Evolution des génomes chez les micro

Evolution des génomes
chez les micro-organismes
Philippe Thomen
Laboratoire Pierre Aigrain
Ecole Normale Supérieure
”There is grandeur in this view of life, with its several powers, having been originally breathed into a few forms
or into one; and that, whilst this planet has gone cycling on according to the fixed law of gravity, from so simple
a beginning endless forms most beautiful and most wonderful have been, and are being, evolved. ” C. Darwin
Evolution des génomes
chez les microorganismes

1. Introduction

Qu'est-ce que l'évolution ?

Qu'est-ce qu'un microorganisme ?

Pourquoi étudier l'évolution des microorganismes ?

2. Les bases moléculaires de l'évolution

3. Les mécanismes de l'évolution

4. Expériences de ”paléontologie expérimentale”
1. Qu'est ce que l'évolution ?

J.-B. Lamarck invente le terme biologie. Il propose le premier une théorie de
l'évolution des êtres vivants dans Philosophie zoologique en 1809. Il est le
premier à théoriser la transformation des espèces (transformisme). Pour certains,
il est injustement déconsidéré, notamment parce qu'on l'associe à la
transmission des caractères acquis (voir : épigénétique).
En savoir plus sur Lamarck :
http://www.lamarck.cnrs.fr/index.php?lang=fr
1. Qu'est ce que l'évolution ?
C. Darwin publie L’origine des espèces en
1859.
Darwin ne parle pas d'évolution mais de
théorie de la descendance, modifiée par la
variation et par la sélection naturelle.
Sa théorie repose sur : les variations
aléatoires que subissent chaque individus
d'une population, la sélection naturelle, et
l'héritabilité des caractères.
Les arguments reposent sur ces observations
faites lors de son voyage de 5 ans autour du
monde (sur le Beagle) et en Angleterre sur les
animaux domestiques et les plantes, mais
également sur les archives fossiles, la
géologie et la distribution géographique des
animaux.
Dans un monde fini, les ressources sont
limitées, la croissance des populations l'est
donc aussi, ce qui oblige une compétition.
Un écosystème résulte d'un équilibre entre
toutes les contraintes de survie de chaque
espèces vivantes le composant.
1. Définitions



Génome : ensemble des molécules d'acides nucléiques
vecteurs d'information héréditaire. Sous forme d'une ou
plusieurs molécules d'ADN (d'ARN pour certains virus).
Génotype : ensemble du matériel génétique porté par un
individu et qui constitue son patrimoine héréditaire.
Phénotype : désigne l'aspect extérieur de l'individu conditionné
par son génotype et l'action du milieu ; ensemble des
caractères apparents d'un individu, qui correspondent à la fois à
la partie exprimée du génotype et à des phénomènes
déterminés par le milieu extérieur.
1. L'évolution, un processus lent
Formation de la Terre :
-4,6 milliards d'années
-4,5
-4
-3,5
-3
Première forme de vie
(Cyanobactéries) :
-3,5 milliards d'années
Eucaryotes
Premières
formes d'anatomies
unicellulaires
préfigurant les grands groupes
d'animaux actuels (Explosion du
cambrien) : -550 millions d'années
-2,5
-2
-1,5
-1
Naissance des
dinosaures
Premiers primates : -55 millions d'années
Premiers H. Sapiens : -200 000 ans
-0,5
0
Mort des
dinosaures
1. L'évolution ”buissonante”



L'évolution n'a pas de direction pré-déterminée (le terme évolution est
lui-même mal choisi).
L'évolution n'est pas linéaire.
Le ”progrès” (notion difficile à définir) n'est pas une condition
nécessaire à l'évolution. Ce n'est pas non plus une garantie de survie
(par exemple, les bactéries sont bien plus aptes à la survie que
n'importe quel mammifère)
1. L'évolution ”buissonante”

Le seul schéma de l'Origine des Espèces :
1. L'évolution ”buissonante”
1. L'évolution ”buissonante”
1. Arbre phylogénétique de la vie
1. Qu'est-ce qu'un microorganisme ?
Un organisme de petite taille....


