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 archées : groupe d'organismes procaryotes vivant dans des milieux
variés (pour certains 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 0,2 µm à 600 µm, mais
typiquement de 1 à 10 µm
Formes principales :
●
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 êtres 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
changements 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
Dérive génétique et théorie
neutraliste


Les processus stochastiques dans une
population de taille finie engendrent une dérive
génétique, i.e. une variation de la ”fréquence
allélique” (~le nombre de fois qu'un gène est
représenté dans une population donné).
Théorie neutraliste (Kimura 1968) : ”la
dynamique de la diversité moléculaire résulte
principalement de la dérive génétique”.
3.3 Transfert horizontal




Evénements pour certains très rares, mais supposés être des
vecteurs importants d'adaptation et d'évolution chez les
bactéries.
Conjugaison : acquisition de nouveaux gènes via un plasmide
de conjugaison. Entre bactéries, des bactéries (pathogènes)
aux plantes, des bactéries aux levures.
Transformation : incorporation d'ADN du milieu extracellulaire
au milieu intracellulaire. L'ADN peut provenir d'un organisme
totalement étranger.
Transduction : transfert d'ADN bactérien via un virus. Entre
bactéries de même espèce.
Une fois transféré, l'ADN peut être assimilé au génome : (i) en
temps qu'épisome, (ii) par recombinaison homologue, (iii) par
intégration via des intégrases de phages ou des transposases,
ou (iv) par recombinaison illégitime.
3.3 Transfert horizontal
Distribution of horizontally acquired (foreign) DNA in sequenced bacterial genomes. Lengths of
bars denote the amount of protein-coding DNA. For each bar, the native DNA is blue; foreign
DNA identifiable as mobile elements, including transposons and bacteriophages, is yellow, and
other foreign DNA is red. The percentage of foreign DNA is noted to the right of each bar. `A'
denotes an Archaeal genome.
Ochman et al., 2000
3.3 Transfert horizontal :
conjugaison
La conjugaison est notamment responsable de la transmission des résistances aux
antibiotiques.
 L'ADN contenu dans le plasmide peut être en partie intégré dans le génome.

Schéma de conjugaison entre
deux bactéries
3.3 Transfert horizontal :
transformation



Il arrive que de l'ADN étranger entre dans une cellule et
s'intègre dans le génome (événement rare).
Certaines bactéries ont une compétence naturelle : elles
ont la capacité à faire entrer l'ADN activement dans la
cellule. NB : la compétence naturelle n'est pas corrélée à
la proportion d'ADN étranger présent dans le génome.
Exemple de bactéries naturellement compétentes :
Bacillus subtilis, Haemophilus influenzae, Thermus
thermophilus, Deinococcus radiodurans, Acinetobacter
baylyi....
3.3 Transfert horizontal :
transduction
Transduction via un phage tempéré
3.3 Transfert horizontal :
transduction
Transduction via un phage virulent (i.e. cycle lytique)
3.3 Transfert horizontal :
transduction
Mise en évidence de la transduction par Zinder et Lederberg (1951) :
Une culture de la souche LT-2 de Salmonella Typhimurium (souche auxotrophe pour l'histidine)
et une culture de la souche LT-22 de Salmonella Typhimurium (souche auxotrophe pour le
tryptophane) sont placées chacune dans une branche d'un tube en U séparé par une
membrane en verre fritté qui interdit tout contact entre les deux souches bactériennes.
=> Des bactéries prototrophes sont obtenues à une fréquence de 10-5. Ces bactéries
prototrophes appartiennent toujours à la souche LT-22 et aucune bactérie de la souche LT-2 ne
devient prototrophe.
3.3 Transfert horizontal :
transduction
Interprétation :
La fréquence d'apparition des prototrophes exclut une mutation.
La présence d'un filtre en verre fritté élimine la possibilité d'une conjugaison.
L'addition de DNase dans le milieu n'inhibe pas l'apparition des prototrophes
ce qui exclut une transformation.
La seule explication possible était celle d'un transfert génétique faisant
intervenir de l'ADN sous une forme suffisamment petite pour traverser le
verre fritté et sous une forme suffisamment protégée pour résister à la
DNase.
Des études complémentaires ont permis de montrer que le transfert était dû
au phage P22 et que ce transfert pouvait être aboli par des anticorps
neutralisants dirigés contre le phage P22.
3.3 Transfert horizontal : conclusion



