7.4. Bactériophages

5/11/2018 7.4. Bactériophages - slidepdf.com

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Bactériophages, transduction et conversion lysogénique

Introduction

Les bactériophages ou phages sont des virus infectant les bactéries. Comme tous les virus, ils

se caractérisent par la possession d'un seul acide nucléique et par un parasitisme

intracellulaire obligatoire.

Les bactériophages ont été découverts par Frederick Twort en 1915. Cet auteur avait

remarqué que des colonies de microcoques prenaient parfois un aspect vitreux, dû à une

destruction des cellules bactériennes, et que cette caractéristique était transmissible à des

colonies normales par simple contact.

En 1917, Félix d'Herelle fit une observation similaire en découvrant dans les selles de

malades atteints de dysenterie bacillaire un agent infectieux capable de détruire

spécifiquement des cultures de Shigella dysenteriae.

Pratiquement toutes les espèces bactériennes peuvent être infectées par des phages spécifiques

si bien qu'ils sont présents dans le sol, dans l'eau, sur les plantes, dans les cavités naturelles de

l'homme et des animaux, dans les aliments, etc. Les bactériophages sont considérés comme

étant plus nombreux dans la biosphère que n'importe quel autre groupe d'organismes,

procaryotes inclus.

Comme tous les virus, les phages sont classés en fonction de la nature de leur acide nucléique

et de leur structure (type de symétrie, présence ou absence d'une enveloppe

Réplication

Un contact phage-bactérie peut donner lieu à trois éventualités :

. La bactérie résiste à l'infection. Cette résistance résulte soit de l'absence de récepteurs

permettant la fixation du phage soit de la présence d'enzymes de restriction capables de

dégrader l'acide nucléique phagique.

. Le phage ou uniquement son acide nucléique pénètre dans la bactérie et le phage se multiplie

à l'intérieur de la cellule bactérienne. Le cycle est productif et le phage est qualifié de virulent.

Selon les bactériophages, le cycle productif peut ou non conduire à une lyse de la bactérie.

. Le phage ou uniquement son acide nucléique pénètre dans la bactérie et l'acide nucléique

phagique s'intègre dans le génome bactérien où il persiste à l'état latent sous forme de

prophage. Le cycle est qualifié de lysogénique et le bactériophage est appelé phage tempéré.

Étapes préliminaires

Les étapes préliminaires, adsorption et pénétration, sont communes au cycle productif et au

cycle lytique.



La rencontre d'un phage et d'une bactérie se fait au hasard et sa probabilité dépend du nombre

de bactéries et de phages. Le phage se fixe sur des récepteurs spécifiques de la bactérie

présents soit sur la paroi (lipo-polysaccharide, protéines, acides téchoïques), soit sur la

membrane cellulaire (bactéries appartenant à la classe des Mollicutes), soit sur les flagelles,

soit sur les pili communs soit sur les pili sexuels.

Pour que l'adsorption soit possible, il faut que les récepteurs phagiques et bactériens

présentent une étroite spécificité l'un envers l'autre. Une bactérie n'est donc sensible qu'à un

nombre limité de phages et un phage n'est capable d'infecter qu'un nombre restreint de

bactéries.

La pénétration est variable selon les phages. Certains d'entre eux pénètrent en totalité dans la

bactérie et l'acide nucléique n'est libéré qu'après désintégration de la capside. Pour d'autres

bactériophages seul l'acide nucléique pénètre dans la cellule.

Cycle productif

L'infection de la cellule conduit à une réorganisation de l'activité métabolique et la machinerie

cellulaire est détournée au seul profit des synthèses virales.

La réplication du phage T4 ( Enterobacteria phage T4) nous servira de modèle pour la

réplication des virus à ADN. Ce phage possède un ADN bicaténaire dans lequel

l'hydroxyméthylcytosine remplace la cytosine.

La réplication de l'ADN et la synthèse des constituants viraux s'effectuent en quatre phases

correspondant aux fonctions hyper-précoces, aux fonctions précoces, à la réplication de

l'ADN phagique et aux fonctions tardives.

. Dans une première étape (fonctions hyper-précoces), une infime fraction de l'ADN phagique

est transcrite par la transcriptase bactérienne, puis elle est traduite pour donner une sous-unité

σ' qui remplace la sous-unité σ de la transcriptase bactérienne.

. La transcriptase bactérienne ainsi modifiée est capable de transcrire environ 20 p. cent du

génome phagique. Cette phase précoce conduit (i) à la synthèse d'une désoxyribonucléase qui

clive l'ADN bactérien, (ii) à la synthèse d'hydroxyméthylcytosine qui remplace la cytosine et

protège l'ADN phagique de l'action des enzymes de restriction bactériennes et de la

désoxyribonucléase d'origine phagique, (iii) à la synthèse d'une ADN polymérase ADN

dépendante et (iv) à la synthèse d'une sous-unité σ'' qui remplace la une sous-unité σ' au sein

de la transcriptase.

