Plasmide
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Figure 1: Schéma représentant une bactérie contenant des plasmides. 1 ADN chromosomique (bactérien). 2 Plasmides.
Figure 1: Schéma représentant une bactérie contenant des plasmides. 1 ADN chromosomique (bactérien). 2 Plasmides.

Un plasmide désigne en microbiologie ou en biologie moléculaire une molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite...) d'ADN disctincte de l'ADN chromosomique, capable de réplication autonome. Le terme plasmide fut introduit par le biologiste (Sur les autres projets Wikimédia :) moléculaire américain Joshua (Joshua est le ketch en acier de Bernard Moitessier construit au chantier Meta de Tarare (Rhône) en 1961 avec lequel il participe au Golden Globe.) Lederberg en 1952.

Les plasmides sont généralement circulaires. Ils se trouvent quasi-exclusivement dans les bactéries, à l'exception notable du plasmide 2Mu que l'on trouve hébergé par le microorganisme eucaryote Saccharomyces cerevisiae (levure du boulanger).

Une cellule bactérienne peut en contenir une copie, pour les grands plasmides, ou des centaines pour des plasmides artificiels (construits par génie génétique (Le génie génétique (ou ingénierie génétique) est un ensemble de techniques, faisant partie de la biologie moléculaire et ayant pour objet l’utilisation des connaissances...) à des fins de clonage (Le clonage désigne principalement deux processus. C'est d'une part la multiplication naturelle ou artificielle à l'identique d'un être...) de gènes). Les bactéries en comportent généralement 5 à 30 copies, les levures entre 50 et 100 exemplaires par cellule.

Plusieurs plasmides différents peuvent coexister dans une même cellule sous condition de leur compatibilité mutuelle. Certains plasmides sont capables de s'intégrer aux chromosomes; on appelle ces plasmides des épisomes.

Les plasmides participent aux transferts horizontaux de gènes entre les populations bactériennes, et donc à la dissémination des gènes conférant des avantages sélectifs (par exemple des résistances aux antibiotiques ou des facteurs de virulence). La mobilité des plasmides (par conjugaison) au sein des populations bactériennes accroît le spectre d’hôte des gènes impliqués dans la virulence (La virulence désigne le caractère pathogène, nocif et violent d'un micro-organisme (bactérie ou champignon). La virulence d'un pathogène létal est facilement mesurable...). Ces gènes offrent en contrepartie un avantage sélectif pour le plasmide et les bactéries hôtes. On conçoit donc la nature quasi-ubiquitaire et persistante des plasmides chez les bactéries pathogènes.

Résistance aux antibiotiques

Figure 2: Schéma d'un plasmide codant la résistance à un antibiotique donné. 1 & 2 Gène(s) codant la (les) résistance(s). 3 Ori.
Figure 2: Schéma d'un plasmide codant la résistance à un antibiotique (Un antibiotique (du grec anti : « contre », et bios : « la vie ») est une molécule qui détruit ou bloque la croissance des bactéries. Dans le premier...) donné. 1 & 2 Gène(s) codant la (les) résistance(s). 3 Ori.

Les plasmides bactériens codent des fonctions généralement non-vitales pour le micro-organisme (Les micro-organismes ou microbes sont des organismes vivants microscopiques (invisible à l'œil nu) et qui ne peuvent donc être observés qu'à l'aide d'un microscope.) les hébergeant. Toutefois, ils contiennent souvent des gènes conférant un avantage sélectif à la bactérie (Les bactéries (Bacteria) sont des organismes vivants unicellulaires procaryotes, caractérisées par une absence de noyau et d'organites. La plupart des bactéries possèdent une paroi cellulaire...) porteuse (Une porteuse est un signal sinusoïdal de fréquence et amplitude constantes. Elle est modulée par le signal utile (audio, vidéo, données) en vue, soit de sa diffusion au...), comme la propriété de rendre la bactérie résistante aux antibiotiques.

Réplication et transmission

Chaque plasmide contient au moins une séquence d'ADN qui sert d'origine de réplication, ou ori (un point (Graphie) de départ de réplication de l'ADN), permettant l'ADN plasmidique d'être dupliqué indépendamment du chromosome (Le chromosome (du grec khroma, couleur et soma, corps, élément) est l'élément porteur de l'information génétique. Les chromosomes contiennent les gènes et permettent leur distribution...) bactérien ou saccharomycien (Figure 2), en utilisant la " machinerie " de la cellule hôte. Les plasmides peuvent être circulaires, ou parfois linéaires, présentant une ressemblance superficielle avec les chromosomes eucaryotes.

Comme les plasmides présents chez les bactéries ne portent habituellement pas de gènes essentiels à la cellule procaryote (Le terme « procaryote » (Prokaryota ou Prokarya), du grec pro (avant) et caryon (noyau), est d'abord une référence à une structure cellulaire...), leur pérennité dans une lignée de bactéries dépend donc de divers moyens de stabilisation des plasmides (Les plasmides sont des éléments d'ADN généralement circulaires et double brin. On les retrouve dans bon nombre de bactéries en supplément du génome bactérien de base. Leur présence n'est a priori pas...), laquelle résulte de divers processus de sélection et de conditions environnementales.

