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Bactéries généralités


Agent Pathogène : Les bactéries sont des procaryotes, sans noyau, ni mitochondrie, avec un génome souvent circulaire formé d'une double hélice de DNA de 600 à 8000 kb (moyenne 3000-4000 kb), parfois associé à des plasmides qui sont des petits chromosomes circulaires à réplication autonome (10-200 kb). Ce DNA code pour 1000 à 4000 gènes, les plus petits génomes sont retrouvés chez les bactéries très inféodées à leurs hôtes, telles que les mycoplasmes ou les bactéries intracellulaires strictes (Chlamydia, Rickettsia), les bactéries très adaptées à leur hôte (Helicobacter pylori, Haemophilus influenzae, Mycobacterium leprae...). Les bactéries avec un grand génome sont souvent saprophytes et ubiquistes (Enterobacteriacae, Bacillus...). Les chromosomes sont circulaires rarement linéaires et uniques, sauf quelques bactéries qui ont 2 voire 3 chromosomes.
Le chromosome bactérien a une certaine plasticité avec perte ou acquisition de gènes codant pour des résistances bactériennes aux antibiotiques et des facteurs de virulence par transformation, conjugaison ou transduction de phages, ou des réarrangements du génome (variation antigénique), la variabilité génétique peut atteindre 10% - 20% du génome.
NB : L’action d’un antibiotique sur une bactérie est caractérisée par 2 paramètres : la concentration minimale inhibitrice (CMI) est la plus faible concentration d’antibiotique inhibant la croissance des bactéries à 37°C en 18-24 h, la concentration minimale bactéricide (CMB) est la plus faible concentration d’antibiotique détruisant 99,9% de la population bactérienne après 18-24 h d'incubation.
Un antibiotique est dit bactéricide quand le rapport CMB/CMI est = 1 ou 2, bactériostatique quand le rapport CMB/CMI est > à 4.
Une souche est résistante à un antibiotique si sa CMI est > à la concentration sanguine maximale d’antibiotique (non toxique) lors du traitement
On distingue :
1) la résistance naturelle des bactéries ; par exemple, les streptocoques sont résistants aux aminosides, les bactéries à Gram négatif aux glycopeptides, les bactéries à Gram positif aux polymyxines.
2) la résistance acquise correspondant à une adaptation des bactéries aux antibiotiques.
Transfert de l'information génétique chez les bactéries : avec les mutations spontanées, il existe des mécanismes d’adaptation sous la pression de sélection de leur environnement beaucoup plus efficaces fondés sur l’ acquisition de matériel étranger qui sont les transferts génétiques. Ceux-ci utilisent soit des fragments d’ADN libres, soit des éléments génétiques spécialisés (plasmides, transposons) et les bactériophages.
Il existe 3 principaux types de transferts : transformation, conjugaison, transduction. Les gènes transférés confèrent des propriétés supplémentaires à la cellule hôte : (gènes de résistance aux antibiotiques, gènes de virulence) qui peuvent être portés par des plasmides, des transposons ou des phages. Gènes métaboliques, non indispensables à la vie de la bactérie qui peuvent être une cause d’erreur pour l’identification des souches. Ils sont d’un grand intérêt sur le plan biotechnologique, car ils peuvent dégrader des produits chimiques
Transduction : transfert d’ADN bactérien entre bactéries par l’intermédiaire des virus, les bactériophages (ou phages), n’est possible qu’entre bactéries de la même espèce, mais très efficace (protection du DNA dans les virus, transfert performant par les phages). Les phages prolifèrent, ainsi en milieu aquatique, entre 103 et 108 phages / mL, pouvant toucher jusqu’à 1/3 de la population bactérienne en 24 h.
La transduction généralisée est assurée par des phages virulents (virus à ADN qui se multiplient dans les bactéries, entraînant ou non la mort bactérienne). L’encapsidation est non spécifique du DNA viral et peut concerner dans moins de 1% des cas, 1 fragment quelconque du génome bactérien de taille convenable, avec formation de particules transductrices conservant les propriétés "infectieuses" virales normales. L’ADN bactérien introduit peut s'intégrer dans une région homologue du chromosome par recombinaison homologue, comme dans la transformation naturelle. Sinon, les marqueurs transférés s’expriment transitoirement jusqu’à ce que l’ADN soit dilué aux cours des divisions bactériennes successives : c’est la transduction abortive.
La transduction restreinte ou spécialisée par des phages tempérés, virulents dans certaines conditions (cycle lytique) ou qui s’intègrent dans le chromosome de la bactérie hôte sous forme de prophage dans d’autres conditions. Ainsi le phage lambda ne transfère que les gènes nécessaires à la fragmentation du galactose (région gal) ou la synthèse de la biotine (région bio) et s’intègre toujours sous forme de prophage entre les régions gal et bio du chromosome de E.coli.
Un certain nombre d'îlots de pathogénicité des bactéries sont hébergés par des prophages intégrés dans les chromosomes bactériens (V. cholerae TCP et CTX, E. coli EPEC et EHEC, toxine diphtérique, toxines érythrogènes de S pyogenes...).