. Grâce à l'action de l'ADN polymérase ADN dépendante l'ADN phagique se réplique.

. La transcriptase bactérienne modifiée par la sous-unité σ'' est capable de transcrire environ



80 p. cent de l'ADN phagique. Au cours de cette phase tardive, seront synthétisés les protéines

structurales, des protéines d'assemblage et du lysozyme.

La phase d'assemblage succède à la synthèse des protéines élaborées lors de la phase tardive.

L'assemblage est un phénomène complexe et il existe trois "chaînes de montage" spécialisées

dans l'assemblage de la tête, de la queue et des fibres. L'encapsidation de l'ADN s'effectue à la

fin de l'assemblage des capsomères de la tête.

Les virions néoformés s'accumulent dans le cytoplasme et ils seront libérés à la suite d'une

lyse de la cellule provoquée par le lysozyme d'origine phagique. Le cycle productif du phage

T4 est donc un cycle lytique. La durée du cycle est d'environ 25 minutes.

Après adsorption sur les pili sexuels, l'ARN phagique pénètre dans le cytoplasme par un

mécanisme mal élucidé. L'ARN possède quatre gènes : un gène code pour la protéine de

capside, un gène code pour une protéine permettant l'attachement phage-récepteur, un gène

code pour une ARN polymérase ARN dépendante (réplicase) et le quatrième gène code pour

une protéine responsable de la lyse cellulaire.

Durant les premières minutes qui suivent l'infection on assiste à une synthèse importante de

réplicase permettant la formation d'ARN bicaténaires L'assemblage des virions est observé

une vingtaine de minutes après l'infection et il est suivi d'une phase de libération consécutive

à la lyse de la cellule.

Cycle lysogénique

Des bactériophages, appartenant tous à l'ordre des Caudovirales, sont appelés des phages

tempérés. Ces phages peuvent établir avec les bactéries des rapports de longue durée,

éventuellement réversibles, qualifiés de lysogénie. La bactérie est dite lysogène et le cycle de

réplication phagique est appelé cycle lysogénique. Au cours de la lysogénie, l'ADN phagique

est intégré au chromosome bactérien sous la forme d'un prophage incapable de se répliquer de

façon autonome. La réplication du prophage est liée à celle du chromosome bactérien.

La lysogénie a été découverte avec le phage λ ( Enterobacteria phage λ) infectant Escherichia

coli. Le phage λ (famille des Siphoviridae) est constitué d'une tête et d'une queue non

contractile. L'ADN phagique est un ADN bicaténaire, linéaire, possédant à ses extrémités des

brins monocaténaires (12 nucléotides), dont les séquences en bases sont complémentaires ce

qui permet des appariements. Ces séquences monocaténaires sont parfois dénommées bouts

collants.

Après la pénétration du génome phagique dans le cytoplasme bactérien, l'ADN phagique se

circularise grâce à l'appariement des bouts collants. Sous forme circulaire, l'ADN du phage λ

s'intègre dans le chromosome bactérien, sans perte de matériel génétique. Cette intégration



fait intervenir le gène int qui code pour une intégrase ainsi que des sites d'attachement (sites

att) présents sur l'ADN phagique (att Φ) et sur l'ADN bactérien (att B). Le site att B est situé

entre les opérons galactose ( gal ) et biotine (bio).

Sous forme intégrée, l'ADN phagique ou prophage perd ses capacités de réplication

autonome, il se réplique en même temps que le chromosome bactérien et, lors de la division

bactérienne, il est transmis aux cellules filles.

Le phage λ ne s'intègre qu'entre gal et bio, mais d'autres phages, comme le phage P2

( Enterobacteria phage P2, famille des Myoviridae) de Escherichia coli ou le phage P22

( Enterobacteria phage P22, famille des Podoviridae) des salmonelles, peuvent avoir plusieurs

sites d'intégration. Le phage Mu-1 ( Enterobacteria phage Mu-1, famille des Myoviridae) peut

s'intégrer totalement au hasard sur une molécule d'ADN bactérien.

La lysogénie présente deux caractéristiques : (i) une absence d'expression des gènes

phagiques impliqués dans le cycle productif et (ii) une protection vis-à-vis de l'infection par

un phage homologue. Ces deux caractéristiques sont liées à la présence d'un répresseur.

