تجربة Griffith (1928) على المكورة الرئوية Streptococcus pneumoniae، بسلالتين: السلالة S (محفَّظة، ممرضة) والسلالة R (غير محفَّظة، غير ممرضة).
التجربة
النتيجة
حقن الفأر بالسلالة R حية
يعيش
حقن الفأر بالسلالة S حية
يموت
حقن الفأر بالسلالة S مقتولة بالحرارة
يعيش
حقن الفأر بخليط: S مقتولة بالحرارة + R حية
يموت، ويُعزل من دمه بكتيريات S حية
الاستنتاج: انتقل «مبدأ محوِّل» من الخلايا الميتة إلى الخلايا الحية فحوّلها وراثيًا بشكل قابل للتوريث.
تجربة Avery, MacLeod et McCarty (1944): معالجة مستخلص السلالة S بأنزيمات نوعية قبل خلطه بـR: تُلغى قدرة التحويل عند معالجته بـالـADNase وحدها، بينما تبقى قائمة بعد معالجته بالبروتياز أو الـARNase. ومنه: الـADN هو الحامل الجزيئي للمعلومة الوراثية.
3.2 الآلية والشروط
يتطلب التحول أن تكون الخلية المستقبِلة في حالة أهلية (état de compétence): حالة فيزيولوجية عابرة تُصنَّع فيها بروتينات غشائية خاصة تربط الـADN الخارجي وتُدخله.
المراحل: التصاق الـADN المزدوج الخييط بمستقبِلات غشائية ← تفكيك أحد الخييطين ← دخول الخييط المفرد ← إعادة تركيب متماثل مع الصبغي أو، إن كان بلازميدًا، إعادة بنائه واستقلاله.
الأهلية طبيعية عند أنواع محدودة (Streptococcus pneumoniae، Bacillus subtilis، Neisseria، Haemophilus)، ومستحثّة اصطناعيًا مخبريًا بالمعالجة بـCaCl₂ أو بالصدمة الكهربائية (électroporation).
صورة 1 — قيد الإعدادوصف الوثيقة
خطاطة علمية تعليمية بأسلوب كتاب مدرسي، رسم مسطح (flat vector) بخطوط واضحة، تعرض أربع مراحل متتالية مرقّمة للتحول البكتيري من اليمين إلى اليسار: (1) خلية بكتيرية مستقبِلة بيضوية بصبغي حلقي داخلها، وحولها في الوسط الخارجي قطع ADN حرّة مزدوجة الخييط ناتجة عن انحلال خلية مانحة مرسومة متفككة في الخلفية؛ (2) التصاق قطعة ADN بمستقبِل غشائي مرسوم كبروتين مدمج في الغشاء ومسمّى «بروتين الأهلية»؛ (3) دخول خييط مفرد إلى داخل الخلية مع تفكيك الخييط المكمّل خارجًا وتمثيله بأجزاء صغيرة متناثرة؛ (4) اصطفاف الخييط الوارد أمام منطقة متماثلة من الصبغي مع تمثيل التبادل بخطين متقاطعين مسمّى «إعادة تركيب متماثل»، ثم خلية محوَّلة بصبغي يحمل قطعة ملوّنة بلون مختلف. يُضاف في أسفل الخطاطة إطار صغير مسمّى «اختبار مميِّز» يعرض أنبوبين: أنبوب بلا ADNase (تحوّل يحدث) وأنبوب بـADNase (لا تحوّل). خلفية بيضاء نظيفة، تسميات بخط عربي واضح مع المقابل الفرنسي بين قوسين، اتجاه القراءة من اليمين إلى اليسار
4. الاقتران (Conjugaison)
4.1 الحالة F⁺ × F⁻
الخلية F⁺ تحمل بلازميد الخصوبة F، والخلية F⁻ لا تحمله؛
تُركّب F⁺ شعرة جنسية تلتقط الخلية F⁻ وتقرّبها حتى يتكوّن جسر اقتراني؛
يُقطع بلازميد F في نقطة أصل النقل، ويعبر خييط مفرد منه إلى المستقبِلة، ثم يُكمَّل كل جانب خييطه المكمّل ويستعيد شكله الحلقي.