Transformation  : découvert en 1928 par Griffith chez les pneumocoques, le mélange de souches S, encapsulées (virulentes) tuées par la chaleur et de souches R sans capsule, non virulentes, vivantes reforme des colonies S, levecteur est l’ADN bicaténaire (> 5-10 MDa). Seules certaines espèces bactériennes acquiérent naturellement de l’ADN exogène : pneumocoques et certains streptocoques, Neisseria, Bacillus subtilis et Haemophilus influenzae. Ce mode de transfert génétique est essentiel chez le pneumocoque (gènes codant pour les PBPs conférant la résistance aux bêta-lactamines) et les Neisseria (notamment variation de la piline permettant l'échappement au système immunitaire). L’ADN peut provenir ou non de la même espèce bactérienne ou même d’un eucaryote et être de nature chromosomique, plasmidique ou phagique. Fixation de l’ADN à la bactérie en état de compétence, puis sa fragmentation par des nucléases produisant des molécules bicaténaire de 5 à 20 MDa, enfin l'entrée de l’ADN en quelques minutes, avec dégradation de l’ADN bicaténaire en ADN mono-caténaire. Celui-ci internalisé mais ne peut se répliquer. Pour pouvoir s'intégrer au chromosome bactérien par recombinaison homologue avec échange avec un gène homologue du receveur, il faut de larges homologies entre l’ADN exogène et endogène. En pratique, l’ADN provient de la même espèce bactérienne ou d’une espèce bactérienne proche.
Le résultat de la transformation est le transfert durable de matériel génétique de manière efficace entraînant :
- des mutations inactivant certains gènes par insertion avec création de gènes mosaïques contenant des fragments de gènes introduits dans les gènes du receveurs
- un apport de nouveaux gènes par remplacement (capsule de pneumocoques...) ou une variation antigénique chez le gonocoque (recombinaisons à partir de pseudogènes...).
La transformation est utilisée pour manipuler génétiquement les bactéries par introduction d’ADN dans E.coli, par exemple.
Conjugaison : processus de transfert unidirectionnel d'ADN d'une bactérie donatrice à une bactérie réceptrice, par un mécanisme requérant un contact spécifique, avec dissémination horizontale de l’information génétique qui s'apparente à un processus infectieux. Ce mécanisme est très efficace entre bactéries de la même espèce (si transfert intra spécifique), avec une efficacité moindre entre bactéries de genres différents (transfert intragénérique), voire d’espèces différentes permettant la dissémination de plasmides au sein de différentes espèces (transfert inter générique ) de la flore fécale. De distribution ubiquitaire, le matériel génétique est transmis d’une bactérie à l'autre sans passer par le milieu extérieur (transfert possible même en présence de DNAse dans le milieu).
Vecteur : Plasmides :
Les plasmides sont des molécules d’ADN circulaire, extrachromosomique, à réplication autonome et stable (réplicon), transmis lors des divisions cellulaires à un taux constant dans les cellules (1 à 3 copies / cellule), non indispensables à la bactérie-hôte. Ils sont présents chez la plupart des espèces bactériennes et sont très différents les uns des autres, avec des tailles habituellement entre 3 à 400 kb. Des plasmides incompatibles (fortement homologues) ne peuvent coexister dans la même cellule, car leur réplication est soumise au même système de régulation. Un plasmide conjugatif est autotransférable d’une bactérie à une autre par conjugaison. Il comporte les gènes nécessaires au transfert conjugatif, parfois assez nombreux (>30 pour le plasmide F de E. coli), organisés en un opéron dit tra, qui code pour les pili sexuels / protéines nécessaires à la conjugaison. Ceci explique que les plasmides conjugatifs soient plus grands que les plasmides non conjugatifs (en général > 40 kb contre 5 kb).
Les plasmides non conjugatifs ne sont pas autotransférables, ils sont plus petits (pas de gènes, nécessaires au transfert conjugatif), en grand nombre de copies ( > 10), car contrôle relâché de leur réplication. Ils peuvent être transférés à une autre bactérie par deux autres mécanismes de transfert : la transduction et mobilisation grâce à la présence d'un plasmide "mobilisateur".
2) Les transposons s'intègrent sur le chromosome ou sur des plasmides pour se répliquer et n'expriment que des fonctions de transfert.
On observe souvent une synergie entre ces véhicules, en particulier des transposons portés par des plasmides.
Principales étapes de la conjugaison (exemple du plasmide F de E coli).
Le transfert du plasmide F requiert :
1) la région tra (33 kb) code pour 30 gènes impliqués dans la machinerie du processus de conjugaison ;
2) la séquence oriT est une courte séquence spécifique appelée origine de transfert : à ce niveau un brin d’ADN est coupé avant d’être transféré.
La bactérie donatrice conserve une copie du plasmide transféré. Il est extrachromosomique dans des bactéries mâles dites F+, parfois intrachromosomique dans des bactéries dites Hfr. Les bactéries F+ transfèrent seulement le facteur F sans autre matériel chromosomique, toutes les bactéries réceptrices devenant F+.
Les bactéries Hfr transfèrent l'ADN chromosomique séquentiellement , le facteur F étant transféré en dernier.
Le transfert spécifique d’un brin du plasmide se fait par une coupure à la séquence oriT.
Transposons : séquences d’ADN capables de promouvoir leur translocation d’un réplicon sur un autre (transposition intermoléculaire) ou sur le même réplicon (transposition intramoléculaire).
La transposition : événement rare (10-5 à 10-6) survenant en l'absence d’homologie entre les ADN interagissant et indépendamment des fonctions de recombinaison de la bactérie hôte ( protéine RecA). Ils peuvent théoriquement s’intégrer n’importe où, certaines régions riches en AT, entraînant une certaine conformation de l’ADN- cible, constituent des points chauds d’insertion.
Il existe 3 types de transposons :
Séquences d’insertion (IS) :éléments transposables les plus simples, très répandus chez les bactéries à Gram négatif (entérobactéries). Plusieurs copies intégrées dans le chromosome ou dans un plasmide. Ils sont constitués de 2 IR (inverted repeats) encadrant un gène tnp codant pour une transposase.