Le répresseur est une protéine synthétisée par le bactériophage et qui se fixe sur des

opérateurs viraux. Ce répresseur bloque la majorité des fonctions virales et seules quelques

fonctions précoces sont conservées et peuvent s'exprimer dans la bactérie lysogène. Le

répresseur peut être inactivé et cette inactivation permet l'expression du prophage et conduit à

un cycle productif analogue à celui étudié pour le phage T4.

L'induction (ou passage d'un cycle lysogénique à un cycle productif) peut être spontanée ou

induite. L'induction spontanée est rare. Selon le phage et la bactérie, elle se produit à une

fréquence variant de 10-2 (toutes les 100 divisions bactériennes) à 10 -6. La fréquence de

l'induction est augmentée par les rayons UV, les rayons X, l'ypérite, l'éthylène-imine, des

peroxydes organiques, etc. Ces agents inactivent le répresseur et permettent alors l'expression

totale du génome phagique. Le gène xis permet la synthèse d'une excisase qui, associée à

l'intégrase, inverse son processus et permet une excision. Le prophage est alors libéré et le

cycle productif peut se dérouler normalement.

Une modalité particulière d'induction est obtenue en croisant une bactérie Hfr lysogène et une

bactérie F- non lysogène. Dans ces conditions, on n'obtient pas de recombinants car les

bactéries F- sont lysées. En effet, lorsque le prophage de la bactérie Hfr pénètre dans la

bactérie F-, dépourvue de répresseur, le prophage s'excise et déclenche un cycle productif.

Cette induction provoquée par la conjugaison est appelée induction zygotique.

Le prophage apparaît donc comme un gène létal potentiel, existant à l'état réprimé chez une

bactérie et transmissible à la descendance.



Conversion lysogénique

Les prophages, intégrés au génome bactérien, expriment quelques fonctions précoces

susceptibles de modifier les propriétés de la bactérie hôte. Ce phénomène est connu sous le

nom de conversion lysogénique.

La conversion lysogénique peut aussi conduire à des modifications antigéniques bien connues

chez les salmonelles. Ainsi, pour les sérovars des groupes O:2, O:4 et O:9 du schéma de

Kauffmann-White, la spécificité antigénique O:1 est lié à la présence du prophage P22. La

présence ou l'absence de la spécificité antigénique O:1 ne conduit cependant pas à un

changement de nom du sérovar. Par exemple le nom de Typhimurium s'applique à des

sérovars possédant ou non la spécificité O:1.

De même, dans le groupe E1, caractérisé par les antigènes O:3,10, la spécificité antigénique

O:10 peut devenir O:15 lorsque la bactérie est lysogène pour le phage ε15. Une salmonelle

possédant la spécificité O:15 peut acquérir la spécificité O:34 lorsqu'elle héberge le phage

tempéré ε34.

Transduction

La transduction est un transfert de matériel génétique (ADN chromosomique ou extra-

chromosomique) par des bactériophages dits transducteurs. Compte tenu de l'étroite

spécificité existant entre les phages et les bactéries, ces transferts se font essentiellement entre

bactéries appartenant à une même espèce.

La transduction a été découverte en 1951 (résultats publiés en 1952) par Zinder et Lederberg

chez Salmonella Typhimurium. En 1992, Norton D. Zinder a publié un article fort

intéressant* relatant la découverte de la transduction.

Très schématiquement, le protocole utilisé par Zinder et Lederberg est le suivant : une culture

de la souche LT-2 de Salmonella Typhimurium (souche auxotrophe pour l'histidine) et une

culture de la souche LT-22 de Salmonella Typhimurium (souche auxotrophe pour le

tryptophane) sont placées chacune dans une branche d'un tube en U séparé à la base par une

membrane en verre fritté qui interdit tout contact entre les deux souches bactériennes. Des

bactéries prototrophes sont obtenues à une fréquence de 10-5. Ces bactéries prototrophes

appartiennent toujours à la souche LT-22 et aucune bactérie de la souche LT-2 ne devient

prototrophe.

La fréquence d'apparition des prototrophes exclut une mutation. La présence d'un filtre en

verre fritté élimine la possibilité d'une conjugaison. L'addition de DNase dans le milieu

n'inhibe pas l'apparition des prototrophes ce qui exclut une transformation. La seule

explication possible était celle d'un transfert génétique faisant intervenir de l'ADN sous une

http://www.bacteriologie.net/generale/phages.html#note





forme suffisamment petite pour traverser le verre fritté et sous une forme suffisamment

protégée pour résister à la DNase. Des études complémentaires ont permis de montrer que le

transfert était dû au phage P22 et que ce transfert pouvait être aboli par des anticorps

neutralisants dirigés contre le phage P22.

