LYSOGÉNIE

LYSOGÉNIE

Depuis 1940, et sous l’impulsion de Max Delbrück, les bactériophages ont donné lieu à de nombreuses recherches qui ont apporté beaucoup d’explications sur l’origine, l’action et la reproduction des virus, et sur un grand nombre d’autres problèmes qui touchent la bactériologie, la génétique, la biologie générale, la cancérologie.

Un aspect particulier de la bactériophagie fera l’objet de cet article: la lysogénie. «Une bactérie lysogène, a écrit André Lwoff, est une bactérie qui possède et transmet le pouvoir de produire du bactériophage » en l’absence d’infection directe, et de le mettre en liberté, sous certaines conditions et en quantités extrêmement variables, dans le milieu de culture où elle se multiplie. On a successivement donné les noms de lysogénéité (en anglais: lysogenicity ) puis de lysogénie à ce très curieux caractère. Alors que l’infection par des bactériophages virulents conduit inéluctablement à la mort des bactéries, la lysogénisation est apparemment inoffensive pour celles qui la subissent.

1. Histoire de la notion de lysogénie Proposition de F. W. Twort

En 1915, Frederick William Twort décrit la transformation vitreuse de certaines cultures bactériennes. Cette véritable maladie des bactéries est transmissible d’une culture atteinte à une culture saine de la même espèce et son agent est comparable aux virus ultramicroscopiques des maladies de l’homme, des animaux et des végétaux supérieurs.

Il s’interroge alors sur la nature de ces virus. Entre diverses hypothèses proposées, il envisage celle d’un matériel autodestructeur dont les effets seraient comparables au processus cancéreux, évoquant implicitement la présence d’un virus à l’état latent dans les cellules destinées à subir éventuellement à plus ou moins longue échéance le développement anarchique caractéristique de cette maladie.

Proposition de Félix d’Hérelle

Pour Félix d’Hérelle, qui redécouvre en 1917 la lyse bactérienne transmissible, à laquelle il donne le nom de bactériophagie , les cultures secondaires à cette analyse entretiennent indéfiniment le bactériophage en formant avec lui une association symbiotique , dont on verra plus loin qu’elle comprend deux états bien différents.

La théorie de Jules Bordet

La conception virale du bactériophage admise dès le début par Twort et par d’Hérelle est alors contestée par plusieurs auteurs parmi lesquels T. Kabeshima et Jules Bordet. Selon ce dernier, le bactériophage n’existerait pas. La lyse transmissible serait due à une viciation nutritive provoquée dans la bactérie par des causes extérieures. Ainsi, à la suite d’injections intrapéritonéales répétées de Bacterium coli à des cobayes, l’exsudat formé est riche en leucocytes et provoquerait une anomalie de B. coli qui ne serait que l’exagération, devenue héréditaire, du processus physiologique, et non héréditaire, d’autolyse. Cette propriété nouvelle serait donc inscrite désormais dans l’hérédité de la bactérie, d’où son double caractère: transmissible, de bactérie mère à bactéries filles, et contagieux, de bactéries sœurs à bactéries sœurs.

Si les travaux ultérieurs n’ont pas confirmé la conception de la viciation nutritive proposée par Bordet, on doit à cet auteur en premier lieu l’expression de bactéries lysogènes , d’où est venue tout naturellement celle de lysogénéité et surtout la notion capitale d’hérédité et de facteur lysogène . En effet, comme Lwoff l’a très judicieusement fait remarquer, la lysogénie occupe une position privilégiée au croisement de l’hérédité normale et de l’hérédité pathologique.

La conception de F. M. Burnet

Plus tard, F. M. Burnet, après avoir démontré l’existence des corpuscules bactériophages de d’Hérelle (ou lysions , P. Nicolle, 1967) en les photographiant en lumière ultraviolette au microscope à fond noir, se demande, avec J. J. Van Loghem et A. Vedder, si la lysogénie, très fréquente parmi les souches de certaines Salmonella , ne serait pas une fonction normale des bactéries considérées. Certains auteurs sont même conduits à formuler l’hypothèse de l’origine bactérienne des bactériophages.

