« Reconstruction Ancestrale du type de Placentation chez les
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Aix – Marseille Université Faculté des sciences de Luminy Bioinformatique – Biochimie Structurale & Génomique (BBSG) Année Universitaire 2013 – 2014 RAPPORT DE STAGE « Reconstruction Ancestrale du type de Placentation chez les Euthériens : Recherche d’Evolutions Convergentes et Parallèles » Présenté et soutenue par Dardaillon Justine Effectué dans le cadre d’une Première Année du Master BBSG, Au sein de l’EBM (Evolution Biologique et Modélisation), Sous la supervision du Dr Pierre Pontarotti, Directeur de recherche au CNRS. SOMMAIRE Introduction……………………...……….…………………………………....…page 3 Matériel et Méthodes……………….…...…..……………………………………page 3 Résultats………………………………………………………………………..…page 5 Discussion……………………………………………………………………...…page 6 Conclusion………………………..………...………………………………...…..page 7 Remerciement...…………………………………………………….……….....…page 7 Références………………………………………………………….……….....…page 7 ANNEXE I..…………….………………..……………………………................page 9 ANNEXE II..…………………………….………………………………….......page 10 ANNEXE III.…………………………….…………………………………...…page 11 ANNEXE IV………………………………..………………………………...…page 12 ANNEXE V.…………………………………..……………………………...…page 13 2 Introduction: L’analyse de l’évolution convergente peut permettre de mieux comprendre les mécanismes liés à l’évolution et permettrait, sous l’hypothèse que les mêmes gènes (suite éventuellement à des pressions environnementales similaires) seraient impliqués dans les mêmes changements phénotypiques, de mieux prédire les sites et les changements génétiques impliqués pour un même phénotype. La convergence évolutive peut-être définie, au sens large, par l’apparition de manière indépendante d’un même caractère plusieurs fois au cours de l’évolution au sein de lignées phylogénétiquement éloignées (1). On distingue généralement l’évolution convergente et l’évolution parallèle. Dans le premier cas, le même état dérivé d’un caractère est présent chez des espèces ne partageant pas d’ancêtre commun proche et où l’état ancestral du caractère considéré n’est pas le même. Dans l’autre cas, l’état du caractère qui est apparu plusieurs fois dérive du même état ancestral. A l’heure actuelle, les facteurs conduisant à l’évolution du placenta sont encore méconnus et mal compris, or cette structure semble être apparue plusieurs fois au cours de l’évolution et ce, dans différentes lignées telles que les reptiles et les mammifères, d’où l’importance de comprendre l’évolution du placenta et de ses membranes fœtales associées afin de déterminer si il y a eu convergence évolutive pour l’apparition de cette structure. Même si de nombreuses variations de la structure du placenta et des membranes fœtales associées se prêtent à l’analyse cladistique, Mess et Carter (2007) dans une étude récente ont obtenus des résultats contradictoires qui nécessitent de réexaminer la question avec un plus large échantillonnage et puis éventuellement, avec la génomique comparative (2, 4). D’une manière générale, la placentation est définie comme étant la formation et la croissance du placenta à l’intérieur de l’utérus. Sa fonction est de transférer les nutriments des tissus maternels à l’embryon qui se développe (3). Ici, nous allons nous intéresser principalement aux Mammifères et plus particulièrement aux Euthériens (Mammifères placentaires). En effet, il n’y a pas de placentation chez les Monotrèmes (mammifères qui pondent des œufs), et les Marsupiaux ou Métathériens possèdent un placenta rudimentaire avec lequel il est encore aujourd’hui difficile de comparer les structures des placentas complexes des euthériens; la gestation des Marsupiaux est généralement très courte puisque la plus grosse partie du développement se passe dans la poche, l’embryon est accroché à une tétine maternelle (5, 6, 7). Chez les Euthériens, le placenta se forme après que l’embryon s’est implanté dans la paroi de l’utérus (3). Les placentas sont classés en fonction du nombre de tissus qui séparent le sang maternel et fœtal mais aussi en fonction de leur type d’implantation et de leur pouvoir invasif (Annexe I). Ainsi, on distingue trois grand types de placentation au sein des Euthéria : la placentation de type épithélio-chorial où le trophoblaste (cellules délimitant la périphérie de l’œuf) est en contact direct avec l’épithélium utérin, la placentation de type endothélio-chorial où l’épithélium utérin a disparu et où l’endothélium des capillaires maternels est en contact avec le trophoblaste, et la placentation de type hemo-chorial où tout les tissus maternels ont disparus et où le sang maternel est en contact direct avec le chorion fœtal (Annexe I). L’objectif est d’effectuer une reconstruction du caractère ancestral pour le type de placentation chez les Euthériens afin de détecter d’éventuelles évolutions parallèles pour certains états de caractère au sein de cette lignée. Dans un autre sujet présenté par M. Graig Germany, la même approche sera réalisée sur la lignée des squamates. Il est important d’étudier d’abord l’évolution de la placentation au sein de ces deux lignées afin de pouvoir par la suite étudier de manière plus fiable la présence d’éventuelles évolutions convergentes entre ces lignées pour le caractère apparition du placenta. Dans cette étude, nous souhaitons donc, déterminer comment la membrane interhaemale (barrière entre sang maternel et fœtal) évolue chez les Euthériens en tentant de définir le type de barrière placentaire présent dans le plus récent Ancêtre Commun des mammifères placentaires. Par des