Transfert horizontal de gènes

Trois types de transfert horizontal de gènes

Le transfert horizontal de gènes se produit par transformation, conjugaison et transduction. Ces processus sont illustrés dans la figure 2 ci-dessous. Nous aborderons chacun de ces types dans la section suivante.

Figure 2. Ce diagramme montre comment les trois types de transfert horizontal de gènes se produisent chez les bactéries.

Transformation

Latransformation est l'un des mécanismes les plus courants de transfert horizontal de gènes chez les bactéries. La transformation se produit lorsqu'une cellule compétente réceptrice absorbe l'ADN nu extracellulaire de l'environnement ou l'ADN d'une bactérie donatrice morte.

La transformation implique une recombinaison homologue, l'échange de matériel génétique entre des acides nucléiques monocaténaires ou bicaténaires qui possèdent de vastes régions de séquences de bases similaires. Les cellules donneuses et receveuses appartiennent généralement à la même espèce bactérienne.

Conjugaison

La conjugaison est un autre mécanisme de transfert horizontal de gènes chez les bactéries. La conjugaison est le mécanisme le plus courant de transfert horizontal de gènes d'une espèce bactérienne donatrice à une espèce réceptrice différente. La conjugaison bactérienne a été découverte pour la première fois chez E. coli, et elle repose sur le contact de cellule à cellule. Le contact direct des cellules entre elles est important pour la conjugaison bactérienne et la distingue des autres mécanismes de transfert horizontal de gènes.

Dans la conjugaison bactérienne, la cellule donneuse tirerait la cellule receveuse à l'aide d'une structure appelée pilus sexuel. Le pilus sexuel est un appendice en forme de tube qui permet le contact de cellule à cellule et qui protège le transfert du plasmide ADN de la cellule donneuse à la cellule receveuse. Une fois qu'ils sont en contact l'un avec l'autre, l'ADN est poussé hors de la cellule donneuse et transporté vers la cellule receveuse.

La transduction

Latransduction implique le transfert de fragments d'ADN par l'intermédiaire d'un vecteur viral appelé bactériophage. Un bactériophage est un virus qui peut infecter les bactéries. Le bactériophage, la particule de transduction, infecterait une bactérie puis injecterait son ADN dans la bactérie. Après l'injection, l'ADN du virus peut détourner la bactérie et l'utiliser comme hôte pour fabriquer davantage d'ADN. Contrairement à la conjugaison, la transduction ne nécessite pas de contact physique entre la cellule donneuse et la cellule réceptrice.

La transduction peut se faire par un cycle lytique ou lysogénique. Dans le cycle lytique, le bactériophage prend le contrôle de la réplication, de la transcription et de la traduction de la cellule bactérienne pour la diriger vers la fabrication de nouvelles particules virales. Une fois qu'il y a des particules virales, elles sont libérées dans l'environnement par la lyse de l'hôte.

En revanche, dans un cycle lysogénique, le chromosome du bactériophage est inséré sous forme de prophage dans le chromosome bactérien. Ce prophage peut rester dormant dans la bactérie, mais il peut être excisé du chromosome bactérien et initier le cycle lytique si la bactérie est induite.

Exemple de transfert horizontal de gènes chez les bactéries

Les bactéries sont des organismes polyvalents qui peuvent absorber de l'ADN étranger, le répliquer et le transmettre aux générations futures. Elles peuvent répondre à la pression sélective et s'adapter à leur nouvel environnement par différents mécanismes. Elles sont également capables de s'adapter parce qu'elles peuvent acquérir de nouvelles caractéristiques génétiques. Ces nouveaux traits génétiques sont acquis soit par mutation, soit par modification de la faction des gènes par transfert horizontal de gènes. Nous aborderons brièvement ces deux processus dans la section suivante.

Mutation

La mutation se produit très lentement dans la nature ; les taux de mutation varient de 10-6 à 10-9 par nucléotide par génération bactérienne. D'autres fois, la mutation peut se produire plus rapidement, par exemple si une population de bactéries est soumise à un stress important de la part de l'environnement. Cependant, la plupart des mutations chez les bactéries sont létales et entraînent la mort.