Transposons composites : constitués de plusieurs séquences IS +/- fragments d’ADN codant pour des gènes de résistance aux antibiotiques, des gènes de virulence ou des gènes métaboliques. Ces transposons sont très nombreux chez les bactéries à Gram négatif
Transposons de la famille Tn3 : ces éléments sont constitués de 2 séquences IR encadrant un gène tnpA : gène codant pour la transposase, un gène codant pour la résolvase tnpR, un site de résolution interne (SRI) et un gène bla de résistance aux ß- lactamines.
Ils sont très nombreux chez les bactéries à Gram -
Transposons conjugatifs : ces éléments codent pour le gène xis-Tn codant pour l’excisionase, le gène int -Tn codant pour l’intégrase, le gène tetM codant pour la résistance à la tétracycline, les gènes codant pour les fonctions tra+ nécessaires au transfert conjugatif.
Ces transposons sont détectés chez les bactéries à Gram positif
Le spectre d’hôte des transposons conjugatifs est large , permettant des transferts vers la quasi-totalité des bactéries à Gram+ (Staphylococcus, Streptococcus, Lactococcus, Enterococcus, Lactobacillus, Clostridium ) mais également vers des bactéries à Gram - (Escherichia coli, Pseudomonas fluorescens...).
Enfin, les intégrons sont des structures qui permettent une construction modulaire des plasmides de résistance : ils sont constitués d'un gène codant pour une intégrase intl1 jouxtant un site attl d'attachement où peuvent s'insérer les gènes de résistance sous forme de cassette .
Mutations bactériennes : Au cours de la réplication, le taux d’erreur par nucléotide incorporé est très faible (de l’ordre de 10-6 à 10-9).
Une bactérie mutante présente une modification de son expression phénotypique par rapport à une bactérie de type sauvage dont les propriétés sont celles retrouvées naturellement dans l’espèce considérée. Des mutations chromosomiques peuvent modifier les cibles des antibiotiques comme les transpeptidases (PBPs), l'ADN gyrase, les protéines ribosomales, l'ARN polymérase, ou encore les porines. Elles peuvent entraîner une modification de certaines structures cellulaires, par exemple de la paroi pour les PBPs, ou de certaines fonction, comme la perméabilité de la membrane externe. Ce type de résistance est stable, transmis à la progéniture mais non transmissible horizontalement à d'autres bactéries. Le plus souvent, une mutation entraîne la résistance pour un antibiotique ou des antibiotiques appartenant à la même famille . Cependant, une mutation peut également entraîner la résistance à plusieurs antibiotiques par imperméabilité. L’antibiotique n’est pas directement mutagène mais il sélectionne les rares mutants résistants spontanés au sein d’une population bactérienne sensible
Mutation ponctuelle : substitution d’une seule base = transition : lorsqu’une base purique/ pyrimidique est remplacée par l’autre base de même type et transversion : lorsqu’une base purique est remplacée par une base pyrimidique ou vice-versa.
Mutation par : addition ou délétion d’une ou plusieurs bases.
Une mutation peut survenir naturellement, ou spontanément, sans cause exogène et de façon aléatoire (la probabilité de modification de la séquence d’ADN par génération cellulaire de 10-8 à 10-11). Elle peut être induite (agent exogène, physique, chimique ou biologique).
Agents chimiques : 5 Bromouracil = analogue de la thymine qui s’apparie avec l’adénine (mais de façon instable) et avec la guanine et donc remplacement de la paire adénine thymine (A.T) par la paire guanine-cytosine (G.C), idem pour la 2 Aminopurine
Les agents alkylants altèrent chimiquement 1 base avec mésappariement et donc nouvelle paire de base (Acide Nitreux, Hydroxylamine, Ethyl méthane sulfonate)
Les agents intercalants s’intercalent entre 2 paires de bases d’un ADN avec des décalages et le plus souvent mutation par addition (plus rarement délétion) d’une ou plusieurs paires de bases (Bromure d’éthydium)
Agents physiques : Les ultra violets (UV) créent l’apparition de dimères de thymine en provoquant une liaison covalente entre deux thymines adjacentes. Les radiations ionisantes (X ou gamma) créent également des modifications de l'ADN par distorsion de la double hélice, des cassures, ou des pontages interbrins ou intrabrins (dimère de pyrimidines).
La substitution d’une seule base conduit à la modification d’un codon. Vu le code génétique, une mutation ponctuelle n’est pas nécessairement associée à une modification d’un acide aminé au niveau de la protéine.
La mutation est muette ou silencieuse : si la modification de codon ne change pas la séquence peptidique.
La mutation est dite faux-sens : substitution d’un acide aminé dans la chaîne polypeptidique, si cela modifie la conformation alors phénotype mutant. Souvent la modification est sans effet sur la fonction de la protéine = mutation silencieuse.
La mutation est dite non-sens : si apparition d’un codon non-sens (codon stop : UAA, UAG, UGA) responsable de l’arrêt de la traduction avec protéine tronquée souvent biologiquement inactive ou absente (si le codon stop apparaît au début de la phase ouverte de lecture ).
Les mutations par insertion ou délétion sont exceptionnellement silencieuses sauf si régions non codantes du DNA, car elles provoquent des déphasages du cadre de lecture et désorganisent totalement les régions touchées.
Une espèce se distingue d'une autre par un taux d'hybridation DNA-DNA < 70%.
