Mutations bactériennes et sélection

Les mutations sont des modifications héréditaires de la séquence d'ADN, et chez les bactéries, elles apparaissent spontanément au cours de la croissance, indépendamment de l'utilité de la modification. Lorsque l'environnement favorise ensuite les cellules porteuses d'une variante particulière, la sélection augmente sa fréquence dans la population, ce qui permet aux bactéries de s'adapter, notamment en acquérant une résistance aux antibiotiques.

Definition

Une mutation bactérienne est une modification héréditaire de la séquence génomique d'une bactérie ; la sélection est la survie et la reproduction différentielles des cellules en fonction des traits que leurs génotypes confèrent dans un environnement donné.

Scope

Ce sujet aborde l'origine et les types de mutations bactériennes, les preuves classiques que les mutations sont préexistantes plutôt que dirigées, la manière dont la sélection agit sur les populations bactériennes, et les mécanismes qui modulent le taux de mutation. Il s'agit d'un aperçu de référence des mécanismes de génétique des populations et ne fournit pas d'instructions cliniques.

Core questions

• Les mutations bactériennes apparaissent-elles avant, ou en réponse à, un agent sélecteur ?
• Quels types de mutations se produisent et quels mécanismes les génèrent ?
• Comment la sélection modifie-t-elle la fréquence d'un variant dans une population bactérienne ?
• Comment le taux de mutation est-il régulé, et le stress peut-il l'augmenter ?

Key concepts

• Mutation spontanée
• Mutations ponctuelles, insertions et délétions
• Test de fluctuation
• Mutation préexistante versus mutation dirigée
• Sélection positive et négative
• Taux de mutation et souches mutator (hypermutatrices)
• Mutation induite par le stress et adaptative
• Loci de contingence (contingency loci) et variation de phase

Key theories

Mutation aléatoire préexistante (Luria-Delbruck)

L'analyse de fluctuation a montré que le nombre de cellules résistantes varie considérablement entre les cultures parallèles, ce qui n'est attendu que si les mutations de résistance se produisent aléatoirement pendant la croissance avant l'exposition, et non comme une réponse dirigée à l'agent sélecteur.

Mechanisms

Les mutations résultent d'erreurs de réplication, de modifications chimiques spontanées de l'ADN et de l'action d'éléments mobiles, produisant des substitutions ponctuelles, des insertions, des délétions et des réarrangements. Le test de fluctuation de Luria-Delbruck a établi que de telles mutations se produisent aléatoirement pendant la croissance, indépendamment de l'agent sélecteur, de sorte que la sélection agit sur la variation qui existe déjà dans la population. La sélection enrichit ensuite les variants avantageux et élimine les variants délétères. L'apport de mutations n'est pas uniforme : les souches mutator (hypermutatrices) avec une réparation défectueuse augmentent le taux global, certains loci de contingence (contingency loci) avec des répétitions de séquences simples mutent à haute fréquence pour permettre une variation de phase réversible, comme le décrivent Moxon et ses collègues, et les réponses au stress peuvent transitoirement augmenter la mutation, un phénomène que Rosenberg examine sous le terme de mutation adaptative. Ensemble, ces processus permettent aux populations bactériennes de générer et de fixer des changements héréditaires.

Clinical relevance

La mutation spontanée suivie de la sélection est une voie essentielle vers la résistance aux antimicrobiens, et la variation du taux de mutation ainsi que la variation de phase contribuent à la persistance et à l'évasion immunitaire. Cette entrée explique comment la variation est générée et sélectionnée et n'est pas un guide thérapeutique.

History

L'expérience de Luria-Delbruck de 1943 a résolu une question de longue date en montrant que les mutations bactériennes sont spontanées et préexistantes plutôt qu'induites par la sélection, un résultat honoré par une part du prix Nobel et fondamental pour la génétique des populations bactériennes. Des travaux ultérieurs sur les phénotypes mutator (hypermutateurs), les loci de contingence (contingency loci) et la mutation induite par le stress, examinés par Moxon et par Rosenberg, ont affiné la compréhension de la manière dont l'apport de mutations lui-même est façonné.

Debates

Existe-t-il un mécanisme de mutation « adaptative » ou induite par le stress distinct et régulé ?

Certaines expériences suggèrent que le stress peut transitoirement augmenter la mutation de manière à accroître la probabilité de changements utiles, mais la mesure dans laquelle cela est dirigé ou général, et comment cela s'intègre dans le cadre de la mutation aléatoire, reste débattu.

Key figures

• Salvador Luria
• Max Delbruck
• Susan Rosenberg
• Richard Moxon

Seminal works

• luria-delbruck-1943
• rosenberg-2001
• moxon-2006

Frequently asked questions

Les bactéries mutent-elles en réponse aux antibiotiques ?

Les preuves classiques montrent que les mutations de résistance apparaissent spontanément pendant la croissance avant que l'antibiotique ne soit rencontré ; l'antibiotique sélectionne ensuite les cellules déjà résistantes plutôt que de provoquer la mutation spécifique.

Qu'est-ce qu'une souche mutator (hypermutatrice) ?

Une souche mutator (hypermutatrice) présente un taux de mutation supérieur à la normale, généralement parce qu'une fonction de réparation de l'ADN ou de relecture est défectueuse, ce qui peut accélérer l'adaptation mais aussi accumuler des mutations délétères.