La diversité des génomes et l`arbre de vie
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Cellules et Génomes Œuf de grenouille Xenopus laevis Plan I - Caractéristiques communes universelles à toutes les cellules II - Diversité des cellules III - Tentative de compréhension cohérente de toutes les formes de vie à partir du code commun à tous les organismes vivants 2 II - La diversité des génomes et l'arbre de vie • ADN, ARN, Protéines se retrouvent – les océans, les continents, la croûte terrestre – le fond des océans, les volcans, l'antartic, en général microscopique – la richesse en O2, le charbon, le pétrole, les falaises, les mines… en résultent • On n'est pas habitué à ce monde • Beaucoup de points communs (cf. I) • Essai de catalogue et de hiérarchisation de la diversité 3 Les différentes sources d'énergie libre des cellules • Organotrophiques – aux dépends d'autre organismes vivants ou de leurs produits (animaux, champignons, bactéries… ) • Non organotrophiques : aux dépends du monde non vivant – phototrophique : énergie lumineuse • bactéries, algues, plantes, • produisent de l'oxygène – lithotrophique : environnement chimique inorganique (peu visibles sur la planète) • aérobiques • anaérobiques – fournissent l'énergie aux organotrophiques 4 Les cheminées hydrothermiques • Exemple le plus frappant de site de litho trophes sans oxygène • Fond du Pacifique et de l'Atlantique – palourdes, moules, verts marins géants 5 • Géologie d'une cheminée hydrothermique au fond de l'océan Fig 1-15 6 http://www.pmel.noaa.gov/v ents/chemistry/image.html 7 • Pipe Organ vent chimney cluster on the Northern Cleft segment of Juan de Fuca Ridge during ALVIN dive number 2437 in 1991. Photo from the ALVIN bow camera http://www.pmel.noaa.gov/v ents/chemistry/image.html 8 • Black smoker vents on Monolith chimney at Northern Cleft in 1991 http://www.pmel.noaa.gov/v ents/chemistry/image.html 9 • Marker 6 at Tripod diffuse vent (maximum temperature 60°C) on Northern Cleft Segment in 1988. Bright white bacterial mats line cracks in basaltic sheet flow. Vent fluids were below seawater chlorinity 1988 http://www.pmel.noaa.gov/v ents/chemistry/image.html 10 Vent fluid chemistry changed dramatically from 1988 to 1990 1992 http://www.pmel.noaa.gov/v ents/chemistry/image.html 11 A lobe of pillow basalt collected from the CoAxial segment lava flow that occurred in June/July 1993. This sample was collected from ALVIN in October 1993, and shows red/orange iron-rich alteration where the glass has broken away. Halite (NaCl) crusts were seen on cavity surfaces of similar samples http://www.pmel.noaa.gov/v ents/chemistry/image.html 12 Multiple black smoker vents at the "RM29" site at 18°10'S on the Southern East Pacific Rise. Photo taken in November 1994 from the Japanese submersible Shinkai 6500 http://www.pmel.noaa.gov/v ents/chemistry/image.html 13 • Organismes vivants aux abords d'une cheminée hydrothermique Fig 1-16 14 Viperfish Viperfish 15 Certaines cellules fixent du -N et CO2 pour d'autres • Une cellule a besoin de 6 éléments : H, C, O, N, S, P. • Dans l'atmosphère il y a beaucoup de N2 et CO2 mais aréactifs • Nous utilisons les plantes pour nous fournir du -C et du -N utilisable • Les plantes dépendent de bactéries • Grosses différences dans le mode d'utilisation des composants biochimiques • Parfois même il y a fusion totale 16 Procaryotes, modèles de diversité biochimique • Eucaryotes – présence de noyau – plantes, champignons, animaux • Procaryotes – absence de noyau – bactéries – petits, simples et le plus souvent unicellulaires 17 • Forme et taille de quelques bactéries Fig 1-17 18 • Vibrio cholerae (bactérie) – paroi épaisse – pas grand chose en ME Fig 1-18(A) 19 • Escherichia Coli (comme Vibrio cholerae mais sans flagelle) Fig 1-18(B) 20 Les procaryotes • Grande variété de niches écologiques • Grandes potentialités biochimiques • Organotrophiques tout type de nourriture • Phototrophiques : – fournissent de l'O2 au passage ou non – eg : Anabaena cylindrica 21 • Anabaena cylindrica bactérie phototrophe en microscopie optique. • Les cellules forment un long filament multi cellulaire – V photosynthèse – H fixation de l'azote – S se développe en spores Fig 1-19 22 Fig 1-20 • Beggiatoa Bactérie lithotrophe • Prend son énergie en oxydant H2S • Peut fixer le carbone dans le noir • Dépôts jaunes de sulfure dans la cellule 23 Beggiatoa Bactérie 24 Le monde procaryote • Complètement inexploré • Pas cultivable avec les milieux traditionnels de la bactériologie • 99% sont inconnus 25 Les trois embranchements du monde vivant • Classification morphologique – poisson, ver, aubépine, pommier, • ancêtre commun arbre • Insuffisance de la morphologie • classification biochimique des procaryotes • classification génomique : précis • deux groupes chez les procaryotes – bactéries (=eubactéries) – archae (=archaebactéries) 26 • Les trois grands domaines du monde vivant Fig 1-21 27 Archae (= archaebactéries) • Au départ – environnements (marécages, fermes, océans, lacs salés, pluies acides… ) • Actuellement – beaucoup dans des sites communs – ressemblent beaucoup aux eucaryotes (réplication, transcription, traduction… ) – ressemblent beaucoup aux eubactéries (métabolisme, énergie… ) 28 Évolution du génome • Mutations – Mieux rare sera perpétué – Pas de différence probable sélection naturelle (sera perpétuée ou pas) – Grave lésion fréquent pas de descendance • Au total – l'organisme évolue – survie en fonction de l'environnement – reproduction satisfaisante 29 Évolution du génome • ADN non codant sans rôle régulateur modifications libres • ADN codant pour une protéine essentielle la cellule mutante est éliminée le gène est conservé dans son état initial • On retrouve les gènes conservés dans toutes les espèces • On utilise ces gènes pour suivre les espèces 30 • Un exemple : gène 16S d'ARN ribosomal (1500 nucléotides) • Conservation de l'information génétique depuis le début de la vie Fig 1-22 Methanococcus jannashii : archaea 31 Les génomes connus • Bactéries et archae – petite taille (augmentation du rapport surface/volume ingestion des nutriments augmentée) – peu de superflu – génome entre 1 et 10 millions de pb – 1000 à 4000 gènes • Par comparaison on recherche l'ancêtre commun 32 • Génomes ayant été totalement séquencés – Eubactéries Table I-1 33 • Génomes ayant été totalement séquencés – Archae Table I-1 34 • Génomes ayant été totalement séquencés – Eucaryotes Table I-1 http://www.genomesonline.org/ 35 http://www.genomesonline.org 36 http://www.genomesonline.org 37 http://www.genomesonline.org 38 http://www.genomesonline.org 39 http://www.genomesonline.org 40 Complete List of Organims Aeropyrum pernix Agrobacterium tumefaciens Anabaena Anopheles gambiae Apis mellifera Aquifex aeolicus Arabidopsis thaliana Archaeoglobus fulgidus Ashbya gossypii Bacillus anthracis Bacillus cereus Bacillus halodurans Bacillus licheniformis Bacillus subtilis Bacteroides fragilis Bacteroides thetaiotaomicron Bartonella henselae Bartonella quintana Bdellovibrio bacteriovorus