Grâce aux transferts horizontaux : acquisition de
résistances aux antibiotiques, de facteurs de virulences
(”îlots de pathogénicité”), et de propriétés métaboliques.
La bactérie peut alors rechercher de nouvelles niches
écologiques (exemple : l'opéron lac chez E.coli)
La sélection détermine la durée pendant laquelle le
gène va rester dans le génome de l'organisme : la taille
du génome des microorganismes étant relativement
constante, il y a des gènes perdus.
Estimation chez E.coli. : acquisition de séquences
étrangères par transfert horizontal ~ 16kb par MA
3.3 Exemple d'évolution par
transfert : Vibrio cholerae



Vibrio cholerae : bactérie vivant dans les milieux aquatiques,
responsable du choléra. Les gènes codant pour la toxine du choléra
(ctxAB) et d'autres facteurs de virulence se trouvent dans des
bactériophages et des éléments génétiques mobiles.
7 pandémies caractérisées depuis un siècle
Analyse comparative des génomes de 23 souches de V. cholerae
isolées depuis un siècle (Chun et al., 2009) :

Analyse sur des régions codantes orthologues

=> 12 lignées distinguées

=> La diversité de V. cholerae probablement due à des tranferts
horizontaux de gènes, notamment sous forme de cassettes.
Exemple d'évolution par
transfert : Vibrio cholerae


Exemple de tranfert : le phénotype lié à l'antigène O1 retrouvé dans 3
lignées différentes (souches O1 El Tor + PG1)
La souche de la 7ème pandémie a évolué par deux mécanismes :
●
”shift” : accumulation sur le long terme de mutations ponctuelles
●
”drift” : variation à court terme issue d'un transfert horizontal
3.3 Exemple d'évolution par
transfert : Vibrio cholerae
3.4 Evolution par duplication



Gènes créés par duplication : au moins 50% des gènes
procaryotes (plus de 90% des gènes eucaryotes).
Duplication de génome entier : uniquement chez les eucaryotes
(plus fréquent chez les plantes). Rare mais gain évolutif
important.
Ne pas confondre gènes orthologues et gènes paralogues :
3.4 Evolution par duplication

Duplication au sein d'un même génome :
Si A' n'est plus actif, on l'appelle pseudogène. A peut évoluer aussi et les deux gènes peuvent
alors se complémenter, ou se spécialiser.
3.4 Un exemple de duplication :
complexification du réseau de régulation

Unité basique de régulation : un facteur transcriptionnel, son
site de fixation sur l'ADN et le gène cible ou l'unité
transcriptionnelle qu'il régule.

Un facteur transcriptionnel peut réguler plusieurs gènes :

Un gène peut être régulé par plusieurs facteurs :
3.4 Un exemple de duplication :
complexification du réseau de régulation

Evénements pouvant survenir après une duplication :
-Duplication du facteur transcriptionel (cas a)
-Duplication du gène cible (cas b)
-Duplication de l'unité entière {facteur + gène} (cas c)
TF : transcriptional factor
TG : target gene
3.4 Un exemple de duplication :
complexification du réseau de régulation

Analyse chez Escherichia coli et Saccharomyces cerevisiae (Teichman & Babu,
2004) : la mesure de l'homologie entre deux gènes n'est pas basée sur la
séquence mais surtout sur la structure de la protéine, qui est plus conservée que
la séquence d'ADN qui la code. Utilisation d'une base de donnée
(SUPERFAMILY database) pour comparer les gènes du réseau de régulation et
identifier les événements de duplication.
Duplication
Duplication and inheritance
Innovation
and
Duplication du Duplication
Duplication du
gain
facteur
du gène cible facteur et du
trancript.
gène
E. coli
52%
22%
10%
6%
10%
S. cerevisiae
43%
20%
22%
4%
12%
3.4 Exemple de duplication chez
un pathogène

