Les plasmides bactériens (Les plasmides R – Les plasmides F)

La conjugaison, transfert d’ADN entre bactéries impliquant un contact direct, dépend de la présence de morceaux d’ADN supplémentaires, appelés « plasmides ». Les plasmides jouent de nombreux rôles importants dans la vie des procaryotes. Ils se sont révélé de grande valeur pour les microbiologistes et les généticiens moléculaires dans la construction et le transfert de nouvelles combinaisons génétiques et dans le clonage des gènes.

Les plasmides sont de petites molécules d’ADN double brin, qui peuvent exister indépendamment des chromosomes de l’hôte. Ils ont leur propre origine de réplication, se répliquent de façon autonome et sont transmis de manière stable à la descendance. Certains plasmides sont des « épisomes », plasmides qui peuvent exister sous forme libre ou intégrée dans le chromosome de l’hôte. Bien qu’il y ait toute une variété de types de plasmides (Tableau 10), l’intérêt est plus grand pour les « plasmides conjugatifs » du fait qu’ils représentent des plasmides de résistance. Ces plasmides peuvent transférer des copies d’eux-mêmes à d’autres bactéries par le processus de la conjugaison.

Le « plasmide conjugatif » le mieux étudié est sans doute le « facteur F ». Il joue un rôle majeur dans la conjugaison chez E. coli et fut le premier à être décrit. Le facteur F est long d’environ 100 kilobases et véhicule les gènes responsables de son attachement à une cellule et de son transfert par conjugaison entre souche bactérienne spécifiques. La plus grande partie

77 de l’information nécessaire au transfert du plasmide est localisée dans l’opéron tra, qui comprend au moins 28 gènes. Beaucoup de ceux-ci dirigent la formation des pili sexuels qui attachent la cellule F⁺ (la cellule donneuse contenant un plasmide F) à une cellule F^- (cellule réceptive), d’où le terme de facteur de fertilité pour désigner le facteur F.

D’autres produits de gènes aident au transfert de l’ADN. De plus, le facteur F contient plusieurs segments, appelés « séquences d’insertion », qui aident à l’intégration dans le chromosome de la cellule hôte. Le facteur F est donc « un épisome » qui peut exister en dehors du chromosome bactérien ou y être intégré (Prescott et al., 2003 (b)).

Tableau 10. Principaux type des plasmides Type (Prescott et al., 2003 (b)) Exemples Taille approximative (kb) Nombre de copies par chromosomes Hôtes Phénotypes Facteur de fertilité Facteur F 95-100 1-3 E. coli, Salmonella, Citrobacter Pilus sexuel, conjugaison Plasmides R RP4 54 1-3 Pseudomonas et autres bactéries Gram-négatives Pilus sexuel, Conjugaison, Résistance à Ap, Km, Nm, Tc. R1 80 1-3 Bactéries Gram-négatives Résistance à Ap, Km, Su, Cm, Sm. R6 98 1-3 E. coli, Proteus mirabilis Résistance à Su, Sm, Cm, Tc, Km, Nm. R100 90 1-3 E. coli, Shigella, Salmonella, Proteus. Résistance à Cm, Sm, Su, Tc, Hg. pSH6 21 Staphylococcus aureus. Résistance à Gm, Tm, Km.

pSG23a 36 S. aureus. Résistance à Pn, Asa,

Hg, Gm, Km, Nm, Em, etc. pAD2 25 Enterococcus faecalis. Résistance à Em, Km, Sm. Plasmides Col

ColE1 9 10-30 E. coli Production de colicine. ColE2 10-15 Shigella Colicine E2

ColDF13 Enterobacter

cloacae

Cloacine DF13 Plasmides de

virulence

Ent (P307) 83 E. coli Production d’enterotoxine Plasmide

k88

E. coli Antigène d’adhérence ColV-k30 2 E. coli Sidérophore pour

capturer du fer, résistance aux mécanismes immunitaires. pZA10 56 S. aureus Enterotoxine B.

Ti 200 Agrobacterium

tumefaciens

Induction de tumeur Plasmides

métaboliques

CAM 230 Pseudomonas Dégradation du camphre

SAL 56 Pseudomonas Dégradation du

salicylate

TOL 75 Pseudomonas

putida

78 pJP4 Pseudomonas dégradation de l’acide

2,4-dichlorophénoxyacétique E. coli, Klebsiella, Salmonella Dégradation du lactose Providencia Uréase

Sym Rhizobium Fixation de l’azote en

symbiose Abréviations pour la résistance aux antibiotiques et aux métaux : Ap (ampicilline) ; asa (arsenate) ; Cm (Chloramphénicol) ; Em (Erythromycine) ; Gm (Gentamycine) ; Hg (mercure) ; Km (kanamycine) ; Nm (neomycine) ; Pn (penicilline) ; Sm (streptomycine) ; Su (sulfamides) ; Tc (tetracycline).

