The role of integrons in dissemination of antibiotic resistance

ARTICLE

Dans la lutte contre les infections bactériennes qui mettent fréquemment en jeu le pronostic vital, les premiers antibiotiques découverts, tels que la pénicilline G, la streptomycine et les sulfamides, ont été considérés comme des « médicaments miracles ». Leur utilisation a permis de réduire le taux de mortalité de maladies telles que la tuberculose, la typhoïde ou la syphilis et il fut considéré, un peu hâtivement, que le problème des maladies infectieuses était définitivement réglé. Mais, rapidement, l'enthousiasme a décliné avec l'apparition des premières résistances des bactéries aux antibiotiques. Fleming lui-même mit très tôt en garde la communauté médicale quant aux possibles effets néfastes d'une trop large utilisation de ces molécules. Dès 1945, il observe que des bactéries sensibles à la pénicilline G peuvent devenir résistantes après plusieurs cultures en présence de concentrations croissantes d'antibiotique. Dès le début des années 1950, les premières souches cliniques résistantes aux antibiotiques sont décrites (bacilles tuberculeux résistants à la streptomycine, Staphylococcus aureus producteurs de pénicillinase). Peu à peu, ce phénomène s'est étendu pour aboutir, à l'aube du III^e millénaire, à une situation très préoccupante que l'on ne pouvait imaginer dans l'euphorie du milieu du xx^e siècle. En effet, apparaissent aujourd'hui de véritables « monstres » bactériens résistants à tous les antibiotiques potentiellement actifs. Ainsi, les premières souches de S. aureus résistantes à tous les antibiotiques, y compris la vancomycine qui constituait l'antibiotique de dernier recours, ont été récemment décrites au Japon, aux États-Unis et en France [1-3].

L'émergence et la dissémination de bactéries résistantes peuvent avoir été favorisées par plusieurs facteurs parmi lesquels l'utilisation croissante des antibiotiques en médecine humaine, et notamment ceux à large spectre. Par ailleurs, les antibiotiques utilisés initialement en pathologie animale en traitement curatif ont vu leur utilisation détournée pour être abusivement employés comme additif alimentaire afin de stimuler la croissance des animaux. Cette dernière utilisation a été récemment dénoncée comme susceptible de sélectionner des bactéries résistantes aux antibiotiques, en particulier aux glycopeptides [4]. L'acquisition de la résistance peut être due soit à des mutations, soit au transfert horizontal de gènes favorisant ainsi une dissémination rapide et efficace de la résistance aux antibiotiques [5]. Ce dernier mécanisme peut correspondre à un simple échange allélique impliquant des fragments d'ADN de bactéries phylogénétiquement proches ou à l'acquisition de plasmides ou d'éléments transposables. Ce transfert peut parfois s'opérer entre des bactéries très éloignées sur le plan phylogénique [4]. En clinique, dans 80 % des cas, la résistance provient de l'acquisition de gènes par transfert entre bactéries. Différentes structures contribuent à cette mobilité génétique.

Plasmides et transposons

Les plasmides sont des molécules d'ADN indépendantes du chromosome et capables d'autoréplication. Ils peuvent être présents en multicopies chez une bactérie et des plasmides différents peuvent cohabiter au sein de la même bactérie. Un plasmide peut porter plusieurs gènes de résistance aux antibiotiques conférant ainsi en bloc une multirésistance. Certains plasmides possèdent un très large spectre d'hôte.

Les transposons sont des séquences d'ADN capables de promouvoir leur propre transfert d'un réplicon (chromosome ou plasmide) à un autre (« gènes sauteurs »). Ils peuvent s'intégrer au chromosome de la bactérie. Ces éléments mobiles peuvent servir de véhicule aux gènes de résistance et permettre leur dissémination.

Les intégrons

Au cours des années 1980, des éléments génétiques susceptibles d'acquérir ou de perdre des gènes de résistance aux antibiotiques ont été décrits et désignés sous le nom d'intégrons. Les intégrons constituent un système de capture et d'expression de gènes sous forme de cassettes. Les cassettes sont des éléments mobiles capables d'être intégrés ou excisés par un mécanisme de recombinaison spécifique de site médié par une intégrase [5].

