Vidéo de la leçon: ADN chez les procaryotes

Transcription de la vidéo

Dans cette vidéo, nous allons en apprendre davantage sur l'ADN des procaryotes. Nous discuterons de la nature circulaire de leur chromosome, de la façon dont il est compacté, et nous verrons comment il se compare à celui des eucaryotes. Ensuite, nous découvrirons de l’ADN non chromosomique sous forme de plasmides et certaines des fonctions qu’ils pourraient avoir. Enfin, nous discuterons des origines de la mitochondrie et du chloroplaste et verrons comment ils pourraient avoir évolué à partir de cellules procaryotes.

Les procaryotes sont des organismes unicellulaires qui se distinguent principalement des eucaryotes par l'absence d'un noyau entourant leur ADN. Les procaryotes sont généralement 10 à 100 fois plus petits que les eucaryotes, mais pour les comparer plus facilement nous les représenterons avec une taille similaire. Les procaryotes ne possèdent pas non plus d’organites délimités par une membrane que contiennent les eucaryotes, tels que les mitochondries.

Avant de passer à l’ADN procaryote, passons en revue certains détails de l’anatomie d’une cellule procaryote. De nombreux procaryotes ont trois couches distinctes qui séparent l’intérieur de la cellule de l’environnement extérieur. La capsule est la couche collante la plus externe qui permet aux procaryotes d’adhérer aux surfaces. La couche suivante est la paroi de la cellule, qui protège l’intérieur de la cellule et maintient sa forme. Ensuite, il y a la membrane plasmique, qui contient les composants internes de la cellule.

À l’extérieur de la cellule se trouvent des pili, ou pilus au singulier, qui sont des structures courtes semblables à des cheveux favorisant le mouvement et également impliqués dans le transfert de l’ADN à d’autres procaryotes comme nous le verrons, et le flagelle qui facilite les déplacements.

À l'intérieur de la cellule, nous avons pu voir les ribosomes qui contribuent à la production de protéines et l'ADN chromosomique du procaryote. Cet ADN existe souvent sous la forme d’un chromosome circulaire unique, qui n’est pas contenu à l’intérieur d’un noyau comme la cellule eucaryote mais est plutôt concentré dans une région appelée le nucléoïde. L'information génétique de la cellule est majoritairement contenue dans ce chromosome, mais aussi dans un autre ADN qui ne fait pas partie du chromosome, appelé ADN plasmidique. Comme nous le verrons, les plasmides sont de petites molécules d'ADN circulaires qui contiennent certains gènes bénéfiques au procaryote.

Examinons maintenant certaines des caractéristiques de cet ADN procaryote et comparons-le à l'ADN eucaryote. Comme nous l'avons mentionné, les eucaryotes ont un noyau qui entoure leur ADN, alors que les procaryotes n'en ont pas. Au lieu de cela, leur ADN est concentré dans une zone de la cellule appelée le nucléoïde. En ce qui concerne la forme du chromosome, il est difficile de la déterminer sur ce diagramme, car il y a tellement d'ADN qu’il ressemble à un gros paquet. Mais s'il y en avait moins, nous verrions que le procaryote a généralement un seul chromosome circulaire, que nous pouvons voir ici, contrairement aux eucaryotes qui ont généralement plusieurs chromosomes linéaires, que nous pouvons voir ici.

Les procaryotes n’ont généralement qu’une seule copie de leur chromosome et sont donc haploïdes, alors que les eucaryotes ont généralement plusieurs copies et peuvent par exemple être diploïdes avec deux copies. Tant chez les procaryotes que chez les eucaryotes, leur ADN est très compact afin qu’il puisse tenir dans le noyau. D’ailleurs, si la totalité de l’ADN d’une seule cellule humaine, un eucaryote, était aligné et étiré, il ferait environ deux mètres de long. Si nous devions démêler l’ADN eucaryote, nous verrions qu’il est empaqueté à l’aide de protéines spécialisées appelées histones.

Chez les procaryotes, l'ADN circulaire est empaqueté en se torsadant ou en s’enroulant plusieurs fois. Chez le procaryote E. coli, une cellule contient environ 1,4 millimètre d’ADN, ce qui est environ 1000 fois la taille de la cellule en elle-même. Pour empaqueter autant l’ADN, il s’enroule considérablement, ce que l’on appelle le surenroulement. Imaginez un élastique, qui représente notre ADN chromosomique, que vous tordez pour former des bobines. On peut le tordre encore et encore, puis le torsader davantage afin que les bobines commencent à se replier les unes sur les autres jusqu’à former une structure plus compacte. Après avoir répété ceci plusieurs fois, on se retrouve avec une boule condensée d'ADN superenroulé. Des protéines sont impliquées dans ce processus, mais ce ne sont pas des histones comme chez les eucaryotes.

La dernière différence que nous allons aborder est que les procaryotes contiennent de l’ADN non chromosomique appelé ADN plasmidique. Les eucaryotes n’en possèdent généralement pas. Maintenant que nous avons vu certaines des principales différences entre l'ADN procaryote et eucaryote, examinons de plus près ces plasmides.

