Phylogénie et diversité des microorganismes
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Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) Les microorganismes jusqu’au XIXème siècle Phylogénie et diversité des microorganismes Master Microbiologie générale (Institut Pasteur) Plantae Protista Animalia Découverts au milieu du 17ième Considérés pendant deux siècles comme: ⇒ Céline Brochier-Armanet ⇒ Professeur – Université Lyon I Laboratoire de Biométrie et Biologie évolutive (UMR5558) ([email protected]) ⇒ Des curiosités sans intérêt Des intermédiaires probables entre le monde minéral et le monde vivant Classés au sein des Plantes ou au sein des animaux (dans le groupe mal défini des vers) Haeckel (1866) Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) Est-il possible d’établir une classification phylogénétique des microorganismes? Place des microorganismes au sein du monde vivant Copeland (1938 et 1947) Plantae Protista Animalia Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) Whittaker (1969) Plantae Fungi Animalia Échantillon Culture pure Morphologie Métabolisme/Physiologie Protista Monera @purificacion lopez-garcia Identification/Classification Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) “... the ultimate scientific goal of biological classification cannot be achieved in the case of bacteria” (Roger Y. Stanier, 1963) Bactéries sulfureuses (Thiobacillus) Oxydent des composés soufrés Une révolution en marche… Similarité morphologique Similarité physiologique Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) Bactéries sulfureuses non pigmentées Bactéries pourpres non sulfureuses (Athiorhodaceae) Granules de soufre intracellulaires (Thiobacteria) Bactéries pourpres sulfureuses (Thiorhodaceae) 1955 : Séquençage de l’insuline - Sanger Premières phylogénies moléculaires (Eucaryotes) 1965 : “ Molecules as Documents of Evolutionary History ” - Zuckerkandl et Pauling 1977 : Catalogues d'oligonucléotides d’ARNr – Carl Woese 1977 : Séquençage rapide de l’ADN - Sanger Même pigmentation (Rhodobacteria) Echec de l’application du principe de subordination des caractères pour l’établissement d’une classification évolutive des microorganismes Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) La biodiversité des organismes actuels définit trois grands domaines L’accès au patrimoine génétique des organismes a radicalement changé notre connaissance de l’histoire de la vie (Sogin, 1991) (Fox, 1977) Archaea Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) La diversité génétique ne reflète pas la diversité morphologique Plantae Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) Tous les êtres vivants descendent d’un même ancêtre commun: LUCA Fungi Animalia * Protista Monera (Sogin, 1991) (Fox, 1977) Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) L’arbre universel du vivant représente une infime partie de l’histoire de la vie Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) La biodiversité actuelle ne représente qu’une fraction de la biodiversité ayant existé Aujourd’hui Arbre universel du vivant LUCA Première cellule Troisième âge : Monde cellulaire post-luca Second âge : Monde cellulaire pré-luca Premier âge : Monde pré-cellulaire Origine(s) de la vie (Forterre et al. Medecine Science 2005) (http://web.uconn.edu/gogarten/) Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) Qui était LUCA? ⇒ ⇒ Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) Très peu de gènes sont communs à tous les organismes actuels « Dis moi quels sont tes gènes et je te dirai qui tu es » Identifier les gènes présents dans le génome de LUCA Comparer les gènes présents dans les génomes des représentants actuels des trois domaines Identifier les gènes communs aux trois domaines hérités de LUCA Protéines universelles LUCA possédait une ARN polymérase, des ribosomes & le code génétique universel LUCA était un organisme cellulaire LUCA LUCA avait un génome à ??? Hérédité verticale (Forterre et al. MS 2005) Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) Limites de la génomique comparée LUCA Hérédité verticale LUCA Trop grande divergence LUCA Transfert horizontal de gène LUCA Perte de gène Le répertoire n’est pas compatible avec une vie cellulaire (ex. Pas de métabolisme…) Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) LUCA avait un génome de taille comparable aux génomes des actuels +++++ ------- LUCA ~320->1000/2000 gènes ⇒LUCA avait un génome relativement large ⇒Free living Remplacement non homologue Brochier-Armanet C. “Minimal cell: the biologist point of view” Origin of life (Cambridge University Press – 2010) Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) Début