Bifidobacterium longum Blochmannia floridanus Bordetella bronchiseptica Bordetella parapertussis Bordetella pertussis Borrelia burgdorferi Bradyrhizobium japonicum Brucella melitensis Brucella suis Buchnera aphidicola Burkholderia mallei Burkholderia pseudomallei Caenorhabditis briggsae Caenorhabditis elegans Campylobacter jejuni Candida glabrata Canis familiaris Caulobacter crescentus Chlamydia muridarum Chlamydia trachomatis Chlamydophila caviae Chlamydophila pneumoniae Chlorobium tepidum Chromobacterium violaceum Ciona intestinalis Clostridium acetobutylicum Clostridium perfringens Gallus gallus Geobacter sulfurreducens Gloeobacter violaceus Guillardia theta Haemophilus ducreyi Haemophilus influenzae Halobacterium Helicobacter hepaticus Helicobacter pylori Homo sapiens Kluyveromyces waltii Lactobacillus johnsonii Lactobacillus plantarum Legionella pneumophila Leifsonia xyli Lactococcus lactis Leptospira interrogans Listeria innocua Listeria monocytogenes Magnaporthe grisea Mannheimia succiniciproducens Mesoplasma florum Mesorhizobium loti Methanobacterium thermoautotrophicum Methanococcoides burtonii Methanococcus jannaschii Methanococcus maripaludis Methanogenium frigidum Methanopyrus kandleri Methanosarcina acetivorans Methanosarcina mazei Methylococcus capsulatus Mus musculus Mycobacterium bovis Mycobacterium leprae Mycobacterium paratuberculosis Mycobacterium tuberculosis Mycoplasma gallisepticum Mycoplasma genitalium Mycoplasma mycoides Mycoplasma penetrans Mycoplasma pneumoniae Mycoplasma pulmonis Mycoplasma mobile Nanoarchaeum equitans Neisseria meningitidis Neurospora crassa Nitrosomonas europaea Protochlamydia amoebophila Pseudomonas aeruginosa Pseudomonas putida Pseudomonas syringae Pyrobaculum aerophilum Pyrococcus abyssi Pyrococcus furiosus Pyrococcus horikoshii Pyrolobus fumarii Ralstonia solanacearum Rattus norvegicus Rhodopirellula baltica Rhodopseudomonas palustris Rickettsia conorii Rickettsia typhi Rickettsia prowazekii Rickettsia sibirica Saccharomyces cerevisiae Saccharopolyspora erythraea Salmonella enterica Salmonella typhimurium Schizosaccharomyces pombe Shewanella oneidensis Shigella flexneria Sinorhizobium meliloti Staphylococcus aureus Staphylococcus epidermidis Streptococcus agalactiae Streptococcus mutans Streptococcus pneumoniae Streptococcus pyogenes Streptococcus thermophilus Streptomyces avermitilis Streptomyces coelicolor Sulfolobus solfataricus Sulfolobus tokodaii Synechococcus Synechocystis Takifugu rubripes Tetraodon nigroviridis Thalassiosira pseudonana Thermoanaerobacter tengcongensis Thermoplasma acidophilum Thermoplasma volcanium Thermosynechococcus elongatus Thermotagoa maritima Thermus thermophilus Treponema denticola 41 Treponema pallidum Complete List of Organims Aeropyrum pernix Agrobacterium tumefaciens Anabaena Anopheles gambiae Apis mellifera Aquifex aeolicus Arabidopsis thaliana Archaeoglobus fulgidus Ashbya gossypii Bacillus anthracis Bacillus cereus Bacillus halodurans Bacillus licheniformis Bacillus subtilis Bacteroides fragilis Bacteroides thetaiotaomicron Bartonella henselae Bartonella quintana Bdellovibrio bacteriovorus Bifidobacterium longum Blochmannia floridanus Bordetella bronchiseptica Bordetella parapertussis Bordetella pertussis Borrelia burgdorferi Bradyrhizobium japonicum Brucella melitensis Brucella suis Buchnera aphidicola Burkholderia mallei Burkholderia pseudomallei Caenorhabditis briggsae Caenorhabditis elegans Campylobacter jejuni Candida glabrata Canis familiaris Caulobacter crescentus Chlamydia