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Parutions

 

Une enzyme qui favorise l'acquisition de séquences génétiques étrangères chez le pneumocoque

 

La bactérie Streptococcus pneumoniae est un pathogène humain majeur, également connu sous le nom de pneumocoque. La méthylase DpnA, spécifique de l'ADN simple brin, jouerait un rôle clé dans la transformation génétique de cette bactérie et serait ainsi responsable de la diversification du génome de la moitié des souches présentes dans la nature. Ces résultats obtenus par une équipe du Laboratoire de microbiologie et de génétique moléculaires (LMGM, CNRS/Université Toulouse III - Paul Sabatier) ont été publiés dans la revue PLoS Pathogens.

 

L'échange d'îlots de pathogénicité est un élément central de la virulence du pneumocoque. La très grande variabilité de sa capsule externe de polysaccharides lui permet en particulier d'échapper à la phagocytose. La synthèse de cette capsule protectrice requiert 10 à 20 gènes de 10 000 à 30 000 paires de bases, regroupés au sein d'un même locus chromosomique, cps. Près d'une centaine de sérotypes capsulaires différents ont été répertoriés. L'ensemble des séquences correspondantes représentent presque l'équivalent du génome d'un pneumocoque isolé, soit environ 2,2 millions de paires de bases (1). L'accès à ce « pool génétique d'espèces » et l'échange de sérotype capsulaire qui en résulte peut se faire par transformation génétique (2). Des études épidémiologiques récentes confirment que cet échange de sérotype capsulaire permet l'évasion vaccinale, réduisant ainsi l'efficacité de la vaccination contre le pneumocoque (3).

La transformation génétique naturelle peut remplacer la reproduction sexuée, absente chez les bactéries, et contribuer à leur diversification en permettant des échanges de gènes intra- et inter-espèces. Chez de nombreuses espèces, la capacité à « transformer » est transitoire. Elle requiert le développement d'un état physiologique particulier, appelé « compétence », et dépend d'une machinerie spécialisée qui assure la fixation d'ADN double-brin exogène, l'internalisation de fragments simple-brin dans la cellule, puis leur intégration physique dans le chromosome par recombinaison homologue.

Un îlot de pathogénicité comme le locus cps représente un ADN étranger, ou « hétérologue », qui n'a pas de séquence complémentaire dans le chromosome de la bactérie réceptrice. L'intégration physique de cet ADN hétérologue par transformation génétique est permise grâce à la présence de « régions flanquantes homologues » sur le chromosome bactérien. Une fois intégré, l'ADN étranger reste sous sa forme simple-brin jusqu'au passage d'une fourche de réplication du chromosome qui restaure alors la structure double-brin du locus nouvellement acquis.

La moitié des isolats naturels de S. pneumoniae possèdent un système de restriction-modification appelé DpnII, qui vise généralement à protéger les bactéries des ADN étrangers envahisseurs, comme l'ADN des bactériophages, pouvant mettre en péril leur survie. Le système DpnII se compose plus précisément d'une restrictase, capable de reconnaître les sites GATC non méthylés sur l'ADN double-brin de la bactérie puis de les cliver. Ce système permet ainsi de bloquer l'intégration stable de tout ADN hétérologue non méthylé puisqu'une fois répliqué, cet ADN est exposé au clivage. Le système DpnII comprend également une « dsMéthylase », qui méthyle spécifiquement l'adénine des sites GATC sur l'ADN double brin dans le but d'éviter que le chromosome de la cellule bactérienne productrice de DnpII soit lui aussi exposé à l'activité de la restrictase.

Au sein du système DpnII, il existe une autre méthylase pour le moins atypique, DpnA, qui a la particularité de méthyler l'adénine des sites GATC, mais cette fois-ci sur l'ADN simple-brin. L'expression de cette « ssMéthylase » est induite lors de la compétence pour la transformation génétique. Dans l'article de PLoS Pathogens, l'équipe de Jean-Pierre Claverys et Patrice Polard au LMGM a montré que DpnA joue un rôle crucial pour l'échange des îlots de pathogénicité lorsque l'ADN exogène n'est pas méthylé, c'est-à dire ne provient pas d'une cellule DpnII. En méthylant cet ADN hétérologue à l'état simple-brin, DpnA empêche le clivage par la restrictase après répl ication et permet ainsi la survie des transformants ayant intégré un îlot de pathogénicité tel que le locus cps.

Les scientifiques ont déduit de ces observations que le rôle principal de DpnA et de son induction lors de la compétence est de favoriser les échanges génétiques intra et inter-espèces et l'acquisition de séquences étrangères.



 

Figure : Représentation schématique du devenir d'un ADN transformant méthylé ou non méthylé après son intégration au génome d'une bactérie exprimant le système de restriction-modification DpnII. A) L'ADN transformant méthylé (ronds bleus), qui forme une boucle non appariée, ne requiert aucune protection puisque suite au processus de réplication, il se retrouve sous une forme hémi-méthylée résistante au clivage par la restrictase. La dsMéthylase peut alors intervenir pour méthyler le brin qui ne l'est pas encore. B) L'ADN transformant non méthylé (ronds blancs) est protégé grâce à l'intervention de DpnA (+DpnA). En son absence (-DpnA), un ADN totalement non méthylé est produit après réplication. Celui-ci est alors clivé par la restrictase avant que la dsMéthylase n'ait eu le temps de le protéger. Une seule coupure par la restrictase suffit à entraîner la perte d'un transformant hétérologue potentiel. © LMGM, Jean-Pierre Claverys




Notes

  • (1) Genetic analysis of the capsular biosynthetic locus from all 90 pneumococcal serotypes, Stephen Bentley, David Aanensen, Angeliki Mavroidi, David Saunders, Ester Rabbinowitsch, Matthew Collins, Kathy Donohoe, David Harris, Lee Murphy, Michael Quail, Gabby Samuel, Ian Skovsted, Margit Staum Kaltoft, Bart Barrell, Peter Reeves, Julian Parkhill, Brian Spratt, PLoS Genetics (2006), 2(3):e31, doi:10.1371/journal.pgen.0020031.
  • (2) La transformation génétique chez Streptococcus pneumoniae a été découverte il y a plus de 80 ans par Fred Griffith. The significance of pneumococcal types, Fred Griffith, Journal of Hygyen (1928), 27(2): 113-159.
  • (3) Vaccine escape recombinants emerge after pneumococcal vaccination in the United States, Angela Brueggemann, Rekha Pai, Derrick Crook, Bernard Beall, PLoS Pathogens (2007), 3(11):e168, doi:10.1371/journal.ppat.0030168.

 

En savoir plus

  • Programmed protection of foreign DNA from restriction allows pathogenicity island exchange during pneumococcal transformation, Calum Johnston, Bernard Martin, Chantal Granadel, Patrice Polard and Jean-Pierre Claverys, PLoS Pathogens (2013), 9(2): e1003178. doi:10.1371/journal.ppat.1003178.

 

Contact chercheurs

  • Jean-Pierre Claverys
  • Patrice Polard
    Laboratoire de microbiologie et génétique moléculaires (LMGM)
    UMR5100 CNRS/Université Paul Sabatier - Toulouse III
    118 route de Narbonne
    31062 Toulouse Cedex 9

 

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