des années 90: L’histoire de la vie est presque totalement résolue Questions ouvertes & Grands enjeux des prochaines années (4) Irrésolution des relations de parenté entre la plupart des phyla eucaryotes (4) Irrésolution des relations de parenté entre la plupart des phyla bactériens (3) Émergence basale des protistes amitochondriaux (3) Émergence basale des bactéries hyperthermophiles (1) Enracinement dans la branche bactérienne (2) LUCA hyperthermophile (Woese 1994 Microbiol Rev) Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) Quelles sont les relations de parenté entre les trois domaines? Questions ouvertes & Grands enjeux des prochaines années Archaea Eucarya Bacteria Présent 3 LECA 2 Les relations de parenté entre les trois domaines LACA 1 LBCA 6 LUCA Temps Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) Une approche naïve Comparer les caractères de chaque domaine Trois scénarios possibles Archaea Archaea Eucarya + Archaea Bacteria Archaea Archaea Bacteria Archaea Bacteria Eucarya Eucarya Bacteria Bacteria Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) Eucarya Archaea Eucarya Bacteria Archaea Archaea Bacteria Bacteria Eucarya Eucarya Eucarya Bacteria Eucarya Archaea Racine Eucarya Eucarya Archaea Archaea Bacteria Bacteria Bacteria Eucarya Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) Archaea Bacteria Archaea D Eucarya Bacteria Eucarya D Phylogénie non racinée Phylogénie non racinée du paralogue 1 du paralogue 2 Eucarya Bacteria Archaea Eucarya Bacteria Archaea Racine dans la branche archée Eucarya Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) Implications évolutives d’une racine dans la branche bactérienne Bacteria Archaea = O C — O — CH2 = O C—O D D Phylogénie non racinée Phylogénie non racinée du paralogue 1 du paralogue 2 Archaea Eucarya Phylogénie non racinée Phylogénie non racinée du paralogue 1 du paralogue 2 Eucarya Archaea Bacteria Eucarya Archaea Bacteria Racine dans la branche bactérienne Eucarya Archaea Bacteria = O Enracinement dans la branche bactérienne C — O — CH2 C—O C H Linear fatty acids O- — D Eucarya Bacteria Eucarya Lipides d’archées D Bacteria Bacteria = Archaea Glycerol-3-phosphate (G3P) = Eucarya H O- — CH2 —— O — P — OOGlycerol-3-phosphate (G3P) D - glycerol CH2 —— O — P — O— Eucarya Bacteria C Ester D - glycerol O- Ester O Bacteria Archaea Bacteria Eucarya Archaea Bacteria Eucarya Racine dans la branche eucaryote Archaea Linear fatty acids Linear fatty acids CH2 —— O — P — O— Archaea O Archaea O- — = H O C — C — O — CH2 C—O O- Ester D - glycerol Glycerol-3-phosphate (G3P) - EF1α/EF2 (Iwabe et al. 1989) - SRP54/SRα (Gribaldo et Cammarano 1998) - ATPase F1-a/F1-b (Iwabe et al. 1989, Gogarten et al. 1989) - Aminoacyl-tRNA synthetases (ILE/VAL/LEU) (Brown & Doolittle 1995) Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) Cet enracinement est-il fiable? S1 S2 S3 S4 S5 S6 S1 S4 S6 S2 S3 S5 Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) Questions ouvertes & Grands enjeux des prochaines années Attraction des longues branches (Felsenstein 1978) (Philippe et Forterre. 1999) B B Artefact causé par les substitutions multiples Racine B Replacer les virus par rapport à l’arbre de la vie B B B A E A A A A A E E E E E ATPase Tyr-RS SRP EF-1α Ile-RS rRNA Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) Les virus: Un quatrième domaine du vivant ? (Raoult, Science 2005) Fusion de 7 protéines universelles Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) Ces gènes ont été acquis par transfert à partir de leur hôte (Moreira et Lopez-Garcia, Science 2005) Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) … ou parasites de l’hôte (concept de réservoir évolutif) Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) Questions relatives aux virus? Les virus ont-ils une ou plusieurs origines (groupe monophylétique ou polyphylétique)? Les virus dérivent-ils de cellules? L’origine des virus est-elle plus ancienne ou plus récente que LUCA? (Moreira & Brochier, BMC Evol Biol 2008) Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) La question de l’origine des eucaryotes Questions ouvertes & Grands enjeux des prochaines années Archaea Eucarya Bacteria Présent 3 LECA 2 La question de l’origine des eucaryotes LACA 1 LBCA 6 LUCA Temps Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) Deux hypothèses sont en compétition Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) Une question au cœur du débat scientifique « La majorité des biologistes font dériver l’organisation plus complexe de la cellule eucaryote d’une organisation plus simple de type procaryote…» (Martin W. Current Opinion in Microbiology 