Entre-temps s’est établie une importante distinction entre les bactéries lysogènes vraies , dans lesquelles l’association avec le bactériophage est très stable, et les bactéries simplement contaminées par un ou plusieurs bactériophages, dont on peut assez facilement les débarrasser; pour cela, on les traite par un sérum antiphage spécifique ou par un antiseptique comme le formol, auquel le phage est plus sensible que la bactérie.

La conception génétique de Wollman

Les recherches d’Eugène et Élisabeth Wollman ont incontestablement placé le problème des bactéries lysogènes sur la bonne voie. Ces bactéries lysogènes, qui sont capables de produire des bactériophages dans certaines conditions et de les répandre autour d’elles, n’en contiennent pas elles-mêmes sous la forme infectieuse. Ce fait important a conduit les auteurs à considérer que le bactériophage se présente sous deux phases différentes: une phase infectieuse lorsqu’il se trouve hors de la bactérie dans les milieux de culture ou les filtrats, et une phase non infectieuse tant qu’il n’est pas sorti de la cellule bactérienne lysogène.

Mais surtout Eugène Wollman estime que, dans la bactérie lysogène, le bactériophage se comporte comme un gène et il propose de désigner les phénomènes de bactériophagie sous le nom de parahérédité ou d’hérédité contagieuse. Ces vues, qui n’avaient convaincu que très peu de microbiologistes, se sont révélées prophétiques.

Les recherches d’André Lwoff

Pour André Lwoff et ses collaborateurs, il convient avant tout de distinguer deux variétés de bactériophages: les phages virulents , qui lysent la presque totalité de la culture bactérienne sensible, et les phages tempérés , dont l’action lytique est rapidement suivie de l’apparition d’une culture secondaire troublant les milieux liquides éclaircis ou donnant lieu à la formation de «placards» ou de «plages» fortement voilées, sur milieux solides. Aux premiers de ces phages correspond le cycle lytique (cf. BACTÉRIOPHAGES) et aux seconds le cycle réductif , ou lysogénisation.

Le cycle lytique

Les phages virulents ne lysogénisent pas les rares bactéries qui ont survécu à leur action. Celles-ci sont toutefois résistantes au phage utilisé par suite d’une sélection de mutants non sensibles existant initialement dans la culture. Souvent la résistance observée est due à la disparition de récepteurs spécifiques normalement présents sur la paroi bactérienne. Par exemple, si l’on fait agir sur une culture de bacille typhique un phage Vi, c’est-à-dire un phage qui ne peut se fixer sur la paroi bactérienne que si celle-ci possède le récepteur spécifique pour ce phage, en l’occurrence l’antigène Vi, il lysera la plupart des bacilles Vi positifs et laissera indemnes les bacilles Vi négatifs. La culture secondaire sera donc presque exclusivement formée de bacilles Vi négatifs, insensibles pour cette raison au phage Vi.

Les phages tempérés lysent une partie de la culture sensible et lysogénisent l’autre partie (fig. 1). Les bactéries lysogénisées sont devenues elles aussi résistantes au phage utilisé. Mais leur résistance n’est pas due, comme dans le cas précédent, à une sélection de mutants préformés, mais à l’acquisition d’une immunité spécifique liée à la lysogénisation.

Le cycle réductif ou lysogénisation

Dans le cycle réductif, les bactéries qui ont survécu au contact avec le phage sont donc devenues presque toutes lysogènes, c’est-à-dire qu’elles ont acquis la propriété, désormais héréditaire, d’élaborer du bactériophage et de le libérer en quantités variables dans le milieu où elles se développent. Le caractère héréditaire de la lysogénie ainsi acquise a été démontré par Lwoff au cours de ses expériences faites au micromanipulateur de 1949 à 1952. Il a choisi un Bacillus megatherium lysogénisé dont le phage était actif sur une souche mutilat de la même espèce. Ce B. megatherium lysogène libère du bactériophage en milieu levuré. Il n’en libère pas en milieu synthétique. Mais si, après de nombreux passages en milieu synthétique, sans que jamais la présence du phage libre ait été constatée, le descendant de toute une lignée d’isolements est mis dans du milieu levuré, dès qu’il commence à se multiplier, le phage apparaît. Il y a donc quelque chose dans la bactérie lysogène qui n’est pas tout à fait du phage, mais qui peut se transformer en vrai phage. Ce quelque chose, Lwoff et ses collaborateurs l’ont appelé le prophage , c’est-à-dire le précurseur du phage.