Transfert horizontal de gènes

Grâce au transfert horizontal de gènes, les bactéries peuvent s'adapter rapidement en acquérant l'ADN d'une autre bactérie en un seul transfert. Le transfert horizontal de gènes est impliqué dans l'évolution du génome bactérien, la prévention des dommages à l'ADN, la virulence, la résistance aux antibiotiques et la survie générale dans différents stress environnementaux.

Un aspect essentiel du transfert horizontal de gènes chez les bactéries est l'échange de gènes de résistance aux antibiotiques. L'échange de gènes de résistance aux antibiotiques conduit à l'évolution et joue un rôle dans le développement de bactéries multirésistantes aux médicaments qui sont pathologiquement pertinentes pour les humains. La plupart des gènes de résistance évoluent rapidement et se répandent parmi les différents agents pathogènes humains.

Détecter le transfert horizontal de gènes

La capacité à détecter le transfert horizontal de gènes est importante dans le domaine de la recherche et de la médecine. Dans les sciences de la santé, le transfert horizontal de gènes joue un rôle important dans l'évolution de nouveaux agents pathogènes, en particulier dans la promotion de la résistance aux antibiotiques chez les espèces bactériennes, ce qui conduit généralement à des agents pathogènes multirésistants. Les gènes qui confèrent une résistance aux antibiotiques sont transférés horizontalement, par exemple à partir d'une bactérie sensible Staphylococcus aureus, ce qui donne une souche résistante à la méthicilline.

Les deux méthodes les plus couramment utilisées pour détecter les transferts horizontaux de gènes sont l'approche basée sur la phylogénie et l'approche basée sur la composition, qui utilisent des outils bioinformatiques différents.

Approche basée sur la phylogénie

Dans une approche basée sur la phylogénie, un grand ensemble de copies du gène étudié est comparé et mis en contraste avec la phylogénie de leur espèce d'origine. S'il existe des différences entre le gène étudié et la phylogénie, on les rapproche en introduisant le transfert horizontal de gènes. Cette approche nous permet d'identifier d'anciens événements de transfert horizontal de gènes dans un génome, mais elle ne fonctionne que sous des restrictions strictes.

Cette approche repose sur l'alignement de séquences multiples (MSA) ainsi que sur la fiabilité et la précision des arbres phylogénétiques d'espèces existants. Le gène transféré doit également provenir d'un donneur relativement éloigné de la cellule réceptrice, afin que la divergence puisse être détectée.

Approche basée sur la composition

Dans une approche basée sur la composition, le génome est comparé et contrasté en fonction de ses propriétés. Les limites de cette approche découlent de la similitude des schémas de composition de différentes espèces. De plus, la longueur du gène transféré du donneur au receveur peut être trop petite pour être détectée.

Pourquoi le transfert horizontal de gènes est-il important ?

Letransfert horizontal de gènes est essentiel au développement et à l'augmentation de la biodiversité des organismes. C'est un mécanisme rapide qui augmente la variabilité génétique jouant un rôle dans l'adaptation, la survie et, finalement, l'évolution bactérienne des gènes nouvellement transférés.

Le transfert horizontal de gènes se produit non seulement entre organismes similaires, mais aussi entre différents domaines, des bactéries aux archées, des archées aux bactéries, des archées aux eucaryotes et des bactéries aux eucaryotes. Par exemple, le transfert d'une enzyme métabolique de la bactérie Pasteurella au protozoaire Trichomonas vaginalis a conduit à l'adaptation du protozoaire à un hôte animal.

Un autre exemple de transfert horizontal de gènes chez les eucaryotes concerne le transfert de gènes fongiques à un puceron du pois(Acyrthosiphon pisum). Il s'agit du premier gène de caroténoïde synthase rapporté chez les animaux. Cependant, la plupart des transferts horizontaux de gènes bien compris et documentés concernent l'évolution des bactéries et des archées.