 
Le cytoplasme bactérien est constitué de ribosomes et de protéines cytoplasmiques (enzymes, protéines chaperons et protéines de structures...) sans organelles +/- des granulations de réserve ( glycogène, polyphosphates, bêta- hydroxybutyrates...). Il est délimité par une membrane cytoplasmique constituée, comme celle des eucaryotes, d'une bicouche lipidique avec des protéines transmembranaires ou exposées : des perméases pour les substrats nutritionnels, des enzymes de synthèse du peptidoglycane (Penicillin-Binding Proteins PBPs), des enzymes respiratoires (deshydrogénases, cytochromes..).
Présence d’une paroi rigide de peptidoglycane, présent dans l'ensemble du monde bactérien (sauf les mycoplasmes ou mollicutes, bactéries sans peptidoglycane). Le peptidoglycane est un polyoside d'unités répétitives d'acide N-acétyl-muramique et de N-acétyl-glucosamine, sur lesquels sont branchés des chaînes courtes pentapeptidiques.
Ce polymère complexe est synthétisé par des enzymes ou PBPs (Penicillin-Binding Proteins), qui sont des transpeptidases, carboxypeptidases, amidases (autolysines) qui sont la cible des pénicillines.
Les eucaryotes ont un noyau avec membrane nucléaire, des mitochondries, des organelles intracellulaires (Golgi, réticulum endoplasmique...).
Les bactéries mesurent de 0.5 - 2.0 μm de large et 2-6 μm de long, parfois beaucoup plus (une hématie mesure 8μm de diamètre). Elles ont des formes variées : coques (diplocoques, amas, chaînettes) ; bacilles (droits, incurvés, spiralés). Ces formes sont dues à la structure de la paroi (peptidoglycane) et au mode de septation propre à chaque espèce bactérienne. La paroi des bactéries est une protection efficace contre un environnement hostile et versatile (osmolarité, température, radiations ionisantes, sécheresse).
D'après la coloration de Gram, on distingue les bactéries à Gram positif et les bactéries à Gram négatif : les Gram + , à paroi très épaisse avec des polyosides (acides lipoteichoïques, acides teichoïques) sont décolorés par l'alcool, les Gram négatif ne le sont pas (peptidoglycane fin avec enveloppe externe complexe définissant un espace périplasmique).
Cette membrane externe est une bicouche lipidique asymétrique hydrophobe formée de phospholipides, protéines (porines...) et lipopolysaccharides (LPS). L'espace périplasmique est rempli d'enzymes qui dégradent les substrats complexes pour qu'ils puissent traverser la membrane cytoplasmique, et inactivent les produits chimiques toxiques (antibiotiques, métaux lourds...)..
Les mycobactéries sont un groupe à part appartenant aux bactéries à Gram + mais non colorés au Gram, car paroi très particulière. Leur paroi leur confère une grande résistance dans l'environnement et à la digestion par les macrophages.
Les bactéries à Gram positif sont apparues d'abord au cours de l'évolution, les antibiotiques actifs ne sont pas les mêmes selon qu'il s'agit d'une bactéries Gram+ , Gram- ou d'une mycobactérie.
Après croissance sur milieu de culture nutritif acellulaire, les bactéries forment en quelques heures ou jours (bactéries à croissance rapide) ou en quelques semaines (bactéries à croissance lente) des colonies visibles à l'oeil nu, formées de 1- 2 milliards de bactéries. L'aspect, la pigmentation, la taille, la forme et le temps d'apparition de ces colonies sont des propriétés utilisées pour identifier les espèces bactériennes.
Le lipopolysaccharide est une macromol écule complexe formée de 3 parties :un lipide formé d'acides gras à longues chaînes,d'un cœur oligosacharidique avec N-acétyl-glucosamine, glucose, galactose, heptose et d'une chaîne polyosidique latérale conférant la spécificité O constituée d'unités osidiques répétitives. Le LPS est antigénique (antigène O) et toxique, responsable du choc endotoxinique
Les porines : protéines trimèriques incluses dans l'enveloppe externe des bactéries à Gram négatif, qui permettent le passage de petites molécules hydrophiles ( <6000 Da ) et donc la perméabilité aux nutriments , aux antibiotiques et à certains agents chimiques
Les appendices des bactéries : Les pili ou fimbriae sont des spicules ou appendices formées d'une seule protéine polymérisée (piline). Selon leur diamètre ( 3- 8 nm) et leur constitution on distingue différents types de pili. Les pili de type I sont inhibés par le mannose sont des adhésines et des récepteurs de phages.
Flagelles : filaments de plusieurs μ formés d'une seule protéine, la flagelline, permettant le mouvement des bactéries ( 1 à 30 flagelles par bactérie, à localisation polaire ou péritriche).
La capsule : formée de polyosides, plus rarement polypeptides, exposés en surface et protégeant les bactéries de la dessiccation et des phagocytes pour les pathogènes.
Les spores n'existent que chez certaines bactéries à Gram positif. La sporulation est induite par des conditions hostiles et confère une extrême résistance aux agents physiques (chaleur, radiations, sécheresse...) et chimiques (acides, solvants...) .
Le processus dure 7-10 h.
La bactérie avec son génome préservé s'entoure de multiples enveloppes : peptidoglycane, cortex contenant du dipicolate de calcium (important pour la thermorésistance), tuniques internes et externes (protéiques).
Cette sporulation explique la nécessité pour stériliser d'utiliser la chaleur humide : 120° C, 20 minutes.
 
Physiopathologie des infections bactériennes : Les bactéries pathogènes sont transmises à l'hôte de diverses façons :
1) ingestion d’eau ou d’aliments contaminés (voie digestive) ;
2) inhalation d’aérosols ou de particules associés à des bactéries (voie respiratoire) ;
3) inoculation cutanée par contact direct ou indirect (voie cutanée) ;
4) inoculation muqueuse directe par la salive ou les sécrétions sexuelles ;
5) inoculation transcutanée par les insectes (Yersinia pestis, Rickettsia, Borrelia...), par traumatismes ou manipulations iatrogènes.
