LA TRANSDUCTION Définition : La transduction est le transfert d'ADN bactérien d’une bactérie à une autre par l'intermédiaire d’un bactériophage (ou phages)

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1 LA TRANSDUCTION Définition : La transduction est le transfert d'ADN bactérien d’une bactérie à une autre par l'intermédiaire d’un bactériophage (ou phages) à ADN bicaténaire.

2 Les bactériophages sont des virus de bactéries, qui existent sous la forme virulente ou tempérée.

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4 Les phages virulents se multiplient dans la bactérie (ou mieux sont répliqués par la bactérie) et la lysent à la fin du cycle, libérant les nouvelles particules virales (virions). Ce cycle est appelé cycle lytique. Les phages tempérés peuvent, après infection établir une association stable avec la bactérie infectée en s'intégrant dans le chromosome bactérien. Le bactériophage est alors appelé prophage et la bactérie qui en est porteuse, une bactérie lysogène. Dans ce cas les bactériophages n’induisent pas la réplication (les facteurs lytiques sont inexprimés), leur ADN viral est répliqué en même temps que le chromosome bactérien et il est transmis aux cellules filles de façon héréditaire. Ce cycle est appelé cycle lysogénique.

5 De temps en temps, dans une population de bactéries lysogènes, un prophage se libère du chromosome bactérien, redevient virulent, se multiplie, provoque la lyse de la bactérie et peut infecter de nouvelles bactéries. Ce passage de la forme tempéré à virulente peut être spontanée ou provoquée (irradiation, UV…) Si, au cours de sa libération, le prophage emporte avec lui plusieurs gènes bactériens, il peut y avoir transfert par le bactériophage de gènes bactériens d'une bactérie (lysogène) à une autre bactérie (lysogène). C'est la transduction. Elle est liée à l'existence de bactéries lysogènes, à Gram positif (staphylocoque, streptocoque, Bacillus) ou à Gram négatif (entérobactéries, Pseudomonas).

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7 Il existe deux types principaux de transduction :
 La transduction généralisée : elle est assurée par les phages virulents, qui au cours du cycle lytique encapsident par erreur et de façon aléatoire des fragments d’ADN de la bactérie. Il se forme alors un phage composite qui peut infecter une nouvelle bactérie et lui transmettre ainsi un fragment de l’ADN de la bactérie précédemment lysée. Voir animation flash

8  La transduction restreinte ou spécialisée :
Elle est assurée par les phages tempérés qui s’insèrent toujours au même endroit sur le chromosome bactérien. Et qui au cours du passage d’un cycle lysogénique à un cycle lytique, peuvent : - soit se détacher du chromosome bactérien sous la forme originale (phage complet), - soit y abandonner une partie de l’ADN phagique tout en encapsidant quelques gènes bactérien à proximité de l’ADN phagique intégré. Dans ce cas, la transduction se limite aux gènes qui délimitent l’ADN phagique inséré dans le chromosome bactérien et se sont toujours ces même gènes qui sont transmis à de nouvelles bactéries transduites.

9 1.La transduction GENERALISEE
Au cours du cycle infectieux d’un phage virulent, les particules virales se forment dans les bactéries en encapsidant l’ADN viral. Le processus de transduction est lié au fait que cette encapsidation n’est pas spécifique de l’ADN viral mais peut concerner n’importe quel fragment du génome bactérien de taille convenable (1 à 2% de l’ADN bactérien).

10 Ainsi, lors de la production des phages, avec une faible fréquence (<1%), des fragments d’ADN bactérien du chromosome bactérien partiellement dégradé peuvent être encapsidés par erreur dans des phages, formant ainsi des particules transductrices qui conservent les propriétés « infectieuses » des particules virales normales. Les phages transducteurs sont des virus à ADN ( T4 et P1 chez E.coli et P22 chez Salmonella Typhimurium) qui restent capables de se fixer sur les bactéries et d’injecter leurs fragments d’ADN dans les bactéries réceptrices. L’ADN ainsi introduit correspond à n’importe quel région génomique de la bactérie donatrice : c’est de la transduction généralisée.