2005) Implique l’existence de 3 domaines primaires Implique l’existence de 2 domaines primaires et d’1 domaine secondaire Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) …mais une absence de consensus Nécessité de développer d’autres approches Questions ouvertes & Grands enjeux des prochaines années Retracer les grandes étapes de la diversification de chacun des trois domaines du vivant Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) Elucider les grandes étapes de la diversification des trois domaines Archaea Eucarya Bacteria Phylogénies basées sur l’ARNr16S (90) Présent Eucarya Cham pign ons Anim aux Plan te s s s/ ile ellé op flag o n n é Di m xés és/ ra ple uges Cili St om c ro lds i Ap u ues Alg e mo eba Slim Entamo ib Am es s Kinetoplastide Euglena Trichomonads Diplomonads LECA Microsporidia Endosymbiose mitochondriale LACA LBCA Archezoa 6 5 LUCA Archaea Temps (Bacteria Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) Lien entre Microsporidia & Fungi Découverte de gènes d’origine mitochondriale chez les Archezoa Trichomonas (Sogin, 1991) Diplomonads Gènes d’origine mitochondriale Sutak, PNAS, 2004, 101:13068-10373 Tovar, Nature, 2003, 426:173-176 IscS, formation des clusters FeS et réparation des protéines FeS Tachezy, MBE, 2001, 18:1919-1928 EF-1α α Proteobacteria Homo WFGGWKVTRKDGNASGTTLL Saccharomyces WYGGWEKETKAGVVKGKTLL Glugea WFKGWKPVSGAGDSI-FTLE Arabidopsis WYKG PTLL Trypanosoma WYKG PILV Plasmodium WYKG RTLI Giardia WYEG PCLI Sulfolobus WYNG PTLE E. coli WEAK LELA Signature fungi, metazoa, microsporidia Trichomonas vaginalis 1 Trichomonads (localisation dans les hydrogénosomes) Trichomonas vaginalis 2 Giardia intestinalis Diplomonads (localisation dans les mitosomes) Trachipleistophora hominis Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) Dip lom o ds hom ona Plan tes Endosymbiose a-proteobacteria ⇒ Mitochondries ⇒ Hydrogénosomes ⇒ Autres organelles ? Tric Ciliés/Dinoflagellés/ Apicomplexés Cham Micropigno ns sporidia Anim aux Nouvelles méthodes d’analyse (XXIème) nad s Fin de l’hypothèse Archezoa (fin 90s) Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) ? s ile op n é ges m rou s s rt a e u uld S A lg mo e ba m i moe Sl Enta Amibes Kinetoplastides Euglena (Delsuc et al. Nat Rev Micro 2005) Archezoa Perte ou transformation des mitochondries en liaison avec un mode de vie parasitaire Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) La phylogénie des eucaryotes revisitée (Baldauf SL 2003 Science; Simpson and Roger 2002 Current Biology) Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) Et pout les autres domaines? (Delsuc et al. Nat Rev Micro 2005) Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) Notre connaissance de la biodiversité actuelle est encore très lacunaire Questions ouvertes & Grands enjeux des prochaines années BACTERIA ARCHAEA Explorer la diversité biologique existante… (Forterre et al. TPB 2002) Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) La naissance de l’écologie moléculaire (90s) (7) Analyses phylogénétiques ARN (1) Extraction de l’ADN (Lopez-Garcia et al. 2002) Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) La diversité microbienne révélée Au sein de groupes déjà connus (ex. Planctomycetales) Par la découverte de nouvelles lignées (ex. Thaumarchaeota, Korarchaeota) RT - PCR (6) Interrogation des banques de données (amorces choisies Ex ARNr 16S) (2) Amplification PCR (5) Séquençage (3) Clonage (4) Sélection des clones positifs & Vérification de la taille des inserts, profils des fragments (ARDRA, RFLP) Analyse phylogénétique des séquences amplifiées => Aperçu « non biaisé » de la diversité en microorganismes présents dans un milieu @purificacion lopez-garcia (Brochier 2001 unpublished) (Schleper Nat Rev Micro 2005) Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) Cerner la diversité virale, un enjeu de taille Hits genbank Connus (278) Objets biologiques les plus courants dans les océans Inconnus (Estimation des populations Inconnus ~1012 particules virales/200L, 104 (783) * (569) * types viraux différents) Rôles majeurs dans les cycles * * biogéochimiques, la diversité microbienne, échanges génétiques Peu d’études de leur diversité (isolation difficile, hôtes souvent Groupes biologiques non cultivables, pas d’éléments génétiques conservés) La majorité des fragments génomiques viraux ne ressemble à rien de connu (Breitbart et al. 2002 PNAS) Connus (304) Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) Genome Encyclopedia of Bacteria and Archaea Séquencer au moins un représentant de chaque groupe taxonomique connu Combler les biais dans notre connaissance des fonctions présentes