Plasticité génotypique et clonalité de l’espèce E. coli

(A) L'arbre phylogénétique des 68 souches de E.coli utilisées dans cette étude, avec Escherichia fergusonii considérée comme un exogroupe, montrant la délimitation des 9 sous-groupes (I-IX) du groupe B2. Cet arbre de consensus bootstrap est basé sur l'analyse simultanée de 7 gènes chromosomiques essentiels (trpA, trpB, pabB, putP, icd, POLB et DinB) en utilisant la procédure de parcimonie. Total des caractères: 7,016; sites d'information: 591; nombre total d'arbres: 638; Longueur de l'arbre: 2242; indice de consistance: 0,49; indice

de rétention: 0,74. Les valeurs bootstrap, calculées sur 500 arbres répliquées, sont présentes si elles sont supérieures à 50%. Les souches étudiées appartiennent soit au groupe phylogénique B2 (60 souches), soit aux groupes phylogénétiques A, B1, C, D et E (8 souches). Les étoiles indiquent les souches qui ont été étudiées par

des macroéchantillons.

(B) La séquence contient (en pourcentage) les souches déterminées par les macroéchantillons des 9 sous-groupes (I-IX) du grouope B2 et les souches dissociées. Pour les souches appartenant à l'un des 9 sous-sous-groupes,

les moyens sont indiqués par des écarts. Un gradient de la teneur en gène est observé du sous-groupe VIII (contenant le moins) jusqu’au sous-groupe II (contenant le plus).

1.2.5. Plasticité génotypique et clonalité de l’espèce E. coli

Escherichia coli est l'une des espèces bactériennes présentant une très forte plasticité génomique. Elle s’adapte entre son habitat primaire, l'intestin des vertébrés, où elle vit comme commensale, et son habitat secondaire, l'eau et les sédiments. Cette espèce bactérienne peut également se comporter comme un microbe pathogène à localisation intestinale et extraintestinale chez l'homme et beaucoup d'autres espèces animales (Diallo, 2013). E. coli, est donc retrouvé comme véritable saprophyte de l’eau et des boues, comme commensal de l’homme et des animaux à sang chaud, et comme pathogène intestinal et extra-intestinal. Cette ubiquité peut s’expliquer par la diversité de l’espèce. Ainsi, un E. coli comporte de 4200 à 5500 gènes dans son génome et il existe dans l’espèce E. coli un total d’environ 20.000 gènes (Smati, 2014). Cette diversité de style de vie est possible grâce à l’instabilité génomique, avec des échanges de gènes par transfert horizontal (Diallo, 2013).

L’organisation chromosomique entre les bactéries proches est globalement conservée mais il existe une grande variabilité génomique entre des bactéries d’une même espèce ou d’un même genre. Toutes les bactéries sont capables d’évoluer par modification (gain ou perte) de matériel génétique, causée par des recombinaisons génétiques ou des mutations, et de transmettre ces modifications verticalement aux générations suivantes. Quelques bactéries peuvent également acquérir des informations génétiques par trois mécanismes distincts : la transformation qui est un transfert de plasmide, la transduction impliquant un bactériophage, et la conjugaison grâce aux pili sexuels. Cette acquisition de gènes, provenant d’une autre bactérie ou de l’environnement, est appelée transfert horizontal de gènes. Ainsi, le chromosome des bactéries est constitué de deux groupes de gènes différents : le squelette génomique (« backbone » ou « core genome ») et les gènes flexibles acquis (Miquel, 2010). L’analyse comparative des différents génomes disponibles à ce jour confirme une Variabilité génomique. En effet, Certains gènes sont communs à toutes les souches de E. coli et définissent le squelette génomique (« backbone » ou « core genome ») qui théoriquement comprend tous les gènes communs à toutes les souches de cette même espèce et codent des fonctions essentielles à leur physiologie. L’analyse de ces gènes permet d’étudier les relations génétiques entre espèces. Cependant le nombre de gènes constituant ce squelette dépend principalement du nombre et de la diversité des organismes comparés (Welch et al., 2002 ; Miquel, 2010). Le répertoire total de gènes de l’espèce est supérieur à 10 000. Il a été estimé, à ce jour, à 17838. La majorité des souches, porte environ 4721 gènes, et seulement 1976 gènes appartiennent au fond commun, c'est-à-dire que uniquement 11% des gènes connussont communs à toutes les souches de E.coli (Lymberopoulos, 2004 ; Cuevas Ramos, 2010). Avec les séquences génomiques connus à ce jour, on sait que les gènes communs à toutes les

12 souches n’augmentent pas plus que ceux déjà connus, par contre le nombre de gènes propres aux sous-groupes ne cesse d’augmenter (Figure 06) (Cuevas Ramos, 2010).

Figure 06. La plasticité génomique des E. coli

(Cuevas Ramos, 2010)

En bleu la totalité des gènes connus dans l’espèce (« pan‐genome »), en jaune le contenu moyen en nombre de gènes chez une souche de E. coli donnée et en rouge le nombre de gènes communs (fond commun, ou « core genome » à toutes les souches.

Différents processus sont connus pour participer à la variation génique chez E. coli : la perte d’information génique par délétion, les mutations spontanées et l’intervention de systèmes de transferts horizontaux de matériel génétique (Figure 07) (Miquel, 2010).

Figure 07. Schéma de l’évolution bactérienne par acquisition ou perte d’information génétique.

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L’évolution du génome bactérien peut avoir plusieurs origines non exclusives: la perte d’éléments génétiques, l’acquisition de gènes par transferts horizontaux à partir d’îlots génomiques, de plasmides ou encore de

bactériophages et par mutations ponctuelles ou réarrangements chromosomiques.