La 1ère phase du processus infectieux est l'implantation (ou colonisation) par les bactéries du revêtement cutanéo-muqueux. Suit éventuellement une dissémination des bactéries par voie sanguine avec métastases infectieuses viscérales. NB : la plupart des bactéries est incapable de s’implanter sur la peau ou les muqueuses pour des raisons d’exigences nutritionnelles ou physiologiques ( température de croissance). D’autres bactéries sont commensales avec colonisation transitoire ou prolongée voire indéfinie, mais sans tendance à envahir les tissus (infecteuse), leur nombre considérable dans certaines muqueuses (digestives, orale, mains) stimule en permanence le système immunitaire sans conséquence pathologique ( formation d’Ac naturels). Cette flore constitue une barrière écologique contre l’implantation de germes virulents car entre en compétition pour : les nutriments, les sites d'attachement, la captation du fer, le potentiel d’oxydo- réduction , le pH, la production des substances antimicrobiennes type bactériocines et acides organiques. Ainsi, un équilibre s’installe entre les individus sains et les différentes flores commensales de la peau, des muqueuses buccales, nasales, digestives, urétrales, vaginales et de la plaque dentaire. Flore qui varie selon l'âge, l’ alimentation, l’état de la dentition, l’état de santé ( diabète...), des intoxications ou médications (toxicomanie, antibiothérapie).
Les bactéries virulentes s’implantent sur la peau et les muqueuses en franchissant les diverses barrières dont :
Substances microbicides : produites par le revêtement cutanéo-muqueux. L’acidité gastrique est une barrière majeure s’opposant aux contaminations alimentaires. La peau est une barrière physique et par sa flore et substances inhibitrices sécrétées par les glandes sudoripares et sébacées : la sueur est bactéricide par sa salinité et les acides gras estérifiés.
Très peu de bactéries peuvent franchir une peau saine (leptospires, brucelles), mais les traumatismes, excoriations, brûlures, piqûres d’ insectes permettent le franchissement direct de cette barrière anatomique.
Les muqueuses produisent une épaisse couche de mucus (atteignant l’ épaisseur de 400 μm sur certains segments de la muqueuse digestive), des sels biliaires, des enzymes protéolytiques digestifs, des molécules leurres (fibronectine...) saturant les adhésines bactériennes, du surfactant ...
La fièvre :est un mécanisme de défense important contre la multiplication des bactéries dans les tissus infectés. Elle est due à la libération de substances pyrogènes par les granulocytes.
Ce sont de petites protéines (<15kDa) qui agissent indirectement sur le centre hypothalamique de la thermorégulation. La fièvre peut aussi être déclenchée par la sécrétion de prostaglandines (en particulier PGE1), qui agissent directement sur l’hypothalamus.
Ces prostaglandines sont produites par les lésions cellulaires étendues (brûlures, blessures, réactions immunopathologiques, action cytolytique des toxines bactériennes). La fièvre inhibe la croissance tissulaire des bactéries. De plus, la fièvre a de multiples effets sur l’hôte : diminution de la disponibilité en certains oligo- éléments (fer, zinc), augmentation de la mobilité des granulocytes et de leur capacité bactéricide, accélération des processus de prolifération lymphocytaire, augmentation de la production d’interféron.
Ce franchissement a lieu grâce à :
sécrétion d’enzymes (mucinases),
mobilité des bactéries et vitesse de croissance (pour combattre les facteurs mécaniques de défense que sont : les cils des cellules épithéliales respiratoires éliminent les particules déposées sur cet épithélium ; le péristaltisme intestinal contribue à la vidange des bactéries indésirables ; la vidange vésicale par les mictions ; la desquamation des épithélium intestinaux ou cutanés
compétitivité pour la quête de nutriments ou des ions ferriques (sidérophores) , la carence en fer dans les sécrétions et les tissus est un obstacle majeur à la prolifération bactérienne. Le fer est un composant essentiel des systèmes catalytiques de nombreuses protéines, incluant la chaîne des cytochromes indispensable à la respiration des bactéries. En présence d’oxygène , les ions Fe2+ génèrent des radicaux hydroxyles très toxiques pour les cellules, et le fer Fe3+ précipite sous forme Fe (OH)3 insoluble, transporté par la transferrine dans le sérum et la lactoferrine dans les sécrétions, stocké dans les cellules par la ferritine. Le fer ionique est en très faible concentration dans les tissus (10-18 M), alors que des taux de 10-5 M sont requis pour la croissance bactérienne.
Pour se procurer les ions Fe3+ indispensables à leur croissance , les bactéries virulentes produisent des sidérophores, petites molécules non protéiques (500-1000 Da), très affines pour les ions Fe3+ et entrant en compétition avec la transferrine et la lactoferrine
production de bactériocines.
Au contact de la peau ou des muqueuses, les bactéries adhérent et se multiplient, formant des microcolonies, grâce à des ligands bactériens, de nature variée, qui se fixent à des récepteurs cellulaires : pili = excroissances de la membrane externe des bactéries Gram -, protéines ancrées dans la membrane externe (protéine II du gonocoque), acides lipotéchoïques (Streptocoques), polyosides capsulaires. Les récepteurs cellulaires des adhésines sont des glycoprotéines ou glycolipides exposés à la surface de la membrane cytoplasmique, parfois des molécules libres (fibronectine, albumine), qui se fixent ensuite sur un support solide (dents = biofilm) ou sur les cellules épithéliales. Ces interactions expliquent la spécificité d’espèce du pouvoir pathogène de certaines bactéries (gonocoque , méningocoque, Salmonella typhi, Haemophilus influenzae, sont des bactéries strictement humaines).
