2.3.1 Définition des lambdoïdes et conflits taxonomiques
La définition du terme "lambdoïde" porte souvent à confusion. Ceci est dû en grande partie au caractère empirique de la définition originelle de ce terme. D'abord, les lambdoïdes ont été définis comme les phages ayant la capacité de former des recombinants viables avec le phage Lambda, témoignant ainsi d'une proximité évolutive et fonctionnelle entre ces phages (Casjens 2008). Cependant, il a par la suite été observé que certains phages pouvaient recombiner avec des phages lambdoïdes mais pas avec Lambda lui-même. Cette observation a permis d'étendre la définition des lambdoïdes à d'autres phages, de telle sorte que différents phages possédant peu de gènes communs pouvaient se retrouver classés comme lambdoïdes.
Finalement, une définition moins empirique des lambdoïdes peut être donnée sur la base de
leur organisation génomique commune. Les lambdoïdes partagent en effet certaines caractéristiques génomiques: taille du génome, organisation des opérons et organisation des gènes (Hendrix and Casjens 2006). Ces caractéristiques permettent, en théorie, aux lambdoïdes d'échanger des gènes par recombinaison (directement ou indirectement).
Cette particularité des lambdoïdes permet ainsi de regrouper des phages apparemment très différents au sein d'un même groupe. En effet, alors que Lambda est un Siphoviridae, P22 un Podoviridae et SfV un Myoviridae, ces trois phages sont des lambdoïdes et partagent un certain nombre de gènes (Juhala, et al. 2000; Mmolawa, et al. 2003). A l'inverse, les méthodes usuelles de détection d'homologie de séquence suggèrent qu'un phage tel que P22 ne partage pratiquement aucun gène commun avec d'autres Podoviridae comme Epsilon15 ou T7 (Rohwer and Edwards 2002). L'absence de similarité de séquences ne témoigne pas forcément d'une absence d'homologie puisque cela pourrait également traduire une divergence très ancienne de ces virus ou une évolution rapide de leurs séquences. Il y a donc un conflit entre la classification de l'ICTV et les méthodes de classification basées sur la similarité génomique. La comparaison de deux phages lambdoïdes tels que Lambda et P22 permet de mettre en évidence que ces deux phages partagent de nombreux gènes très similaires (gènes de réplication, recombinaison et régulation) mais présentent aussi des gènes très différents (gènes de structure) (Casjens 2008). Le terme "lambdoïde" n'est donc pas un rang taxonomique à proprement dit mais traduit plutôt une certaine promiscuité évolutive de ces phages liée à la recombinaison.
2.3.2 Organisation génomique modulaire conservée et morons
Nous avons vu que les lambdoïdes peuvent être définis comme des entités qui partagent une même organisation génomique. Cette caractéristique permet ainsi aux lambdoïdes d'échanger des gènes par recombinaison. Il en résulte une caractéristique typique des lambdoïdes: le mosaïcisme génomique (Botstein 1980). La comparaison des génomes de différents phages lambdoïdes a mis en évidence que ces phages partagent typiquement des régions de très grande identité de séquences et des régions très différentes (Fig 12) (Juhala, et al. 2000). Ces régions très similaires ou très dissimilaires correspondent généralement à des modules de gènes impliqués dans des fonctions semblables (Casjens and Hendrix 1974). En effet, on peut ainsi décrire le génome des lambdoïdes par différents modules fonctionnels majeurs:
tête et queue. Outre le regroupement des gènes impliqués dans des fonctions identiques au sein d'un même module, les motifs d'ADN du génome phagique ciblés par ces gènes sont généralement situés au sein du module correspondant (Casjens and Hendrix 1974). Ainsi, le site attP ciblé par l'intrégrase se situe juste en amont du gène codant pour l'integrase.
L'origine de réplication ori du phage est située au sein de la séquence du gène de réplication O. Le site de clivage cos de la terminase nécessaire à l'encapsidation est situé à proximité des gènes codants pour cette enzyme. Les différents modules codent typiquement pour des protéines qui interagissent entre elles et peu avec les autres protéines ou séquences phagiques (Casjens and Hendrix 1974). Cela favorise l'autonomie fonctionnelle de ces modules et donc leur transmission d'un génome à l'autre. Il est probable que cette organisation modulaire des génomes de lambdoïdes soit le résultat du taux important d'échange de séquences promu par une recombinaison peu spécifique. Le regroupement en modules des séquences dont les produits interagissent ensemble leur procurerait ainsi un plus grand succès évolutif.
Il est à noter qu'à part les modules fonctionnels essentiels liés à la régulation, la réplication et la morphogénèse, il existe d'autres gènes ou modules accessoires. La fonction de ces gènes est souvent inconnue et généralement non essentielle (voir (Court and Oppenheim 1983)). Le génome de Lambda possède par exemple la région nin (dans l'opéron "early right") codant potentiellement pour 10 protéines (Fig 8). Il a été montré que la délétion de cette grande région n'a pas d'impact important sur le taux de production de particules de Lambda (Hendrix and Casjens 2006). La taille et le contenu de ces régions varient beaucoup d'un lambdoïde à un autre (Juhala, et al. 2000).
