Pendant de nombreuses années, on a cru que toutes les bactéries avaient un seul chromosome circulaire par rapport aux eucaryotes, qui ont des chromosomes linéaires. Cela était peut-être dû au nombre limité de souches bactériennes étudiées à l’époque et aux techniques de séquençage disponibles pour examiner les chromosomes bactériens. Cependant, cette croyance a été réfutée lorsque des bactéries à chromosomes multiples et / ou linéaires ont été découvertes en 1989.

Chromosome simple et circulaire

Chromosome surfondu E. coli

Carte chromosomique circulaire d’E. coli

En 1963, des études menées par plusieurs chercheurs ont déterminé que le génome d’Escherichia coli était organisé en un seul chromosome circulaire. La preuve de la structure de l’ADN chromosomique a été démontrée par des images obtenues par autoradiographie, microscopie électronique et images animées de l’ADN en microscopie à fluorescence. Cairns a été le premier chercheur à obtenir une image de l’ensemble du chromosome d’E. coli. La technique utilisée était l’autoradiographie où le chromosome d’E. coli était marqué à l’aide de thymidine marquée au tritium, un isotope radioactif de l’hydrogène. Cependant, les tailles des chromosomes étaient variables et il y avait une faible fréquence de formes circulaires détectées. D’autres expériences basées sur la conjugaison Hfr démontrent de manière convaincante que E. coli a un chromosome circulaire.

Les données publiées sur le chromosome circulaire chez E. coli ont été rapidement adoptées par de nombreux chercheurs. Par conséquent, E. coli est devenu largement utilisé comme modèle principal pour étudier la réplication chromosomique.

Chromosomes multiples

Carte de deux chromosomes circulaires de R. sphaeroides

La première preuve de chromosomes multiples chez les bactéries a été trouvée chez Rhodobacter sphaeroides, une bactérie Gram négative en forme de bâtonnet (figure 2). Les chercheurs ont pu fournir une carte physique complète du génome de R. sphaeroides en obtenant des fragments d’ADN chromosomique par digestion de restriction avec AseI, SpeI, DraI et SnaBI à partir de l’ADN génomique, ce qui a aidé à prouver l’existence de plusieurs chromosomes. L’électrophorèse get à champ pulsé (PFGE) est utilisée pour séparer les molécules d’ADN en appliquant un champ électrique. Contrairement à l’électrophorèse sur gel standard, la tension est constamment commutée dans trois directions différentes. L’hypothèse ici est que l’ADN circulaire est immobile alors que la majeure partie de l’ADN est mobilisée par rupture. L’avantage du PFGE est qu’il peut séparer les ADN de quelques paires de kilobases (ko) à plus de 10 paires de mégabases (Mo). Les fragments d’ADN obtenus en utilisant des endonucléases telles que le SnaBI produisent un motif distinct de bandes utiles pour la cartographie physique des chromosomes. La première preuve menant à l’idée de deux chromosomes circulaires provenait de la digestion de l’ADN génomique à l’aide de SnaBI et d’AseI, où les fragments ont été séparés à l’aide de PFGE et de l’hybridation avec hemA comme sonde. Les résultats ont montré que le fragment SnaBI de 784 kb était entièrement situé dans les fragments AseI D, E et H de 914 kb. Cependant, il y a 130 ko d’ADN non comptabilisés, ce qui le rend arithmétiquement impossible car il doit y avoir une longueur totale de fragment de SnaBI de 1 225 ko. Par conséquent, les fragments AseI D, E et H ne peuvent pas être joints aux autres fragments AseI contigus. Grâce au processus de rétrécissement de la façon dont les fragments se connectent, les chromosomes ont été cartographiés physiquement. Sur une base moléculaire, cette expérience a été utilisée pour déterminer que R. sphaeroides possède deux chromosomes circulaires, l’un mesurant 3,1 Mb et l’autre 0,9 Mb. Sur le plan génétique, les expériences d’accouplement interrompues utilisant des souches Hfr ont renforcé les preuves de la présence de chromosomes multiples chez R. sphaeroides.