reconstructions ancestrales du caractère « type de placentation » via l’interface Mesquite, nous allons rechercher les cas de convergences évolutives puis, par la suite, ces cas seront appuyés ou réfutés par la recherche de signatures génomiques. Matériel et Méthodes : Création d’un jeu de donnée La première partie de cette étude a consisté à rechercher et sélectionner le plus grand nombre d’espèces possibles (225 au total) et à déterminer leur type de placentation parmi les trois grands types décrits précédemment (Annexe V). Nous avons essayé de réaliser le plus grand échantillonnage possible afin de représenter au mieux l’ensemble des groupes et sous-groupes phylogénétiques présents chez les Euthériens. Pour chaque espèce, nous avons ensuite cherché leur type de placentation respectif via la recherche d’articles scientifiques à l’aide du moteur de recherche Web of Sciences et de la base de donnée BiblioVie (8). Ainsi, lors des reconstructions ancestrale qui seront réalisées 3 ultérieurement via l’interface Mesquite, le jeu de donnée réalisé sera rentré sous la forme d’une matrice contenant les noms des espèces et les états du caractère pour chacune d’elles (type de placentation : 0 pour les monotrèmes, 4 pour les placentas des Marsupiaux, 1 pour les placentas épithélio-choriaux, 2 pour les placentas endothélio-choriaux et 3 pour les placentas hemo-choriaux). Création de modèles d’arbres phylogénétiques représentant les Euthériens Dans un deuxième temps, la phylogénie des mammifères ne pouvant à l’heure actuelle être résolue de manière absolue (9), nous avons choisi de réaliser nos propres arbres phylogénétiques comprenant l’ensemble des espèces que nous allons par la suite considérer. De la même manière que précédemment et à l’aide notamment de Taxonomy Browser, nous avons donc cherché des articles présentant la phylogénie des mammifères et permettant de placer sur nos arbres chacune des espèces de notre sélection. Les différents arbres trouvés lors de cette recherche bibliographique nous ont permis d’obtenir l’ensemble des topologies possibles de la phylogénie des mammifères que nous considérons. Les différents modèles d’arbres obtenus à cette étape sont entrés au format nexus sur l’interface Mesquite afin de pouvoir réaliser la reconstruction ancestrale du caractère pour chacun d’eux avec la matrice obtenue précédemment. Reconstruction ancestrale du caractère via l’interface Mesquite version 2.75 for Windows (1GB memory dedicated) Mesquite est un outil bioinformatique utilisant le langage Java et regroupant un ensemble de logiciels permettant notamment l’analyse phylogénétique d’organismes et l’analyse comparative de données propres à ces organismes. L’interface Mesquite propose ainsi, et entre autre, la possibilité d’effectuer des reconstructions ancestrales de caractère. La reconstruction ancestrale d’un caractère permet, lorsque les données fossiles sont inconnues, d’inférer les états actuels des espèces et de déterminer à chaque nœud de l’arbre l’état le plus probable du caractère considéré, et ce, à l’aide d’algorithmes mathématiques donnant les probabilités de présence et d’absence pour chacun des états à chaque nœud considéré. Dans un premier temps, nous avons réalisé la reconstruction ancestrale du caractère « type de placentation » pour chacun des arbres modèles avec la matrice précédente via la méthode de parcimonie qui permet de choisir la représentation pour laquelle le nombre de changement évolutif est le plus minime. Dans un second temps, nous avons de nouveau réalisé la reconstruction ancestrale du caractère pour chacun des arbres modèles via, cette fois-ci, la méthode du maximum de vraisemblance qui consiste à rechercher l’état ancestral le plus probable selon un modèle d’évolution stochastique, ici, le modèle choisi est le modèle Mk1 ("Markov k-state 1 parameter model") ou modèle de Markov à un paramètre (c’est-à-dire que le seul paramètre pris en compte est le taux de transitions qui est symétrique et où tout les types de changement ont la même probabilité de se produire). Dans notre étude, ce paramètre a été optimisé à 1.00 [optimization of parameter of Mk1 model : 1.00]. Recherche des espèces dont le génome est disponible Ensuite, nous avons recherché parmi nos 225 espèces, celles dont le génome était déjà intégralement séquencé et publié en consultant les bases de données telles qu’EnsemBL Genome, GOLD Genome Online Database et Genome 10 K Project. Nous avons ainsi regardé si les différents groupes présents dans notre arbre étaient suffisamment bien représentés afin d’éviter la perte trop significative d’informations par la suite. Dans le cas de groupes non représentés, nous avons alors établis une liste de génomes à éventuellement proposer pour être séquencés. Recherche de signatures génomiques de convergence évolutive Enfin, sur le même principe que l’étude menée par Parker et al. (2013), nous avons récupéré les arbres phylogénétiques après la reconstruction ancestrale du caractère et nous avons supprimé toutes les espèces dont le génome n’était pas disponible (10). L’arbre obtenu correspond à l’hypothèse H0, puis nous avons mis en opposition notre hypothèse de départ H0 (arbre phylogénétique d'origine) avec des topologies alternatives mettant les espèces présentant des caractères convergents ensemble (monophylie du groupe considéré, topologie obtenue à la main). Le groupe monophylétique ainsi obtenu est placé au niveau du dernier ancêtre commun observé pour les caractères convergents considérés. D’une part, pour le cas de l’état épithélio-chorial et d’autre part pour l’état endothélio-chorial, nous souhaitons tester les différentes topologies afin de trouver d’éventuelles signatures génomiques appuyant la convergence évolutive considérée. Nous avons finalement choisi (comme dans l’étude de Parker et al. (2013)) d’éliminer les deux groupes extérieurs qui représentaient les marsupiaux et les monotrèmes (10). 