Après l’implantation des bactéries sur le revêtement cutanéo-muqueux, la suite du processus infectieux varie selon les facteurs de virulence. Il existe des bactéries à multiplication extracellulaires et des bactéries intracellulaires. Ces bactéries peuvent rester à la porte d'entrée ou envahir les tissus. L’hôte réagit à de telles agressions en mettant en jeu une cascade de défenses non spécifiques et spécifiques, qui tendent à éliminer les bactéries responsables et à neutraliser les produits toxiques libérés ou sécrétés par les germes.
Ces mécanismes, dans les cas favorables, entraînent la guérison clinique avec le plus souvent une destruction complète des bactéries virulentes dans les tissus de l’hôte infecté.
L'expression clinique de la maladie est le résultat complexe des multiples interactions observées au cours de l’infection entre bactéries et défenses de l’hôte.
1) La production de toxines qui détruisent les cellules du système immunitaire (PNN dans certains E. coli, Capnocytophaga, ou par destruction des phagocytes par des toxines cytolytiques (leucocidines de Staphylococcus aureus ou Pseudomonas aeruginosa, streptolysines O et S, toxine alpha de Staphylococcus aureus et de Clostridium perfringens)) et éventuellement les tissus permettant ainsi la dissémination des micro-organismes, ou encore par inhibition de l’activation du complément par sécrétion d’enzymes protéolytiques (Pseudomonas aerugnosa) ou par la paroi (capsule, lipopolysaccharide, protéines de la membrane externe) empêchant le C3 de se fixer à la bactérie.
2) Le camouflage , c'est -à-dire le mimétisme moléculaire qui permet aux microorganismes de ne pas être reconnu facilement par les défenses immunitaires, résistance aux phagocytes par une capsule (S. pneumoniae, K. pneumoniae...), de pili ou de structures apparentées (protéine M des streptocoques A), ou d’un lipopolysaccharide (E. coli O111 K58 ). Ces structures pourraient inhiber la liaison des opsonines du complément avec la bactérie, ou masquer les opsonines fixées qui ne peuvent plus accéder à leur ligand sur les phagocytes (récepteurs du C3).
3) La métamorphose c'est à dire un changement brutal des antigènes exposés en surface des germes (variation antigénique qui permet la survie « itérative » du microorganisme dans le micro-environnement de l' hôte).
4) La recherche d'un sanctuaire c'est à dire la quête d'un lieu où le système immunitaire ne verra pas le microorganisme qui survit dans les cellules de l' hôte et parfois même dans les cellules du système immunitaire.
Inhibition de l’ingestion : certaines bactéries (gonocoques, mycoplasmes) peuvent se fixer sur les phagocytes, mais ne sont pas ingérées.
Toxines : certaines n'envahissent pas les tissus et restent confinées au revêtement cutanéo-muqueux. Les signes cliniques de la maladie sont alors liés à la production de toxines qui agissent localement sur l’épithélium (V cholerae, E. coli entéropathogènes...) ou à distance par diffusion sanguine et fixation sur des tissus ou organes cibles (Corynebacterium diphtheriae, Clostridium tetani, exfoliatine de Staphylococcus aureus...).
Toxines cytolytiques agissant sur la membrane lipidique ou formant des pores (phospholipases, sphingomyélinases, exotoxines SH-dépendante, peptides lytiques), d’autres forment des pores (hémolysines).
Toxines agissant sur des récepteurs de la membrane cellulaire : dont certains tels la toxine ST de E coli agissent sur des récepteurs qui catalysent la formation de GMPc avec en conséquence une hypersécrétion d’ions Cl par les entérocytes (diarrhée).
Les toxines activant les lymphocytes T : les superantigènes, qui activent toute une famille de lymphocytes T différents utilisant un gène V bêta particulier chez un individu.
Les principaux superantigènes bactériens sont :
- les entérotoxines staphylococciques (A, B, C, D et E) à l’origine d’intoxications alimentaires à Staphylocoque doré,
- La toxine du syndrome de choc toxique (TSST1) produite par les staphylocoques est responsable de la survenue de chocs septiques consécutifs à l’utilisation de tampons hygiéniques.
- Les toxines érythrogènes (exotoxines AB C ) de Streptococcus pyogenes sont à l’origine de la scarlatine.
Toxines à mode d'action intra-cellulaire : avec un domaine catalytique A qui porte l’activité toxique et un ou plusieurs domaines B assurant la reconnaissance cellulaire et permettant la translocation transmembranaire du fragment A. On décrit 5 activités enzymatiques : ADP-ribosyl-transférase, ARN-glycosidase, glucosyl-transférase, Zn métallo-protéases, adénylcyclase déamidase.
Toxines à activité ADP-ribosyl transférase : diphtérie : les signes d'intoxication dus à la toxine pantrope sont cardiaques, neurologiques, digestifs, rénaux et hémorragiques.
La toxine produite par Corynebacterium diphteriae, est codée par un phage.
L’inhibition de la synthèse protéique est à l’origine de la mort de la cellule.
L’exotoxine A de Pseudomonas aeruginosa présente la même activité ADP ribosyl transférase dirigée contre le facteur EF2, l’exoenzyme S (ExoS), favoriserait l’invasion.
Le choléra est lié à la sécrétion de la toxine cholérique. L’ADP ribosylation induit l’activation constitutive de l’adénylate cyclase et la production d’AMPc dans l’entérocyte. Il en résulte une hypersécrétion d’eau et d’ions chlorures par l’épithélium intestinal.