Comme nous pouvons le voir ici, un plasmide est un morceau d’ADN circulaire. Souvenez-vous que la longueur de l’ADN est mesurée en nucléotides ou en paires de bases. En général, la taille des plasmides peut varier de plus de 100 000 nucléotides à seulement une centaine de nucléotides. L’un des plus grands plasmides découverts a une taille de 1.8 million de nucléotides. Et pour certains organismes, il est plus long que leur ADN chromosomique.

Les plasmides contiennent souvent différents gènes qui peuvent être bénéfiques au procaryote en favorisant son développement dans un environnement qui lui serait autrement fatal. Certains codent par exemple pour une résistance aux antibiotiques ou une résistance aux ions de métaux lourds toxiques. D’autres groupes de gènes codés par un plasmide appelés facteurs de virulence peuvent aider le procaryote à infecter son hôte.

La souche infectieuse E. coli 0157 en est un bon exemple. Il s'agit de la souche d'E. coli dont on entend souvent parler dans les médias lorsqu’elle contamine du bœuf ou de la laitue. Les symptômes de la maladie comprennent généralement la diarrhée, des vomissements, de la fièvre, et elle peut dans certains cas entrainer la mort. E. coli 0157 possède un plasmide spécial appelé p0157. Ce plasmide contient des dizaines de facteurs de virulence facilitant son infection chez l'Homme, dont certains ont permis à la bactérie de se fixer aux cellules intestinales afin de coloniser l'intestin. D'autres permettent à la bactérie de ne pas être détectée, d’échapper au système immunitaire, ou encore de tolérer l'environnement acide de l'estomac. De cette façon, le plasmide aide E. coli à s’adapter à son hôte et à survivre dans cet environnement autrement dangereux.

Alors, combien de plasmides peut avoir un procaryote? Certains procaryotes peuvent avoir jusqu’à 20 plasmides différents, chacun ayant un ensemble différent de gènes. Chaque plasmide peut se répliquer indépendamment de l’ADN chromosomique. De cette façon, un plasmide unique peut avoir de nombreuses copies dans la cellule, allant d’une seule à plusieurs centaines de copies. Lors de la division cellulaire d’un procaryote, les plasmides qu’il contient sont également transférés. Comme nous l’avons vu, les plasmides peuvent être très utiles aux procaryotes. Afin de partager ces avantages, les plasmides peuvent se transférer à d’autres procaryotes dans un processus appelé conjugaison. Examinons cela de plus près.

Imaginons que notre procaryote ait ici un plasmide qui donne une résistance à certains antibiotiques comme la pénicilline. La pénicilline est un antibiotique qui peut perturber la synthèse de la paroi cellulaire procaryote. Cela l’affaiblit, et la cellule finit par être lysée et meurt. Notre gène de résistance à la pénicilline produit une enzyme qui peut cliver la pénicilline pour l’empêcher d’agir ainsi. Ainsi, les procaryotes dotés de ce plasmide sont résistants à la pénicilline. Donc dans ce cas, ce procaryote est notre donneur ou donnateur et il est résistant à l'antibiotique pénicilline. Maintenant supposons que nous ayons un autre procaryote qui ne soit pas résistant à la pénicilline et qui y est donc sensible. C'est une cellule receveuse ou réceptrice.

Pendant la conjugaison, un pilus spécialisé appelé le pilus sexuel s’étend de la cellule donneuse à la cellule receveuse pour la rapprocher. Maintenant que les cellules sont en contact, un pont se forme entre elles. Bien que ce plasmide soit présenté comme une seule boucle, il est en fait double brin, alors dessinons-le de cette façon. Ensuite, l’un des brins d’ADN est coupé puis transféré dans la cellule receveuse. Au cours de ce processus, le deuxième brin d’ADN est synthétisé, mais par souci de simplicité, nous allons le laisser comme ça. Une fois le plasmide transféré, la cellule receveuse est désormais porteuse du plasmide et du gène de l’antibiorésistance et est donc résistante à la pénicilline.

Vous avez peut-être entendu parler de la résistance aux antibiotiques chez les bactéries, ce qui devient un problème mondial. En effet, les antibiotiques sont excessivement prescrits et faciles d’accès, ce qui a conduit le public à les utiliser de façon abusive.

Supposons que nous soyons infectés par une population de bactéries, mais que l'une d'entre elles porte un plasmide qui lui confère une résistance à la pénicilline. En traitant cette infection avec de la pénicilline, toutes ces cellules bactériennes seront tuées, à l’exception de celle qui est résistante à la pénicilline. Cette bactérie peut alors se multiplier pour créer plus de bactéries résistantes à la pénicilline. Ou il pourrait transférer le plasmide à d’autres bactéries par conjugaison. Puisque toutes ces bactéries sont maintenant résistantes à la pénicilline, le traitement de cette infection par la pénicilline ne fonctionnera pas.