De nombreuses expériences des mêmes auteurs ont montré que, au moment de la lysogénisation, l’ADN du phage infectant, au lieu de se répandre dans le cytoplasme bactérien comme le fait l’ADN d’un phage virulent et d’y provoquer les perturbations que l’on sait, se fixe sur le chromosome de la bactérie à un emplacement spécifique (fig. 2). En effet, si on lysogénise une bactérie avec un phage A, on ne réussit pas en général (il y a des exceptions) à la surlysogéniser avec un phage A’ mutant de A, alors qu’on peut facilement la surlysogéniser avec un phage B non apparenté à A: la place destinée à A’ est déjà prise par A, tandis que celle destinée à B est restée libre.

Une fois accomplie l’insertion de l’ADN infectant dans le chromosome bactérien, une copie en est distribuée à toute la descendance. Ainsi se fait la transmission héréditaire du prophage. Celui-ci apporte à la bactérie lysogène ou à la bactérie lysogénisée l’information génétique qui les met en état, le cas échéant, de synthétiser les différents constituants du lysion. Mais, pour la grande majorité des bactéries d’une population lysogène, cette propriété demeure à l’état potentiel; tant que le prophage reste fixé sur le chromosome bactérien, la bactérie qui le porte est prémunie contre l’action aussi bien intérieure qu’extérieure du phage correspondant et, à des degrés divers, contre des phages apparentés.

Toutefois, elle n’est pas nécessairement prémunie contre des mutants du phage lysogéniseur, en particulier si ces derniers se trouvent à l’état de phages virulents. Ces mutants agissent sur la culture secondaire en formant des «plages» claires.

La prémunition est due, d’après F. Jacob et A. M. Campbell, à l’élaboration par le prophage d’un répresseur , substance qui empêche la formation des divers éléments du phage.

Cependant, il peut arriver que le prophage se sépare du chromosome bactérien, spontanément ou à la suite d’un traitement approprié (fig. 1). Jacob et Wollman, en 1958, ont donné le nom d’épisomes ou facteurs épisomiques à ces éléments de l’appareil génétique des bactéries qui peuvent émigrer du chromosome vers le cytoplasme. Le prophage et le facteur de la résistance transmissible aux antibiotiques sont les deux exemples actuellement admis d’épisomes ^{[cf. PLASMIDES ET ÉPISOMES]}.

Lorsque le prophage quitte le chromosome de la bactérie, le répresseur n’étant plus élaboré, la bactérie cesse d’être prémunie. L’ADN du prophage se dissémine dans le cytoplasme et agit comme l’ADN d’un phage virulent: il contraint la bactérie à synthétiser en grande quantité de l’ADN et des protéines semblables à ceux du bactériophage infectant, ainsi qu’une endolysine, enzyme chimiquement analogue au lysozyme du blanc d’œuf et du mucus nasal. Ces éléments s’assemblent pour former de nombreux lysions nouveaux; lorsque ceux-ci arriveront à maturité, l’endolysine attaquera la paroi bactérienne par l’intérieur et la fera éclater en libérant tous les lysions nouvellement formés que la bactérie contenait.

Une telle perte du prophage avec retour au cycle lytique n’affecte normalement qu’une très faible proportion de la population bactérienne lysogène, par exemple une bactérie sur mille ou sur dix mille, quelquefois encore moins. Mais c’est généralement suffisant pour assurer la présence permanente des lysions libres dans le milieu de culture. À partir de ce milieu, on peut les mettre en évidence soit dans les filtrats sur bougie Chamberland L3, soit dans les surnageants chauffés, car le phage résiste généralement mieux à la chaleur que les bactéries sensibles, soit encore par agitation de la culture avec le chloroforme. Mais il faut savoir que celui-ci ne tue pas toutes les bactéries.

2. L’induction

Si l’on traite une bactérie lysogène par certains agents qu’on appelle inducteurs (agents physiques comme les rayons ultraviolets, les rayons X ou les brusques variations de température; agents chimiques comme l’acide ascorbique, l’acide thiomalique, l’eau oxygénée, l’aminoptérine, la mitomycine C, la colicine E2) ou bien si on la soumet à certaines carences nutritionnelles comme le manque de thymine, la proportion de bactéries qui perdent leur prophage et subissent le cycle lytique deviendra considérable (fig. 1). Elle peut même atteindre la totalité de la population bactérienne. C’est le phénomène de l’induction , qui conduit une culture lysogène à libérer du phage en quantités massives (A. Lwoff et L. Siminovitch, 1952). Ainsi, de nombreuses souches d’Escherichia coli fournissent, après traitement par les rayons ultraviolets, 10 000 fois, 100 000 fois plus de lysions et même davantage qu’elles n’en libèrent sans ce traitement.

