Le chromosome bactérien

est constitué d'acide désoxyribonucléique (ADN) dont les caractéristiques structurales sont bien connues. L'ADN bactérien  est circulaire (nucléoide) Contient entre 1 000 000 et 4 500 000 paires de bases, 800 et 4300 gènes 0.1% du génome humain ; il peut exister sous trois formes (super-enroulée, relâchée, linéaire) objectivées par plusieurs techniques telle l'ultracentrifugation, la microscopie électronique ou tout simplement l'électrophorèse en gel d'agarose.

Les deux chaines ou alpha hélices sont maintenues entre elles (A-T, C-G) par les deux ou trois liaisons "hydrogène". Le chauffage permet leur séparation en brins monocaténaires = fusion ou dénaturation. Cette séparation est réversible (renaturation ou hybridation) selon le principe de la complémentarité des bases (A-T, C-G). Lors de la séparation, il y a augmentation de la DO à 260 nm (effet hyper-chromique), et celle-ci est fonction du nombre de paires GC. Il est possible de calculer un paramètre quantitatif (Tm).  Ainsi la détermination du GC% est un critère taxonomique ou de classification des bactéries qui peut être calculé selon l'espèce bactérienne (fig.6). Il peut varier largement selon les groupes bactériens. 

Figure 5: Electrophorèse d’ADN bactérien sur gel d’agarose.

Le nucléoïde très condensé se trouve dans un pseudo compartiment qui se caractérise par l'absence de ribosomes Certains brins d'ADN sétendent vers l'extérieur dans le cytoplasme comme une «boule de fils serrés. Ces extensions contiennent la majeure partie de l'ADN transcriptionnellement actif. Le chromosome est apparu comme une structure fortement repliée contenant presque tout l'ADN cellulaire, certaines protéines et ARN naissant. 

Les  images de microscopie électronique du chromosome d’E. coli a révélé un noyau central à partir duquel 12400 boucles indépendantes (domaines de surenroulement, fig.7) ont été  observées. La structure entière est apparue comme une rosette ininterrompue. Cette organisation est sensible à la RNase, suggérant que l'ARN est impliqué dans le maintien de la l'intégrité de la structure de base (Tous les domaines possèdent le même niveau de surenroulement). 

Toutefois l’entaille de l’un des  brins abolit le surenroulement dans ce domaine particulier uniquement, en laissant le reste du chromosome non affecté. Le chromosome  est logé dans un petit espace à l'intérieur de la cellule ce qui nécessite son repliement. Un nuage d'ADN enroulé est généré au hasard avec un diamètre de 10 µm * dans une bactérie, tel qu’E. coli. Sa subdivision en plusieurs boucles indépendantes de * 10 kb donne un autre niveau de compactage. C’est le surenroulement négatif des boucles par l’ADN topoisomérase qui réduit encore le diamètre du chromosome replié. Celle-ci empêche les brins de s’entremêler.

Le DNA a besoin d’être protégé par des protéines lorsqu’il n’est pas utilisé comme modèle pour l’expression des gènes ou la réplication. Cette protection se fait chez les eucaryotes par enroulement autour de protéines basiques (cationiques) capables de se lier avec le DNA qui est un polyanion. Des octamères d’histones sont au centre de particules qu’on trouve tous les 200 nucléotides et autour desquels le DNA s’enroule. La structure  évoque un « collier de perles ». Des études récentes ont montré que les différentes régions de l’ADN bactérien ne sont pas seulement interconnectés mais aussi organisé dans l'espace par en un complexe de maintenance de la structure (SMC). Ce SMC serre et maintient le chromosome dans un état compatible avec la réplication et la ségrégation de l'ADN. 

Cependant, un des plus important composants pour la condensation de l'ADN bactérien est un groupe de protéines, qui peuvent modifier sa forme (compactage) et influencent ainsi sa transcription. 

 Les NAP '' protéines associées au nucléoïde '' : sont nombreuses et possèdent une activité de liaison à l'ADN et une capacité à modifier la trajectoire de la molécule  d'ADN dans la cellule par pliage, emballage, ou pontage; mais aussi  influent positivement ou négativement sur la transcription.

Figure 7 : Représentation schématique d'un chromosome super-enroulé avec les protéines associés au nucléoïde (NAP).

Le complexe de transcription         complexe  de l'ARN polymérase au promoteur.

Fis           H-NS 

(i)                Certaines ont une propriété de marquage du  début et de  la fin d'un domaine chromosomique. Les protéines dotées d’activité de pontage d'ADN sont les plus aptes à la réalisation d'une telle fonction. C’est le cas de la H-NS (histone-like-nucleoid) protéine qui se lie à des régions riches en A-T dans le génome de E. coli et Salmonella enterica, sur des sites coïncidant avec les extrémités d’un domaine donné.

(ii)              Fis: '' facteur de stimulation de l'inversion, est une protéine  abondante au début de la phase exponentielle de croissance, pour former des ponts ADN-protéine-ADN. Les sites de liaison potentiels pour Fis, sont constitués d'une séquence consensus, de 17 pb riches en AT. 

Fis se lie à ces sites en tant qu’homodimère et (introduit) des coudes dans l'ADN. Ces protéines contribuent à de nombreuses activités cellulaires, tels que la transcription, la réplication et la recombinaison.