4 Résultats: Création de modèles d’arbres phylogénétiques représentant les Euthériens Au cours de notre recherche, nous avons trouvé 4 zones de variation possibles qui nous ont permis d’obtenir 24 topologies d’arbres phylogénétiques possibles (Annexe II). La zone de variation la plus importante pour nos résultats étant sans doute au niveau des clades Afrotheria et Xenarthra qui sont des groupes frères suivant certaines études, il s’agit en réalité de l’hypothèse de l’existence du groupe monophylétique des Atlantogenata regroupant les deux groupes précédents (arbre 1 à 12). Afin de savoir si ces différences de topologies influent sur la reconstruction du caractère ancestral, nous avons choisi de tester à chaque fois les 24 topologies obtenues. Reconstruction ancestrale du caractère via l’interface Mesquite version 2.75 for Windows (1GB memory dedicated) Lorsqu’on observe l’ensemble des 48 reconstructions ancestrales du caractère obtenues (24 topologies testées suivant le Maximum de Parcimonie et suivant le Maximum de Vraisemblance), on observe dans tout les cas que le caractère hemo-chorial est le caractère ancestral (les arbres ne sont pas fournis en annexe car le grand nombre d’espèces, au total 225, les rend illisibles au format A4). Dans tous les cas également, la Hyène (Hyaena hyaena) a un placenta hemo-chorial contrairement à l’ensemble du groupe des Carnivores dont elle fait partie qui ont un placenta endothéliochorial. Le caractère épithélio-chorial apparait 3 fois (chez les Perissodactyla et les Cetartiodactyla, chez Scalopus aquaticus (Talpidae) et dans la lignée des Strepsirrhini) quelque soit la topologie testée. Le caractère endothélio-chorial apparaît 8 ou 9 fois suivant la topologie utilisée, en effet, au niveau des Hyracoidea (hemo-chorial) et des Proboscidae et Sirenia (endothélio-chorial) les 3 topologies étaient possibles mais une seule (celle où les groupes Proboscidae et Sirenia sont plus proches l’un de l’autre que de Hyracoidea) donne une seule apparition pour le caractère endothéliochorial. Quelques différences sont observables sur les reconstructions du caractère ancestral réalisées avec le Maximum de Vraisemblance. Pour les arbres 1 à 13, 16, 19 et 22, le caractère ancestral est le caractère hemo-chorial avec une probabilité de 0,9999. Pour les arbres 14, 15, 17, 18, 20, 21, 23 et 24, le caractère ancestral est hemo-chorial avec une probabilité avoisinant 0,55 mais le caractère endothélio-chorial a également une probabilité d’environ 0,28 d’être le caractère ancestral. Figure 1 : Reconstruction ancestrale du caractère « type de placentation » sur l’arbre 1 via le Maximum de Parcimonie. On peut voir ici en blanc, le groupe extérieur des Monotrèmes et en noir, le groupe extérieur des Marsupiaux. On voit également les 4 grands clades constituant le groupe des Eutheria (Euarchontoglires, Laurasiatheria, Xenarthra et Afrotheria qui forment ici le groupe monophylétique des Atlantogenata). Recherche des espèces dont le génome est disponible La liste des 32 espèces dont le génome est disponible est fournie en Annexe V avec la liste des espèces qu’il serait utile de séquencer par la suite pour obtenir un arbre plus précis et plus informatif. 5 Recherche de signatures génomiques de convergence évolutive Figure 2: Hypothèses de convergence du caractère épithéliochorial (en bleu). On a ici mis en opposition notre hypothèse de départ H0 (arbre phylogénétique d'origine) avec une topologie alternative mettant les espèces présentant des caractères convergents ensemble (monophylie du groupe considéré, topologie obtenue à la main). Ces différentes topologies seront testées afin de trouver d'éventuelles signatures génomiques appuyant la convergence évolutive. Pour voir les hypothèses posées pour le caractère endothélio-chorial, il faut se référer à l’Annexe III. Sur les trois apparitions du caractère épithélio-chorial observées avec les 225 espèces sur les arbres précédents, on a plus ici que deux apparitions du fait que le génome de Scalopus aquaticus n’est pas disponible. Pour les mêmes raisons, il n’y a plus que 4 fois l’apparition du caractère endothélio-chorial. Discussion: Pour le Maximum de Parcimonie, les reconstructions ancestrales du caractère démontrent à l’unanimité que le caractère ancestral du type de placentation chez les Euthériens serait le caractère hemo-chorial. Pour le Maximum de Vraisemblance, les arbres 1 à 13 (où l’hypothèse du groupe Atlantogenata est vérifiée) rejoignent ces résultats avec une probabilité de 0,9999 soit une probabilité très significative que le caractère hemo-chorial soit le caractère ancestral. Les reconstructions ancestrales du caractère sur les arbres 16, 19, 22 rejoignent les résultats des arbres 1 à 13 (cas où Proboscidea et Sirenia sont les plus proches par rapport à Hyracoidae) et ce, malgré que Afrotheria et Xenarthra ne soient pas groupes frères. Enfin, le doute est plus grand pour les arbres 14, 15, 17, 18, 20, 21, 23 et 24 où le caractère endothélio-chorial a une probabilité de 0.28 d’être le caractère ancestral, cette probabilité est cependant deux fois moins importante que celle du caractère hemo-chorial. Le point commun entre tout ces arbres est la configuration où Afrotheria et Xenarthra ne sont pas groupes