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Bactériologie
Mutations bactériennes
Cours de Bactériologie
 


 

Mutations bactériennes :

La fidélité de la réplication de l’ADN, repose sur le fait que chaque brin d’ADN sert de matrice pour la synthèse d’un nouveau brin d’ADN complémentaire.

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Chez les bactéries, la réplication procède par un mode semiconservatif, c’est-à-dire que pour chaque molécule fille d’ADN, un des deux brins provient de la molécule-mère.

Au cours de la réplication, le taux d’erreur par nucléotide incorporé est très faible (de l’ordre de 10-9 soit 1 sur 1 milliard).

Une aussi grande fidélité de réplication est non seulement due à la fidélité des appariements des bases AT et CG, mais aussi à la propriété de corriger les erreurs.

Les modifications du matériel génétique, survenant spontanément ou induites, sont à l’origine de mutations.

Définitions :

Mutation et mutant :

Elles se définissent comme des modifications de la séquence nucléotidique d’un ADN (chromosomique, plasmidique ou phagique).

Le génome d’une bactérie ayant subit une mutation est donc différent de la bactérie dont elle est issue, dite parentale.

Et cette modification du génotype, transmise héréditairement, n’est pas toujours associée à une modification observable du phénotype.

En pratique, on parle de "bactérie mutante" lorsque la mutation a une expression phénotypique caractérisée (exemple : résistance à un antibiotique), c’est-à-dire qu’elle s’accompagne de modification(s) détectable(s) du comportement de la bactérie.

Par opposition à une bactérie mutante, une bactérie est dite de type sauvage (wild type) lorsque ses propriétés sont celles qui sont retrouvées naturellement dans l’espèce considérée (exemple : mutant de E. coli résistant à la streptomycine, alors que les souches sauvages de E. coli sont sensibles à cet antibiotique)

La fréquence de mutants est le nombre de cellules mutantes sur le nombre total de bactéries.

Le taux de mutation est la probabilité qu'un événement mutationnel se produise en un intervalle de temps donné.

Le taux de mutation est obtenu en mesurant la fréquence de mutant par unité de temps choisi.

Bases moléculaires des mutations :

Rappel :

Bases puriques = adénine (A), guanine (G) ;

Bases pyrimidiques = cytosine (C), thymine (T)

Nature des mutations :

Mutation ponctuelle :

Il s’agit de la substitution d’une seule base qui peut se faire selon divers mécanismes

Transition : lorsqu’une base purique est remplacée par l’autre base purique, ou une base pyrimidique par l’autre base pyrimidique ;

Transversion : lorsqu’une base purique est remplacée par une base pyrimidique ou viceversa.

Mutation par addition ou délétion d’une ou plusieurs bases.

Mutations spontanées ou induites :

Une mutation peut survenir naturellement, ou spontanément.

Il s’agit de mutations qui s’inscrivent dans le cadre de l’évolution naturelle, c’est-à-dire survenant sans l’intervention d’agent exogène et survenant de façon aléatoire sur la séquence nucléotidique.

La survenue d’un tel événement est rare (la probabilité de voir apparaître une modification de la séquence d’ADN par génération cellulaire est de 10-8 à 10-11).

Il s’agit le plus souvent de mutations génotypiques sans expression phénotypique.

Les mutations induites artificiellement :

Grâce à l’action d’un agent exogène, il est possible de favoriser la survenue de mutations.

On parlera alors de mutations induites par un mutagène.

Schématiquement les mutagènes, qu’ils soient d’origine physique, chimique ou biologique, et bien qu'ils agissent par des mécanismes différents, ils provoquent des mutations aléatoires sur n’importe quelle partie du génome.

Agents chimiques :

Les analogues de bases provoquent le changement d’une base au cours de la réplication

Exemples :

- 5 Bromouracil :

Il s’agit d’un analogue de la thymine qui s’apparie avec l’adénine (mais de façon instable) et peut s’apparier avec la guanine.

Ainsi, lors de la réplication, la paire adénine thymine (A.T) est remplacée par la paire gaunine-cytosine (G.C) ;

Il s’agit donc d’un mécanisme de transition (A.T ! G.C ou G.C ! A.T).

- 2 Aminopurine : Transition (A.T !G.C)

Les agents alkylants provoquent une altération chimique d’une base conduisant à un mésappariement et à l’apparition d’une nouvelle paire de base.

Exemples :

- Acide Nitreux : Transition (G.C ! A.T et A.T ! G.C)

- Hydroxylamine : Transition (G.C ! A.T)

- Ethyl méthane sulfonate : Transversion (G.C ! C.G et G.C ! T.A) Transition (G.C ! T.A)

Les agents intercalants doivent leur nom à leur capacité à pouvoir s’intercaler entre deux paires de bases d’un ADN.

Ils créent des décalages au sein de la molécule d’ADN conduisant le plus souvent à une mutation par addition (plus rarement délétion) d’une ou plusieurs paires de bases.