11 1.1.La transduction COMPLETE
La transduction généralisée complète implique un expression stable des marqueurs transférés. L’ADN introduit peut s’intégrer dans une région homologue du chromosome par recombinaison homologue.

12 L’intégration du fragment d’ADN de la cellule donatrice dans le chromosome de la cellule réceptrice aboutit à : ·  une modification du génome de la bactérie réceptrice · un remplacement complet des gènes homologues aux gènes transduits sur le chromosome de la bactérie réceptrice qui ne sera diploïde pour aucun gène. · Un nouveau génotype stable et dès lors transmis à toutes les bactéries issues de la bactérie réceptrice.

13 1.2.La transduction ABORTIVE
Lorsque l’ADN injecté ne s’intègre pas dans le chromosome, ce qui est fréquent, les marqueurs transférés s’expriment transitoirement jusqu’à ce que l’ADN soit dilué au cours des divisions bactériennes successives : on dit que la transduction est abortive. Dans ce cas, les gènes passent de la cellule mère à une seule des deux cellules filles.

14 La transmission est donc unilinéaire pendant plusieurs générations et les gènes du fragment transféré continuent à s’exprimer. Sur milieu minimum approprié la cellule fille possédant le fragment chromosomique transduit sera prototrophe pour tel ou tel substrat et pourra donc se développer et se diviser de manière normale, tandis que l’autre ne se développera pas. La transduction abortive se traduit par l’apparition de colonies de taille minime et de formes irrégulières sur milieu minimum.

15 1.2.Caractéristiques de la transduction généralisée
· Les deux bactéries donatrice et réceptrice doivent appartenir à la même espèce en raison de la spécificité d’infection du phage. ·La quantité d’ADN bactérien encapsidé dépend principalement de la taille de la capside : le phage P22 de Salmonella Typhimurium contient habituellement de l’ordre de 1 % du génome bactérien, le phage P1 de E.coli contient de 2 à 2.5 % du génome bactérien.

16 ·Le plus souvent la transduction ne concerne qu’un seul gène
·Dans une population de phages capables d’effectuer une transduction généralisée, il n’y a que très peu de particules transductrices. Ex : dans une population de phage P1 de E.coli seulement 0.1% des particules vont encapsider de l’ADN chromosomique, les autres particules sont virulents et vont déclencher le cycle lytique.

17 Ces points réunis font que la fréquence d’obtention de cellules transduites pour un caractère donné est très faible (TP transduction). La transduction généralisée reste toutefois un processus de transfert de matériel héréditaire très utilisé pour réaliser des analyses génétiques, puisque n’importe quel gène peut être transféré d’une souche à l’autre par l’intermédiaire d’un phage transducteur, que la fréquence de transfert est faible (10-6) et du fait de son caractère partiel (1-2 % du génome bactérien).

18 2.La transduction SPECIALISEE ou RESTREINTE
La transduction spécialisée se produit avec certains bactériophages tempérés qui peuvent s'intégrer en un point précis du chromosome bactérien et seulement en ce point, il s’agit de prophage (phage tempéré). La transduction de gènes bactériens est limitée (restreinte) aux gènes localisés en des sites immédiatement adjacents au site spécifique d’attachement de l’ADN du prophage et de l’ADN de la bactérie donatrice.

19 La transduction du gène de la bactérie donatrice à la bactérie réceptrice se fait après lysogénisation de la bactérie réceptrice. Le cas le plus connu de la transduction localisé est provoqué par le phage lambda de E.coli. Il possède un site d'attachement correspondant à un site d'intégration situé entre les locus gal (nécessaire à la fragmentation du galactose) et bio (assure la synthèse de la biotine).

20 2.1. L’intégration du phage 
L'intégration de l'ADN du phage dans le chromosome bactérien se fait grâce à l’enzyme intégrase du phage qui reconnaît les sites d’attachements  Bio +

21 2.2. L’excision du phage  L’excision se produit lors de l’induction du cycle lytique (délysogénisation) du phage  (ex : sous l’action des UV), elle est assurée par l’enzyme excisionase qui hydrolyse au niveau des sites d’attachement. L’ADN ainsi libéré peut être formé d’ADN viral uniquement ou bien d’ADN viral et des régions gal ou bio (selon que l’excision se décale d’un côté ou de l’autre) du chromosome de E.coli.