au sein du monde vivant 95/105 71/95 Familles de phages Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) Questions ouvertes & Grands enjeux des prochaines années Explorer la diversité biologique existante… et comprendre le fonctionnement des écosystèmes… Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) FISH, Chromosome painting… Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) Accéder aux fonctions biologiques Utilisation de sondes oligonucléotidiques avec un marquage fluorescent dirigées contre l’ARNr (1989) ⇒ Permet l’identification de cellules individuelles et de la structure/organisation des communautés Exploration des répertoires géniques des micro-organismes au sein des écosystèmes Séquençage de larges fragments d’ADN Échantillon Extraction de l’ADN SEQUENCAGE D’INSERTS (plusieurs Mb) * Structure du génome - Distribution, densité des gènes, Introns, opérons… * Analyse des gènes présents - Analyse phylogénétiques (Diversité) - Détection des transferts horizontaux (Evolution) - Gènes du métabolisme (Culture, écologie) Banque génomique Clonage direct (BACs, Cosmides, Fosmides) Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) Découverte de nouveaux métabolismes: un nouveau type de phototrophie dans la mer γ-proteobacteria Béjà et al. Science (2000) Halorhodopsines (Pompe ions Cl-, Halophiles) 7 segments transmembranaires Fonctionne comme une pompe à H+ Bacteriorhodopsines (Pompe H+, Halophiles) Bactérie proche du groupe SAR86 Coloration rouge des E. coli exprimant le gène. Ajout de retinal => pic d’absorption détecté à Récepteurs photosensibles, Halophiles 520 nm CRIBLAGE Activité spécifiques Gènes spécifiques EXPRESSION DE GENES D’INTERETS Séquençage + étude Sous-clonage Amélioration de l’expression Applications biotechnologiques (@purificacion lopez-garcia) Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) Découverte d’archaea nitrifiantes (2005) Archaea (AmoA) (Schleper & Nicols 2010) BetaP (AmoA) AlphaP (PmoA) GammaP (PmoA) Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) Séquençage & assemblage de génomes complets directement à partir de l’environnement A. Biofilm rose dans la mine de Richmond mine B. FISH : Sonde: verte = bactéries, bleu = archébactéries, rouge = genre Leptospirillum. (recouvrement vert + rouge = jaune => dominance des cellules de Leptospirillum) C. Abondance relative basée sur le FISH GammaP (AmoA/PmoA) Verrucomicrobia (PmoA) (Schleper AEM 2005) Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) Analyse de la diversité & dynamique des populations de Ferroplasma (Tyson et al., Nature, 2004) Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) Analyse fonctionnelle des écosystèmes A. Biofilm rose dans la mine de Richmond mine B. FISH : Sonde: verte = bactéries, bleu = archébactéries, rouge = genre Leptospirillum. (recouvrement vert + rouge = jaune => dominance des cellules de Leptospirillum) C. Abondance relative basée sur le FISH (Tyson et al., Nature, 2004) (Tyson et al., Nature, 2004) Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) Single cell genome sequencing Questions ouvertes & Grands enjeux des prochaines années Replacer l’histoire de la vie dans un contexte temporal absolu Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet Temps 2011) (109 années) Eucaryotes multicellulaires (-1) Plus anciens fossiles eucaryotes (-1.8/-1.5) PALEOZOIC Bombardement tardif (-4.1/-3.8) Formation de la terre 1.0 Lectures conseillées 1.5 2.0 2.5 ARCHAEAN Traces de vie ambigües (Gargaud et al. From sun to life Springer 2006) Plus vieilles roches terrestres (-4.0) 0.5 3.0 HADEAN Oxygénéisation de l’atmosphère (-2.3) Plus anciennes traces de vie non ambiguës (-2.7) + Hopanes (Cyano) et stéranes (Euca) 0 MESOZOIC PROTEROZOIC Explosion cambrienne (Faune d’EDIACARA -0.52) CENOZOIC PRECAMBRIAN Replacer l’histoire de la vie dans un contexte chronologique Phylogénie et diversité des microorganismes (Céline Brochier-Armanet 2011) 4.0 3.5 4.5 Forterre, Gribaldo, Brochier Medecine Science 2005 Bertrand JC, Brochier C, Gouy M, Westall F. “Pendant trois milliards d'années les microorganismes sont les seuls habitants de la terre” Ecologie Microbienne : Microbiologie des Milieux Naturels et Anthropisés. (Presses universitaires de Pau, Eds Bertrand JC, Caumette P, Lebaron P, Normand P) 2011 (à paraître) Brochier-Armanet C. “ Minimal cell: the biologist point of view” Origin of life (Cambridge University Press, Eds Gargaud M, Lopez-Garcia P, Martin H) 2010;26-46 Forterre P, Gribaldo S, Brochier C. “LUCA: the last universal common ancestor” Med Sci (Paris). 2005;21(10):860-865 Thomas, Lefèvre, Raymond "Biologie évolutive" Editions de boeck (2010)