النتيجة: تصبح الخلية المستقبِلة F⁺ بدورها، ويبقى المانح F⁺. أي أن هذه الحالة تنشر البلازميد بسرعة في الساكنة، دون نقل مورثات صبغية.
4.2 سلالات Hfr والنقل الصبغي
إذا اندمج بلازميد F في الصبغي البكتيري بإعادة تركيب، نتجت سلالة Hfr (haute fréquence de recombinaison). وعندها:
يبدأ النقل من نقطة أصل داخل F المندمج، فيجرّ خلفه الصبغي البكتيري بالتتابع؛
النقل موجَّه ومتدرّج زمنيًا: تعبر المورثات القريبة من نقطة الأصل أولًا؛
الجسر الاقتراني هشّ وينقطع عادة قبل اكتمال النقل، فنادرًا ما ينتقل F كاملًا؛
لذلك تبقى الخلية المستقبِلة F⁻ في أغلب الحالات، مع اكتسابها مورثات صبغية مانحة.
الحالة F′: عند انفصال F المندمج انفصالًا غير دقيق، يحمل معه مورثات صبغية مجاورة، فينشأ بلازميد F′ ينقل تلك المورثات بتواتر عالٍ.
صورة 2 — قيد الإعدادوصف الوثيقة
خطاطة علمية تعليمية بأسلوب كتاب مدرسي، رسم مسطح (flat vector)، مقسّمة إلى شريطين أفقيين مسمّيين. الشريط العلوي «الاقتران F⁺ × F⁻»: خليتان بكتيريتان بيضويتان متقابلتان، اليمنى مسمّاة «F⁺» تحتوي صبغيًا حلقيًا كبيرًا وبلازميدًا حلقيًا صغيرًا ملوّنًا بالأحمر مسمّى «بلازميد F»، تمتد منها شعرة جنسية مسمّاة نحو الخلية اليسرى المسمّاة «F⁻»؛ ثم مرحلة ثانية يظهر فيها جسر اقتراني قصير وعبور خييط مفرد أحمر عبره بسهم؛ ثم مرحلة ثالثة تُظهر خليتين كلتاهما تحمل بلازميدًا أحمر ومسمّيتان «F⁺» و«F⁺». الشريط السفلي «الاقتران Hfr × F⁻»: خلية يمنى مسمّاة «Hfr» بصبغي حلقي مدمج فيه جزء أحمر مسمّى «F مندمج»، وسهم يبيّن بدء النقل من نقطة مسمّاة «نقطة أصل النقل»، وعبور جزء من الصبغي (ملوّن بتدرّج يبيّن المورثات المتتالية a, b, c) نحو الخلية اليسرى المسمّاة «F⁻»، مع رسم انقطاع الجسر قبل عبور الجزء الأحمر وتعليق قصير «الجسر ينقطع قبل اكتمال النقل ← المستقبِلة تبقى F⁻». خلفية بيضاء نظيفة، تسميات بخط عربي واضح مع المقابل الفرنسي بين قوسين، اتجاه القراءة من اليمين إلى اليسار
4.3 الأهمية الطبية
الاقتران هو الآلية الرئيسية لانتشار بلازميدات المقاومة R، وقد يتم بين أنواع وأجناس مختلفة، وهو ما يفسّر الانتقال السريع لمقاومة المضادات الحيوية بين بكتيريات الفلورا المعوية وبين بكتيريات المستشفيات.
5. التنبيغ (Transduction)
المبدأ العام: أثناء تكاثر العاثية داخل الخلية المانحة، يحدث خطأ في التقفيص (encapsidation) فيُدرَج ADN بكتيري بدل ADN فيروسي (كليًا أو جزئيًا) داخل القفيصة. وتُحقن هذه الجسيمة الشاذة الـADN البكتيري في خلية أخرى دون أن تقتلها.