Mais les bactéries lysogènes ne sont pas toutes également inductibles. C’est ainsi que la plupart des Salmonella , dont certaines fournissent sans induction de très nombreux lysions, n’en produisent pas sensiblement plus après irradiation ultraviolette. Lorsque les filtrats des bactéries non inductibles contiennent si peu de bactériophages qu’on risque de ne pas les trouver, la propriété lysogène peut encore être mise en évidence par l’artifice d’une culture mixte avec une souche sensible.

3. Bactéries lysogènes défectives

Si l’on traite une culture bactérienne par un phage tempéré, il arrive parfois que, parmi les bactéries prémunies contenues dans la culture secondaire, certaines fournissent à chaque multiplication une proportion normale du phage lysogéniseur, tandis que, dans les filtrats d’autres bactéries également prémunies, il est impossible d’en trouver, même après induction et culture mixte avec la souche sensible.

Cependant, l’analyse approfondie de ces cultures montre que le prophage s’est bien inséré dans le chromosome de la bactérie. Mais les divers éléments du phage qu’il a synthétisés pendant la période latente, c’est-àdire pendant les minutes qui suivent l’infection, se trouvent dans l’incapacité de s’assembler les uns aux autres pour former des particules infectieuses. L’explication de ce phénomène a été donnée par Jacob et Wollman (1956): une lésion génétique du prophage, par exemple par suite d’un échange entre une partie du chromosome phagique avec une fraction du chromosome bactérien, empêche l’une des réactions nécessaires à la formation des particules infectieuses de se produire; la présence d’un prophage ne se manifeste plus chez ces bactéries lysogènes défectives que par des propriétés phénotypiques autres que la production de bactériophage.

On peut mettre en évidence la lysogénie défective par divers procédés:

– la recherche de l’endolysine, substance non spécifique contenue dans le surnageant de cultures lysogènes défectives irradiées par les rayons ultraviolets et dont l’action lytique se manifeste sur une suspension de bactéries de la même espèce traitée par le versène ou le chloroforme;

– en surinfectant les bactéries lysogènes défectives par un phage dont les caractères sont bien connus, et en recherchant les modifications que ce phage a pu subir au cours des recombinaisons génétiques avec le prophage défectif.

4. Fréquence et rôle de la lysogénie

La fréquence de la lysogénie est très variable. Certaines espèces, surtout parmi les Entérobactériacées, sont très souvent lysogènes: tous les lysotypes de Salmonella paratyphi B (P. Nicolle et Y. Hamon), tous les lysotypes de Yersinia enterocolitica (P. Nicolle, H. Mollaret et J. Brault), de nombreuses souches du sérotype O111: B4 d’Escherichia coli appartenant au lysotype Sèvres, etc. En revanche, malgré de nombreux essais, il n’a pas été possible de déceler la moindre production spontanée de phage parmi les souches de Yersinia pestis et Yersinia pseudotuberculosis . Cependant, ces deux espèces sont sensibles à de nombreux phages. En outre Yersinia pestis , contaminée par un phage, forme avec lui une association très étroite qui, par certains côtés, rappelle la lysogénie. Faute d’avoir pu en connaître la nature exacte, on s’est vu contraint à l’appeler provisoirement une pseudolysogénie (G. Girard), bien que ce terme ait été proscrit par Lwoff.

La lysogénie a un rôle dans la détermination des lysotypes de certaines espèces bactériennes. J. Craigie avait montré que, dans la lysotypie de Salmonella typhi qui porte son nom, le lysotype A est sensible à toutes les préparations adaptées du phage Vi II, tandis que le lysotype D1 n’est sensible qu’aux phages du groupe D. La résistance du lysotype D1 aux autres phages est causée par la présence du prophage d1 dont le phage correspondant n’est nullement apparenté au phage D1. Il s’agit donc là d’une prémunition non spécifique.

