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Séance 17 : Les transferts horizontaux de gènes, moteur de l'évolution

Dans cette séance, nous allons étudier le rôle des transferts horizontaux de gènes dans la diversification du vivant. Pour ce faire, nous verrons en quoi les transferts horizontaux ont contribué à l’histoire du génome humain et à la diversification des espèces de Pprimates. Puis nous montrerons leur importance dans le développement de la résistance aux antibiotiques des populations et écosystèmes ?

Activité 1 : L'acquisition du placenta chez certains primates 1. Montrer que le transfert horizontal permet d'expliquer la formation du placenta chez l'Homme. 2. Montrer l’importance des transferts horizontaux dans l’acquisition de ce nouveau caractère (présence du placenta) au cours de l’évolution des Primates.

Le placenta est un organe provisoire qui permet d’assurer les échanges entre l’embryon et la mère. Il permet au bébé de puiser dans le sang maternel l’eau, les nutriments et l’oxygène nécessaires à son développement.

Ce document présente une interaction moléculaire du virus MPMV à l’origine d’une fusion membranaire entre un rétrovirus et sa cellule hôte. Nous savons que l’entrée d’un rétrovirus dans sa cellule hôte se fait par un mécanisme de fusion de l’enveloppe virale et de la membrane de la cellule infectée. Ici, la protéine d’enveloppe du virus se fixe sur la protéine réceptrice de la cellule cible, sa structure spatiale est identique à celle d’une région de la syncytine humaine. Ainsi, l’enveloppe du virus et la membrane plasmique de la cellule fusionnent. Cela permet la pénétration du matériel génétique viral dans la cellule cible du virus.

Compaison de la séquence de la protéine d’enveloppe du virus MRSV et de la séquence de la syncytine chez l'homme.

Nous avons comparé une portion de séquence de la syncytine humaine et de la protéine d'enveloppe du virus MSRV. Ces deux séquences sont quasiment similaires à quelques exceptions près. Elles sont identiques à 87 %. Nous pouvons donc en déduire que les gènes obtenus après la synthèse de ces deux protéines sont plutôt proches. Par l’hypothèse des familles multigéniques, nous pouvons supposer que ces deux gènes sont issus d’un même gène ancestral. Ainsi, le virus MPMV devrait pouvoir permettre la fusion des cellules embryonnaires tout comme la syncytine. Nous pouvons donc émettre l’hypothèse que lorsque le matériel génétique viral pénètre dans la cellule cible, le gène du virus MPMV vient infecter la membrane de la cellule et permettre l’expression du gène de la syncytine.

Par cet arbre phylogénique, plus les branches sont éloignées plus l'écart temporel d'apparition des espèces est grand et plus leur génome est différent.On suppose qu'un virus a infecté un ancêtre au niveau du deuxième branchement et l' aurait ensuite transmis à ses descendants. En observant le premier branchement, celui du babouin, nous pouvons nous rendre compte que sa séquence génétique est très differente des autres groupements de l'espèce bien qu'il possède lui aussi un placenta. Ainsi, nous pouvons supposer que le gène à l'origine du placenta proviendrait d'un autre virus qui serait venu infecter les babouins.

Arbre phylogénétique des primates

Tableau montrant le taux de différences entre les primates

Conclusion : Le transfert horizontal de gènes pourrait expliquer la formation du placenta chez l'Homme. Le placenta est un organe à la base d'une fusion de cellules embruyonnaires. Cette fusion a été possible grâce au gène du virus MPMV ayant cette capacité de fusion des cellules. Lorsque que celui-ci pénètre dans la cellule cible, il vient infecter la membrane de la cellule, ce qui permet l’expression du gène de la syncytine. La protéine syncytine, étant donc dérivée de ce rétrovirus, peut donc faire fusionner les cellules ce qui va être à l'origine de la formation du placenta.

Activité 2 : Origine de l'antibiorésistance Expliquer comment le recours récurrent aux antibiotiques (par exemple dans les élevages) peut conduire à des bactéries antibiorésistantes dangereuses pour la santé humaine. Proposer des solutions.

Dans ce document, nous pouvons observer les résultats d’une expérience de transfert de résistance aux antibiotiques entre deux bactéries. Lors de la première expérience les chercheurs ont mis en culture des bactéries E. coli résistantes à la kanamycine (kan). Après 19h, ils ont pu relever qu’un peu plus de 8 bactéries E. coli avaient survécu à cet antibiotique. Dans la deuxième culture, les chercheurs ont disposé une souche de bactéries A. baumanii résistante à la tétracycline (tet). Ils ont pu dénombrer près de 8 bactéries A. baumanii résistantes à l’antibiotique tet. Enfin, dans la troisième expérience, ils ont fait une co-culture de E. coli et A. baumanii avec les deux antibiotiques précédents. Ils ont pu observer qu’un peu plus de 4 bactéries E.coli et 8 bactéries A. baumanii ont résisté à ces antibiotiques. Ils ont également pu se rendre compte de l’apparition d’une nouvelle bactérie, la A. baumanii résistante à kan et tet. Ainsi, nous pouvons supposer que la bacterie E. coli a passé certains de ses gènes (ceux qui lui permettent de résister à kan) à la bactérie A. baumanii. Ainsi, par l’acquisition de nouveaux caractères, la nouvelle bactérie A. baumanii a pu développer une résistance face aux deux antibiotiques.