Les bactéries : microorganismes constitués d'un seul chromosome
composé d'ADN libre dans le cytoplasme, d'une membrane plasmique
doublée d'une paroi rigide, et qui se reproduit par simple division.
Procaryotes unicellulaires.
Les archéobactéries : groupe d'organismes procaryotes vivant dans des
milieux inhospitaliers et dont les caractéristiques sont les suivantes : paroi
constituée de substances riches en protéines (sans peptidoglycane),
lipides membranaires à chaînes ramifiées avec des liaisons ester,
thymidine absente de l'ARN de transfert et pigments photosynthétiques
comportant de la bactériorhodopsine.
1. Qu'est-ce qu'un microorganisme ?

Les champignons inférieurs : Les champignons sont des organismes qui
ne contiennent pas de chlorophylle (pas de photosynthèse) et qui ont un
mode de vie saprophyte, parasitaire ou symbiotique. Les champignons, de
par leurs caractéristiques, ne peuvent être classés ni dans le règne
végétal, ni dans le règne animal ; aussi ont-ils un règne qui leur est propre.
Les champignons inférieurs se subdivisent en moisissures et en levures.
●

La levure (règne des champignons) : eucarytote unicellulaire ;
champignon microscopique unicellulaire qui se multiplie par
bourgeonnement et qui est susceptible de provoquer la fermentation
des matières organiques animales ou végétales par la décomposition
de leurs sucres en alcool et en gaz carbonique.
Virus : entités biologiques incapables de se reproduire par elles-même.
Microorganisme infectieux rudimentaire contenant un seul type d'acide
nucléique (ADN ou ARN) encagé dans une capside protéique, qui utilise,
pour la synthèse de ses propres constituants, les matériaux de la cellule
qu'il parasite, et qui se reproduit à partir de son seul matériel génétique.
1. Les bactéries


Taille : de 0,2µm à 600 µm, mais
typiquement de 1 à 10 µm
Forme :
●
Sphérique : coques
●
En bâtonnet : bacilles
Escherichia coli (bacille pourvu
de flagelles [non visible])
Streptococcus pyogenes
(coques formant des chaînes)
Bacillus subtilis
Staphylococcus aureus, ”staphylocoque
doré” (coques en amas)
1. Les bactéries




Nota bene : pas de structure type ;
certaines bactéries ne possèdent
pas toutes les structures
représentées sur la figure.
Enveloppe cellulaire : capsule
(polysaccharide ou protéine, facteur
de virulence) ; paroi cellulaire ;
membrane cytoplasmique
A l'extérieur : pili (petits poils
favorisant l'adhésion et permettant
un lent déplacement) : flagelle
(organe permettant à la bactérie de
se déplacer en milieu liquide)
A l'intérieur : le chromosome
(nucléoïde), les ribosomes et le
cytoplasme (milieu intracellulaire)
1. Les bactéries