frères et où Hyracoidae est plus proche de Proboscidea ou de Sirenia. Par conséquent, la topologie où Hyracoidae est le groupe le plus externe par rapport à Proboscidea et Sirenia semble plus vraisemblable et plus parcimonieuse (car cela diminue le nombre de convergences apparues sur l’arbre). Les autres zones de variations dans les topologies ne semblent pas influencer le résultat de manière significative lors de la reconstruction du caractère ancestral. L’ancêtre commun des Euthériens possédait donc un placenta de type hemo-chorial. Ainsi, on observe ici que le caractère épithélio-chorial a convergé au moins trois fois au cours de l’évolution des Euthériens. De même, le caractère endothélio-chorial semble être apparue au moins huit fois parmi différents clades des Euthériens. On a donc ici des cas d’évolutions parallèles d’une part, pour le passage d’un type de placentation hemochorial à un type épithélio-chorial, et d’autre part, d’un type hemo-chorial à un type endothélio-chorial. La placentation hemo-choriale est caractérisée par un placenta où le trophoblaste est invasif et où le sang maternel est en contact direct avec le chorion fœtal. Le type épithélio-chorial est caractérisé par un trophoblaste peu invasif et la présence d’un épithélium et d’un endothélium maternel permettant un plus grand contrôle de la mère sur le flux des nutriments (dans le cas du type endothélio-chorial, il n’y a pas d’épithélium) (Annexe I). Les cas de convergences évolutives ici, semblent donc en partie porter sur une augmentation du nombre de tissus qui séparent le sang maternel et fœtal et sur la diminution dans le même temps du pouvoir invasif du fœtus. Cela concorderait, par exemple, avec l’évolution d’une stratégie de reproduction qui se concentre sur une plus longue gestation et qui nécessite un plus grand contrôle de la mère sur le flux de nutriments, comme c’est le cas des Cetartiodactyles. 6 Afin d’approfondir cette étude, il faudrait tester les hypothèses présentées dans cette étude pour la recherche de signatures génomiques de convergence évolutive (10). Afin que ces résultats soient plus précis et qu’ils soient un maximum informatifs, il serait utile de séquencer certains génomes qui ne sont pas présents ici et qui pourraient être informatifs pour notre étude. Par exemple, le génome de Squalopus aquaticus apporterait un cas de convergence évolutive supplémentaire pour le placenta épithélio-chorial (les génomes du même cas sont présents dans l’Annexe V). D’autre part, un cas de réversion (retour au caractère ancestral hemo-chorial) parmi le groupe des Carnivores (placenta endothélio-chorial) est visible chez la Hyène (Hyaena hyaena), son génome serait donc très intéressant à proposer pour un séquençage. Le cas des Marsupiaux n’a pas été traité ici, car il est difficile de comparer leurs structures placentaires à celles des Euthériens. De plus, les Métathériens ont deux types de placentas, comme chez certains reptiles, alors que les Euthériens n’ont qu’un placenta définitif, chorio-allantoïque, l’autre (yolk sac placenta ou chorio-vitelline placenta) n’étant que transitoire (en début de gestation) (5, 11). Cependant, en collaboration avec M. Graig Germany qui a travaillé sur la lignée des Squamates, nous avons appris que le placenta de type 4 chez les Scincidae, est qualifié d’épithéliochorial car il permet un transfert de nutriments de la mère au fœtus grâce à sa structure. Il y aurait donc ici un cas d’évolution convergente entre deux lignées très éloignées phylogénétiquement. Il faudrait donc approfondir ce cas, notamment en comparant les génomes d’espèces appartenant à chacune des deux lignées. On s’attend à retrouver peu de gènes similaires chez des espèces très éloignées et parmi ces gènes se trouveront sans doute les gènes responsables de ce type de placentation épithélio-choriale. Au-delà de cette étude, une réflexion à été portée sur la création d’une base de données répertoriant l’ensemble des cas d’évolutions convergentes et parallèles vérifiées de manière précise et ce, en différenciant tout les niveaux où cellesci peuvent être retrouvées ainsi que leur liens les unes par rapport aux autres (Annexe IV). En effet, pour exemple, on peut citer le site de Map of Life (13), qui est une base de données répertoriant les cas de convergences évolutives mais qui reste extrêmement succincte. L’objectif serait donc de fournir une base de données fiable et précise (et par conséquent, très complexe) permettant un accès facile à tout les cas répertoriés d’évolutions convergentes et parallèles et qui ainsi, nous aiderait à mieux voir et comprendre les mécanismes qui régissent l’évolution. Conclusion : Cette étude nous a permis de mieux comprendre comment une structure biologique complexe, essentielle pour le mode de reproduction des Amniotes, a évolué au sein de la lignée des Euthériens. L’ancêtre commun des Euthériens semblait donc posséder un placenta de type hemo-chorial et il y aurait par la suite eu, au sein de cette lignée, plusieurs évolutions parallèles concernant l’apparition de tissus maternels supplémentaires et menant aux types de placenta épithélio-chorial et endothélio-chorial. Mieux comprendre l’évolution de l’interface embryon-utérus au sein de cette lignée permet maintenant d’étendre notre étude à d’autres groupes, notamment aux Marsupiaux mais aussi aux Squamates, pour lesquels il semble y avoir une évolution convergente pour l’apparition d’un placenta de type épithéliochorial. Ceci permettrait notamment de mieux comprendre la transition d’un mode de vie Ovipare à un mode de vie Vivipare. Et