P. Nicolle et Y. Hamon, en 1951, ont généralisé cette notion en l’appliquant à Salmonella paratyphi B: la lysogénie, dans sa variété, est en effet la cause principale de la diversification de cette espèce bactérienne en ses lysotypes tels qu’on les met en évidence par la méthode de Felix et Callow.

A. Felix et E. S. Anderson, puis Anderson seul, ont peu après obtenu des résultats semblables dans leur étude de la lysogénie de Salmonella typhi . Il en est de même pour de nombreuses autres lysotypies, en particulier celles de Staphylococcus aureus et de Yersinia enterocolitica .

5. Transduction et conversion

Lors de la formation du phage dans une bactérie, il peut arriver qu’une parcelle du chromosome bactérien se trouve emprisonnée, par erreur pourrait-on dire, dans le nucléoïde du lysion avec l’ADN bactériophagique (fig. 3). Quand celui-ci est injecté dans le cytoplasme de la bactérie, cette parcelle du chromosome de la bactérie donatrice, qui parfois est porteuse du gène ou d’un groupe de gènes (par exemple ceux de la résistance à la streptomycine ou ceux de l’utilisation du lactose) déterminant le caractère de celle-ci, se fixe sur le chromosome de la bactérie réceptrice; le caractère ainsi acquis sera désormais inscrit dans l’hérédité de la bactérie. Ce phénomène, appelé transduction , ne s’accompagne généralement pas de la lysogénisation, sauf bien entendu si la parcelle introduite porte les gènes de la lysogénie.

Tout autres sont les conversions , au cours desquelles la transmission d’un caractère porté par une bactérie donatrice à une bactérie réceptrice se fait concomitamment avec la lysogénisation. On réussit ainsi à conférer la toxinogenèse à des bactéries non toxinogènes et à changer le sérotype flagellaire d’un grand nombre de bactéries, en particulier dans le genre Salmonella .

La conversion diffère donc de la transduction; alors que dans la première les phages sont absolument normaux et possèdent toutes les fonctions nécessaires à leur multiplication, les phages transducteurs sont défectifs pour certaines de leurs fonctions, car ils ont perdu quelques gènes.

Le bactériophage a donc une double nature. Lorsque son ADN est inséré à l’état de prophage dans le chromosome bactérien, il se comporte comme un gène, ou plus exactement comme un groupe de gènes, puisqu’il fait partie de l’appareil génétique de la bactérie et qu’il est transmis comme tel par voie héréditaire à la descendance de celle-ci.

C’est un groupe de gènes létaux dont les propriétés ne s’expriment normalement que dans une infime proportion des bactéries lysogènes qui subissent l’induction spontanée . Toutes les autres, porteuses du caractère potentiel de la lysogénie, se multiplient comme le feraient des bactéries non lysogènes de la même espèce. La principale différence entre les deux variétés réside donc en la production de phages par les premières et la non-production par les secondes. Cependant, la lysogénie est plutôt bénéfique pour les bactéries qui la possèdent, car elles sont prémunies contre leur propre phage, contre les phages apparentés, et souvent aussi contre des phages totalement différents, tandis que les bactéries non lysogènes, du fait de leur sensibilité à tous ces phages, sont dans une certaine mesure défavorisées dans la concurrence vitale qui les oppose aux premières.

Lorsque l’ADN du prophage se transforme en phage, c’est-à-dire lorsqu’il se sépare du chromosome bactérien et qu’il s’entoure d’une enveloppe de protéine munie de ses annexes (queue, plaque basale, fibres) lui permettant de se fixer sur les récepteurs spécifiques de la bactérie sensible et de perturber le métabolisme de celle-ci, il se comporte comme un virus puisqu’il est infectieux et que la contamination d’une seule bactérie peut conduire à la contagion de la population bactérienne tout entière. En bref, ce qui est nocif pour la bactérie, comme le fait remarquer Lwoff, ce n’est pas le prophage, c’est la protéine de la capside.

La découverte du prophage et de ses propriétés a conduit les virologues à la notion de provirus, dont la démonstration a été faite pour certains virus oncogènes. Ainsi s’est trouvée vérifiée, après quel tortueux chemin parcouru, l’hypothèse de Twort exposée au début de cet article.

● lysogénie nom féminin Propriété des bactéries lysogènes.

Encyclopédie Universelle. 2012.