Alors l’infection sera traitée avec un autre antibiotique, comme l’amoxicilline par exemple. Et il tuera à nouveau la plupart des cellules, sauf celle qui résiste à l'amoxicilline. Et maintenant, cette bactérie pourrait porter une résistance aux deux antibiotiques. C’est à cause de cette utilisation abusive des antibiotiques que se développent des souches de bactéries qui leur sont résistantes.

Au fond, le vrai danger serait de manquer d’antibiotiques adaptés au traitement des différentes infections. Et une infection autrefois bénigne peut se révéler mortelle. Certes, l’avenir de l’humanité et des procaryotes peut paraître pessimiste si ce problème n’est pas résolu.

Remontons maintenant dans le temps pour discuter des origines procaryotes de la mitochondrie et du chloroplaste, expliquées par la théorie endosymbiotique.

La théorie endosymbiotique est la théorie selon laquelle la mitochondrie et le chloroplaste ont évolué à partir d’un ancêtre procaryote. On suppose que les premiers eucaryotes, dépourvus de mitochondries ou de chloroplastes, ont ingéré un procaryote capable d’effectuer la respiration aérobie ou la photosynthèse. Cela peut avoir conduit à une relation endosymbiotique mutuelle qui est bénéfique aux deux cellules. La symbiose est un type d’interaction biologique étroite et durable entre deux organismes différents. Et endo- se réfère au fait que l’un de ces organismes vit à l’intérieur de l’autre. L'eucaryote peut avoir bénéficié de l'énergie libérée par le procaryote aérobie, tandis que le procaryote peut avoir bénéficié des nutriments fournis par l'eucaryote.

Au cours de milliards d’années, ce procaryote aérobie est peut-être devenu la mitochondrie que nous connaissons aujourd’hui. Un processus similaire peut être à l’origine du chloroplaste des procaryotes photosynthétiques. Plusieurs éléments le prouvent, notamment le fait que les mitochondries et les chloroplastes contiennent tous deux leur propre ADN, qui est circulaire et dépourvu d'histones comme les procaryotes. Les mitochondries et les chloroplastes ont également leurs propres ribosomes, les organites impliqués dans la production de protéines, qui sont très semblables aux ribosomes procaryotes. Les mitochondries et les chloroplastes ont également une taille similaire à celle des procaryotes. Ces preuves parmi d'autres encore expliquent pourquoi nous pensons que les mitochondries et les chloroplastes ont évolué à partir de procaryotes.

Maintenant, essayons une question pratique pour appliquer ce que nous avons appris.

Où se trouve l’ADN chromosomique dans une cellule procaryote?

Rappelez-vous que les procaryotes sont des organismes unicellulaires qui sont souvent plus petits que les eucaryotes et qui se distinguent par l’abscence de noyau ou d’organites entourés d’une membrane. Agrandissons cette cellule procaryote et revoyons son anatomie afin de répondre à cette question.

De nombreux procaryotes possèdent trois couches qui séparent l'intérieur de la cellule de l'extérieur. La capsule est la couche collante la plus externe que certains procaryotes utilisent pour adhérer aux surfaces. La paroi cellulaire est la couche intermédiaire qui protège l'intérieur de la cellule et lui donne sa forme. Et enfin, il y a la membrane plasmique, qui aide à maintenir en place les composants internes de la cellule.

À l'extérieur de la cellule se trouve une structure en forme de cheveu appelée pilus, ou pili au pluriel, qui permet au procaryote de se déplacer. Une structure en forme de queue appelée flagelle contribue également au mouvement.

Si nous portons maintenant notre attention sur l'intérieur de la cellule, on y trouve le cytoplasme, soit le liquide qui remplit l'intérieur de la cellule. Le ribosome est impliqué dans la production de protéines. Et le plasmide est un morceau d’ADN circulaire non chromosomique séparé du chromosome. Enfin, nous avons le chromosome procaryote, qui contient l'ADN chromosomique auquel la question fait référence. Comme mentionné, il n'est pas contenu dans un noyau. En effet, il est plutôt concentré dans une zone de la cellule appelée le nucléoïde.

Maintenant, prenons un moment pour passer en revue les points clés que nous avons couverts dans cette vidéo. L’ADN procaryote existe sous forme d’ADN chromosomique ou d’ADN plasmidique, les deux ayant une structure circulaire. Il existe de nombreuses différences entre l’ADN procaryote et eucaryote. L’ADN procaryote n’est pas contenu dans un noyau, mais dans une zone appelée nucléoïde, alors que l’ADN eucaryote est contenu dans un noyau. Les procaryotes n’ont généralement qu’un seul chromosome circulaire, tandis que les eucaryotes ont généralement plusieurs chromosomes linéaires. En règle générale, les procaryotes sont haploïdes, tandis que les eucaryotes sont diploïdes ou plus. Contrairement à l’ADN eucaryote, l’ADN procaryote n’est pas empaqueté avec des histones. Les procaryotes portent généralement de l'ADN non chromosomique sous forme de plasmides, alors que les eucaryotes n'en ont pas. Enfin, on suppose que les mitochondries et les chloroplastes ont évolué à partir de procaryotes.