Microorganismes, endosymbiose Biodiversité Emmanuel Drouet UE4 Rappels I. Théorie synthétique de l’évolution A. La génétique Mendélienne B. La sélection naturelle II. Théorie symbiotique de l’évolution A. Théorie endosymbiotique pour les bactéries B. Théorie endosymbiotique pour les virus • • • • Principe général Notion de Virus endogène Notion de Virus exogène exemples I. Théorie synthétique de l’évolution (G Mendel 1822-1884) A. La génétique Mendélienne: • Les mutations : – Délétion (perte) – Addition (gain) – Substitution (modification) • Faux sens : changement d’acide aminé (effet ou non) • Non sens : codon stop protéine plus courte et en général non fonctionnelle. I. Théorie synthétique de l’évolution A. La génétique Mendélienne • Les mutations: – Rares, spontanées et aléatoires – Lignée germinale : impact sur l’évolution – Délétère pour l’organisme mais pas toujours. I. Théorie synthétique de l’évolution A. La génétique Mendélienne • La dérive génétique – Modification fréquente d’un allèle au sein d’une population sans tenir compte des mutations ou de la sélection naturelle. Phénomènes aléatoires et imprévisibles – • – Rencontre du spermatozoïde et de l’ovule. Deux populations sans échanges génétiques vont pouvoir former deux espèces différentes si le temps d’isolement génétique est assez long. I. Théorie synthétique de l’évolution A. La génétique Mendélienne • Le brassage génétique: 1. Brassage interchromosomique – Ségrégation indépendante des gènes I. Théorie synthétique de l’évolution A. La génétique Mendélienne • Le brassage génétique: 2. Brassage intrachromosomique – Crossing-over lors de la prophase Théorie synthétique de l’évolution (C Darwin 1809-1882) B. La sélection naturelle • Capacité d’une espèce à survivre à son environnement (T°/maladies…) • Mais aussi aux mutations que l’espèce peut rencontrer. • Trait génétique bénéfique dans la population • Mutation délétère disparition de l’espèce. II. Théorie symbiotique de l’évolution • Symbiose : facteur clé de l’évolution des espèces • Théorie de Darwin incomplète selon certains chercheurs • Association de différents organismes avantages • l'endosymbiose = le symbiote est situé dans l'espace intercellulaire, intracellulaire ( intra vacuolaire ou libre dans le cytoplasme) • Les Pluricellulaires proviendraient de l’assemblage permanent de monocellulaires qui se sont spécialisés • Cellule eucaryote origine : procaryote ? II. Théorie symbiotique de l’évolution • Virus • Bactéries II.A. Théorie endosymbiotique (virus) • Virus : – « Chaînon manquant » dans l’évolution – Notion de virus endogènes & exogènes – Notion de EVEs (Endogenous Viral elements) – Paradigme des rétrovirus Cycle de multiplication d’un rétrovirus LTR LTR Exemples des rétrovirus (mécanismes d’endogénisation) RV Exogène RV Endogène (transmission mendélienne à la descendance Formation et Evolution des rétrovirus endogènes • Les génomes eucaryotes sont envahis par un nombre très important de « parasites génétiques » • Ces éléments sont de quatre types – – – – Transposons ADN Rétrotransposons sans LTR Rétrotransposons avec LTR Rétrovirus endogènes (ERV ou endogenous retroviruses) Eléments mobiles chez les mammifères • Eléments mobiles – ERV – Rétrotransposons sans LTR (LINE et SINE) 2 types de transposition: – Excision/réinsertion d’élément d’ADN – ARN « rétro »-transcrit en ADN/réinsertion Eléments transposables • Notion de LINE et SINE (= Long et Short Interspersed Nuclear Element) – Éléments « abîmés » du virus originel – Éléments mobiles de l’ADN capable de se multiplier – ARN rétrotranscrit en ADN (au lieu d’être traduit par les ribosomes) – S’intercale dans le génome – Activation ou inactivation de certains gènes peut être à l’origine de cancers? Liste exhaustive des EVEs connus 2012 (Endogenous Viral elements) Other viruses embedded! • Ebola/marburg viruses and Bornavirus (hemorragic fevers and neurological diseases) in human and vertebrates • These integrations are “genomic vaccinations” • Viral sequences have been detected in human tissues, which supports the possibility that they are biologically active in host species. EVEs (Virus “fossiles”) • Il ‘y a pas que les rétrovirus endogènes (HERV) intégrés dans le génome • Hypothèse d’une intégration permanente d’éléments viraux dans le génome de l’hôte durant l’évolution • Perte de l’infectivité mais gain d’ « immortalité » transmission de génération en génération. – 1ère étape : forte invasion – 2ème étape : symbiose avec les espèces ayant su survivre à l’infection – Intégration dans le génome lignée germinale • Les HERVs gardent leur structure virale avec séquences répétitives aux extrémités Endogenous viral elements (EVEs) • The most popular EVEs are the retroviruses From Feschotte & Gibert, Nature Reviews Genetics, April 2012 Co-évolution EVEs/hôte From Feschotte & Gibert, Nature Reviews Genetics, April 2012 Les rétrovirus endogènes comme modèle de co-évolution • • • Mis en évidence depuis le séquençage du génome humain, (8 %, avec environ 98 000 éléments et fragments) Les HERV sont classés en trois classes et plusieurs sous-groupes : • classe I : apparentée aux gammarétrovirus • classe II : apparentée aux bétarétrovirus • classe III : apparentée aux spumavirus Les rétrovirus des classes I et III sont plus anciens que ceux de la classe II, qui se seraient intégrés au génome du genre Homo il y a environ cinq millions d'années. Macroévolution des HERVs HERVs et induction des syncytia • Syncytium : Région de cytoplasme contenant plusieurs noyaux • Fusion de plusieurs cellules • Retrouvés dans muscle, cristallin, phagocytes, placenta • Rôle dans les neurones ? • Gène des syncytium appartiendrait à l’origine au génome des rétrovirus (La Syncytine) HERVs et formation de syncytia La plupart des rétrovirus endogènes sont inactifs, en raison d’altérations génétiques, ou de la répression de leur expression par différents systèmes de contrôle développés par la cellule. Quelques rares éléments sont cependant toujours capables de produire des protéines d’origine rétrovirale. Parmi celles-ci, on trouve des protéines d’enveloppe exprimées à la surface de certaines cellules et qui ont gardé une des propriétés canoniques de leur ancêtre « rétrovirus », à savoir la capacité à faire fusionner deux membranes lipidiques entre elles: LA SYNCYTINE The endogenous Viruses are fundamental players in the history of life Role of the HERV (HERV-W, -FRD, -F) in the placentation Syncytium du placenta • Syncytium du placenta = syncytiotrophoblaste • Echange sang maternel / sang fœtal • Formation grâce à la protéine « Syncytin » donc les gènes sont d’origine rétrovirale (gène de fusion de membrane) • Si gènes invalidés, grossesse non viable 3 réticulum extra-embryonnaire 4 membrane de Heuser 5 cavité amniotique 6 cytotrophoblaste 7 syncytiotrophoblaste 8 lac sanguin Expression des HERVs? • La plupart des rétrovirus endogènes (HERVs) sont inactifs, en raison d’altérations génétiques, ou de la répression de leur expression par différents systèmes de contrôle développés par la cellule. • Quelques rares éléments sont cependant toujours capables de produire des protéines d’origine rétrovirale. – Parmi celles-ci, on trouve des protéines d’enveloppe exprimées à la surface de certaines cellules et qui ont gardé une des propriétés canoniques de leur ancêtre « rétrovirus », à savoir la capacité à faire fusionner deux membranes lipidiques entre elles: LA SYNCYTINE Endogénisation du KoRV (diminution de l’efficacité de bourgeonnement des particules virales) Conclusions (1) +++ ++++++ + ++++ L'épigénétique est le domaine qui étudie comment l'environnement et l'histoire individuelle influent sur l'expression des gènes, et plus précisément l'ensemble des modifications transmissibles d’une génération à l’autre et REVERSIBLES de l'expression génique, SANS altération des séquences nucléotidiques (cf images plus loin) Epigénétique “The coming epiphany” Virus exogènes et symbiose Quelques exemples Virus exogènes 1 Ecureuils & primates • Pas d’intégration au génome • Dans les tissus utilisation de la machinerie cellulaire pour exprimer ces gènes • Reste infectant même durant la symbiose • Attaque (« plague culling ») puis symbiose • Semi résidence du virus protection contre le système immunitaire de l’hôte • Hôte: arme contre des espèces apparentées non immunisées • Ex de la variole des écureuils • Ex des gibbons et primates par rapport au virus « Herpes B» Exemple 2 des guêpes braconides • Guêpes braconides en symbiose obligatoire avec des Polydnavirus qui ont intégré leur génome à celui de la guêpe. • Injection de particules virales avec l’œuf chez la chenille => neutralise les défenses immunitaires • Polydnavirus = vecteur de certains gènes de la guêpe ? • Cela pourrait donner de nouvelles pistes médicales (thérapie génique) Exemple des guêpes braconides - Guêpes parasitoides, H. didymator fait appel, pour pouvoir se développer dans la chenille, à un virus symbionte de la famille des polydnavirus. - Ce virus est produit dans les ovaires de la guêpe femelle où il est stocké - La guêpe femelle pond un œuf dans la chenille, des particules virales sont injectées. - Dans la chenille, les particules virales infectent de nombreux tissus et des gènes viraux sont exprimés. - Les protéines virales ainsi produites agissent à différents niveaux de la physiologie de la chenille, de façon à modifier cette physiologie de façon avantageuse pour le parasitoide. - Le virus est indispensable au développement de la guêpe à l’intérieur de la chenille: Inhibition de la réponse immunitaire de défense (normalement déclenchée suite à la détection du corps étranger qu’est l’œuf parasite) et la perturbation de son développement larvaire. Exemple 3 » : champignon • Champignon Curvularia + plante => ne résistent pas à la chaleur • Champignon infecté par le virus « Curvularia thermal tolerance » + plante => résistent à la chaleur (40 °C) • Mécanisme inconnu mais qui a été conservé dans le règne végétal Exemple 4 : Virus bactériophage • Multiplication après lyse bactérienne: Épidémie de choléra au Bangladesh stoppée par une épidémie de virus bactériophage • Peut être responsable de diffusion résistance aux antibiotiques transduction • Bactérie infectante si infectée par phage Ex : Corynebacterium diphtheriae