(iii)            HU, une autre classe de NAP, constituée  de deux sous-unités HUα et HUẞ. Les interactions HU-DNA ne sont  pas spécifiques, mais la protéine a une préférence pour les régions déformées de l'ADN, tels: les repliements ou les jonctions à quatre voies. HU joue un rôle important dans la recombinaison, la topologie de l'ADN et la gestion de l'expression génique. Cette protéine interagit avec la topoisomérase I qui peut conduire à une altération dans de superhelicité de l'ADN, et peut être impliqué à la fois dans la structure du nucléoïde et l’expression des gènes.  Elle forme des multimères  octamérique ayant le potentiel de former des filaments en spirale autour  desquels L'ADN est surenroulé négativement.  Enfin, HU contribue aussi à la flexibilité de l’ADN en courbant le duplex,  pour faciliter la formation de la boucle d'ADN.

(iv)            Le facteur d'intégration de l'hôte (IHF), initialement identifié comme cofacteur dans la  recombinaison à site spécifique du phage ʎ. Cette protéine est étroitement liée à HU du point de vue séquence d'acides aminés, mais se lie à une séquence nucléotidique bien conservée. Sa liaison au site introduit un demi-tour dans l'ADN, et aide dans le remodelage de l'ADN à un niveau local. IHF influence la transcription globale, la réplication du chromosome, et sert en tant qu'élément du site- spécifique du système de recombinaison, affectant ainsi la transposition.  

Le nucléoide compact occupe le centre de la cellule procaryote, avec  les ARN polymérases (RNAPs) sur sa périphérie, et les ribosomes refoulés vers les bords où ils interagissent  avec la membrane plasmique intérieure. Le degré de condensation dépend également de la phase de croissance, avec le plus haut niveau de compactage pendant une croissance rapide, par rapport à une croissance sous des conditions limitantes. A l'état primaire, RNAP sont concentrés dans les foyers de la transcription, alors que sous croissance réduite elles  sont  réparties dans le chromosome. Ceci suggère qu'une corrélation étroite existe entre la structure du nucléoïde et l'organisation du génome. Cela se produit par l'intermédiaire de la distribution de gènes hautement exprimés et dont la transcription affecterait le surenroulement. 

Les plasmides

Les bactéries contiennent souvent un ou plusieurs plasmides, qui sont des molécules d’ADN extrachromosomique. Ces plasmides peuvent conférer certains avantages aux bactéries, comme la résistance à des antibiotiques ou des métaux, ou pour la production d’antibiotiques, de pigments,  ou peut fournir des capacités cataboliques inhabituelles comme des facteurs de virulence (toxines), fertilité, etc. Ils peuvent également induire des tumeurs végétales, et d'autres réponses symbiotiques et pathogènes chez les plantes et les animaux. 

Parfois, les bactéries peuvent partager les plasmides avec différentes espèces bactériennes (transfert horizontal de gènes). Ces plasmides sont dits conjugatifs (permettent la conjugaison), sont généralement grands et ont en plus des gènes nécessaires pour la réplication autonome des gènes de transfert d’ADN au receveur (ex : gènes du pilus sexuel : F). Mais peuvent être  non-conjugatifs (ne peuvent pas médier la conjugaison), sont généralement plus petits et il leur manque un ou plusieurs gènes nécessaires au  transfert d’ADN.

Les Plasmides ont souvent été assimilés avec des organismes Ainsi, un organisme '' est l'élément unitaire d'une lignée continue avec histoire de l'évolution individuelle ''. Cette définition s’applique aussi pour les  virus, et certains transposons, qui appartiennent tous à une famille d'organismes primitifs. La caractéristique commune entre ces unités est leur réplication, leur maintenance et leur diffusion. Les plasmides se répliquent indépendamment du chromosome.  

Les Plasmides ont ainsi joué un rôle significatif dans l'évolution bactérienne ; en effet  une cellule contenant le plasmide peut avoir un avantage adaptatif sur celles sans plasmide. Au cours des dernières années, leur signification a considérablement augmenté en raison de leur application dans la recherche en génie- génétique en tant que porteur de la molécule étrangère (recombinant ADN). Une cellule bactérienne peut ou non comporter un ou plusieurs  copies d'un même type de plasmide ou des  plasmides différents. 

La plupart des plasmides sont des fragments d'ADN fermés de manière covalente circulaire (ccc), dont la taille varie de quelques milliers à des centaines de milliers de paires de bases. Ceux-ci se trouvent dans une cellule surenroulé négativement. Sont appelés épisomes.  Le caractère distinctif,  la nature de réplication autonome suggère qu'un plasmide peut être essentiellement assimilé à un réplicon et doit coder pour une partie ou plusieurs fonctions requises pour sa réplication. Pour être autonome, ils doivent avoir au moins une origine de réplication (Ori), un site en cis, et code également pour des protéines spécifiques nécessaires à la reconnaissance du site ori et l'initiation de la réplication. Le gène rep porté par le plasmide, code une protéine (Rep) spécifique de l’initiation de la réplication agissant en trans.

Dans certains plasmides linéaires, comme chez Borrelia burgdorferi, les extrémités peuvent porter des séquences de télomères-like, ces  extrémités de l'ADN peuvent être répétées et peut même être jointe de manière covalente les unes aux autres. De même, chez Streptomyces, les extrémités plasmidiques peuvent être liées à une protéine. 

 Matériel génétique viral

A la différence des génomes de toutes les cellules, qui sont composé d'ADN, les génomes de virus peuvent être codée dans l'ADN ou l'ARN. Le génome peut être simple ou double brin; comme il peut être linéaire, circulaire, ou segmenté. Les virus simple brin peuvent être soit de sens positif (+) (même polarité que la séquence nucléotidique de l’ARNm), sens négatif (-), ou ambisens (un mélange des deux) génomes. Les Virus varient en taille environ 3500 nucléotides (les bactériophages de la famille Leviviridae, comme MS2 et Qb) à environ 1,2 million de pb (Nt 2.400.000), comme le Mimivirus: plus grand que le plus petit génome bactérien (mycoplasme).