J'ai mentionné précédemment que la majorité des gènes des lambdoïdes sont regroupés en trois grands opérons et que les différents gènes sont regroupés en modules fonctionnels au sein de ces opérons. Il existe cependant des gènes qui ont la particularité d'avoir leur propre promoteur de transcription et qui se situent fréquemment au sein de modules de gènes aux fonctions très différentes des leurs. Ces gènes ont été nommés "morons" parce qu'ils constituent une addition de matériel génétique qui interrompent des opérons et des modules fonctionnels ("more on" en anglais) (Hendrix and Casjens 2006). Ces gènes ont souvent des fonctions qui confèrent un avantage à la bactérie hôte et sont typiquement exprimés durant la lysogénie. Le fait de posséder leur propre promoteur transcriptionnel permet à ces gènes de ne pas être réprimés par le répresseur CI durant la lysogénie. Il est possible d'observer un même moron situé dans différents modules de phages lambdoïdes (Hendrix and Casjens 2006). Ce dernier point souligne la capacité des lambdoïdes à échanger ces gènes dans des contextes
d'autres phages semblent également présenter un mosaïcisme génomique important (Petrova, et al. 2013; Pope, et al. 2013). Cependant, certains phages tempérés, tels que les phages P2- like, présentent des contenus en gènes beaucoup moins divers (Nilsson and Haggard- Ljungquist 2007). Malgré la présence de gènes accessoires variables, la comparaison de leurs génomes ne suggère pas une évolution mosaïque telle qu'elle est observée chez les lambdoïdes (Nilsson and Haggard Ljungquist 2006; Nilsson and Haggard-Ljungquist 2007).
Figure 12: Exemple de mosaïcisme entre le phage HK97 et d'autres phages lambdoïdes:
Lambda (rouge), P22 (vert) et HK022 (bleu) (Juhala, et al. 2000). Les régions homologues sont indiquées par les couleurs. La hauteur des barres de couleur indique le taux d'identité (entre 30 et 100%) entre les protéines des régions homologues chez Lambda, P22 et HK022.
L'absence de couleurs indique une très faible identité de séquences protéiques (<30%).
2.3.3 Mécanismes à l'origine du mosaïcisme
J'ai décrit précédemment comment l'organisation modulaire des lambdoïdes facilite leur mosaïcisme génomique. Les mécanismes moléculaires à l'origine de ce mosaïcisme restent assez débattus. Néanmoins, les lambdoïdes codent généralement pour des enzymes de recombinaison généralisée (Lopes, et al. 2010). Nous avons vu que ces enzymes sont impliquées dans la réplication et l'encapsidation des génomes dans les particules de tête (Smith 1983). Différentes familles de recombinases ont été décrites et plusieurs d'entre elles ont été observées au sein des génomes de lambdoïdes (Lopes, et al. 2010; Murphy 2012). De même, il existe un deuxième type d'inhibiteur de RecBCD parmi les lambdoïdes (décrit chez le phage P22): Abc2 (Murphy 2012). Ces recombinases détectées chez les lambdoïdes médient des réactions de recombinaison homologue. Une analyse expérimentale de la recombinaison des phages lambdoïdes a mis en évidence que la recombinase Redβ de Lambda peut agir sur des séquences assez divergentes (Martinsohn, et al. 2008). L'évolution
des phages lambdoïdes pourrait ainsi être promue par un mécanisme de recombinaison homologue plus permissif, qualifié de recombinaison "homéologue" (Martinsohn, et al. 2008).
De plus, un nouveau mécanisme de recombinaison de l'enzyme Redβ a récemment été proposé et permettrait des échanges importants d'ADN (Maresca, et al. 2010). Ce modèle a d'importantes implications pour la compréhension du mosaïcisme phagique puisqu'il suggère qu'il est possible d'échanger de longues séquences non homologues flanquées par de courtes régions homologues (ou homéologues) (Maresca, et al. 2010). Cependant, le mosaïcisme génomique des phages est généralement très contrasté: des régions de forte similarité sont typiquement entourées de régions très divergentes. D'autres travaux ont souligné que ce schéma est assez peu compatible avec un mécanisme de recombinaison homologue qui nécessiterait la conservation de séquences similaires pour permettre l'échange de modules différents. Si la conservation de telles séquences en bordures des modules a effectivement été observée dans certains génomes (Clark, et al. 2001), ceci ne semble pas pouvoir expliquer la majorité des cas (Hendrix and Casjens 2006). Pour cette raison, il a été suggéré que la recombinaison illégitime joue un rôle prépondérant dans le mosaïcisme phagique (Hendrix, et al. 1999). La recombinaison illégitime permet également d'expliquer la présence de morons homologues au sein de modules fonctionnels différents. L'origine du mosaïcisme génomique n'est donc pas une question résolue. Finalement, il est important de souligner que les deux hypothèses ne sont pas mutuellement exclusives. De plus, la forte diversité des phages et de leurs gènes permet de supposer que notre connaissance actuelle des stratégies et des mécanismes de recombinaison phagiques est encore très lacunaire.
3 Impact des bactériophages sur l'évolution bactérienne