المعيار
التنبيغ العام (généralisée)
التنبيغ الخاص (spécialisée)
نوع الدورة الفيروسية
دورة تحليلية (cycle lytique)
دورة مندمجة (lysogénie) ثم انفصال غير دقيق للعاثية المندمجة
منشأ الخطأ
تقفيص عشوائي لقطعة من الصبغي البكتيري المجزّأ
انفصال خاطئ للـprophage يحمل معه ADN مجاورًا
المورثات المنقولة
أي مورثة من الجنيوم البكتيري بالاحتمال نفسه تقريبًا
مورثات محدّدة فقط: المجاورة لموقع الاندماج
مضمون الجسيمة
ADN بكتيري فقط
ADN فيروسي + ADN بكتيري (هجين)
مثال
عاثية P1 عند E. coli
عاثية λ (المورثتان gal وbio المجاورتان لموقع اندماجها)
أهمية طبية: قد ينقل التنبيغ مورثات ضراوة، ومن أشهر الأمثلة أن مورثة الذيفان عند بعض السلالات البكتيرية محمولة على عاثية مندمجة، فتصبح السلالة ممرضة بعد إصابتها بها.
صورة 3 — قيد الإعدادوصف الوثيقة
خطاطة علمية تعليمية مقارِنة بأسلوب كتاب مدرسي، رسم مسطح (flat vector)، مقسّمة إلى عمودين عموديين متجاورين مفصولين بخط رأسي، مسمّى الأيمن «التنبيغ العام» والأيسر «التنبيغ الخاص». العمود الأيمن يعرض ثلاث مراحل من الأعلى إلى الأسفل: عاثية ذات رأس عشريني وذيل تحقن ADN فيروسي في بكتيرية فيتجزّأ صبغيها إلى قطع صغيرة زرقاء؛ ثم مرحلة تركيب جسيمات فيروسية جديدة يظهر فيها رأس واحد شاذّ محشوّ بقطعة صبغي زرقاء بدل الـADN الفيروسي مع سهم وتعليق «خطأ في التقفيص»؛ ثم حقن هذه الجسيمة الشاذة الـADN البكتيري في خلية مستقبِلة مع إعادة تركيب متماثل. العمود الأيسر يعرض ثلاث مراحل: عاثية تندمج في موقع محدد من الصبغي البكتيري مسمّى «موقع الاندماج» مع تلوين المورثتين المجاورتين له بالأخضر؛ ثم انفصال غير دقيق يحمل معه إحدى المورثتين الخضراء مع سهم وتعليق «انفصال غير دقيق»؛ ثم جسيمة هجينة تحمل ADN فيروسيًا + المورثة الخضراء تحقنها في خلية مستقبِلة. خلفية بيضاء نظيفة، تسميات بخط عربي واضح مع المقابل الفرنسي بين قوسين، اتجاه القراءة من اليمين إلى اليسار
6. مقارنة تركيبية بين الآليات الثلاث
المعيار
التحول
الاقتران
التنبيغ
حالة الـADN المنقول
حرّ عارٍ في الوسط
داخل جسر اقتراني
داخل قفيصة فيروسية
تماس بين الخليتين
لا
نعم (شعرة جنسية)
لا
ناقل خارجي
لا
لا
نعم (عاثية)
الحساسية للـADNase الخارجية
حساس
غير حساس
غير حساس
حجم الـADN المنقول
قطع صغيرة
قد يبلغ الصبغي كله (نظريًا)
محدود بسعة القفيصة
المورثات المنقولة
عشوائية
متتابعة حسب موقعها من نقطة الأصل
عشوائية (عام) أو محدّدة (خاص)
شرط خاص
حالة الأهلية
وجود بلازميد F أو F مندمج
تحسّس الخلية للعاثية
الاستثمار التجريبي
إثبات طبيعة المادة الوراثية
الخرائط الوراثية بالاقتران المقطوع
تحليل مورثات متجاورة
القاسم المشترك: في الحالات الثلاث لا يظهر أي مظهر جديد ما لم يُدمَج الـADN الوارد بـإعادة تركيب متماثل أو يبقَ مستقلًا كبلازميد متضاعف ذاتيًا.