enfin, sous le principe que des phénotypes similaires peuvent être issus de pressions environnementales similaires sur des gènes similaires, et grâce à la génomique inverse, il serait possible de mieux prédire les gènes qui sont d’un intérêt médical ou agronomique. Remerciements : Je souhaite sincèrement remercier M. Pierre Pontarotti, responsable de l’équipe d’Evolution Biologique et Modélisation, pour toute son aide et sa patience au cours de ces deux mois de stage. Je remercie chaleureusement Mme Isabelle Hue, chercheur à l’UMR Biologie du Développement et Reproduction INRA pour sa collaboration et son aide précieuse. Je souhaite également remercier l’ensemble de l’équipe de recherche pour son accueil chaleureux ainsi que M. Diop, M. Germany et Mlle Duarte avec qui j’ai pu effectuer un travail d’équipe des plus stimulants. Références: (1) McGhee G. « Convergent Evolution: Limited Forms Most Beautiful (Vienna Series in Theoretical Biology) », The MIT Press, 2011. (2) Mess A., Carter A.M. « Evolution of the placenta during the early radiation of placental mammals », Comparative Biochemistry and Physiology, Part A 148, 2007, p769-779. 7 (3) Thibault C., Levasseur M-C. « La Reproduction chez les mammifères et l’homme », INRA Editions, 21, p.457477. (4) Wildman D.E. « Evolution of the mammalian placenta revealed by phylogenetic analysis », PNAS, 103, 2006, p3203–3208. (5) Carter A.M., Enders A.C. « Comparative aspects of trophoblast development and placentation », Reproductive Biology and Endocrinology, 2004, p2-46. (6) Ferner K., Mess A. « Evolution and development of fetal membranes and placentation in amniote vertebrates», Respiratory Physiology & Neurobiology, 178, 2011, p39-50. (7) Mess A., Ferner K. « Evolution and development of gas exchange structures in Mammalia: The placenta and the lung », Respiratory Physiology & Neurobiology, 173S, 2010, S74-S82. (8) Elliot M.G., Crespi B.J. « Phylogenetic Evidence for Early Hemochorial Placentation in Eutheria », Placenta, 30, 2009, p 949-967. (9) Hallström B.M., Janke A. « Mammalian Evolution May not Be Strictly Bifurcating », Mol. Biol. Evol., 27, 2010, p2804-2816. (10) Parker J. et al. « Genome-wide signatures of convergent evolution in echolocating mammals », Nature, 502, 2013, p228-231. (11) Renfree M. B. « Review: Marsupials: Placental Mammals with a Difference, Placenta, 31, 2010, Supplement A, Trophoblast Research, Vol.24, S21-S26. (12) Mess A., Carter A.M. « Evolutionary Transformations of Fetal Membrane Characters in Eutheria with Special Reference to Afrotheria », Journal of Experimental Zoology, 306, 2006, p140-163. (13) Map of Life, Convergent Evolution Online, http://www.mapoflife.org/ 8 ANNEXE I : Placentation épithélio-choriale, endothélio-choriale et hemo-choriale Figure S1 : Structure histologique des différents types de placenta. L’épithélium utérin est en contact direct avec le trophoblaste dans le cas d’un placenta épithélio-chorial, ce type de placenta est caractérisé par un trophoblaste peu voir non invasif, ce qui permet un plus grand contrôle de la mère sur le flux de nutriments qui va nourrir le fœtus (cela peut-être particulièrement important dans l’évolution d’une stratégie de reproduction qui se concentre sur une plus longue gestation et des naissances précoces, c’est le cas, par exemple, de la lignée des Cetartiodactyles). Ce type de placenta est présent chez les Chevaux, les Strepsirrhini, les Cetartiodactyla. Les placentas de type synépithéliochorial sont caractéristiques de la lignée des Ruminants et leur structure est très similaire à celle des placentas épithélio-choriaux (Invasion ponctuelle et limitée à la migration de cellules binucléées du trophoblaste, puis à leur fusion avec une partie des cellules épithéliales utérines aboutissant à la formation d’un syncytium). Pour simplifier notre étude, nous avons choisi de ne pas distinguer ces deux types car cela n’apportait pas d’information pour notre étude et pour la recherche d’éventuelles évolutions convergentes et parallèles. Dans le cas d’un placenta endothélio-chorial, l’épithélium utérin a disparu, l’endothélium des capillaires maternels est en contact avec le trophoblaste qui est de type invasif, c’est-à-dire avec un accès direct au sang de la mère ou aux vaisseaux sanguins maternels, ce qui donne au fœtus le contrôle substantiel du flux de nutriments. Ce type de placenta est typique des Carnivores mais apparaît également dans d’autres lignées (par exemple, chez l’éléphant). Dans le cas d’un placenta hemo-chorial, le trophoblaste est invasif et aucun des tissus maternels précédents n’est présent, le sang maternel est en contact direct avec le chorion fœtal, ce qui permet un transfert plus efficace des nutriments. Il s’agit également ici d’un challenge pour le système immunitaire de tolérance gestationnel pour éviter le rejet de fœtus. Ce type de placenta est présent chez beaucoup de Rongeurs et les Haplorrhini (y compris l’Homme). Selon les espèces, la pénétration du trophoblaste est plus ou moins profonde dans l’endomètre et conduit aux différents types histologiques de placenta : l’invasion partielle jusqu’à la périphérie des vaisseaux utérins conduit au placenta endothélio-chorial des carnivores et l’invasion maximale avec une érosion de l’endothélium vasculaire conduit au placenta hemo-chorial de l’homme, des rongeurs et des lagomorphes. Figure S2 : Schéma des différentes phases de l’implantation. Pour un placenta de type épithéliochorial, la dernière phase de l’implantation correspond à l’adhésion du trophoblaste à l’épithélium utérin. Dans un placenta endothélio- ou hemochorial, l’implantation possède une étape supplémentaire où il y a invasion de l’endomètre par le trophoblaste. 