Exemples :

Les colorants d’acridines tels que le Bromure d’éthydium

Agents physiques :

Les ultra violets (UV) créent l’apparition de dimères de thymine en provoquant une liaison covalente entre deux thymines adjacentes.

Les radiations ionisantes (X ou gamma) créent également des modifications de l'ADN par distorsion de la double hélice, des cassures, ou des pontages interbrins ou intrabrins (dimère de pyrimidines)

Conséquences des mutations :

Une mutation a des répercussions diverses sur le phénotype selon sa nature et sa localisation dans le génome, mais aussi selon les conditions du milieu dans lequel vit la cellule ou l’organisme concerné.

C’est quand le gène muté est exprimé, au moment de la traduction, que l’effet sur la protéine codée par le gène se manifeste.

Quelles peuvent être les conséquences de ces mutations sur la fonction des protéines correspondantes ?

Mutations ponctuelles :

La substitution d’une seule base conduit à la modification d’un codon.

Compte tenu du code génétique, une mutation ponctuelle n’est pas nécessairement associée à une modification d’un acide aminé au niveau de la protéine.

Trois cas de figure sont alors possibles.

La mutation est muette ou silencieuse :

Du fait de la dégénérescence du code génétique, le changement de la séquence nucléotidique dû à la substitution d’un nucléotide, n’entraîne pas de changement de la séquence peptidique.

La mutation est dite faux-sens :

Cette mutation entraîne l'incorporation d'un "mauvais" acide aminé dans la chaîne polypeptidique.

Si cet acide aminé est important, on obtient un phénotype mutant. Il est néanmoins possible que cette modification soit sans effet sur la fonction de la protéine ; se comportant alors comme une mutation silencieuse.

La mutation est dite non-sens :

C’est une mutation conduisant à l’apparition d’un codon non-sens (codon stop : UAA, UAG, UGA) responsable de l’arrêt de la traduction.

Ainsi, la protéique sera tronquée ou absente (si le codon stop apparaît au début de la phase ouverte de lecture).

Une protéine tronquée et le plus souvent biologiquement inactive.

Les mutations par insertion ou délétion qui résultent de l’insertion ou la délétion d’une base ou d’un segment d’ADN sont exceptionnellement silencieuses car elles provoquent des déphasages du cadre de lecture et désorganisent totalement les régions touchées.

Le phénomène de réversion :

Un mutant bactérien peut retrouver son phénotype sauvage grâce à un phénomène réversion.

Néanmoins c’est un phénomène rare qui ne survient que lorsqu’il s’agit d’une mutation ponctuelle, ou de l’insertion de certains transposons capable de s’exciser spontanément.

Dans le cas d’une mutation ponctuelle le phénomène de réversion nécessite une nouvelle mutation dite suppressive.

On parle alors de vraie réversion lorsque la séquence d’ADN redevient normale ou de pseudor éversion lorsque le phénotype se normalise mais que le génotype reste modifié par rapport à la souche sauvage.

Le phénomène de réversion ne peut pas survenir lorsque le mécanisme de la mutation résulte d’une délétion.

Principales caractéristiques des mutations :

Exemple de la résistance aux antibiotiques

"Spontanéité" des mutations :

Si on considère une souche bactérienne sensible à la streptomycine, donc incapable de croître en présence de cet antibiotique à une concentration ≥ 1mg/l.

Si l’on étale un nombre suffisant de bactéries (108) sur une gélose contenant 100mg/l de streptomycine, une ou plusieurs colonies apparaissent, témoignant d’une acquisition spontanée de la propriété de résister à la streptomycine : ce sont des mutants résistants à la streptomycine.

Fait essentiel, ces mutants n’ont pas été créés par la streptomycine, mais sont apparus de façon "spontanée" (ici, le qualificatif spontané signifie simplement que la mutation n’a pas été induite par la streptomycine).

En d’autres termes, ces mutants préexistaient parmi les 108 bactéries mises sur la gélose contenant la streptomycine, et ont seulement été sélectionnés par l’antibiotique.

Le phénotype "résistant à la streptomycine" est stable est se transmet aux générations de descendantes.

Rareté des mutations :

La probabilité qu’une bactérie mutante, pour un caractère donné, apparaisse au cours d’une division bactérienne, est d’environ 10-6 à 10-8. Mais, pour les mutants résistants aux antibiotiques, la fréquence des mutations varie en fonction de l’antibiotique considéré.

Par exemple, alors que, habituellement la probabilité de mutation est de 10-6 à 10-8 mais, pour certains antibiotiques comme la rifampicine ou fosfomycine la probabilité de sélectionner des "mutants résistants" est plutôt de 10-4-10-5 ; donc plus élevée.

La conséquence pratique en antibiothérapie est de ne jamais utiliser la rifampicine ou la fosfomycine autrement que dans le cadre d’une association de 2 antibiotiques (ou plus) afin de diminuer la probabilité de sélectionner des mutants résistants (exemple d’une association ß-lactamine+fosfomycine: les mutants résistants à la fosfomycine sont détruits par la ß- lactamine associée).

Spécificité et indépendance des mutations :

Spécificité :

Une mutation est habituellement spécifique d’un caractère donné.

