Taux de mutation et adaptation des bactéries au tube digestif

Impact of mutation rate on bacterial adaptation

¹ Génétique Moléculaire Évolutive et Médicale, INSERM U571, Faculté de Médecine « Necker-Enfants Malades », 156, rue de Vaugirard, 75730 Paris Cedex 15, France, e-mail: taddei@necker.fr
² Institut Méditerranéen de Recherche en Nutrition, Faculté des Sciences et Techniques de Marseille Saint-Jérôme, Avenue escadrille Normandie Niemen, 13397 Marseille Cedex 20, France

Résumé

Pour étudier le rôle des bactéries mutatrices dans l’évolution des populations bactériennes, nous avons utilisé un modèle de souris à flore contrôlée. Cette étude a été réalisée en observant, chez la bactérie Escherichia coli, d’une part l’impact de la fréquence d’apparition des mutations sur la colonisation du tube digestif, un des environnements naturels de cette espèce, et, d’autre part, l’évolution du taux de mutation des populations bactériennes dans cet écosystème.

Nous avons pu montrer que les bactéries mutatrices ont un avantage sur des bactéries sauvages lors de la colonisation du tube digestif. Cet avantage vient de leur capacité à générer plus rapidement les mutations adaptatives qui vont assurer leur maintien dans l’écosystème. Parallèlement à cette spécialisation à l’environnement où ils se trouvent, les mutateurs accumulent des mutations neutres qui peuvent s’avérer délétères ou létales dans un environnement secondaire.

En suivant l’évolution du taux de mutation de souches d’E. coli inoculées à des souris recevant une antibiothérapie, nous avons montré qu’en sélectionnant des mutants portant des allèles de résistance, une antibiothérapie sélectionne simultanément des allèles qui augmentent le taux de mutation des souches bactériennes.

Le coût pour les bactéries mutatrices dû à l’accumulation de mutations s’observe si elles se trouvent dans un environnement où les changements sont récurrents ou si elles évoluent à travers un nombre limité d’environnements stables. Dans un environnement où chaque changement est original, les bactéries mutatrices pourraient alors apporter une réponse adaptative. Chaque environnement naturel est associé à des pressions de sélection et à des conditions écologiques spécifiques qui vont probablement favoriser la sélection d’un taux de mutation plutôt qu’un autre.

Abstract

To study the role of mutator bacteria in the evolution of bacterial populations, we followed the impact of the mutation rate of Escherichia coli strains in the colonisation of the gut of axenic mice and the evolution of the mutation rate of bacterial populations living in the gut.

We show that mutator bacteria have an advantage during the colonization. This adaptive advantage comes from their ability to generate adaptive mutations faster than wild type strains, mutations that allow their maintenance in the ecosystem. However, while mutator bacteria are becoming specialised to the environment they are living in, they accumulate mutations that may be deleterious or lethal in secondary environments.

By following the evolution of the mutation rate of bacterial populations living in the gut of mice receiving antibiotics, we show that this therapy selects not only for antibiotic resistant mutants but also for mutator alleles that enhance mutation rates and are responsible for the appearance of the resistance.

The costs of a high mutation rate, due to the accumulation of mutations, is seen in environments where changes are recurrent. In an ever-changing situation where every change is new, mutator bacteria might help the evolution of bacterial populations.