9 ANNEXE II : Zones de variations donnant les 24 topologies possibles Figure S3 : Représentation de 3 des 4 zones de variations observables entre les 24 différentes topologies utilisées. Sur l’arbre, nous pouvons voir que les groupes Afrotheria et Xenarthra sont placés ensemble de manière à suivre l’hypothèse Atlantogenata (2 possibilités). Les arbres 1 à 12 suivent cette topologie pour les groupes cités précédemment, les arbres 13 à 24 ne suivent pas cette hypothèse et le groupe des Afrotheria est placé comme étant le groupe le plus extérieur des Euthériens (a)(b)(c)(e)(h). Une seconde zone de variation visible ici, est située au niveau des Hyracoidea, Proboscidae et Sirenia où les 3 topologies possibles pour positionner ces trois groupes les uns par rapport aux autres étaient envisageables (3 possibilités) (a)(b)(d)(f)(g). Une autre zone de variation est observable au niveau des Insectivores où deux topologies au sein de ce groupe étaient possibles (celle qui est observée ici, et une autre qui place les Talpidae comme groupe le plus extérieur et qui rapproche ensemble les Soricidae et les Erinaceidae) (a)(c). Figure S4 : Représentation des Perissodactyla, Cetartiodactyla et des Carnivora, zone de variation observable sur les 24 différentes topologies. Enfin, la dernière zone de variation concerne la proximité du groupe des Perissodactyla qui peutêtre plus proche des Cetartiodactyla (a)(b)(c) ou des Carnivora (2 possibilités) (e)(h). On obtient donc 24 topologies possibles (2*3*2*2=24 possibilités). a. b. c. d. e. f. g. h. i. j. k. Beck R.MD. Et al. « A higher-level MRP supertree of placental mammals », BioMed Central, 2006. Campbell V., Lapointe F-J. «An Application of Supertree Methods to Mammalian Mitogenomic Sequences», Evolutionary Bioinformatics, 2010, p.57-71. Bininda-Emonds O.R.P. et al. «The delayed rise of present-day mammals», nature, 2007, Vol. 446, p. 507-512. The Tree of Life Web Project, http://tolweb.org/tree/ Song S. et al. « Resolving conflict in eutherian mammal phylogeny using phylogenomics and the multispecies coalescent model », PNAS, 2012, Vol. 109, p. 14942–14947. Wildman D.E. et al. « Evolution of the mammalian placenta revealed by phylogenetic analysis », PNAS, 2006, Vol. 103, p. 3203–3208. Kuntner M. et al. « Phylogeny and conservation priorities of afrotherian mammals (Afrotheria, Mammalia) », Zoologica Scripta, 2011, p 1– 15. Nery M.F. et al. «Resolution of the laurasiatherian phylogeny: Evidence from genomic data », ScienceDirect, 2012, p685–689. Prasad A.B. et al. « Confirming the Phylogeny of Mammals by Use of Large Comparative Sequence Data Sets », Mol. Biol. Evol. 25, 2008, p. 1795–1808. Romiguier J. et al. «Article Less Is More in Mammalian Phylogenomics: AT-Rich Genes Minimize Tree Conflicts and Unravel the Root of Placental Mammals », Mol. Biol. Evol. 30, 2013, p.2134–2144. Morgan C.C. et al. «Heterogeneous Models Place the Root of the Placental Mammal Phylogeny », Mol. Biol. Evol. 30, 2013, p2145–2156. 10 ANNEXE III : Hypothèses pour détecter la présence de signatures génomiques liées à l’apparition du caractère « Placentation Endothélio-choriale » Figure S5 : Hypothèses pour détecter la présence de signatures génomiques liées à l’apparition du caractère « Placentation Endothélio-choriale ». Sur les huit (ou neuf) apparitions du caractère endothélio-chorial observées avec les 225 espèces sur les arbres utilisés pour la reconstruction ancestrale du caractère, on a plus ici que 4 fois l’apparition du caractère endothélio-chorial du fait que les génomes des autres espèces ne sont pas encore disponibles. Le cas est plus complexe que dans le cas de la placentation épithélio-choriale, chaque groupe monophylétique obtenu est placé au niveau du dernier ancêtre commun observé pour les caractères convergents considérés. 11 ANNEXE IV : Début des réflexions sur la création d’une Base de Données répertoriant les cas de convergences évolutives : exemples d’ébauches de tables Les tables ont été crées sur une base de données MySQL grâce à l'interface Web PHPMyAdmin. Table 1 : Ebauche de la table répertoriant les évolutions convergentes et parallèles au niveau fonctionnel. Table 2 : Ebauche de la table répertoriant les évolutions convergentes et parallèles au niveau phénotypique. Table 3 : Ebauche de la table établissant les relations entre les convergences évolutives au niveau fonctionnel et celles au niveau phénotypique. 12 ANNEXE V : Table répertoriant le type de Placentation des 225 espèces utilisées Espèces surlignées en bleu : Proposer le séquençage des génomes de ces espèces pourrait apporter des informations supplémentaires. Espèces surlignées en violet : Les génomes de ces espèces, ou des espèces fournies entre parenthèses, sont disponibles sur la base de données EnsemBL Genome. Les noms entre parenthèses sont des espèces très proches de celles utilisées pour notre étude. Ordre Sous-classe Prototheria Famille Ornithorhynchidae Espèce Pas de placenta Tachyglossidae Tachyglossus aculeatus Pas de placenta Paucituberculata Caenolestidae Caenolestes condorensis Placenta Rudimentaire Microbiotheria Microbiotheriidae Dromiciops gliroides Placenta Rudimentaire Didelphimorphia Didelphidae Didelphis virginiana Placenta Rudimentaire Thylacinidae Thylacinus cynocephalus Placenta Rudimentaire Antechinus stuartii Placenta Rudimentaire Dasyucercus byrnei Placenta Rudimentaire Dasyurus maculatus Placenta Rudimentaire Sminthopsis crassicaudata Placenta Rudimentaire