Les plasmides peuvent se transmettre d'une bactérie mère à une bactérie fille grâce à la conjugaison bactérienne par l'intermédiaire de pili sexuels. Lors de la division (La division est une loi de composition qui à deux nombres associe le produit du premier par l'inverse du second. Si un nombre est non nul, la fonction "division par ce nombre" est la...) cellulaire, les plasmides se répartissent de façon totalement aléatoire (contrairement aux chromosomes) ainsi, même si la probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un évènement. En mathématiques, l'étude des probabilités est un sujet de grande importance donnant lieu à de...) reste faible, il se peut qu'une des deux cellules filles ne possède aucun plasmide. La probabilité augmente avec la diminution du nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de plasmides présents dans la cellule mère.

Épisomes

Un épisome est un plasmide qui peut s'intégrer dans l'ADN chromosomique de la cellule-hôte (Fig. 3). De ce fait, il peut rester intact pendant de longues périodes, être dupliqué à chaque division cellulaire de l'hôte, et devenir partie intégrante de son patrimoine génétique (La génétique (du grec genno γεννώ = donner naissance) est la science qui étudie l'hérédité et les gènes.). Le terme n'est plus en usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) pour les plasmides, depuis qu'il a été établi qu'une région d'homologie avec le chromosome, comme un transposon, fait d'un plasmide un épisome. Dans les systèmes mammifères, le terme épisome fait référence à un ADN circulaire (comme un génome (Le génome est l'ensemble du matériel génétique d'un individu ou d'une espèce codé dans son ADN (à l'exception de certains virus...) viral) attaché au chromosome de la cellule-hôte de façon non-covalente.

Figure 3: Comparaison de plasmides non-intégrants (en haut) et d'épisomes (en bas). 1 ADN chromosomique. 2 Plasmides. 3 Division cellulaire. 4 ADN chromosomique avec plasmides intégrés.
Figure 3: Comparaison de plasmides non-intégrants (en haut) et d'épisomes (en bas). 1 ADN chromosomique. 2 Plasmides. 3 Division cellulaire. 4 ADN chromosomique avec plasmides intégrés.

Vecteurs

Existant à l'état naturel, les plasmides sont par ailleurs très utilisés dans les laboratoires comme vecteur de clonage. Cette technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) est couramment utilisée en biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant. Prise au sens large de science du vivant, elle recouvre une partie des sciences...) moléculaire.

Propriétés codées par les plasmides

Les plasmides conjugatifs

Les plasmides conjugatifs sont les premiers plasmides qui ont été découverts chez la bactérie Escherichia coli dans les années 1950. On les appelle aussi facteurs de fertilité (Pour le sens commun, la fertilité désigne à la fin du XXe siècle la capacité des personnes, des animaux ou des plantes à produire une descendance viable et abondante. Le terme était...) ou plasmides F. Ces plasmides confèrent à la bactérie hôte la capacité de synthèse de pili dit sexuels. Par l'intermédiaire de ces pili, la bactérie porteuse (donneuse) peut transférer une copie du plasmide F par processus de conjugaison bactérienne. Les plasmides F possèdent au minimum une origine de réplication et tous les gènes nécessaires à la synthèse des pili et du transfert du plasmide. Certains plasmides F sont des épisomes, c'est-à-dire qu'ils peuvent s'intégrer dans le génome chromosomique.

Les plasmides de résistance

Les plasmides de résistance, appelés aussi plasmides ou facteurs R, codent des résistances aux antibiotiques et aux métaux lourds.

En 1959, au Japon, on a retrouvé chez les malades atteints de dysenterie bactérienne une insensibilité à tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) traitement antibiotique. En fait, la bactérie responsable, Shigella dysentariae, portait des gènes de résistance à plusieurs antibiotiques encore jamais rencontrés. Par la suite, on en a retrouvé chez d'autres bactéries (comme E. coli) et on a appelé ces plasmides R.

Ces plasmides peuvent protéger la cellule par différents moyens : La synthèse d'une protéine (Une protéine est une macromolécule biologique composée par une ou plusieurs chaîne(s) d'acides aminés liés entre eux par des liaisons peptidiques. En général, on parle de protéine lorsque la...) de résistance à la substance toxique : elle va neutraliser (en la dénaturant, hydrolysant, etc.) l'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) toxique de la substance. Les plasmides peuvent aussi modifier les propriétés d'enveloppe de la cellule et la rendre imperméable à la substance toxique (comme c'est le cas pour les métaux lourds).