7. الأهمية البيولوجية والطبية
أ. الانتشار السريع لمقاومة المضادات الحيوية. لو كانت المقاومة تنتقل عموديًا فقط، لاقتصر انتشارها على نسل السلالة الطافرة. لكن الانتقال الأفقي — والاقتران خصوصًا عبر بلازميدات R — ينقلها بين خلايا الجيل نفسه وبين أنواع مختلفة، وقد ينقل عدة مقاومات دفعة واحدة لأن البلازميد الواحد يحمل عدة مورثات. وهذا يفسّر ظهور سلالات متعددة المقاومة في آجال قصيرة.
ب. اكتساب الضراوة. تنتقل بالآليات نفسها مورثات الذيفانات وعوامل الالتصاق ومقاومة المناعة، فتتحول سلالة غير ممرضة إلى سلالة ممرضة (كما في تجربة Griffith نفسها).
ج. التطور البكتيري وحدود مفهوم النوع. الانتقال الأفقي مصدر أساسي للتنوع الوراثي عند بدائيات النواة إلى جانب الطفرات، وهو ما يجعل حدود النوع البكتيري ضبابية — وهي النتيجة التي سبق تقريرها عند تعريف النوع في الدرس 42، وتجد هنا تفسيرها الآلي.
د. الاستثمار المخبري. وفّرت هذه الآليات أدوات أساسية للوراثة البكتيرية: إثبات طبيعة المادة الوراثية (التحول)، ورسم الخرائط الوراثية (الاقتران المقطوع)، وتحديد المورثات المتجاورة (التنبيغ الخاص).
8. خلاصة
يتميز الانتقال الأفقي عن العمودي بكونه جزئيًا وأحادي الاتجاه ومستقلًا عن التكاثر، وينشئ زيجوتًا جزئيًا (mérozygote).
لا يثبت الـADN الوارد إلا بـإعادة تركيب متماثل مع الصبغي أو ببقائه بلازميدًا متضاعفًا ذاتيًا؛ وإلا فُكِّك بالأنزيمات النووية.
التحول: التقاط ADN حرّ من الوسط، يتطلب حالة أهلية؛ أثبتت تجربتا Griffith وAvery بواسطته أن الـADN هو حامل المعلومة الوراثية.
الاقتران: نقل بتماس مباشر عبر شعرة جنسية؛ F⁺ × F⁻ ينشر البلازميد ويجعل المستقبِلة F⁺ دون نقل مورثات صبغية، بينما Hfr ينقل الصبغي بشكل موجَّه ومتدرّج زمنيًا وتبقى المستقبِلة F⁻ غالبًا.
التنبيغ: نقل بواسطة عاثية؛ عام (دورة تحليلية، تقفيص عشوائي، أي مورثة) وخاص (دورة مندمجة، انفصال غير دقيق، مورثات مجاورة لموقع الاندماج فقط).
المعيار التجريبي الفاصل بين الآليات هو الحساسية للـADNase الخارجية: التحول وحده حساس، لأن الـADN فيه عارٍ في الوسط؛ ويُضاف معيارا التماس المباشر (خاص بالاقتران) والحاجة إلى ناقل (خاص بالتنبيغ).
الانتقال الأفقي يفسّر الانتشار السريع لمقاومة المضادات الحيوية واكتساب الضراوة، ويجعل حدود النوع البكتيري ضبابية، ويوفّر أدوات أساسية للوراثة البكتيرية.
الدرس الموالي
دورة حياة الفيروسات: العاثية وفيروس السيدا. استُعمل في هذا الدرس مفهوما الدورة التحليلية والدورة المندمجة لتفسير نمطي التنبيغ، دون تفصيلهما. ويخصَّص الدرس الموالي لبنية الفيروسات ولدورتي حياة العاثية، ثم لدورة فيروس السيدا وخصوصية الفيروسات القهقرية، وهو الدرس الأخير في هذا المحور الرئيسي.