Chaeropus ecaudatus Placenta Rudimentaire Macrotis lagotis Placenta Rudimentaire Acrobates pygmaeus Placenta Rudimentaire Macropus rufus Placenta Rudimentaire Macropus eugenii Placenta Rudimentaire Dendrolagus dorianus Placenta Rudimentaire Macropus giganteus Placenta Rudimentaire Lagostrophus fasciatus Placenta Rudimentaire Macropus rufogriseus Placenta Rudimentaire Thylogale brunii Placenta Rudimentaire Trichosurus vulpecula Placenta Rudimentaire Spilocuscus maculatus Placenta Rudimentaire Petaurus breviceps Placenta Rudimentaire Phascolarctos cinereus Placenta Rudimentaire Vombatus ursinus Placenta Rudimentaire Chaetophractus sp. Hemo-chorial Tolypeutes matacus Hemo-chorial Monotremata Dasyuromorphia Dasyuridae Peramelemorphia Peramelidae Acrobatidae infra-classe Metatheria (marsupiaux) Macropodidae Classe Mammifères Sousclasse Theria Diprotodontia Phalangeridae Petauridae Phascolarctidae Vombatidae Cingulata Dasypodidae Super-ordre Xenarthra Bradypodidae Megalonychidae Pilosa Myrmmecophagidae infra-classe Eutheria (placentaires) Type de Placentation Ornithorhynchus anatinus Mammutidae Proboscidae Elephantidae Super-ordre Afrotheria Trichechidae Sirenia Dugongidae Hyracoidea Procaviidae Afrosoricida Tenrecidae 13 Cabassous sp. Hemo-chorial Dasypus novemcinctus Bradypus variegatus Hemo-chorial Endothélio-chorial Choloepus hoffmanni Myrmecophaga tridactyla Endothélio-chorial Hemo-chorial Tamandua tetradactyla Hemo-chorial Mammut americanum Endothélio-chorial Elephas maximus Endothélio-chorial Mammuthus primigenius Endothélio-chorial Loxodonta africana Trichechus manatus Endothélio-chorial Endothélio-chorial Trichechus inunguis Endothélio-chorial Hydrodamalis gigas Endothélio-chorial Dugong dugon Endothélio-chorial Procavia capensis Tenrec ecaudatus Hemo-chorial Hemo-chorial Hemicentetes semispinosus Tubulidentata Macroscelidae Amblysomus corriae Endothélio-chorial Orycteropodidae Orycteropus afer Endothélio-chorial Macroscelididae Elephantulus sp. Hemo-chorial Macroscelides Macroseclides sp. Tupaia glis Scandentia Tupaiidae Muridae Sciuridae Endothélio-chorial Tupaia minor (T. belangeri) Endothélio-chorial Hemo-chorial Mus musculus Hemo-chorial Mus minutoides Hemo-chorial Callosciurus prevostii Hemo-chorial Marmota sp. Hemo-chorial Sciurus niger Hemo-chorial Spermophilus tridecemlineatus Hemo-chorial Hemo-chorial Caviidae Cavia porcellus Geomys bursarius Hemo-chorial Hemo-chorial Geocapromys brownii Hemo-chorial Geocapromys ingrahami Hemo-chorial Kerodon rupestris Hemo-chorial Dasyprocta leporina Hemo-chorial Dasyprocta punctata Hemo-chorial Aplodontidae Aplodontia rufa Hemo-chorial Erethizontidae Erethizon dorsata Hemo-chorial Dasyproctidae Hydrochoeridae Ochotonidae Leporidae Cynocephalidae Super-ordre Euarchontoglires Acomys cahirinus Castor canadensis Capromyidae Dermoptera Hominidae Cercopithecidae Cebidae Pithecliidae Primates Atelidae Hydrochaeris hydrochaeris Hemo-chorial Ochotona pallasi (O. princeps ) Sylvilagus bachmani Hemo-chorial Hemo-chorial Lepus sp. Hemo-chorial Oryctolagus cuniculus Cynocephalus volans Hemo-chorial Hemo-chorial Gorilla gorilla gorilla Hemo-chorial Pan troglodytes Hemo-chorial Homo sapiens Hemo-chorial Pongo abelii Cercopithecus hamlyni Hemo-chorial Hemo-chorial Cercopithecus neglectus Hemo-chorial Cercopithecus ascanius schmidti Hemo-chorial Macaca nemestrina Hemo-chorial Macaca nigra (Macaca mulatta) Hemo-chorial Macaca fascicularis Papio cyncephalus Hemo-chorial Hemo-chorial Callithrix geoffroyi (C. jacchus) Leontopithecus rosalia Hemo-chorial Hemo-chorial Aotus azarae Hemo-chorial Callicebus moloch Hemo-chorial Callicebus donacophilus Hemo-chorial Alouatta pigra Hemo-chorial Alouatta palliata Hemo-chorial Ateles fusciceps rufiventris Hemo-chorial Lagothrix lagotricha Lemuridae Eulemur macaco Epithélio-chorial Eulemur mongoz Epithélio-chorial Epithélio-chorial Cheirogaleidae Epithélio-chorial Epithélio-chorial Indridae Propithecus coquereli Epithélio-chorial Tarsiidae Erinaceidae 14 Epithélio-chorial Epithélio-chorial Microcebus murinus Cheirogaleus medius Lorisidae Insectivora Hemo-chorial Eulemur fulvus Eulemur collaris Lemur catta Galagidae Superorder Laurasiatheria Hemo-chorial Hemo-chorial Castoridae Geomyidae Glires (Lagomorpha) Hemo-chorial Endothélio-chorial Anathana ellioti Rattus norvegicus Cricetus auratus Glires (Rodentia) Hemo-chorial Chrysochloridae Galago senegalensis- Epithélio-chorial Otolemur garnettii Nycticebus bengalensis Epithélio-chorial Epithélio-chorial Tarsius syrichta Atelerix albiventris Hemo-chorial Hemo-chorial (Erinaceomorpha) Erinaceus europaeus Soricidae Insectivora (Soricomorpha) Pholidota Talpidae Manidae Phyllostomidae Megadermatidae Rhinolophidae Chiroptera Pteropodidae Molossidae Vespertilionidae Rhinocerotidae Tapiridae Perissodactyla Equidae Hemo-chorial Talpa europaea Endothélio-chorial Scalopus aquaticus Epithélio-chorial Manis sp. Desmodus rotundus Endothélio-chorial Hemo-chorial Megaderma sp. Hipposideros sp. Endothélio-chorial Hemo-chorial Cynopterus Hemo-chorial Pteropus vampyrus Hemo-chorial Tadarida sp. Hemo-chorial Myotis lucifugus Hemo-chorial Diceros bicornis Epithélio-chorial Ceratotherium simum Epithélio-chorial Tapirus bairdii Epithélio-chorial Equus asinus Epithélio-chorial Equus caballus Equus burchelli antiquorum Epithélio-chorial Epithélio-chorial Eira barbara Endothélio-chorial Mellivora capensis Endothélio-chorial Mustela lutreola (M. putorius furo) Mustela nivalis Endothélio-chorial Endothélio-chorial Lutra lutra Endothélio-chorial Pteronura brasiliensis Endothélio-chorial Hydrictis maculicollis