésappariement.

   4. L'ADN Pol III resynthétise le segment manquant, et la ligase scelle.

Piège majeur : Le système MMR corrige le brin néosynthétisé car il n'est pas encore méthylé, pas le brin matrice.

III) Tolérance de la Zone Endommagée

Ces systèmes interviennent lorsque les dommages sont trop importants ou bloquent la réplication, permettant à la cellule de survivre, parfois au prix d'une fidélité réduite.

A) Réparation par Recombinaison Homologue (RecA)

• Lorsqu'une lésion bloque la progression de l'ADN polymérase lors de la réplication, une lacune peut être laissée en face de la lésion sur le brin nouvellement synthétisé.

• La protéine RecA utilise le brin non lésé du chromosome homologue (ou de l'autre chromatide sœur après réplication) comme matrice pour combler cette lacune.

• Ensuite, la lésion elle-même peut être excisée et l'espace comblé par les systèmes d'excision, puis scellé par la ligase.

B) Système SOS

• Ce système est activé en situation d'urgence, lorsque les dommages à l'ADN sont trop nombreux pour les autres systèmes.

• Normalement, la protéine LexA réprime l'expression des gènes SOS.

• En présence de dommages massifs à l'ADN, la protéine RecA est activée et induit la destruction ou l'inactivation de LexA.

• Cela entraîne l'expression de nombreux gènes SOS qui codent des protéines auxiliaires de réparation, souvent avec une fidélité réduite.

Piège : Le système SOS est un dernier recours (tolérance). Il peut être plus "mutagène" car il permet avant tout de survivre, même si la fidélité de la réplication n'est pas parfaite.

Pièges Fréquents

• Confondre la réparation directe (restauration de la lésion) et la réparation par excision (retrait et resynthèse).

• Confondre les mécanismes et cibles de BER (base unique) et NER (fragment multi-nucléotidique).

• Oublier le rôle crucial de la méthylation GATC dans la reconnaissance du brin à corriger dans le système MMR.

• Oublier la cascade d'activation : dommages ADN → RecA activée → LexA inactivée → expression des gènes SOS.

• Utiliser le terme "mutation" pour une lésion qui n'est pas encore fixée et qui est réparable.

Éléments Extrachromosomiques (Plasmides)

Les plasmides sont des éléments génétiques extrachromosomiques essentiels à l'adaptabilité bactérienne.

1. Les Plasmides

Définition : Molécules d'ADN bicaténaire, fermées, circulaires, et souvent surenroulées, présentes en plus du chromosome principal.

Caractéristiques :

• Ce sont des structures facultatives, non indispensables à la survie de la bactérie dans des conditions normales.

• Généralement extrachromosomiques, mais certains peuvent s'intégrer au chromosome (épisomes).

• Possèdent une réplication autonome, indépendante de celle du chromosome bactérien.

• Sont transmis de manière stable à la descendance lors de la division cellulaire.

• Codent des fonctions qui confèrent un avantage adaptatif à la bactérie (ex: résistance, virulence).

1.1 Fonctions des Plasmides

Bien que non indispensables, les fonctions codées par les plasmides sont très utiles :

• Fertilité et mobilisation d'autres éléments génétiques (ex : production de pili sexuels, facteur F pour la conjugaison).

• Résistance aux antibiotiques (plasmides R).

• Résistance aux métaux lourds (également des plasmides R).

• Capacités cataboliques / métaboliques supplémentaires (dégradation de composés spécifiques).

• Virulence : Production de toxines, adhésines, etc. (plasmides Vi).

Les Plasmides de Fertilité (F)

• Portent les gènes nécessaires à la conjugaison, transformant la cellule hôte en donneuse (F+).

• Les gènes de transfert sont regroupés dans l'opéron tra.

• Exemple de gènes essentiels :

  • Impliqués dans la formation du pilus sexuel (traA, traL, traE, traK, traB, traV, traC, traW, traU, traF, traQ, traH, traG).

  • Impliqués dans l'exclusion de surface (traS, traT) pour empêcher la formation de plus d'un pont de conjugaison ou le transfert à des cellules F+.

  • Impliqués dans la synthèse et le transfert de l'ADN (gènes mob) : traM, traY, traD, traI, traZ.

  • Régulation (finP, finO, traJ).

• Schéma simplifié d'un plasmide F : Comprend une région tra, une origine de transfert (oriT), une origine de réplication végétative (oriV), et la présence de séquences d'insertion (IS, ex: IS2/IS3) et de transposons (Tn, ex: Tn1000).

Les Plasmides de Résistance (R)

• Contiennent des gènes qui confèrent à la bactérie une résistance à des antibiotiques ou d'autres agents antibactériens (ex: plasmide R100).

Les Plasmides de Virulence (Vi)

• Portent des gènes qui confèrent aux bactéries des propriétés pathogènes ou virulentes (ex: toxines, facteurs d'adhésion).

• Exemple : Le plasmide Ti d'Agrobacterium tumefaciens, qui induit la formation de tumeurs chez les plantes.

Les Plasmides Cataboliques (Métaboliques)

• Codent des enzymes capables de dégrader des composés spécifiques (ex: composés aromatiques, glucides, hydrocarbures, acides aminés), permettant à la bactérie d'utiliser des sources inhabituelles de carbone ou d'énergie.

Structure Génomique d'un Plasmide

Un plasmide typique est organisé autour de plusieurs régions fonctionnelles :

1. Réplicon de base (2–3 kb)

   • Contient l'origine de réplication (oriV), d'où démarre la réplication autonome du plasmide.

   • Les gènes rep codent les protéines nécessaires à l'initiation de la réplication plasmidique.

   • Les gènes cop régulent le nombre de copies du plasmide par cellule.

     • Faible nombre de copies : 1 copie par chromosome (ex: plasmide F).

     • Nombre de copies moyen : 10–20 copies.

     • Nombre de copies élevé : 30–100 copies (ex: pUC18, utilisé en clonage).

   • Les gènes inc déterminent l'incompatibilité entre plasmides.

     • Une bactérie peut héberger plusieurs plasmides s'ils sont compatibles (mécanismes de réplication différents).

     • Si deux plasmides partagent le même mécanisme de régulation de réplication ou de partition, ils seront incompatibles et ne pourront pas coexister de manière stable dans la même cellule.

2. Gènes de maintenance

   • Les gènes par (partition) assurent une distribution équitable des copies plasmidiques aux cellules filles lors de la division.

   • Les résolvases résolvent les multimères plasmidiques qui peuvent se former par recombinaison homologue, assurant que chaque cellule fille reçoive des monomères fonctionnels.

   • Systèmes poison–antidote (PA) ou