Phytophthora infestans : classe des oomycètes (organismes
aquatiques non photosynthétiques qui ressemblent aux
champignons mais reliés aux algues brunes et aux diatomées) ;
eucaryote unicellulaire.
Principale cause de maladie de la pomme de terre ;
responsable de la Grande Famine en Irlande (1845-1849)
Pertes annuelles estimées dues à P.infestans : 6,7 milliards $
Haas et al., 2009
Repeat-driven genome expansion in Phytophthora infestans. Genome expansion is evident in regions of conserved gene
order, a consequence of repeat expansion in intergenic regions. Genes are shown as turquoise boxes, repeats as black
boxes. Collinear orthologous gene pairs are connected by pink (direct) or blue (inverted) bands.
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Génome très grand (240 Mb contre 95 Mb et 65 Mb pour P. sojae et P. ramorum
respectivement)
74% de séquences répétées.
Alternance de zones conservées, denses en gènes, et de zones peu denses en
gènes, constituées de répétitions : les gènes répétés codent pour des protéines
effectrices impliquées dans la pathogénicité, et évoluant très vite.
L'expansion des effecteurs permet aux gènes pathogènes d'être spécifiques à une
espèce : probablement efficace pour s'adapter rapidement aux résistances
développées par la pomme de terre.
La Reine Rouge ou la course
permanente
La théorie de la Reine Rouge est une théorie évolutionniste :
Les prédateurs et les proies, les parasites et leurs hôtes, etc...
évoluent sans cesse pour lutter les uns contre les autres et répondre
aux adaptations de leur ennemis. Dans cette compétition, le rapport
de force reste constant au cours du temps.
« Mais, Reine Rouge, c'est étrange,
nous courons vite et le paysage autour
de nous ne change pas ? ». « Nous
courons pour rester à la même place. »
De l'autre côté du miroir, Lewis Caroll.
3.4 Duplications dans le génome
de la levure

Comparaison des séquences des protéines avec BLAST (Basic
Local Alignment Search Tool) (Wolfe, 2001)
S. cerevisiae : 5800 gènes dont ~ 900 sont par
paires, localisées dans des régions
chromosomiques dupliquées
● Nombre de ces gènes ont des fonctions
importantes, et sont vraisemblablement à
l'origine des différences physiologiques entre S.
cerevisiae et les autres levures.
●
Yeast chromosome X compared with chromosome XI. Each dot
represents a single BLASTP hit between proteins that are
encoded on the two chromosomes, plotted at the positions of
the corresponding genes. Diagonals indicate groups of
genes that form duplicated chromosomal segments.
Colours and symbols denote different transcriptional
orientations of genes.
3.5 Rôle des éléments
transposables dans l'adaptation
Les éléments transposables sont des fragments d'ADN capables de se
déplacer sur le génome. Ce sont des séquences qui existent en plusieurs
exemplaires dans un génome (séquences répétées).
Chez les bactéries, il existe différents types d'éléments transposables (ou
éléments mobiles) : les séquences d'insertions (IS) ; les transposons ; les
prophages (phages lysogènes).
Chez la levure : retrotransposon (notés Ty). Fréquence d'un événement de
transposition : 1 fois toutes les 20 générations.
3.5 Rôle des éléments
transposables dans l'adaptation
DNA transposons of prokaryotes.
prokaryotes Four types are
shown.
Insertion sequences, Tn3-type transposons and
transposable phages are flanked by short (< 50
bp) inverted terminal repeat (ITR) sequences.
The resolvase gene of the Tn3-type transposon
codes for a protein involved in the transposition
process.
Transposase : enzyme catalysant la transposition
du gène la codant, dans un mode ”couper-coller”,
ou ”copier-coller”.
3.5 Rôle des éléments
transposables dans l'adaptation