Endothélio-chorial Aonyx cinerea Endothélio-chorial Enhydra lutris Endothélio-chorial Martes flavigula Endothélio-chorial Bassariscus astutus Endothélio-chorial Procyonidae Procyon lotor Endothélio-chorial Mephitidae Nasua narica Mephitis mephitis Endothélio-chorial Endothélio-chorial Ailurus fulgens Endothélio-chorial Phoca vitulina Endothélio-chorial Pusa hispida Endothélio-chorial Mirounga angustirostris Endothélio-chorial Odobenus rosmarus Endothélio-chorial Ursus thibetanus Endothélio-chorial Ursus maritimus Endothélio-chorial Ursus americanus Endothélio-chorial Ursus arctos Endothélio-chorial Helarctos malayanus Melursus ursinus Endothélio-chorial Endothélio-chorial Ailuridae Phocidae Otariidae Odobenidae Carnivora Ursidae Canidae Felidae Herpestidae Viverridae 15 Endothélio-chorial Mustela eversmanii Mustelidae Cetartiodactyla Hemo-chorial Sorex araneus Tremarctos ornatus Endothélio-chorial Ailuropoda melanoleuca Endothélio-chorial Vulpes lagopus Endothélio-chorial Canis lupus familiaris Cuon alpinus lepturus Endothélio-chorial Endothélio-chorial Felis silvestris (F.catus) Felis silvestris gordoni Endothélio-chorial Endothélio-chorial Herpailurus yaguarondi toleteca Endothélio-chorial Prionailurus bengalensis Endothélio-chorial Neofelis nebulosa Endothélio-chorial Panthera pardus saxicolor Panthera tigris altaica Endothélio-chorial Endothélio-chorial Panthera tigris corbetti Endothélio-chorial Mungos mungo Endothélio-chorial Herpestes javanicus Endothélio-chorial Civettictis civetta Endothélio-chorial Prionodon linsang Endothélio-chorial Hyaenidae Hyaena hyaena Phacochoerus africanus Suidae Potamochoerus porcus Epithélio-chorial Sus scrofa Epithélio-chorial Hemo-chorial Epithélio-chorial Hippopotamidae Physeteridae Phocoenidae Balaenopteridae Delphinidae Hexaprotodon liberiensis Epithélio-chorial Hippopotamus amphibius Epithélio-chorial Kogia sima Epithélio-chorial Kogia breviceps Epithélio-chorial Physeter macrocephalus Epithélio-chorial Phocoena phocoena Epithélio-chorial Megaptera novaeanliae Epithélio-chorial Tursiops truncatus Epithélio-chorial Lissodelphis borealis Steno bredanensis Epithélio-chorial Epithélio-chorial Delphinus delphis Epithélio-chorial Tragulidae Tragulus javanicus Epithélio-chorial Moschidae Moschus moschiferus Epithélio-chorial Lama glama Epithélio-chorial Camelus dromedarius Epithélio-chorial Cervus elaphus Epithélio-chorial Cervus canadensis Epithélio-chorial Mazama americana Epithélio-chorial Capreolus sp. Epithélio-chorial Giraffa camelopardalis Epithélio-chorial Camelidae Cervidae Giraffidae Bovidae Okapia johnstoni Epithélio-chorial Ovis aries Epithélio-chorial Bos taurus Epithélio-chorial Capra sp. Epithélio-chorial Boselaphus tragocamelus Epithélio-chorial Bison bonasus Epithélio-chorial Bos javanicus Epithélio-chorial Bubalus depressicornis Epithélio-chorial Taurotragus derbianus gigas Epithélio-chorial Antidorcas marsupialis mongolensis Epithélio-chorial Gazella granti roosevelti Epithélio-chorial Eudorcas rufifrons Gazella leptoceros Epithélio-chorial Epithélio-chorial Alcelaphus caama Epithélio-chorial Litocranius walleri Epithélio-chorial Hippotragus equinus Epithélio-chorial Hippotragus niger Epithélio-chorial Oryx beisa Epithélio-chorial Oryx beisa callotis Epithélio-chorial Alcelaphus buselaphus jacksoni Epithélio-chorial Connochaetes taurinus Epithélio-chorial Damaliscus lunatus jimela Epithélio-chorial Damaliscus pygargus Aepyceros melampus petersi Epithélio-chorial Epithélio-chorial Aepyceros melampus Epithélio-chorial Cephalophus silvicultor Epithélio-chorial Oreotragus oreotragus schillingi Epithélio-chorial Neotragus moschatus zuluensis Epithélio-chorial Madoqua guentheri Epithélio-chorial Madoqua kirkii Epithélio-chorial Tragelaphus sp. Epithélio-chorial Tableau établi à l’aide des références suivantes : a. Freyer C. et al «The Marsupial Placenta: A Phylogenetic Analysis», Journal of Experimental Zoology, 299, 2003, p59–77. b. Wooding F.B.P. et al «Functional immunocytochemistry of Tragulus placenta: Implications for ruminant evolution», Placenta, 35, 2014, p 305-310. c. Jones C.J.P. et al. «The fetomaternal interface shows vascular hypoglycosylation in the tammar wallaby Macropus eugenii: Comparison with a range of non-mammalian and eutherian placentae», Placenta, 34, 2013, p 879-884. d. Elliot M.G., Crespi B.J. « Phylogenetic Evidence for Early Hemochorial Placentation in Eutheria», Placenta, 30, 2009, p 949-967. e. Roberts C. T., Breed W. G. « Placentation in the dasyurid marsupial, Sminthopsis crassicaudata, the fat-tailed dunnart, and notes on placentation of the didelphid, Monodelphis domestica », Journal of Reproduction and Fertility, 100, 1994, p105-113. f. Wynn R. M., Amoroso E.C. « Placentation in the spotted Hyena (Crocuta crocuta Erxleben), with particular reference to the circulation », 3 FEB 2005. g. Wildman D.E. « Sources for Comparative Studies of Placentation. II. Genomic Resources », Placenta, 29, 2008, p 144-147. h. Heath E. and Amachree M. « Endotheliochorial Placentation in a Pangolin, Manis tetradactyla », Acta Zoologica, 48, 1967, p309-315. i. Adams A., Pedersen C. « Ontogeny, Functional Ecology, and Evolution of Bats », Cambridge University Press, 2000. j. Hayssen V. et al. « Asdell's Patterns of Mammalian Reproduction: A Compendium of Species-Specific Data », 1993. k. Wooding P., Burton G. « Comparative Placentation: Structures, Functions and Evolution », Springer, 2008. l. Rose K.D, Archibald J.D. « The Rise of Placental Mammals - Origins and Relationships of the Major Extant Clades », Johns Hopkins University Press, 2005. 16