Chromosomes linéaires

En 1970, les premières preuves de chromosomes linéaires ont été découvertes, mais la disponibilité limitée des techniques scientifiques et une forte croyance en la circularité chromosomique bactérienne était si convaincante que beaucoup de gens n’ont accepté cette idée que beaucoup plus tard. En 1989, la technique d’électrophorèse sur gel à champ pulsé a été développée et utilisée en conjonction avec des digestions de restriction pour vérifier que spirochete Borrelia burgdorferi a un chromosome linéaire en utilisant un processus similaire de rétrécissement en reliant les fragments séparés comme le R. sphaeroides. B. burgdorferi a été la première bactérie à montrer que des chromosomes linéaires sont présents chez les procaryotes, et la taille du chromosome s’est avérée être d’environ 1,0 Mo. Cette organisation chromosomique est comparable à l’organisation chromosomique eucaryote.

Problèmes avec les chromosomes linéaires

Deux problèmes se posent avec la présence et l’utilisation de chromosomes linéaires par rapport aux chromosomes circulaires chez les procaryotes. Premièrement, les extrémités libres de l’ADN double brin doivent avoir une sorte de protection pour que les nucléases intracellulaires ne les dégradent pas. Deuxièmement, les télomères, qui sont les extrémités des molécules d’ADN linéaires, nécessiteront un processus différent pour la réplication de l’ADN. Pour la protection, deux types de télomères ont été observés. Le premier s’appelle les boucles en épingle à cheveux palindromiques, dans lesquelles il n’y a pas d’extrémités libres à double brin disponibles. L’autre type est les télomères invertrons où les chromosomes contiennent une protéine qui se lie aux extrémités 5’,. Cela peut être trouvé dans les chromosomes linéaires de Streptomyces. En termes de réplication de l’ADN des extrémités des molécules d’ADN linéaires, on ne sait pas grand-chose sur le mécanisme.

Autres découvertes de Chromosomes linéaires

S. griseus est une bactérie à Gram positif connue pour produire l’antibiotique, la streptomycine. Cette bactérie possède également un chromosome linéaire identifié par électrophorèse sur gel à champ pulsé en conjonction avec des digestions de restriction. Il existe également d’autres espèces de Streptomyces avec des chromosomes linéaires identifiés.

Agrobacterium tumefaciens

Par électrophorèse sur gel à champ pulsé, le génome d’A. tumefaciens a été analysé, où un chromosome linéaire et un chromosome circulaire ont été identifiés. La taille du chromosome linéaire est de 2100 Kb, ce qui est plus petit que le chromosome circulaire de 3000 Kb. Les espèces d’Agrobacterium ont une relation étroite de séquence d’ARNr 16s avec les espèces de Brucella, dont les membres sont connus pour avoir deux chromosomes circulaires.

Autres découvertes de chromosomes multiples

B. melitensis est une bactérie coccobacillus à Gram négatif, qui possède deux chromosomes circulaires. Les deux tailles de chromosomes sont 2117 Kb et 1178 Kb. D’autres espèces de Brucella avec deux chromosomes circulaires comprennent B. suis biovar 1, B. suis biovar 2, B. suis biovar 4, B. abortus et B. ovis.

Paracoccus denitrificans

P. denitrificans est une bactérie spéciale avec trois chromosomes circulaires identifiés par électrophorèse sur gel à champ pulsé. Les tailles approximatives des chromosomes sont de 2, 1,1 et 0,64 Mo.

Espèces de vibrions

Il existe de nombreuses autres bactéries à chromosomes multiples, mais les espèces de vibrions ont des membres qui ont deux chromosomes circulaires. Il s’agit notamment de V. cholerae, V. parahaemolyticus, V. vulnificus et V. fluvialis.

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