Ce document nous renseigne sur les modalités de transfert de gènes chez les bactéries. Le transfert de gènes est possible grâce à un processus de transfert horizontal dans lequel un organisme intègre du matériel génétique provenant d’un autre organisme sans en être le descendant. Nous savons qu’il existe 3 types de transferts horizontaux : la transformation, la transduction et la conjuguaison. Voici le déroulement de la transformation : lorsque les bactéries sont mortes, elles libèrent dans leur environnement des fragments d’ADN qui contiennent des gènes. Une fois libérés, ces fragments peuvent être intégrés par certaines espèces de bactéries provoquant ainsi un transfert de gènes. La conjugaison correspond au phénomène durant lequel les plasmides (petites molécules d’ADN que possèdent les bactéries) sont transférés d’une bactérie à une autre. Enfin, lors de la transduction, certains virus de bactéries, appelés phages, se multiplient dans une bactérie donneuse qu’ils finissent par tuer. Les phages peuvent donc incorporer certains fragments d’ADN provenant de cette bactérie à leur génome et l’injecter dans une nouvelle bactérie infectée. Ces 3 types de transferts horizontaux sont à l’origine de 80 % des génomes bactériens.

Ce document montre la résistance de la bactérie Acinobacter baumanii face aux antibiotiques. Cette bactérie peut causer des pneumonies chez les patients affaiblis. Elle est également considérée comme bactérie « prédatrice », c’est-à-dire qu’elle peut tuer les bactéries d’autres espèces présentes dans son milieu de vie. Ce document nous explique que plus de 60 % des bactéries Acinobacter baumanii résistent aux antibiotiques. Grâce au graphique qui présente l’évolution de la résistance des souches Acinobacter baumanii à t’imipenem à Taïwan, nous pouvons nous rendre compte que le pourcentage de souches résistantes à cet antibiotique n’a cessé d’augmenter depuis 2002. En effet, il est passé de 1 % en 2002 à près de 55 % en 2010. Cette capacité de résistance est due à un gène localisé sur un chromosome pour 31 % des 42 souches étudiées, sur le plasmide pour 33 % des 42 souches et dans un endroit indéterminé pour 36 % d’entre-elles.

Les bactéries des hommes et des animaux sont disséminées dans l’environnement via l’alimentation et les déjections. Certaines de ces bactéries sont résistantes aux antibiotiques. Une fois dans l’environnement les bactéries cohabitent avec les micro-organismes du sol et des milieux aquatiques. Ainsi, l’environnement a un rôle de réservoir et de propagation des bactéries porteuse d’antibiorésistance.

Conclusion : Les gènes aux capacités de résistance aux antibiotiques peuvent être transférés, par transferts horizontaux, entre différentes souches bactériennes, même de différentes espèces (ex : bactérie E. coli et A. baumanii). Ainsi, comme nous le montre le document 7, la surconsommation d'antibiotiques peut contribuer à augmenter le réservoir de gènes résistants aux antibiotiques d'une bactérie. Par conséquant, l'utilisation abusive d'antibiotiques peut favoriser la survie des bactéries résistantes, tandis que les bactéries sensibles seront éliminées. Le recours récurrent aux antibiotiques peut donc conduire à des bactéries antibiorésistantes dangereuses pour la santé humain puisqu'elles peuvent augmenter le risque d'une infection qui sera difficile à traiter.

D’après ce document, nous pouvons voir que les cellules de l’embryon fusionnent entre-elles pour former des cellules géantes à plusieurs noyaux. Cette fusion membranaire, nécessaire à la mise en place du placenta, est possible grâce à une protéine appelée syncytine.

Ce document présente des cellules embryonnaires humaines après 72 heures de culture. Nous pouvons voir que la première observation montre des cellules embryonnaires dans une culture témoin. Les cellules de cette culture se sont fusionnées pour former des cellules géantes à plusieurs noyaux. Dans cette deuxième culture, la syncytine à été inhibée, c’est-à-dire que l’on a empêché au gène de syncytine de s’exprimer. Nous pouvons constater que lorsque ce gène ne s’exprime pas, les cellules ne peuvent pas fusionner entre-elles. Ainsi, nous pouvons en déduire que la fusion des cellules embryonnaires est bien due à l’action de la syncytine.

Solutions

- Limiter l'utilisation d'antibiotiques - Développer de nouveaux antibiotiques pour remplacer les anciens devenus inefficaces - Contrôler les réservoirs de résistance des bactéries