Temp de génération : de 25 minutes à plusieurs heures, suivant les
bactéries, leur état, et le milieu dans lequel elles se trouvent.
Mode de reproduction : asexuées ; une cellule mère se divise en deux
cellules filles génétiquement identiques (clones).
Dans un milieu fini, les phases de croissances d'une population bactérienne
sont : (1) la phase de latence, (2) la phase de croissance exponentielle, (3)
la phase stationnaire, et (4) la phase de déclin.
1. La levure (yeast)
La levure est un champignon
unicellulaire ; elle provoque la
fermentation des matières
organiques.
Formes : variable selon l’espèce,
généralement ovale
Tailles : 5-50 µm
Habitat : très répandu
Organisme très étudié ; génome
entièrement séquencé.
Saccharomyces cerevisiae
1. La levure
La levure est un eucaryote unicellulaire. Pour cela, elle
contient notamment :
Un noyau contenant les chromosomes de la levure (16
chromosomes, 13x106 paires de bases ; 23%
d'homologie avec le génome humain)
Des mitochondries qui produisent l'ATP.
1. La levure
Modes de reproduction :
­asexué, par bourgeonnement (”budding”)
­sexué Bourgeonnement chez le genre Candida
1. La levure
Modes de reproduction de la levure
Deux types sexuels distincts : a et 
(1) Mitose
Germination
(2) Fusion
des types
sexuels
opposés
(3) Sporularion (méiose)
(1) Mitose
(1) Mitose
Haploïde : n chromosomes
Diploïde : 2n chromosomes
Germination
1. Les virus
Micro-organismes incapables de se reproduire par eux-même.
Prennent le contrôle d’une cellule hôte en l’infectant, et s’y
multiplient. Infectent bactéries, animaux, plantes, en se fixant
sur des récepteurs membranaires spécifiques de la cellule hôte.
Structure : un acide nucléique (ADN ou ARN), enfermé dans une
enveloppe protéique appelée capside.
Bactériophages : virus infectant des bactéries.
Phages Lambda infectant une bactérie E. coli
1. Les virus
Cycle lytique
1. Les virus
Les phages ”tempérés” ; cycle lysogénique
1. Les virus
Impact des bactériophages sur la biologie et l’évolution de certaines
bactéries :
Phages et particulièrement prophages (phages intégrés) : rôle majeur dans la plasticité et l’évolution des
bactéries, notamment des pathogènes : Escherichia coli O157:H7 (intoxications alimentaires et pathologies
plus graves), Staphylococcus aureus (intoxications alimentaires, infections cutanées, pneumonies,
infection des os....), Streptococcus pyogenes (scarlatine), Clostridium botulinum (botulisme), Vibrio
cholerae (choléra), Corynebacterium diphtheriae (diphtérie)...
Pourquoi ? : les prophages peuvent servir de points de recombinaisons homologues pouvant causer des
réarrangements génomiques, ils peuvent inactiver les gènes dans lesquels ils s’intègrent. Certains
prophages véhiculent des gènes encodant des toxines. Les phages peuvent encoder et véhiculer (par
transduction) une multitude de facteurs de virulence comme des adhésines, des nucléases, des protéases,
des facteurs de transcription, etc.
Le séquençage complet de génomes bactériens
révèle la présence de plusieurs prophages qui
représentent parfois plus de 10% du génome total.
Vibrio cholerae n'est pas à l'origine pathogène, c'est
le bactériophage CTX, en insérant son ADN dans le
génome de la bactérie, qui la rend pathogène.
1. Pourquoi étudier l'évolution des
micro-organismes ?



Au niveau médical, comprendre : la résistance aux
antibiotiques, la pathogénicité, l'émergence de nouveau
virus...
Au niveau économique et industrielle : diriger l'évolution
d'un microorganisme pour qu'il développe une voie
métabolique particulière, pour qu'il s'adapte à un nouvel
environnement, etc... (chimie, agroalimentaire,
environnement...)
Au niveau fondamental : mieux comprendre les processus
d'adaptation. Les micro-organismes présentent dans ce
sens des atouts majeurs. Ce sont de bons modèles.
1. Pourquoi étudier l'évolution
des micro-organismes ?
Temps pour 10000
générations
Homo sapiens
E. coli
~200 000 ans
1-2 ans
(âge de l’espèce)
Espace nécessaire
pour 6 milliards
d’individus
Terre
200 ml
Information sur les
ancêtres
fossiles
Conservés (vivants) à
-80°C
Des génomes de nombreux micro-organismes ont été entièrement séquencés
●Les manipulations génétiques sont relativement simples
●Ils existent déjà beaucoup de données expérimentales sur certains micro-organismes
●
2. Les bases moléculaires de
l'évolution