Les plasmides métaboliques

Les plasmides métaboliques portent des gènes permettant l'utilisation de certains nutriments. Chez E. coli, les gènes portés par ces plasmides sont par exemple : l'utilisation du citrate comme source de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.), la production de soufre (Le soufre est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole S et de numéro atomique 16.), l'hydrolyse de l'urée (L'urée ou carbamide (DCI) est un composé organique de formule chimique CO(NH2)2. C'est aussi le nom de la famille des dérivés de l'urée de formule...). Chez les salmonelles on a observé la dégradation du lactose (Le lactose est un glucide présent dans le lait (de 20 à 80g•L−1), dont il tire son nom (étymologiquement sucre de lait).) ce qui est totalement inhabituel chez ce genre bactérien. La plupart de ces plasmides codent la synthèse d'une ou de plusieurs enzymes.

Les plasmides de virulence

Il s’avère que les bactéries pathogènes hébergent très souvent des plasmides conjugatifs qui participent à la pathogénicité. Les plasmides de virulence portent des gènes codant des facteurs de virulence, ayant un rôle dans le pouvoir pathogène (Le terme pathogène (du grec παθογ?νεια ! « naissance de la douleur ») signifie : qui entraîne une maladie. Les...) des bactéries. Par exemple les Escherichia coli entérotoxigéniques (ETEC) responsable de la diarrhée (La diarrhée est une quantité de selles émises dans un volume plus important que la normale, (> 300g/j) et avec une plus grande fréquence (>3 selles / jour).) du voyageur (ou tourista) hébergent au moins deux plasmides, l'un portant les gènes codant un facteur de colonisation, l'autre codant des toxines.

De même, les déterminants du pouvoir invasif des Shigella sont portés par un plasmide (pInv). Chez d'autres bactéries pathogènes (par exemple Salmonella), ces plasmides codent un complexe protéique situé sur la paroi de la bactérie : c'est le complexe pili-adhésine qui permet à la bactérie d'adhérer sur des récepteurs hydrocarbonés situés à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent...) de certaines cellules eucaryotes notamment les entérocytes.

Les plasmides de bactériocines

Ces plasmides codent la synthèse d'une protéine extracellulaire dont la biosynthèse est létale pour la bactérie productrice ainsi que pour les autres bactéries non-productrices environnantes. Cependant, ces plasmides codent aussi une deuxième protéine intracellulaire de résistance à cette première toxine (Une toxine est une substance toxique pour un ou plusieurs organismes vivants. Le Petit Larousse de 2009, toutefois, définit la toxine comme une « substance toxique élaborée par un organisme...). Les bactériocines agissent sur des fonctions vitales (Les Vitales sont un ordre de plantes dicotylédones. Cet ordre a été réintroduit dans la Angiosperm Phylogeny Website et ne comprend qu'une seule...) de la bactérie.

Chez E. coli, on trouvera différentes catégories de bactériocines (colicines codées par les plasmides col) et par exemple le gène (Un gène est une séquence d'acide désoxyribonucléique (ADN) qui spécifie la synthèse d'une chaîne de polypeptide ou d'un acide ribonucléique (ARN)...) colE1 code une endonucléase et le gène colE3, une ribonucléase qui inactive les ribosomes.

Fabrication de plasmides recombinants

À compléter

Application en génie génétique

Application pour la production de molécule

On désire faire produire par des bactéries une certaine protéine (protéine d'intérêt). C'est par l'intermédiaire de plasmides qu'on introduira dans des cultures de bactéries un gène codant notre protéine d'intérêt et un gène de résistance à un antibiotique X. On sélectionnera les bactéries ayant intégré les plasmides en faisant pousser les colonies bactériennes sur un milieu contenant l'antibiotique X; les bactéries n'ayant pas intégré le plasmide ne se développeront pas.

Application pour le séquençage (En biochimie, le séquençage consiste à déterminer l'ordre linéaire des composants d'une macromolécule (les acides aminés d'une...)

Cette application est particulièrement utile en génie génétique pour le séquençage d'ADN : l'ADN d'une cellule quelconque est difficile à séquencer car il dépasse très souvent 40 000 Kb (1 Kilo base = 1 000 bases) et se trouve en faible quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un groupe de choses.). Ainsi, pour rendre le séquençage plus facile, on découpe l'ADN à analyser et l'ADN plasmidique avec une enzyme (Une enzyme est une molécule (protéine ou ARN dans le cas des ribozymes) permettant d'abaisser l'énergie d'activation d'une réaction et d'accélérer...) de restriction, dans des conditions spécifiques; l'ADN à séquencer va s'intégrer dans l'ADN plasmidique et le plasmide sera transféré dans le hyaloplasme bactérien. Une fois mise en culture (La définition que donne l'UNESCO de la culture est la suivante [1] :), la bactérie va répliquer l'ADN plasmidique (et donc le fragment à séquencer) en grande quantité. Après avoir extrait l'ADN à séquencer, et éliminé le reste d'ADN plasmidique par des enzymes de restriction, on récupère les fragments d'ADN reproduits à plusieurs milliers d'exemplaires, que l'on peut maintenant séquencer facilement.

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