Ultérieurement, la transduction a été observée chez de nombreuses bactéries à Gram négatif et

à Gram positif.

Il existe deux types de transduction, une transduction généralisée et une transduction

localisée, dont les mécanismes reposent sur l'existence des deux types de réplication (cycle

productif et cycle lysogénique).

Transduction généralisée

La transduction généralisée est due à des phages virulents. Lors du cycle productif, l'ADN

bactérien est détruit par une désoxyribonucléase d'origine phagique. Au moment de la

morphogénèse, un fragment d'ADN bactérien peut être encapsidé par erreur et venir

remplacer l'ADN phagique. La taille du fragment d'ADN bactérien doit être proche de celle de

l'ADN phagique et elle correspond à environ 1 pour cent du chromosome. Le phage ayant

incorporé de l'ADN bactérien ne peut plus de répliquer (phage défectif), mais il peut

transférer de l'ADN bactérien à une bactérie réceptrice (les étapes d'adsorption et de

pénétration ne sont pas modifiées chez un phage défectif).

Cette transduction est qualifiée de généralisée ou de non spécifique car elle concerne tous les

fragments d'ADN (chromosomique ou extra-chromosomique) pourvu que leur taille soit

compatible avec une encapsidation.

Après le transfert d'ADN dans une bactérie réceptrice, deux modalités sont possibles.

. Le fragment d'ADN va s'intégrer par recombinaison homologue et toute la descendance de la

bactérie réceptrice portera l'ADN transféré. On dit que la transduction est complète.

. Le fragment d'ADN reste libre, il ne sera pas répliqué, mais les gènes transmis sont

fonctionnels et peuvent être exprimés. Lors de la multiplication bactérienne, seule une des

deux cellules filles acquiert le fragment d'ADN transféré et, au cours des divisions

successives, ce fragment sera peu à peu dilué. On dit que la transduction est abortive.

L'expérience de Zinder et Lederberg s'explique de la manière suivante :

La souche LT-22 est lysogénisée par le phage P22. Occasionnellement, le prophage s'excise et

donne naissance à un cycle lytique. Les virions néoformés passent au travers du filtre et

infectent les cellules de la souche LT-2. Pour cette souche, le phage P22 n'est pas lysogène, il

se multiplie selon un cycle lytique et certains virions incorporent par erreur le gène permettant



l'utilisation du tryptophane. Le passage du filtre en sens inverse permet à ces virions défectifs

d'introduire ce gène dans la souche LT-22 qui devient alors prototrophe.

Transduction localisée

La transduction localisée est réalisée par des phages tempérés. Elle ne correspond pas à une

erreur d'encapsidation mais à une excision anormale du prophage. Lorsque le répresseur est

inactivé, un cycle productif succède à un cycle lysogénique. Dans les conditions normales,

l'ADN phagique est excisé dans son intégralité. Toutefois, avec une fréquence de l'ordre de

10-6, l'excision est anormale et on obtient la libération d'une molécule d'ADN hybride

constituée d'un fragment d'ADN phagique et d'un fragment d'ADN bactérien. Ce fragment

d'ADN bactérien est adjacent à la zone d'intégration du prophage d'où le nom de transduction

localisée.

Dans le cas du phage λ, seuls les gènes gal ou bio peuvent être transférés et la transduction

localisée est spécifique. Le phage transducteur λgal est un phage défectif, incapable d'initier

un cycle productif. Le phage transducteur λbio ne peut plus accomplir un cycle lysogénique,

mais il reste capable de donner un cycle productif.

Lorsque le phage possède plusieurs sites d'intégration ( Enterobacteria phage P2,

Enterobacteria phage P22, ...) la transduction localisée devient non spécifique.

Avec le phage Mu-1, qui peut s'intégrer totalement au hasard sur une molécule d'ADN

bactérien, de nombreux gènes bactériens peuvent être transférés et la transduction localisée a

des allures de transduction généralisée.

Génétique moléculaire

Depuis longtemps, les phages sont utilisés comme vecteurs et amplificateurs de gènes. Des

fragments d'ADN de sources diverses peuvent être intégrés dans le génome d'un

bactériophage soit par insertion simple soit par délétion-remplacement. Les bactériophages

ont ainsi permis l'obtention de banques d'ADN.

Plus récemment, des phages filamenteux à ADN monocaténaire circulaire sont utilisés pour

présenter à leur surface, en fusion avec le domaine amino-terminal de leurs protéines, des

molécules telles que des peptides, des fragments d'anticorps ou d'autres protéines. Cette

technique (phage display) présente de multiples applications, mais son étude déborde du cadre

de cette étude.

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