Les mécanismes de HGT

Il existe trois mécanismes principaux de HGT : la transformation, la transduction et la conjugaison (Figure 10). Ils permettent un transfert de matériel génétique, appelé EGM (Elément Génétique Mobile), d’une bactérie donneuse vers une bactérie receveuse. Une fois acquis par la bactérie receveuse, l'ADN est soit intégré au génome afin de se maintenir dans la cellule, soit circularisé pour se répliquer de manière autonome.

Transformation : Lors de la transformation bactérienne les bactéries dites compétentes acquièrent des fragments d’ADN nu extracellulaire (Chen et Dubnau 2004). Cet ADN étant non protégé, il peut rapidement être dégradé par des DNases présentes dans le milieu extracellulaire. Certaines bactéries sont naturellement compétentes. Cet état peut être permanent ou dépendant de l’environnement ou du cycle cellulaire. L’état de compétence d’une bactérie peut être induit in vitro par des traitements chimiques qui vont perméabiliser les membranes.

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Figure 10 : Principaux mécanismes de HGT : transformation, transduction, conjugaison.

Le génome de la bactérie donneuse est bleu et celui de la receveuse en violet. Les fragments rouges représentent des gènes de résistance à un antibiotique et ceux en jaune un transposon (adaptée de Furuya et Lowy 2006).

Transduction : La transduction correspond à un transfert d’ADN par l’intermédiaire d’un virus appelé phage ou bactériophage (Miller 2001). Chez une bactérie donneuse infectée par un phage, lors de l’encapsidation il peut y avoir incorporation d’ADN de l’hôte dans la capside. Soit cette encapsidation est aléatoire (transduction généralisée), soit elle concerne les régions d’ADN adjacente au virus qui s’excisent incorrectement (transduction spécialisée). Les phages libérés par lyse vont ensuite infecter d’autres bactéries, ces transferts sont donc dépendants de la gamme d’hôte des phages.

Conjugaison : La conjugaison consiste en un transfert d’ADN par l'intermédiaire d'un pore qui relie une bactérie donneuse à une bactérie receveuse. Contrairement à la transformation et à la transduction, cela nécessite donc un contact direct. Les systèmes de conjugaison sont composés de 3 modules : le relaxosome, le transférosome, et la protéine de couplage qui les connecte (de la Cruz et al. 2010).

41 - Le relaxosome est un complexe nucléoprotéique permettant l’initiation et la terminaison du transfert conjugatif. Il est constitué d’une relaxase, et de protéines accessoires. Ces protéines se fixent au niveau de l’origine de transfert (oriT) de l’EGM, ce qui facilite l’accès de la relaxase au site spécifique de coupure de l’ADN (Willetts et Wilkins 1984; Howard et al. 1995). La relaxase clive l’ADN et reste ensuite fixée à son extrémité 5’.

- Le transférosome est composé de protéines transmembranaires constituant un pore entre les deux cellules, un système de sécrétion de type IV (SSTIV) joue classiquement ce rôle. Chez certaines bactéries le transférosome code également pour la synthèse d’un filament extracellulaire, le pilus, qui sert à la reconnaissance de la bactérie receveuse (Fronzes et al. 2009).

- La protéine de couplage est associée à la membrane proche du SSTIV, et a une affinité pour le relaxosome. L’ADN simple ou double brin (plasmide, ICE, chromosome) est adressé au pore par la relaxase et transféré par un processus actif, nécessitant une hydrolyse d’ATP (Gomis-Rüth et al. 2002)

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Le SSTIV le mieux décrit est celui d’Agrobacterium tumefaciens, bactérie capable d’injecter de l’ADN oncogène chez certaines plantes (Bourras et al. 2015). Les gènes codant ce système de sécrétion se trouvent sur un plasmide. Ce dernier se compose d’un opéron virB (virB1-virB11) et d’un opéron virD (virD1-virD4) (Alvarez-Martinez et Christie 2009) (Figure 11). La protéine VirD2 est une relaxase, VirD4 est une protéine de couplage associée à une activité ATPase, VirB4 et VirB11 sont également des ATPases. Les protéines VirB6 à VirB11 s’assemblent pour former le pore de conjugaison. Des homologues à ce système de conjugaison sont retrouvés chez d’autres espèces bactériennes (Bacillus subtilis, Streptococcus agalactiae) et permettent la formation d’un pore de conjugaison (Goessweiner-Mohr et al. 2013; Auchtung et al. 2016).

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Figure 11 : Architecture d’un SSTIV et voie de translocation de l’ADN.

Représentation du système VirB-VirD chez A. tumefaciens avec les différentes protéines qui le composent et la flèche rouge qui montre le chemin suivit par l’ADN. (Alvarez-Martinez et Christie 2009).

D’autres mécanismes de HGT moins répandus sont également décrits chez certaines espèces (García-Aljaro et al. 2017). Il s'agit en l'occurrence d'un transfert de gènes via des vésicules membranaires, surtout étudié chez les bactéries à Gram négatif. Des vésicules lipidiques se forment au niveau de la membrane et incorporent des constituants cellulaires comme des protéines, des lipides, des ions mais aussi des acides nucléiques. Ce type de transfert est présent notamment chez E. coli O157 avec le transfert de gène codant la Shiga toxine (Kolling et Matthews 1999). Si des observations expérimentales suggèrent des transferts horizontaux pouvant impliquer des vésicules chez les acholeplasmes (Medvedeva et al. 2014), ces résultats restent à confirmer.

Le GTA pour "Gene Transfer Agent" est un mécanisme découvert initialement chez la bactérie marine Rhodobacter capsulatus, il ressemble à la transduction mais n’est pas directement associé à des phages (Lang et al. 2012). Des gènes codant pour une structure similaire à une capside sont présents au niveau du chromosome bactérien mais ne sont pas soumis à une excision. L’ADN de la cellule est aléatoirement encapsidé, puis relargué lors de la lyse cellulaire. Les GTA dérivent probablement d’anciens prophages dégénérés insérés au niveau du génome.

43 Enfin, un mécanisme hybride entre transformation et conjugaison a été identifié chez Thermus

thermophilus (souche HB27), appelé transjugaison (Blesa et al. 2017). L’ADN des cellules

donneuses est transféré par conjugaison, et les cellules réceptrices récupèrent cet ADN grâce à leur compétence naturelle. Cette libération active d’ADN par conjugaison est dépendante de la protéine TdtA, qui s’associe en hexamère pour former un pore par lequel l'ADN est transféré.