2.1 : l'ADN et le code génétique

2.2 : transcription, traduction

2.3 : régulation de la transcription


2.4 : réplication de l'ADN, correction et
réparation d'erreur
2.5 : la recombinaison ; les éléments
transposables
2.1 Les bases moléculaires de
l'évolution

L'ADN, support de l'information génétique
Un alphabet de 4 lettres... (les nucléotides)
2.1 Les bases moléculaires de
l'évolution

Un code génétique universel
Des mots de 3 lettres... (les codons)
2.2 Les bases moléculaires de
l'évolution

Transcription, traduction
Transcription : l'information contenu dans l'ADN au niveau du
gène est ”copiée” sous la forme d'ARN simple brin par une ARN
polymérase.
Traduction : l'ARN est ”traduit” par les ribosomes qui assemblent
les acides aminés qui vont constituer la protéine.
2.3 Les bases moléculaires de
l'évolution

Régulation de la transcription
La polymérase reconnaît un site spécifique en amont du gène : le promoteur.
Le taux de transcription d'un gène peut varier dans le temps, c'est la régulation. Comment la
transcription est-elle régulée ?
•
Il existe des promoteurs ”forts” et des promoteurs ”faibles”
•
Des protéines peuvent interagir avec la polymérase pour favoriser ou défavoriser la
transcription
•
Des facteurs transcriptionnels (activateurs ou répresseurs) peuvent interagir avec la
séquence d'ADN (notamment le promoteur) pour empêcher ou déclencher la
transcription. Des protéines (coactivateurs et corépresseurs) peuvent interagir avec un
facteur de transcription pour augmenter ou diminuer le taux de transcription.
•
Des transcrits d'ARN antisens ont été identifiés récemment chez une bactérie (Güell
2009), et pourraient jouer un rôle important dans la régulation chez les microorganismes (comme c'est le cas chez les eucaryotes).
Les facteurs transcriptionnels interviennent notamment dans la réponse à des signaux extérieurs.
Chez la bactérie par exemple : le heat shock factor (HSF) qui régule les gènes nécessaires à la
survie à haute température, le represseur LacI (operon lac) qui intervient dans le métabolisme du
lactose, ou le represseur LexA intervenant dans la réponse SOS à des dommages sur l'ADN
causés par des UV.
Chez les organismes multicellulaires, les facteurs transcriptionnels interviennent aussi dans
le développement et dans les réponses intercellulaires.
2.3 Les bases moléculaires de
l'évolution

Régulation de la transcription : réponse SOS
Schematic Representation of the SOS Network in E. coli, Including Proteins, Functional States
of DNA, and Key Processes. The purple lines indicate transcriptional regulation, the red lines
active degradation and proteolytic cleavage, and the green lines complex formation. The
yellow shading highlights the proteins involved in mutagenesis, centered around the Pol V
DNA polymerase, a complex consisting of an UmuD′ homodimer and UmuC.
2.3 Les bases moléculaires de
l'évolution

Régulation de la transcription : opéron lac
The Lac operon - showing its
genes and its binding sites
In the "induced" state, the lac repressor is NOT
bound to the operator site.
In the "repressed" state, the repressor
IS bound to the operator.
2.4 Les bases moléculaires de
l'évolution

Réplication, correction, réparation
A chaque génération, la cellule doit se dupliquer : une copie du
génome est alors effectuée (réplication) par des ADN polymérases.
Ces enzymes ne sont pas parfaitement fidèles : taux d'erreur ~10 -4.
Un mécanisme de correction propre aux ADN polymérases permet
de baisser ce taux à ~10-6.
Pour les erreurs subsistantes, un mécanisme compliqué, impliquant
plusieurs protéines (dont MutS) se met en place (réparation). Le taux
d'erreur passe à 10-9.
Le système de réparation a évolué de façon homologue chez tous
les être vivants.
2.4 Les bases moléculaires de
l'évolution