Les séquences répétées peuvent donner lieu à :
des inversions chromosomiques (réversibles) ou des délétions chromosomiques :
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L'insertion d'un élément transposable dans un gène peut entraîner une modification de
l'expression du gène ; généralement, le gène est ”éteint”.
L'insertion d'un élément transposable dans une région régulatrice en amont du gène
peut augmenter ou diminuer le taux de transcription du gène (régulation de
l'expression)
4. ”Paléontologie expérimentale”
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
Les nouveaux outils technologiques (séquençage,
PCR...) combinés à de vieilles méthodes de cultures
de bactéries (Monod, 1950) permettent d'élaborer des
expériences d'évolution avec des micro-organismes.
Ce que Richard Lenski (Michigan State University) a
nommé ”paléontologie expérimentale” (Lenski &
Travisano, 1994).
Suivre sur des centaines, voire des milliers, de
générations l'évolution d'une large population de
bactéries, sous une pression de sélection choisie.
4. L'expérience de R. Lenski


Dilution chaque jour dans du milieu frais, d'une culture
d'E.coli. Depuis février 1988... 45000 générations...
générations 193
publications...
Principe de la culture en série. Chaque jour, la population
passe par les différentes phases de croissance, de la
latence jusqu'à la saturation.
Long-Term Evolution Experiment
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Milieu de culture minimum :
Potassium phosphate (source de P)
Ammonium sulfate (source de N et de S)
Sodium citrate (source de C non utilisée par E.coli)
Glucose (source de C)
Magnesium sulfate
Thiamine (= vitamin B1)
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Volume total : 10 ml ; dilution en série : 0,1ml + 9,9ml
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La souche ancestrale pousse jusqu'à une densité de 5x107 cell/ml
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G : nombre de génération par jours
Nf = Ni.2G => G = ln(Nf/Ni) / ln(2) = ln(100)/ln(2) = 6,64
4. La culture en chemostat
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Principe de la culture en continu : un réacteur contenant une
population de micro-organismes est alimenté par un flux continu de
milieu frais ; le trop-plein est évacué, le volume de la culture est
constant.
Le chemostat permet de maintenir la culture dans un état donné. A
flux constant, la population est toujours dans le même état de
croissance.
Chemostat
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F : flux entrant (=flux sortant)
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V : volume total
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x : biomasse dans le réacteur
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µ : taux de croissance (growth rate)
dx = µ.x.dt – F/V.x.dt
(variation de x pendant dt) = (bactéries apparue par division) – (bactéries évacuées par le trop-plein)
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D=F/V : taux de dilution (dilution rate)
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Equilibre : dx/dt=0 :
0 = µ.x – D.x => µ=D
NB : temps de génération : T=ln(2)/µ
4. Quelques notions
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Fitness
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Sélection positive / négative
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Goulot d'étranglement (bottleneck)
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Mutateur
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Auto-stop
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Dérive génétique
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Les contraintes
4. Fitness
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Un paramètre important : la ”fitness”. C'est le succès reproductif
moyen d'un génotype, dans un environnement particulier. On
exprime souvent la fitness relative au génotype ancestral.
W = ln(N(t)) – ln(N(0))
W0 : fitness de la bactérie ancêtre
W1 : fitness de la bactérie ”évoluée”
Fitness relative :
w=W1/W0
w<1 : l'ancêtre était mieux adapté
w=1 : pas d'évolution
w>1 : la bactérie évoluée s'est adaptée
Exemple de mesure de fitness ;
compétition entre deux souches
Elena & Lenski (2003)
4. Sélection positive / sélection
négative
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La sélection positive s'opère sur une variation
bénéfique (dans un milieu donné) et favorise la
reproduction de l'organisme porteur de cette
variation.
La sélection négative agit sur une variation
néfaste (dans un milieu donné) et élimine les
organismes porteur de cette variation.
4. Bottleneck