Un mutant résistant à la streptomycine ne résiste pas à l’amikacine (autre aminoside) et encore moins aux ß- lactamines (type pénicilline).

Cependant, la mutation d’une porine provoque une imperméabilité aux antibiotiques qui empruntent cette porine (exemple : aminoside, ß-lactamines).

On dit que la mutation a un effet pléïotrope.

Indépendance :

Un mutant résistant à la streptomycine peut devenir résistant, par une deuxième mutation à un autre antibiotique (exemple : la rifampicine).

Fait essentiel, cette deuxième mutation est indépendante de la première et s’effectue à un taux qui lui est propre.

Ces propriétés sont à la base de l’emploi de plusieurs antibiotiques simultanément (polychimiothérapie), quand le risque de résistance par mutation est grand.

Exemple du traitement de la tuberculose :

Le traitement d’une tuberculose nécessite initialement l’association de 3 antituberculeux (Isoniazide INH, rifampicine et éthambutol).

La résistance à chacun de ces antituberculeux apparaît à une fréquence d’environ 10-7 Mycobacterium tuberculosis.

Une caverne comporte environ 108 bactéries.

Aussi il peut exister d’emblée une résistance primaire à l’INH.

Il faut donc donner au moins deux antibiotiques actifs pour éviter la sélection de mutants résistants.

En pratique, il est habituellement associé un quatrième anti-tuberculeux, qui a la capacité d’atteindre les germes intracellulaires quiescents.

Il s'agit de la pyrazinamide.

Correction des mésappariements suite à la réplication :

Il existe de nombreux systèmes de réapparition des anomalies de l'ADN, que celles-ci soient survenus spontanément ou induites par un agent exogène.

Ici nous ne verrons que les principaux systèmes de réparation suite à une erreur survenant au cours de la réplication.

Bien que ces systèmes aient pour but de garantir à la cellule fille la transmission d’une information génétique identique à celle de la cellule mère, leur fiabilité reste imparfaite.

Ainsi le taux de mutation observé reflète l’équilibre entre le nombre d’événements qui endommagent l’ADN et le nombre de ceux qui ont été corrigés, ou éventuellement mal corrigés.

Correction des erreurs de la réplication :

D’après les données physico-chimiques sur la spécificité de l’appariement entre les bases nucléiques on estime que la fréquence d’incorporation d’un nucléotide erroné devrait être de l’ordre de 10-3 par nucléotide incorporé.

Ce qui est nettement supérieur au taux observé de mutations (10-8 à 10-10).

L'amélioration de la spécificité de la complémentarité des bases se fait au cours de la réplication grâce aux ADN polymérases bactériennes qui possèdent une activité exonucléasique 3’!5’ ; qui fonctionnent donc en sens inverse de la direction de la synthèse et qui permettent d’assurer la correction immédiate d’erreurs d’appariement au moment de la réplication.

Cependant, certains mésappariements échappent à cette correction et des bases se trouvent parfois incorrectement insérées dans le brin d’ADN en formation.

Ces imperfections ne conduisent pas nécessairement à des mutations car elles peuvent être corrigé par un système appelé système de réparation de mésappariement

Correction des mésappariements :

Le système de réparation des mésappariements identifie un mauvais appariement par l’action du produit des gènes mutS et mutL, il distingue les deux brins à leur degré de méthylation, l’endonucléase MutH incise alors le brin le moins méthylé à une certaine distance de part et d’autre de la base erronée, l’exonucléase 1, qui agit de 5’ vers 3’, excise alors les nucléotides de ce brin entre les deux incisions, le fragment manquant est synthétisé par complémentarité à la matrice sous l’action de l’ADN polymérase-I, et la continuité est rétablie par une ADN ligase.

Bien sûr une hélicase (MutU) en l’occurrence, et des SSB (single strand binding) qui stabilisent le simple brin, interviennent dans ce processus.

Pour être correcteur, et non générateur d’erreurs, un tel système de réparation doit être capable de distinguer la base correcte, celle du brin parental, de la base incorrecte, celle de la molécule fille.

Cette reconnaissance se fait grâce à l’enzyme Dam méthylase (Dam pour "damage") qui reconnaît et méthyle en position N6 des adénines (A) des séquences GATC.

En effet, la méthylation des adénines de cette séquence GATC se fait après la réplication mais pas au niveau de la fourche de réplication.

Ainsi le brin parental a été méthylé sur toute sa longueur au cours du cycle de réplication précèdent, alors que le brin néosynthétisé présente un gradient de méthylation, et surtout l'absence de méthylation à proximité de la fourche de réplication.

Conclusion :

Au cours de la réplication, l’instabilité chimique et les lésions de l’ADN sont des évènements distincts, qui, malgré les mécanismes de correction et de réparation de l’ADN, maintiennent un certain taux de mutations qui introduisent donc une variabilité de l’information génétique.

Ainsi la permanence d’un certain taux de mutations joue certainement un rôle important dans le maintien de la diversité biologique au cours de l’évolution.

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