Structure des intégrons

Incapables d'autoréplication, les intégrons sont obligatoirement portés par un réplicon (plasmide ou chromosome). Ils peuvent aussi être véhiculés par un élément transposable.

Les intégrons sont constitués d'un gène intI qui code pour une intégrase apparentée aux recombinases spécifiques de site et d'un site d'attachement attI (figure 1). Plusieurs classes d'intégrons ont été décrites en fonction de la composition en acides aminés de l'intégrase. Trois sont impliquées dans la dissémination de la résistance aux antibiotiques. Les sites attI des différentes classes n'ont pas de séquence commune, excepté le motif GTTRRRY (R, purine ; Y, pyrymidine) [6]. En aval du site attI, plusieurs cassettes de séquence et de taille variables peuvent être insérées.

Structure des cassettes

Les cassettes ont des tailles et des fonctions très variables mais possèdent une organisation commune. Une cassette est constituée d'un gène adjacent à un site spécifique de recombinaison attC de structutre palindromique reconnu par l'intégrase. Le site attC est constitué de séquences, relativement conservées, inversées répétées imparfaites, dont la taille varie de 57 à 141 paires de bases. La séquence conservée recouvre en fait surtout les vingt premières et dernières bases de chaque élément. Deux séquences inversées répétées de sept paires de bases sont constamment retrouvées aux deux extrémités et désignées core et core inverse (figure 2). Le core de séquence consensus GTTRRRY est localisé à l'extrémité droite du site attC et le core inverse de séquence complémentaire RYYYAAC à l'extrémité gauche. Les premiers sites attC décrits avaient une taille de 59 pb, ce qui explique leur désignation dans différentes publications par « élément 59-pb », terminologie désormais obsolète.

Il existe une grande variété de sites attC. Certains, dont la séquence est très conservée, sont associés à des gènes de résistance très différents, alors que certains gènes apparentés sont associés à des sites attC hétérologues [7].

Mouvement des cassettes

Il a été démontré que les cassettes intégrées sous forme linéaire peuvent, après excision, générer une forme libre circulaire [8]. Le mouvement des cassettes se fait donc essentiellement par insertion-excision sous forme circulaire par un mécanisme de recombinaison entre deux sites spécifiques catalysé par l'intégrase (figure 1) [9]. L'événement de crossing-over se produit entre le G d'un site core GTTRRRY et le premier T d'un second site core. Les intégrations de cassettes se font préférentiellement au site attI [10].

Exceptionnellement, l'événement de recombinaison peut impliquer un site spécifique et un site non spécifique appelé site secondaire [11]. Ces événements se produisent à des fréquences très faibles mais sont probablement responsables de la dissémination de cassettes en dehors de localisations spécifiques. L'intégration de la cassette est alors stabilisée car dépourvue d'un site de recombinaison spécifique. Les sites secondaires ont généralement la séquence GWTMW (W : T/A ; M:A/C) qui présente des similitudes avec le core GTTRRRY [12].

Le rôle de l'intégrase n'a été démontré expérimentalement que pour les intégrons de classe 1.

Expression des cassettes

Les cassettes sont toutes orientées dans la même direction [13] et sont généralement dépourvues de promoteur. Les gènes sont co-transcrits comme au sein d'un opéron sous la dépendance d'une région promotrice localisée dans la région 5' conservée de l'intégron (figure 1) [14]. Généralement, les transcrits sont plus courts que l'intégron, leurs terminaisons semblant correspondre à la fin des cassettes. Cela peut s'expliquer par la présence en 3' des cassettes du site attC capable d'agir comme terminateur transcriptionnel du fait de sa structure en boucle ou bien comme signal de clivage des transcrits [14]. L'expression des cassettes est tributaire de la position par rapport au promoteur, les gènes localisés dans des cassettes éloignées étant faiblement exprimés. La pression de sélection antibiotique peut favoriser des réarrangements de cassettes afin de permettre le positionnement d'une cassette faiblement exprimée à une localisation plus proche du promoteur.

De rares cassettes possèdent leur propre promoteur telles que cmlA [15] et cmlA2 [16] responsables de la résistance au chloramphénicol par un mécanisme non enzymatique.