Réplication, correction, réparation
2.4 Les bases moléculaires de
l'évolution




Réplication, correction, réparation
Si une erreur est faite pendant la réplication (et qu'elle
n'est pas réparée), il apparaît une mutation ponctuelle
(ou une délétion, ou une insertion) : la séquence d'ADN
est alors modifiée.
Si la mutation a lieu sur un gène, elle peut altérer la
structure et/ou la fonction de la protéine exprimée par
ce gène.
Ces mutations autorisent une certaine plasticité du
génome permettant à l'organisme d'évoluer. La
mutation ponctuelle peut être vue comme une forme de
”bruit local”
2.5 Les bases moléculaires de
l'évolution

La recombinaison ; les éléments transposables
Recombinaison : processus biologique partagé par tous les êtres vivants,
permettant l'échange de séquences d'ADN. Intervient notamment lors de la
méiose (organismes sexués), et lors de la réparation de l'ADN.
●
Element transposable : terme général désignant toute unité génétique
pouvant s'insérer dans un chromosome, le quitter ou se replacer ailleurs. Des
séquences dites d'insertion existent dans les génomes bactériens, permettant
d'activer ou d'éteindre des gènes suivant les loci où ils se trouvent.
●
3. Les mécanismes de l'évolution
des génomes

3.1 : structure et évolution des génomes

3.2 : évolution par mutation ponctuelle

3.3 : transfert horizontal d'ADN

3.4 : évolution par duplication d'ADN

3.5 : rôle des éléments transposables dans
l'adaptation
3.1 Structure et évolution des
génomes


Taille d'un génome bactérien : de 600 kb chez les
mycoplasmes jusqu'à 13 Mb chez certaines cyanobactéries.
Corrélation entre nombre de gènes et taille du génome :


Explication : très peu
d'ADN non codant chez ces
organismes.
Eucaryotes : de quelques
Mb à plusieurs dizaines de
Gb. Pas de corrélation
entre nombre de gènes et
tailles du génome
(beaucoup d'ADN non
codant).
3.1 Evolution de la taille des
génomes


Il existe des forces évolutives antagonistes qui tendent à réduire ou augmenter la
taille du génome.
La petite taille des génomes bactériens suppose un biais vers la réduction de la
taille du génome.
Mira et. Al, Trends Genet. 17 589 (2001)
Sélection : maintenir une distance
intergénique minimale
Sélection : réduire le coût de réplication et
de trancription
3.1 Evolution de la taille des
génomes

Mise en évidence du biais par recensement des événements de délétion et
insertions chez des pseudogènes en comparaison avec leur homologues actifs
Frequency of deletions and insertions in bacterial genomes. Frequencies based on comparative analyses of pseudogenes with their functional
counterparts from a closely related species, generally from the same genus, and with at least one functional gene in a closely related outside
reference species. Bars represent the average total size of deletions and insertions per pseudogene. Numbers at tops of bars represent the
numbers of each type of event. (Mira et. Al, Trends Genet. 17 589 (2001))
3.1 Structure d'un génome
bactérien





Typiquement une grande molécule d'ADN (le chromosome),
généralement circulaire + des molécules d'ADN de plus petites
tailles, en nombres variables et généralement circulaires (les
plasmides)
Les gènes peuvent être organisés en opéron (25% des gènes
chez E. coli).
L'ADN non codant se trouve dans les régions intergéniques et
les régions régulatrices.
Il existe des séquences répétées : les séquences d'insertion ou
IS (insertion sequences), et les transposons
Présence de prophages parfois très dégénérés.
3.2 Taux de mutation

Taux pour tout organisme : ~ 10-9 par base.
Pour une bactérie avec ~ 5 millions de paires de bases par
génome, cela représente : ~ 10-2 mutation par génome par
génération, soit 1 bactérie sur 100 présentant 1 mutation,
à chaque génération.