Ces systèmes de transferts génétiques font intervenir des gènes flexibles : les bactériophages, les plasmides, les éléments transposables et les ilôts génomiques. Les bactériophages (ou phages) sont des virus infectant les bactéries et participant aux transferts horizontaux de gènes entre populations bactériennes par un mécanisme appelé « Transduction ». Les bactériophages persistent dans le monde bactérien sous deux états distincts : en tant que phage virulent (qui se réplique dans une cellule bactérienne réceptive) ou sous forme lysogène (inséré dans le génome sous la forme d’un prophage, il devient partie intégrante du génome de l’hôte) d’où le nom de « bactériophages lysogène ». Les plasmides désignent des molécules d'ADN bactérien circulaires distinctes de l'ADN chromosomique, capables de se répliquer de façon autonome et qui sont non essentiels à la survie de la bactérie. Ces molécules d’ADN peuvent aisément être transmises de manière horizontale entre bactéries par un mécanisme appelé « Conjugaison ». Cependant, il existe des plasmides non conjugatifs pouvant être transférés lors d’événements de conjugaison impliquant d’autres plasmides conjugatifs. Environ 300 plasmides différents ont été décrits dans l’espèce E. coli et peuvent porter des gènes impliqués dans diverses fonctions comme la production de colicines, l’utilisation de sucres, la résistance aux antibiotiques et aux métaux lourds mais aussi des gènes associés à la virulence. Les éléments transposables comprennent les « séquences d’insertion » (IS), les transposons composites et non composites ; ceux-ci permettent un transfert de matériel génétique entre deux régions d’ADN (chromosomiques ou plasmidiques) par un mécanisme appelé « Transposition ». Les intégrons sont des éléments génétiques immobiles mais capables de capturer des gènes dits « gènes cassettes » qui sont souvent des gènes de résistance aux antibiotiques. Les intégrons constituent ainsi un système de capture et d'expression de gènes et jouent un rôle important dans l'acquisition et la dissémination des gènes, notamment des gènes de résistance aux antibiotiques. Les îlots génomiques sont acquis à la faveur d'une transformation, d'une transduction ou d'une conjugaison et sont intégrés de manière plus ou moins stable dans l’ADN bactérien. Il s’agit de zones possédant des caractéristiques différentes du reste du génome. Certains îlots génomiques ne codent pour aucun phénotype connu, mais la plupart d'entre eux codent pour des voies métaboliques ou des facteurs de pathogénicité et sont alors nommés « îlots de pathogénicité » ou « PAIs » qui signifie « Pathogenicity Islands » (Kern-Benaibout, 2006 ; Miquel, 2010).

Le mot « clone » a été utilisé initialement par Herbert John Webber pour désigner une population dont tous les membres proviennent d’un seul ancêtre par multiplication sexuelle. De nos jours, le terme « clone » est utilisé pour désigner des bactéries isolées à partir de différentes sources ou provenances et possédant des traits phénotypiques et génétiques identiques dont la seule explication serait « une origine commune ». Cette relation entre clones provenant de divers endroits à travers le monde a été observée entre souches septicemiques de E. coli O78 isolées de poulets, de bovins, de porcelets et d’humains (Lymberopoulos, 2004).

Ainsi, la diversité phénotypique observée est le résultat d'un grand nombre de combinaisons de gènes. Outre le flux de gènes important, des études basées sur l’analyse du polymorphisme électrophorétique d’enzymes métaboliques (multilocus enzyme electrophoresis ou MLEE) ont montré que E. coli était une espèce clonale. Cette espèce appartient à neuf sous‐groupes phylogénétiques avec la délinéation claire au moins de six principaux groupes phylogénétiques (A, B1, B2, D, E et F) (Figure 08) (Lymberopoulos, 2004 ; Augustin, 2005 ;

14 Figure 08. Diversité phylogénétique des souches de Escherichia coli

(Cuevas-Ramos, 2010 ; Miquel, 2010 ; Diallo, 2013)

Les cercles représentent l’analyse de 161 souches isolées d’une bactériémie ; les carrés représentent 67 souches ECOR ; et les triangles représentent 7 génomes de référence. En rouge le groupe B2, en vert le B1, en jaune le

D, et en bleu le groupe A.

Plus récemment, le phylogroupe C a été proposé pour un groupe de souches proches mais distinctes du phylogroupe B1. A la base de cet arbre, le groupe des B2 apparaît le plus diversifié avec au moins 9 sousgroupe phylogénétiques observés. Puis, un sous-groupe du groupe D (appelé F) se distingue, ce phylogroupe est à présent bien documenté et forme un groupe frère avec B2. Le reste du groupe D émerge d’abord, suivi par le groupe E. Finalement, les groupes frères A et B1 apparaissent. La phylogénie de l’espèce a été confirmée par la comparaison de 20 génomes entiers. On considère à l’heure actuelle que cette espèce bactérienne comprend 8 groupes phylogénétiques principaux avec sept groupes A, B1, B2, C, D, E et F appartenant à E. coli sensu stricto et un correspondant à E. coli cladeI. La technique du MLST permet d’affilier les souches à l’un de ces 7 groupes phylogénétiques, ainsi que la dernière méthode Clermont basée sur l’amplification ou non des gènes (arpA, chuA, yjaA) et du fragment d’ADN (TspE4.C2) (Figure 09) (Clermont et al., 2013 ; Smati, 2014).

15 Figure 09. La phylogénie de E. coli.

(Smati, 2014)

Analyse phylogénétique réalisée avec Clonalframe basée sur les séquences de 8 gènes de ménages de 161 souches de E. coli issus de bactériémie (cercles) et 67 souches de la collection de référence ECOR (carrés), ainsi que de 7génomes de références (triangles). En bleu,sont indiqués les sous-groupes(SG) du phylogroupe B2.