Les modes de transfert du matériel génétique bactérien : conjugaison, transduction, transformation
Objectifs de la leçon
À la fin de cette leçon, vous devez être capable de :
distinguer le transfert vertical du transfert horizontal de gènes et énoncer les caractéristiques de ce dernier ;
identifier les supports du transfert (chromosome, plasmides, éléments transposables) et le rôle de chacun ;
expliquer le mécanisme de la transformation et analyser les expériences de Griffith et d'Avery ;
expliquer le mécanisme de la conjugaison, distinguer une souche F⁺ d'une souche Hfr et interpréter les résultats d'une conjugaison interrompue pour établir une carte génétique ;
distinguer la transduction généralisée de la transduction spécialisée par la nature et l'origine des gènes transférés ;
comparer les trois mécanismes selon les critères : nécessité d'un contact, nécessité d'un vecteur, état de l'ADN transféré, sensibilité aux nucléases ;
expliquer la diffusion rapide de la résistance aux antibiotiques par le transfert horizontal.
1. Le transfert horizontal : notion et caractéristiques
Critère
Transfert vertical
Transfert horizontal
Sens
de la cellule mère aux cellules filles
d'une cellule donatrice à une cellule réceptrice de la même génération
Résultat
copie complète du génome
fragment seulement du génome donneur
Condition
division cellulaire
mécanisme de transfert spécifique
Conséquence
continuité
diversité et acquisition de caractères nouveaux
Les trois caractères distinctifs du transfert horizontal chez les bactéries :
partiel : ce n'est pas le génome entier qui est transféré mais un fragment, d'où la formation d'une cellule partiellement diploïde appelée mérozygote : chromosome receveur complet + fragment donneur ;
unidirectionnel et non réciproque : il y a un donneur et un receveur, sans échange équilibré comme dans la reproduction sexuée ;
indépendant de la reproduction : le transfert n'engendre pas un nouvel individu, il modifie une cellule existante.
Le devenir de l'ADN entrant — clé explicative de toute la leçon :
soit une recombinaison homologue avec le chromosome du receveur : il s'intègre et se transmet aux générations suivantes ;
soit un maintien autonome et une réplication propre, s'il s'agit d'un plasmide ;
soit une dégradation par les nucléases du receveur, si aucune des deux issues précédentes ne se réalise.
Sans l'une des deux premières issues, l'ADN transféré est perdu et aucun phénotype nouveau n'apparaît.
petit ADN circulaire à réplication autonome, non indispensable en conditions ordinaires
principal support de transfert ; porte des gènes de résistance ou de virulence
Éléments transposables (transposons)
séquences capables de changer de position dans le génome ou de passer d'un chromosome à un plasmide
déplacent des gènes entre supports différents au sein de la cellule
Bactériophage
virus bactérien
vecteur externe dans la transduction
Principales catégories de plasmides :
plasmide de fertilité F : porte les gènes de synthèse du pilus sexuel et de la machinerie de transfert ;
plasmides de résistance R : portent des gènes de résistance aux antibiotiques, souvent plusieurs à la fois ;
plasmides de bactériocines (Col) : codent des protéines toxiques pour les bactéries concurrentes.
3. La transformation
3.1 Le fondement expérimental
Expérience de Griffith (1928) sur le pneumocoque Streptococcus pneumoniae, avec deux souches : la souche S (capsulée, pathogène) et la souche R (non capsulée, non pathogène).
Expérience
Résultat
Injection à la souris de la souche R vivante
survie
Injection de la souche S vivante
mort
Injection de la souche S tuée par la chaleur
survie
Injection du mélange : S tuée par la chaleur + R vivante
mort, et isolement de bactéries S vivantes dans le sang
Conclusion : un « principe transformant » est passé des cellules mortes aux cellules vivantes et les a transformées génétiquement, de façon héréditaire.
Expérience d'Avery, MacLeod et McCarty (1944) : traitement de l'extrait de la souche S par des enzymes spécifiques avant son mélange avec R : le pouvoir transformant disparaît uniquement après traitement par la DNase, alors qu'il persiste après traitement par une protéase ou par la RNase. D'où : l'ADN est le support moléculaire de l'information génétique.