muridarum Chlamydia trachomatis Chlamydophila caviae Chlamydophila pneumoniae Chlorobium tepidum Chromobacterium violaceum Ciona intestinalis Clostridium acetobutylicum Clostridium perfringens Clostridium tetani Corynebacterium diphtheriae Corynebacterium efficiens Coxiella burnetii Cryptosporidium hominis Cryptosporidium parvum Cyanidioschyzon merolae Debaryomyces hansenii Deinococcus radiodurans Desulfotalea psychrophila Desulfovibrio vulgaris Drosophila melanogaster Encephalitozoon cuniculi Enterococcus faecalis Erwinia carotovora Escherichia coli Fusobacterium nucleatum Gallus gallus Geobacter sulfurreducens Gloeobacter violaceus Guillardia theta Haemophilus ducreyi Haemophilus influenzae Halobacterium Helicobacter hepaticus Helicobacter pylori Homo sapiens Kluyveromyces waltii Lactobacillus johnsonii Lactobacillus plantarum Legionella pneumophila Leifsonia xyli Lactococcus lactis Leptospira interrogans Listeria innocua Listeria monocytogenes Magnaporthe grisea Mannheimia succiniciproducens Mesoplasma florum Mesorhizobium loti Methanobacterium thermoautotrophicum Methanococcoides burtonii Methanococcus jannaschii Methanococcus maripaludis Methanogenium frigidum Methanopyrus kandleri Methanosarcina acetivorans Methanosarcina mazei Methylococcus capsulatus Mus musculus Mycobacterium bovis Mycobacterium leprae Mycobacterium paratuberculosis Mycobacterium tuberculosis Mycoplasma gallisepticum Mycoplasma genitalium Mycoplasma mycoides Mycoplasma penetrans Mycoplasma pneumoniae Mycoplasma pulmonis Mycoplasma mobile Nanoarchaeum equitans Neisseria meningitidis Neurospora crassa Nitrosomonas europaea Nocardia farcinica Oceanobacillus iheyensis Onions yellows phytoplasma Oryza sativa Pan troglodytes Pasteurella multocida Phanerochaete chrysosporium Photorhabdus luminescens Picrophilus torridus Plasmodium falciparum Plasmodium yoelii yoelii Populus trichocarpa Porphyromonas gingivalis Prochlorococcus marinus Propionibacterium acnes Protochlamydia amoebophila Pseudomonas aeruginosa Pseudomonas putida Pseudomonas syringae Pyrobaculum aerophilum Pyrococcus abyssi Pyrococcus furiosus Pyrococcus horikoshii Pyrolobus fumarii Ralstonia solanacearum Rattus norvegicus Rhodopirellula baltica Rhodopseudomonas palustris Rickettsia conorii Rickettsia typhi Rickettsia prowazekii Rickettsia sibirica Saccharomyces cerevisiae Saccharopolyspora erythraea Salmonella enterica Salmonella typhimurium Schizosaccharomyces pombe Shewanella oneidensis Shigella flexneria Sinorhizobium meliloti Staphylococcus aureus Staphylococcus epidermidis Streptococcus agalactiae Streptococcus mutans Streptococcus pneumoniae Streptococcus pyogenes Streptococcus thermophilus Streptomyces avermitilis Streptomyces coelicolor Sulfolobus solfataricus Sulfolobus tokodaii Synechococcus Synechocystis Takifugu rubripes Tetraodon nigroviridis Thalassiosira pseudonana Thermoanaerobacter tengcongensis Thermoplasma acidophilum Thermoplasma volcanium Thermosynechococcus elongatus Thermotagoa maritima Thermus thermophilus Treponema denticola Treponema pallidum Tropheryma whipplei Ureaplasma urealyticum Vibrio cholerae Vibrio parahaemolyticus Vibrio vulnificus Wigglesworthia glossinidia Wolbachia pipientis Wolinella succinogenes Xanthomonas axonopodis Xanthomonas campestris Xylella fastidiosa Yarrowia lipolytica Yersinia pseudotuberculosis Yersinia pestis 42 • 3 sur 4 modes d'innovation génétique pour générer de nouveaux gènes (mais toujours à partir de gènes préexistants) Fig 1-23(part1) 43 • 4 sur 4 mode d'innovation