Deux toxines, C2 et C3, produites par Clostridium botulinum sont des ADP ribosyl transférases.
Toxines à activité ARN glycosidase :
La shiga toxine et les toxines shiga-like ( vérotoxines) sont des facteurs de virulence respectifs des shigelles et des E. coli entéro-hémorragiques, les EHEC O157:H7 responsables de la colite hémorragique et du syndrome hémolytique et urémique. D’autres bactéries toxinogènes envahissent la sous-muqueuse et peuvent éventuellement donner des septicémies (S. aureus, Streptococcus sp...).
Cette dissémination est favorisée par la production d'enzymes, et de LPS (endotoxine, avec rôle crucial dans l’apparition du choc lors d’états septiques à bactéries à Gram -).
Ces substances concourent aux destructions tissulaires et à la lyse cellulaire (macrophages...) et à la protéolyse des protéines inflammatoires ( complément...).
Les bactéries extra-cellulaires peuvent aussi être protégées de la phagocytose par une capsule.
Toxines à activité glucosyl transférase : Les souches de Clostridium difficile, à l’origine des colites pseudomembraneuses, produisent 2 toxines, qui induisent la désagrégation du réseau de microfilaments d’actine des cellules épithéliales.
Les toxines A et B de C. difficile inactivent les petites protéines G de la famille de Rho (Rho, Rac et Cdc42) par glucosylation, à l'origine de la diarrhée de C. difficile et de l’exsudat inflammatoire à l’origine des membranes.
Métalloprotéases à Zn2+ :
Le tétanos et le botulisme sont des pathologies paralysantes causées par des neurotoxines produites par des bactéries anaérobies du genre Clostridium (qui protéolysent les protéines des vésicules synaptiques portant les neurotransmitteurs).
Toxines à activité adénylate cyclase :
Le charbon est une maladie septicémique due à Bacillus anthracis. Cette bactérie colonise les plaies et produit séparément des peptides toxiques.
Bordetella pertussis sécrète aussi une adénylate cyclase de même type.
Toxines à activité déamidase : Le facteur cytotoxique nécrosant (CNF) est une toxine sécrétée par certaines souches de E. coli uropathogènes et entéropathogènes.
Le CNF provoque une augmentation du nombre des fibres de tension.
La toxine active la protéine G Rho par activité déamidase sur le résidu Glu 63. Rho perd son activité GTPasique.
La toxine dermonécrotique de B. pertussis présente la même activité déamidase dirigée sur Rho.
Variation antigénique : Les bactéries virulentes cherche à échapper aux défenses de l'hôte soit pour les bactéries à croissance intracellulaire en atteignant des sites inaccessibles ( sanctuaire ) au système immunitaire, soit pour les bactéries à croissance extracellulaire par production de toxines qui détruisent les cellules immunes et les protéines de l'inflammation et les immunoglobulines.
Certains agents pathogènes à multiplication extracellulaire (bactéries, parasites) sont capables de se "métamorphoser" au cours du processus infectieux chez un individu donné.
Les virus également peuvent "varier" au cours de l'infection par dérive génétique (drift) du fait de l' accumulation de mutations modifiant les cibles , comme c'est le cas par exemple du VIH qui rapidement se diversifie chez un patient donné.
Ce mécanisme original de survie de certaines bactéries extracellulaires est appelé variation antigénique qui est la capacité d'une bactérie de modifier de façon itérative certains antigènes majeurs exposés à leur surface au cours du processus infectieux.
Cette "métamorphose " entraîne une persistance de l'infection car le système immunitaire doit pour chaque nouvel antigène induire une nouvelle réponse spécifique.
Cette stratégie est aussi utilisée par certains parasites (Trypanosoma gambiense….
La variation antigénique nécessite un certain nombre de prérequis.
Le parasite doit posséder de nombreux gènes codant pour des antigènes « exposés » (immunodominants) sans relation antigéniques croisés (multiples gènes non alléliques) pour permettre les réarrangements de ces gènes au moment opportun.
La cinétique du remplacement doit être programmée en sorte que le remplacement de la population des bactéries responsables de l'infection doit apparaître dans une sous-population minoritaire avant que la population dominante soit détruite.
On constate qu'il existe une expression ordonnée et synchrone des antigènes de surfaces : par exemple , les antigènes A d'une bactérie pathogène donnée sont remplacés par les antigènes B, puis C, puis D, puis E...
Cette séquence qui survient chez un patient est toujours la même , pour une souche donnée quel que soit le patient.
Voici quelques exemples de variation antigènique chez les bactéries.
Bactéries à croissance intracellulaire : Certaines bactéries se multiplient dans les cellules épithéliales (parfois dans des cellules endothéliales ou parenchymateuses), trouvant ainsi un gîte à l’abri des défenses immunitaires (Salmonella typhimurium, Yersinia pseudotuberculosis, Y enterocolitica, Shigella sp, E coli entéro-invasives) , ainsi que des drogues telles les antibiotiques. Nécessité d’immunité cellulaire T souvent difficile à induire, pour les déloger, expliquant la difficulté de la vaccination contre les pathogènes intracellulaires. Ces bactéries peuvent même parfois croître dans les macrophages et les cellules dendritiques et être véhiculées à distance par voie lymphatique et sanguine.