Quand une cassette est intégrée à un site secondaire, l'expression du gène n'est possible que si l'intégration s'est opérée en aval d'un promoteur potentiel.

Nature des cassettes

Plus de cinquante cassettes impliquées dans la résistance aux antibiotiques ou aux antiseptiques ont été décrites [17] (tableau 1). Des cassettes cryptiques ont également été observées [18].

Épidémiologie des intégrons

Les études épidémiologiques ont surtout porté sur les intégrons de classe 1 très répandus chez différentes bactéries à Gram négatif : entérobactéries [19, 20], Vibrio cholerae [21], Pseudomonas [19], Acinetobacter [22, 23] et Campylobacter [24]. Des intégrons ont aussi été retrouvés chez des bactéries d'origine animale [25, 26] et de l'environnement [27]. Leur prévalence semble particulièrement forte chez des souches multirésistantes aux antibiotiques, mais il peut s'agir d'un biais de sélection [7]. En effet, les intégrons ont surtout été étudiés chez des bactéries à Gram négatif sélectionnées pour leur multirésistance aux antibiotiques. Peu d'études ont été réalisées chez les bactéries à Gram positif. La découverte récente d'un intégron de classe 1 chez Corynebacterium glutamicum [28] et Enterococcus faecalis [29] fait redouter la dissémination des cassettes de résistance aux antibiotiques chez les bactéries à Gram positif. Chez Mycobacterium fortuitum, seul un « vestige » d'intégron a été retrouvé [30].

Origine des intégrons

L'origine des intégrons et des cassettes constitue une énigme, de même que la genèse des cassettes. Plusieurs hypothèses ont été avancées, mais la plus probable à l'heure actuelle est que les intégrons proviendraient de super-intégrons récemment décrits sur le chromosome de différentes espèces (Pseudomonas, Xanthomonas, Shewanella) [31]. Les super-intégrons contiennent un gène intI, un site attI et de nombreuses séquences inversées répétées contenant les séquences core et core inverse et encadrant un ou plusieurs cadres de lecture. Cette organisation est analogue à celle des cassettes. Les séquences répétées retrouvées sur le chromosome de Vibrio cholerae et désignées VCR (Vibrio cholerae repeat) ont été très étudiées. Une centaine de copies de ces séquences VCR sont présentes sur le chromosome de V. cholerae en aval de gènes codant pour des toxines, des fonctions métaboliques mais aussi en aval de gènes cryptiques. De plus, Mazel et al. [32] ont montré que les séquences VCR ont 90 % d'identité avec le site attC de la cassette blaP3 et qu'elles sont reconnues par l'intégrase IntI1 suggérant donc que les super-intégrons fonctionneraient comme les intégrons de résistance aux antibiotiques.

L'hypothèse émise est que les intégrons de résistance aux antibiotiques auraient évolué à partir de super-intégrons par le biais de la capture d'un gène intI et d'un site attI dans des structures mobiles type transposon et qu'ensuite, sous l'effet de la pression de sélection antibiotique, il y aurait eu capture de gènes de résistance provenant des pools de cassettes contenus dans différents super-intégrons. Les super-intégrons représentent un phénoménal réservoir de gènes permettant aux bactéries d'avoir une capacité d'adaptation rapide aux pressions environnementales par capture de gènes impliqués dans des fonctions métaboliques ou la virulence.

CONCLUSION

Les intégrons constituent un système de capture et d'expression de gènes jouant un rôle important dans l'acquisition et la dissémination des gènes de résistance aux antibiotiques chez les bactéries. Le mouvement des cassettes permet une mosaïque de combinaisons. La découverte récente des super-intégrons indique que ce système de génie génétique au naturel a de plus amples implications dans l'évolution du génome bactérien que simplement la dissémination des gènes de résistance aux antibiotiques.

Remerciements. Les travaux de M.-C. Ploy et al. sur les intégrons ont été financés par les crédits de la région Limousin et de la Caisse primaire d'assurance maladie.

Article reçu le 21 février 2000, accepté le 10 mars 2000.

REFERENCES

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