génétique Fig 1-23(Part2) 44 Exemple : hémoglobine • Les 7 gènes d'hémoglobine sont des paralogues : , , , , , , . Dans un même organisme • Peuvent évoluer dans deux espèces différentes orthologues • Sont homologues aux myoglobines 49 Un exemple de famille complexe de gènes homologues Hémoglobine, myoglobine, globines, (humain, poulet, requin, drosophile Fig 1-26 50 Transferts de gènes entre organismes • Bactériophage – se répliquent dans une cellule – sortent avec une enveloppe – entrent dans une autre cellule • fragment d'ADN libre (plasmide) ou • s'incorpore dans le génome de l'hôte – peuvent prendre de l'ADN et le transférer d'une cellule à une autre • fréquent chez les eucaryotes • commun entre des cellules eucaryotes de la même espèce 51 Application du transfert de gènes à l'évolution • Transfert horizontal entre cellules eucaryotes de différentes espèces : très rare • Transfert horizontal entre cellules procaryotes de différentes espèces : fréquent. Grande capacité d'absorption d'ADN étranger. (résistance aux antibiotiques ou production de toxine ou infections 52 nosocomiales) • Transfert d'ADN viral d'une cellule à une autre – (A) bactériophage T4 – (B) bactérie avec un bactériophage à sa surface. Tête de T4 en cours d'assemblage Fig 1-27 53 Échanges horizontaux d'information génétique • Naissance des Trois embranchements à partir d'une communauté primordiale de gènes qui ont été échangés 54 • Transfert horizontal de gènes au cours de l'évolution Fig 1-28 55 Reproduction sexuée : un exemple moderne de transfert horizontal de gènes • A l'intérieur d'une même espèce • Phénomène très répandu • Avantage sélectif 56 Intérêt des familles de gènes • Historique (évolution) • Fonction d'un gène nouveau par la recherche des homologues • Connaissance d'un organisme simplement en analysant son génome 57 Exemple : Mycobacterium tuberculosis • Provoque la tuberculose • Très difficile à étudier au laboratoire • Son génome : 4 411 429 pb et environ 4000 gènes (1998) • 40% des gènes étaient déjà connus • 44% similitude avec des gènes connus • 16% seulement étaient inconnus • Beaucoup de gènes du métabolisme des lipides ( manteau résistant au système immunitaire) 58 Exemple : Bacillus subtilis • Presque la moitié des gènes ont des séquences proches de celles de M. tuberculosis 59 Les gènes communs aux 3 embranchements • Difficile – perte de gènes – transfert horizontal • Comparaison de – 18 bactéries 2264 familles de gènes – 6 archae codant pour des protéines – 1 eucaryote – 76 familles sont ubiquitaires en fait en étant moins restrictif – 239 familles de gènes conservés 60 Table II-2 • Nombre de familles de gènes classés par fonctions communes aux trois domaines du monde vivant 61 Méthodes d'approche de la fonction d'un gène • Génétique • Biochimie • Mutants • Création de mutations dans des sites spécifiques (conservés par exemple) • Construction de gènes hybrides • En fait conjonction de plusieurs approches • Intégrer dans l'organisme entier 62 • Fonction d'un gène révélée par un phénotype mutant Fig 1-29 normal Saccharomyces pombe mutant 63 Challenge du biologiste • Séquencer un gène : c'est fini • Caractérisation fonctionnelle : nouveau 64 Le cas particuler de Escherichia coli • Modèles "choisi" par les biologistes • Vit dans l'intestin de l'homme • Facile à cultiver • Une seule molécule d'ADN circulaire • 4 639 221 pb • Environ 4 300 protéines différentes http://www.genomenewsnetwork.org/resources/s equenced_genomes/genome_guide_p1a.shtml 65 Génome d'E. Coli Fig 1-30 66