Lors du contact avec les macrophages, la plupart des bactéries sont phagocytées et détruites grâce aux mécanismes bactéricides des phagosomes (burst oxydatif et nitré et enzymes lysosomiaux). Les pathogènes à croissance intra- cellulaires, sont pour certains incapables de survivre à l' extérieur des cellules. Outre les virus , ces parasites sont habituellement des protozoaires ou des bactéries avec longue vie commensale au contact de l'hôte auquel ils se sont parfaitement adaptés. Souvent ils ne donnent que des lésions minimes chez l'hôte qui assure en définitif leur survie.
Les étapes du parasitisme intracellulaire sont l'entrée , la survie dans les phagosomes, la multiplication intracellulaire, la dissémination et la sortie de pathogènes intracellulaires.
Ces pathogènes intracellulaires ont un impact en santé publique car outre les virus, figurent les Mycobactéries, les Plasmodium, les Trypanosomes, les Leishmanies.
L'entrée dans les cellules d'un microorganisme pathogène implique une 1ère étape spécifique où interagissent une molécule réceptrice de la membrane cytoplasmique de la cellule hôte (glycolipides, glycoprotéines...) et une structure moléculaire exprimée à la surface du parasite.
Parfois, cette interaction est indirecte, avec opsonisation préalable des germes (C3, fibronectine, anticorps), opsonines qui se fixent à leurs récepteurs à la surface des cellules, d’où une spécificité d'hôte et de tissus des germes pathogènes. Puis phagocytose induite.
Certains micro-organisme s' attachent directement à la membrane cytoplasmique sans être de réels parasites à croissance intracellulaire (mycoplasme), d’autres sont directement injectés à l' intérieur du cytoplasme par le micro-organisme (microsporidies), d’autres entrent activement dans la cellule hôte (toxoplasme).
Puis les bactéries sont séquestrées dans des phagosomes où elles résistent à un environnement fortement acide (Coxiella) lors de la la fusion phagolysosomale. D'autres bactéries inhibent la fusion phagolysosomale (Chlamydia, Legionnella, Mycobacterium).
Puis elles échappent au phagosome en détruisant la membrane vacuolaire qui les entoure, pour se retrouver libres dans le cytoplasme où elles sont à l'abri des mécanismes bactéricides (L monocytogenes détruit la vacuole de phagocytose par son exotoxine (la listériolysine O et des phospholipases), des Shigelles par une hémolysine et des Rickettsies par une phospholipase). Ces bactéries intracellulaires polymérisent l'actine et se meuvent dans le cytoplasme, formant des évaginations cellulaires permettant aux bactéries de gagner les cellules adjacentes sans exposition au milieu extracellulaire.
Puis les bactéries se multiplient et éventuellement disséminent d'une cellule à l' autre avant de détruire la cellule qui les a hébergés. La plupart des germes intracellulaires obligatoires (excepté les virus) ne dépendent pas de la cellule -hôte pour la synthèse de leurs macromolécules mais en dépendent pour la génération d'énergie (ATP ) et, dans certains cas , pour la synthèse de certains précurseurs (aminoacides, sucres, nucléotides, vitamines).
Les bactéries intracellulaires facultatives ne dépendent pas de la cellule -hôte pour la synthèse des macromolécules ou de leurs précurseurs, ni pour la génération d'énergie.
La multiplication intracellulaire est +/- importante suivant la cellule considérée et le microorganisme considéré, jusqu’à 100 à 1000 bactéries / cellule (Rickettsia, Coxiella ou Chlamydia à multiplication intraphagosomale) ou de 5 à quelques dizaines bactéries par cellule (L monocytogenes, M tuberculosis...).
Parfois le parasitisme intracellulaire n'entraîne que peu de conséquences pour la cellule qui continue à survivre et même à se diviser (Chlamydia). Parfois, apparaissent des dysfonctionnements cellulaires par modification des membranes phagosomales et cytoplasmiques avec expression d'Ag microbiens.
Souvent, la multiplication rapide des bactéries à l'intérieur des cellules entraîne la lyse des cellules et donc la dissémination des micro-organismes. Certains pathogènes intracellulaires (Listeria, Shigella, Rickettsia) peuvent disséminer de cellule à cellule en polymérisant l'actine pour bouger à l'intérieur de la cellule-hôte, passer par des évaginations de cellule à cellule sans être exposés au milieu extracellulaire.
Ainsi les Chlamydia ou les Coxiellae qui se multiplient dans plusieurs vacuoles différentes dans une même cellule vont au cours de la division cellulaire parasiter les cellules-filles et ainsi contribuer la pérénisation de l'infection.
Enfin la plupart des microorganismes vont être libérés dans l'espace extracellulaire par éclatement de la cellule ou par libération à partir des cellules en apparence intactes.
Les microorganismes intracellulaires induisent la présentation de peptides antigénique selon un mode de présentation cytoplasmique (classe I dépendante) ou lysosomiale (classe II dépendante). Ainsi les bactéries intracellulaires vont-elles induire une réponse immunitaire avec expansion clonale des lymphocytes B et T, notamment les lymphocytes CD4+, et production des cytokines, (IL-1, IL-2 , TNF). Ce mécanisme inducteur est à l'origine d'un recrutement cellulaire et d'une activation de macrophages liés à la production des lymphokines, et d' autre part à la production lymphocytes CD8+ cytotoxiques qui ont détruisent les cellules exprimant à leur surface des antigènes microbiens.
Ceci arrête pour un temps la croissance intracellulaire des bactéries qui sont ainsi exposés notamment aux anticorps et aux polynucléaires du système immunitaire.
La production d'Ac au cours des infections par des microorganismes à croissance intracellulaire peut contribuer pour une part à l'élimination des tissus de ces bactéries en particulier par leur rôle opsonisant qui cible les bactéries vers les macrophages et les polynucléaires où ils seront détruit.


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