3.2 Mécanisme et conditions
La transformation exige que la cellule réceptrice se trouve en état de compétence : état physiologique transitoire durant lequel elle synthétise des protéines membranaires spécifiques capables de fixer l'ADN exogène et de le faire pénétrer.
Étapes : fixation de l'ADN double brin sur des récepteurs membranaires → dégradation de l'un des deux brins → entrée du brin unique → recombinaison homologue avec le chromosome ou, s'il s'agit d'un plasmide, reconstitution et maintien autonome.
La compétence est naturelle chez un nombre limité d'espèces (Streptococcus pneumoniae, Bacillus subtilis, Neisseria, Haemophilus) et induite artificiellement au laboratoire par traitement au CaCl₂ ou par électroporation.
Image 1 — en préparationDescription
Schéma scientifique pédagogique de style manuel scolaire, illustration vectorielle plate à traits nets, présentant quatre étapes numérotées successives de la transformation bactérienne, de gauche à droite : (1) une bactérie réceptrice ovoïde renfermant un chromosome circulaire, entourée dans le milieu extérieur de fragments d'ADN libres double brin issus de la lyse d'une cellule donatrice figurée désagrégée à l'arrière-plan ; (2) fixation d'un fragment d'ADN sur un récepteur membranaire dessiné comme une protéine intégrée à la membrane et annoté « protéine de compétence » ; (3) entrée d'un brin unique dans la cellule, avec dégradation du brin complémentaire à l'extérieur figurée par de petits fragments dispersés ; (4) alignement du brin entrant en regard d'une région homologue du chromosome avec un croisement de deux traits annoté « recombinaison homologue », puis une cellule transformée dont le chromosome porte un segment d'une autre couleur. Un petit encadré en bas du schéma, annoté « test discriminant », montre deux tubes : un tube sans DNase (transformation observée) et un tube avec DNase (aucune transformation). Fond blanc épuré, annotations en français
4. La conjugaison
4.1 Le cas F⁺ × F⁻
la cellule F⁺ porte le plasmide de fertilité F, la cellule F⁻ ne le porte pas ;
la cellule F⁺ synthétise un pilus sexuel qui capte la cellule F⁻ et la rapproche jusqu'à la formation d'un pont conjugatif ;
le plasmide F est coupé au niveau de l'origine de transfert et un brin unique passe dans la réceptrice, chaque partenaire complétant ensuite son brin complémentaire et recircularisant le plasmide.
Résultat : la cellule réceptrice devient à son tour F⁺, et le donneur le reste. Ce cas diffuse donc rapidement le plasmide dans la population, sans transfert de gènes chromosomiques.
4.2 Les souches Hfr et le transfert chromosomique
Lorsque le plasmide F s'intègre au chromosome bactérien par recombinaison, il en résulte une souche Hfr (haute fréquence de recombinaison). Dès lors :
le transfert débute à une origine située dans le F intégré et entraîne à sa suite le chromosome bactérien de proche en proche ;
le transfert est orienté et progressif dans le temps : les gènes proches de l'origine passent les premiers ;
le pont conjugatif est fragile et se rompt généralement avant l'achèvement du transfert, si bien que le F entier passe rarement ;
la cellule réceptrice reste donc F⁻ dans la plupart des cas, tout en ayant acquis des gènes chromosomiques du donneur.
Le cas F′ : lorsque le F intégré s'excise de façon imprécise, il emporte des gènes chromosomiques voisins et forme un plasmide F′ qui transfère ces gènes à haute fréquence.