Remarque : De nombreux plasmides R, métaboliques et autres sont également conjugatifs. 4.5.2.1. Le plasmide R

Les plasmides confèrent souvent la résistance aux antibiotiques chez les bactéries qui les contiennent. Les facteurs ou plasmides R ont des gènes codant pour des enzymes capablent d’inactiver ou de modifier les antibiotiques. Généralement, ils ne sont pas intégrés dans le chromosome de l’hote. Des gènes codant pour la résistance aux antibiotiques tels que l’ampicilline, le chloramphénicol et la kanamycine ont été trouvés sur des plasmides. Certains plasmides R possèdent un seul gène de résistance alors que d’autres en ont jusqu’à huit. Souvent, les gènes de résistance sont contenus dans un transposon et il est donc possible pour des souches bactériennes d’acquerir rapidement des plasmides à résistance multiple.

Puisque de nombreux facteurs R sont également des plasmides conjugatifs, ils peuvent se propager dans une population, pas aussi rapidement néanmoins que le facteur F. Souvent des facteurs R non conjugatifs passent d’une bactérie à l’autre durant une conjugaison promue par un autre plasmide. Une population entière peut donc devenir résistante aux antibiotiques. Le fait que certain de ces plasmides sont transférés aisément entre espèce favorise encore davantage la propagation de la résistance. Lorsqu’un patient consomme de grandes quantités d’antibiotiques, E. coli et d’autres bactéries porteuses de facteur R sont sélectionnées et deviennent prévalentes. Les facteurs R peuvent alors etre transférés à des genres plus pathogènes tels que salmonella ou shigella, entrainant des problèmes de santé publique encore plus graves (Figure 30) (Prescott et al., 2003 (c)).

79 Figure 30. Le plasmide R (Structure des plasmides R et des transposons).

Le plasmide R1 porte des gènes de résistance à cinq antibiotiques : chloramphénicol (Cm), streptomycine (Sm), sulfamide (Su), ampicilline (Amp) et kanamycine (Km). Ceux-ci sont contenus dans les transposons Tn3 et Tn4. Le facteur de transfert de la résistance (RTF) code pour les protéines nécessaires à la réplication et au transfert

des plasmides. Structure plus détaillée de Tn3. Les flèches indiquent la direction de la transcription des différents gènes.

(Prescott et al., 2003 (d))

La conjugaison bactérienne est un autre exemple de connexion entre la réplication et la propagation d’une unité génétique. Pendant la conjugaison, un génome plasmidique ou un chromosome de l’hôte est transféré d’un génome à un autre.

4.5.2.2. Le plasmide F

La conjugaison a pour intermédiaire le « plasmide F » qui est l’exemple classique de l’épisome, c'est-à-dire d’un élément capable d’exister sous la forme d’un plasmide circulaire libre, ou bien pouvant être ingéré dans le chromosome bactérien sous forme d’une séquence linéaire (comme un bactériophage lysogène). Le « plasmide F » est un grand ADN circulaire, d’environ 100 kb de long, dont la carte génétique définit un système de coordonnés variant de 0 à 100F.

Le « facteur F » peut être incorporé en plusieurs endroits du chromosome d’E. coli, souvent grâce à un événement de recombinaison impliquant certaines séquences (appelées séquences IS) qui sont présentes à la fois sur le chromosome de l’hôte et sur le « plasmide F ». Dans sa forme libre (plasmidique), le plasmide F utilise sa propre origine de réplication (oriV) ainsi que son système de contrôle, et il est maintenu dans la bactérie à raison de 1copie par chromosome bactérien. Lorsqu’il est intégré dans le chromosome bactérien, ce système est supprimé et l’ADN de F est répliqué comme n’importe quelle partie du chromosome.

La présence du plasmide F, qu’il soit libre ou intégré, a des conséquences importantes sur la bactérie hôte. Les bactéries F-positives peuvent être conjuguées (ou s’accoupler) avec des

80 bactéries F-négatives. La conjugaison implique un contact entre une bactérie donneuse (F-positive) et une bactérie receveuse (F-négative) : le contact est suivi d’un transfert du facteur F. si le facteur F existe sous une forme libre dans la bactérie donneuse, il est alors transféré comme un plasmide, et le processus d’infection transforme la bactérie receveuse F-négative, en une bactérie f-positive. Si l facteur F est intégré dans le génome de la bactérie donneuse, la réaction peut provoquer en même temps le transfert d’une partie ou de la totalité du chromosome bactérien. De nombreux plasmides ont des systèmes de conjugaison qui fonctionnent d’une manière similaire, mais le facteur F a été découvert le premier et reste l’exemple type de ce mode de transfert génétique.