22 reconstitution de l'ADN du phage
On parle alors d’ : ·        Excision normale: reconstitution de l'ADN du phage

23 Excision anormale: formation d'un ADN phagique défectueux contenant le locus gal ou le locus bio du génome bactérien 

24 2.3. L’intégration de l’ADN du phage  défectif
L’ADN de phages défectifs pourra être intégré dans une bactérie lysogène de type gal - selon le schéma suivant :

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26 - Dans le cas d’un système instable : le phage s’intègre à la suite du gène gal – bactérien. La bactérie réceptrice possède alors son gène gal – et un gène gal + apporté par le phage, qui peut s’exprimer, la bactérie passe alors de gal – à gal + .

27 - Dans le cas d’un système stable : la recombinaison à lieu au même locus que le gène gal bactérien et dans ce cas, le gène gal – est éliminé par le gène gal+ apporté par le phage, la bactérie devient gal +. voir animation flash

28 - Intérêts de l’utilisation d’une telle transduction localisée :
elle permet de comprendre des mécanismes d’échanges entre ADN appartenant à des organismes différents elle est à origine de l’utilisation des épisomes et des plasmides dans le domaine de la génétique moléculaire. On peut d’identifier ce qu’on transduit

29 - inconvénients : · On transduit uniquement les gènes localisés de part et d’autre de la zone d’intégration du phage.

30 conclusion La transduction est un phénomène rare et cela pour plusieurs raisons : l’erreur d’empaquetage dans la capside est un événement peu fréquent. La probabilité que cette particule infecte seule une bactérie réceptrice est faible Cet ADN injecté doit survivre suffisamment longtemps pour former un transductant stable (échapper aux endo et exonucléases, et s’installer par recombinaison ou transposition ou par réplication autonome )

31 Le plus il ne faudra pas confondre la transduction et la conversion lysogénique : La conversion lysogénique. Dans certains cas, le génome du bactériophage apporte par lui-même un nouveau caractère très important pour la bactérie réceptrice, par exemple, la sécrétion de la toxine diphtérique, la sécrétion de la toxine érythogène du streptocoque A (scarlatine) ou la présence de certains facteurs antigéniques. On dit alors qu'il y a eu conversion lysogénique. La conversion et la transduction sont des phénomènes qui font tous deux intervenir un bactériophage. Mais, dans le premier cas, c'est le génome du bactériophage qui est responsable du nouveau caractère acquis par la bactérie ; dans le second cas, le bactériophage a seulement un rôle de vecteur et le génome transféré provient d'une autre bactérie.

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33 Les phages transducteur
Le phage P1, outil génétique de transduction, il possède un large spectre d’hôte chez les Gram négatif et son site Pac fait partie des moins spécifiques. Il empaquète en moyenne dans les capsides un ADN chromosomique bactérien pour 100 ADN phagiques. La taille empaquetée est d’environ 90 kpb. Le phage T4 n’a pas de site Pac mais ne peut transduire que si on inactive son enzyme de dégradation de l’ADN hôte.  Le phage Lambda est un très mauvais transducteur car l’empaquetage se fait entre 2 sites COS plutôt que par empaquetage en tête... La transduction peut jouer un rôle non négligeable dans l’évolution bactérienne en transfert horizontal même si la fréquence de transfert semble être plus aléatoire que la transformation et la conjugaison.

34 La M.O.I. (multiplicity of infection) joue un rôle important dans la transduction. Du fait du faible taux de particules transductrices, il faut réduire au maximum la double infection de cellules. Il faut aussi prévenir le deuxième cycle d’infection qui risque d’être fatal au transductant. Ces 2 paramètres étant maîtrisés, on peut envisager d’utiliser les phages comme outils en génétique.