Image 2 — en préparationDescription
Schéma scientifique pédagogique de style manuel scolaire, illustration vectorielle plate, divisée en deux bandes horizontales annotées. Bande supérieure « conjugaison F⁺ × F⁻ » : deux bactéries ovoïdes face à face, celle de gauche annotée « F⁺ » contenant un grand chromosome circulaire et un petit plasmide circulaire rouge annoté « plasmide F », d'où part un pilus sexuel annoté vers la cellule de droite annotée « F⁻ » ; puis une deuxième étape montrant un court pont conjugatif et le passage d'un brin unique rouge par une flèche ; puis une troisième étape montrant deux cellules portant chacune un plasmide rouge et annotées « F⁺ » et « F⁺ ». Bande inférieure « conjugaison Hfr × F⁻ » : cellule de gauche annotée « Hfr » avec un chromosome circulaire portant un segment rouge intégré annoté « F intégré », une flèche indiquant le début du transfert à un point annoté « origine de transfert », et le passage d'une portion du chromosome (en dégradé montrant les gènes successifs a, b, c) vers la cellule de droite annotée « F⁻ », avec représentation de la rupture du pont avant le passage du segment rouge et une brève légende « le pont se rompt avant la fin du transfert → la réceptrice reste F⁻ ». Fond blanc épuré, annotations en français
4.3 Portée médicale
La conjugaison est le principal mécanisme de diffusion des plasmides de résistance R ; elle peut s'effectuer entre espèces et entre genres différents, ce qui explique la propagation rapide de la résistance aux antibiotiques au sein de la flore intestinale et parmi les bactéries hospitalières.
5. La transduction
Principe général : lors de la multiplication du phage dans la cellule donatrice, une erreur d'encapsidation conduit à enfermer de l'ADN bactérien à la place de l'ADN viral (totalement ou partiellement) dans la capside. Cette particule aberrante injecte ensuite cet ADN bactérien dans une autre cellule sans la tuer.
Critère
Transduction généralisée
Transduction spécialisée
Type de cycle viral
cycle lytique
lysogénie, puis excision imprécise du prophage
Origine de l'erreur
encapsidation aléatoire d'un fragment du chromosome bactérien fragmenté
excision fautive du prophage emportant l'ADN voisin
Gènes transférés
n'importe quel gène du génome bactérien, avec une probabilité comparable
gènes déterminés seulement : ceux qui bordent le site d'intégration
Contenu de la particule
ADN bactérien uniquement
ADN viral + ADN bactérien (hybride)
Exemple
phage P1 chez E. coli
phage λ (gènes gal et bio, voisins de son site d'intégration)
Portée médicale : la transduction peut transférer des gènes de virulence ; l'exemple le plus connu est celui de gènes de toxines portés par un prophage, qui rendent pathogène une souche jusque-là inoffensive après infection par le phage.
Image 3 — en préparationDescription
Schéma scientifique pédagogique comparatif de style manuel scolaire, illustration vectorielle plate, divisée en deux colonnes verticales juxtaposées séparées par un trait vertical, celle de gauche annotée « transduction généralisée » et celle de droite « transduction spécialisée ». La colonne de gauche présente trois étapes de haut en bas : un phage à tête icosaédrique et à queue injecte son ADN dans une bactérie dont le chromosome se fragmente en petits segments bleus ; puis une étape d'assemblage de nouvelles particules virales où une tête aberrante est remplie d'un fragment chromosomique bleu à la place de l'ADN viral, avec une flèche et la légende « erreur d'encapsidation » ; puis l'injection de cet ADN bactérien par la particule aberrante dans une cellule réceptrice, suivie d'une recombinaison homologue. La colonne de droite présente trois étapes : un phage s'intègre en un site précis du chromosome bactérien annoté « site d'intégration », les deux gènes qui le bordent étant colorés en vert ; puis une excision imprécise emportant l'un des gènes verts, avec une flèche et la légende « excision imprécise » ; puis une particule hybride portant de l'ADN viral et le gène vert, qu'elle injecte dans une cellule réceptrice. Fond blanc épuré, annotations en français
6. Comparaison synthétique des trois mécanismes
Critère
Transformation
Conjugaison
Transduction
État de l'ADN transféré
libre et nu dans le milieu
dans un pont conjugatif
dans une capside virale
Contact entre cellules
non
oui (pilus sexuel)
non
Vecteur externe
non
non
oui (bactériophage)
Sensibilité à la DNase du milieu
sensible
insensible
insensible
Taille de l'ADN transféré
petits fragments
jusqu'au chromosome entier (théoriquement)
limitée par la capacité de la capside
Gènes transférés
aléatoires
successifs, selon leur position par rapport à l'origine
aléatoires (généralisée) ou déterminés (spécialisée)
Condition particulière
état de compétence
présence du plasmide F, libre ou intégré
sensibilité de la cellule au phage
Exploitation expérimentale
preuve de la nature du matériel génétique
cartes génétiques par conjugaison interrompue
analyse de gènes voisins
Point commun : dans les trois cas, aucun phénotype nouveau n'apparaît tant que l'ADN entrant n'est pas intégré par recombinaison homologue ou maintenu comme plasmide à réplication autonome.