Une grande région (~33KD) du plasmide F, appelée « région de transfert », est indispensable à la conjugaison. Elle contient environ 40 gènes, nécessaires à la transmission de l’ADN. Les gènes sont appelés tra et trb, et la majorité d’entre eux sont exprimés de façon coordonnée à l’intérieure d’une unité de transcription de 32 kb (l’unité traY-1). traM et traJ sont exprimés séparement. traJ est un régulateur qui déclenche l’expression de traM et traY-1. Sur le brin opposé, finP est un régulateur codant un petit ARN antisens qui interrompt l’expression de traJ. Son activité nécessite l’expression d’un autre gène, finO. Seuls quatre des gènes tra de l’unité de transcription principale interviennent directement dans le transfert d’ADN ; la plupart jouent un rôle dans les propriétés de la surface cellulaire de la bactérie et dans le maintien des contacts entre des bactéries qui s’accouplent (Lewin, 1999).

Figure 31. Le plasmide F (Gènes de conjugaison et leurs fonctions). (Prescott et al., 2010 (b))

Les gènes qui jouent un rôle dans la conjugaison sont indiqués, ainsi que certaines de leurs fonctions. Le plasmide contient aussi trois séquences d’insertion et un transposon. Le site pour l’initiation de la réplication par

cercle roulant et du transfert génétique lors de la conjugaison est oriT.

[de gauche à droite : gènes de conjugaison : oriT, traM, traJ, traY, traA, traL, traE, traK, traB, traP, trbD, trbG,

traV, traR, traC, trbI, traW, traU, trbC, traN, trbE, traF, trbA, traQ, trbB, trbJ, trbF, traH, traG, traS, traT, traD, trbH, traI, traX ; leurs fonctions : traA code pour la piline ; traK, traB et traP codent pour les protéines qui

font partie du système de sécrétion de type IV ; traD code pour la protéine de couplage et traI code pour la relaxase].

81 Figure 32. Le plasmide F (Carte montrant la taille et l’organisation générale du plasmide F).

Ce plasmide contient plusieurs éléments transposables. IS2 et IS3 sont des séquences d’insertion. Les gènes tra (Gènes tra) codent pour des protéines nécessaires à la synthèse du pilus et à la conjugaison. Les gènes rep (Gènes rep) codent pour des protéines impliquées dans la réplication de l’ADN. oriV est le site d’initiation de la

réplication circulaire de l’ADN et oriT, le site d’initiation de la réplication en cercle roulant et du transfert des gènes lors de la conjugaison.

(Prescott et al., 2003 (b))

Figure 33. La conjugaison bactérienne (Microphagie électronique de deux cellules d’E. coli à un stade précoce de conjugaison).

La cellule F

(Prescott et al., 2010 (c))

+

82 4.5.3. Les Integrons

Les intégrons, plus récemment décrits vers la fin des années 80, jouent un rôle majeur dans l’acquisition et l’expression de gènes de résistance aux antibiotiques, notamment chez les bactéries à coloration de Gram négative. Aujourd’hui, alors que l’implication des intégrons dans l’adaptation bactérienne au-delà de la résistance aux antibiotiques est avérée, le rôle d’une partie de ces intégrons, parfois nommés intégrons de résistance (IR), est majeur dans la dissémination de la résistance aux antibiotiques et notamment chez des souches d’intérêt clinique. Les intégrons ont une organisation commune et sont composés par trois éléments clés : un gène intI, un site primaire de recombinaison (attI) et un promoteur (Pc) permettant la transcription des « gènes capturés » ou « cassettes ». Les intégrons, supports majeurs de la multirésistance aux antibiotiques, peuvent contenir jusqu’à 8 cassettes. Toutefois, des intégrons sans cassette ont également été retrouvés. Pour les intégrons de classe 1, 2 et 3, il a été montré que les cassettes étaient majoritairement composées de gènes de résistances aux β -lactamines, aminosides (gènes aad) et au triméthoprime (gènes dfr). Plusieurs intégrases d'intégrons (IntI) ont été décrites chez des souches bactériennes cliniques et environnementales. Les intégrases des souches cliniques sont généralement codées par des gènes portés par des plasmides alors que celles des souches environnementales sont codées par des gènes situés sur des chromosomes. Les intégrases appartenant aux intégrons de classe 1, 2 et 3 de même que les intégrases VchlntIA et IntI9 sont les seules à être associées à des gènes de résistance aux antibiotiques (Diallo, 2013).