Le taux de mutation n'est pas constant dans tout le
génome...
Un espace des configurations possibles très vaste / retour
en arrière quasi impossible
3.2 Les types de mutations

La mutation peut être :
Fréquence d'occurence
neutre : la mutation n'a pas d'impact sur l'organisme
délétère : la mutation a un impact négatif sur
l'organisme
létale : la mutation n'est pas viable, l'organisme ne
survit pas
avantageuse : l'organisme est mieux adapté grâce à
cette mutation
3.2 Les types de mutations

La mutation peut être :

Non-sens : introduit un codon stop

Faux-sens : entraine un changement d'acide aminé

Silencieuse : la mutation a lieu dans une partie non
codante de l'ADN, ou la mutation n'entraine pas de
changement dans la séquence d'acides aminés
(redondance du code génétique).
Mais pas si silencieuse que ça....

Une délétion ou une insertion décale le cadre
de lecture.
3.2 Les types de mutations
Une séquence d'ADN et les acides aminés qu'elle code :
ATG CCT CAC TCA GAT GAT
Met Pro His
Ser Asp Asp
Mutation silencieuse :
Mutation non-sens :
ATG CCC CAC TCA GAT GAT
ATG CCT CAC TAA GAT GAT
Met Pro His
Met Pro His STOP Asp Asp
Ser Asp Asp
Mutation faux-sens :
ATG CCT CAG TCA GAT GAT
Met Pro Gln Ser Asp Asp
Délétion :
ATG CCT CAC TCA GAT GAT
Met Pro
Thr Gln Met
Les mutations hors des gènes : promoteurs, sites de
fixation de facteurs transcriptionnels
3.2 Les types de mutations

Des mutations silencieuses qui ne le sont pas*
Les ARN de tranfert ne se trouvent pas tous dans la cellule en
même concentration. Par exemple, pour coder la Glycine chez
E.coli :
Codon GGU
Fréquence (pour 1000)
25


GGC
27
GGA
10
GGG
11
Le changement pour un codon ”plus concentré” peut
apporter un gain de temps lors de la traduction
Le changement de codon peut influer transitoirement sur la
cinétique de traduction et modifier en conséquence le
repliement de la protéine naissante.
*Voir : Kimchi-Sarfaty et al, 2007
3.2 Evolution par mutation

Taux de divergence du virus de la grippe en fonction du temps :
Relationship between the number of
nucleotide substitutions (Kc) and the time
difference of dates (t) at which compared
strains were isolated
a) = segment HA
b) = segment NA
c) = segment NS.
i) = silent position; ii) = amino acid-changing
position. Standard deviations are represented
by vertical lines.
HA : hémagglutinine, liée à la fixation du virus
sur la cellule hôte
NA : neuraminidase, empêche la virus de
coller à sa sortie après la lyse
NS : ”non strucural proteins”
Hayashida et al., 1985
3.2 Evolution par mutation


Notion d'horloge moléculaire : si, pour une séquence quelconque d'ADN, le taux
de mutation est constant au cours du temps, le taux de divergence entre deux
gènes homologues donne une estimation du temps écoulé depuis la
séparatation des deux espèces comparées.
Problèmes :
●
●

une période de spéciation peut être accompagnée d'un taux de mutation
apparent plus élevé en raison d'une faible taille de population
Le taux de mutation peut varier au cours du temps, en réponse à des
chengements environnementaux.
L'hypothèse n'est donc pas applicable à tous les gènes et à toutes les espèces.
3.2 Evolution par mutation

Acquisition de résistances aux antibiotiques
Les bactéries peuvent acquérir des résistances aux antibiotiques par
mutation ponctuelle. Par exemple, la résistance à la streptomycine
peut s'acquérir par mutation dans le gène rpsl codant la sous-unité
30S du ribosome.
Mycobacterium tuberculosis :
bactérie agent de la
tuberculose.
Fukuda et al., 1999