7. Portée biologique et médicale
a. Diffusion rapide de la résistance aux antibiotiques. Si la résistance ne se transmettait que verticalement, sa diffusion se limiterait à la descendance de la souche mutante. Or le transfert horizontal — et particulièrement la conjugaison par plasmides R — la transmet entre cellules d'une même génération et entre espèces différentes, et peut transférer plusieurs résistances à la fois, un même plasmide en portant plusieurs gènes. Cela explique l'apparition de souches multirésistantes en peu de temps.
b. Acquisition de la virulence. Les mêmes mécanismes transfèrent des gènes de toxines, de facteurs d'adhésion et de résistance aux défenses immunitaires, convertissant une souche non pathogène en souche pathogène (c'est déjà le sens de l'expérience de Griffith).
c. Évolution bactérienne et limites de la notion d'espèce. Le transfert horizontal est, avec les mutations, une source majeure de diversité génétique chez les procaryotes, ce qui rend les frontières de l'espèce bactérienne floues — conclusion posée lors de la définition de l'espèce en leçon 42 et qui trouve ici son explication mécanistique.
d. Exploitation au laboratoire. Ces mécanismes ont fourni des outils fondamentaux à la génétique bactérienne : preuve de la nature du matériel génétique (transformation), établissement de cartes génétiques (conjugaison interrompue), identification de gènes voisins (transduction spécialisée).
8. Bilan
Le transfert horizontal se distingue du transfert vertical en ce qu'il est partiel, unidirectionnel et indépendant de la reproduction ; il engendre un mérozygote.
L'ADN entrant ne se maintient que par recombinaison homologue avec le chromosome ou par conservation en tant que plasmide à réplication autonome ; sinon il est dégradé par les nucléases.
Transformation : capture d'ADN libre du milieu, exigeant un état de compétence ; c'est par elle que les expériences de Griffith et d'Avery ont établi que l'ADN est le support de l'information génétique.
Conjugaison : transfert par contact direct via un pilus sexuel ; le cas F⁺ × F⁻ diffuse le plasmide et rend la réceptrice F⁺ sans transférer de gènes chromosomiques, tandis que Hfr transfère le chromosome de façon orientée et progressive, la réceptrice restant généralement F⁻.
La progressivité temporelle du transfert est exploitée par la conjugaison interrompue pour établir une carte génétique graduée en minutes.
Transduction : transfert par un bactériophage ; généralisée (cycle lytique, encapsidation aléatoire, n'importe quel gène) et spécialisée (lysogénie, excision imprécise, seuls les gènes bordant le site d'intégration).
Le critère expérimental discriminant est la sensibilité à la DNase du milieu : seule la transformation y est sensible, l'ADN y étant nu ; s'y ajoutent le critère du contact direct (propre à la conjugaison) et celui du vecteur (propre à la transduction).
Le transfert horizontal explique la diffusion rapide de la résistance aux antibiotiques et l'acquisition de la virulence, rend floues les frontières de l'espèce bactérienne et fournit des outils essentiels à la génétique bactérienne.
Leçon suivante
Le cycle de vie des virus : bactériophage et virus du SIDA. Les notions de cycle lytique et de cycle lysogénique ont été utilisées ici pour expliquer les deux types de transduction, sans être détaillées. La leçon suivante est consacrée à la structure des virus et aux deux cycles du bactériophage, puis au cycle du VIH et à la particularité des rétrovirus ; c'est la dernière leçon de ce sous-domaine.