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Un bottleneck est le passage, dans l'histoire d'une population, par
une génération pendant laquelle le nombre d'individus est
particulièrement faible.
Un bottleneck se caractérise par une sélection aléatoire des
mutants.
4. Bottleneck
Population bottlenecks and accumulation
of deleterious mutations
Elena & Lenski (2003)
The panel on the left illustrates a mutationaccumulation experiment with bacteria in which a
population that is evolving over time (t) is
repeatedly passed through single-cell
bottlenecks. The bottlenecks are achieved by
growing the bacteria on agar plates as discrete
colonies, each of which is derived from a single cell,
and then taking the cells from a single colony and
spreading them over a fresh agar plate. A
bottleneck size of 1 effectively eliminates natural
selection and maximizes the effects
of random drift. Mutations, therefore, accumulate
at random, in contrast to evolution in large
populations in which selection favours certain
mutations and eliminates others.
The graphs on the right show the changing
distribution of numbers of mutations in a set of
bottlenecked lines. The number of mutations
tends to increase, although different lines will, by
chance, accumulate fewer or more mutations,
which leads to an increased variance among lines
over time. Because more mutations are deleterious
than are beneficial, fitness also generally
declines in mutation-accumulation experiments.
4. La dérive génétique (genetic drift)
Genetic drift ou random drift : différence de la fréquence de génotypes dans une population,
causée par le hasard, indépendamment de la fitness relative des génotypes. Les effets de la
dérive génétique sont d'autant plus importants que la population est petite.
Expérience de R. Lenski
Avantage sélectif
de la mutation
Nombre de génération pour se
propager dans le population
Nombre d'essais moyen
pour maintenir la mutation
10 %
250
3
0,1 %
25000
500
Dans l'expérience de R. Lenski, une partie
seulement de la population est transportée
chaque jour dans du milieu frais (collection
aléatoire). A cause du phénomène de “dérive
génétique”, une mutation avantageuse doit
parfois apparaitre plusieurs fois avant de se
fixer dans la population.
A partir de 2000 générations,
peu de gain en fitness.
(Lenski & Travisano, 1994)
4. La dérive génétique (genetic drift)
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Phénomène à prendre en compte dans les expériences
d'évolution où une partie de la population est ”éliminée” par
hasard (culture en série ou chemostat).
Impact réel dans la nature mais difficilement quantifiable.
Concept de l'élément fondateur : lors d'un ”bottleneck”, la
sélection aléatoire d'un variant peut être à l'origine de la
naissance d'un sous groupe distinct. (Chez l'homme, effet
visible sur des populations isolées géographiquement,
religieusement, etc...)
4. Les mutateurs (mutator)
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Un mutateur est un individu qui présente un taux de mutation
beaucoup plus élevé que le taux moyen de la population.
Comment est-ce possible ? L'apparation d'une mutation dans le
système de réparation rend celui-ci défaillant. Exemple : une
bactérie dont on inactive la protéine mutS a son taux de mutation
multiplié par 100.
Conséquence : une accumulation rapide de mutations, dont une
partie seulement sont avantageuses. Les mutateurs sont supposés
jouer un rôle important pour les populations soumises à un stress, et
qui ont besoin de s'adapter ”rapidement”.
4. Les mutateurs (mutator)
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~1% d'une population bactérienne peut être mutateur.
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On observe une haute fréquence de mutateurs chez des bactéries pathogènes.
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Quand l'environnement est stable, la fraction de mutateurs est constante : les mutateurs
disparaissant à cause des mutations délétaires et létales sont compensées par ceux
apparaissant par une mutation spécifique qui augmente le taux de mutation.
Quand l'environnement change, une mutation favorable apparait plus rapidement chez les
mutateurs ; leur fraction augmente grâce à une meilleure fitness ; une ”réversion” permet à un
mutateur de retrouver un taux de mutation viable et optimum.
Mutators as a fast track to generate adaptive
mutations. Fixation of adaptive mutations can
proceed in two ways: favourable mutants
appear in a non-mutator genetic background,
and then spread by selection; mutator
genotypes, obtained by mutating an
antimutator gene (such as a mismatch repair
gene) can also be transiently involved by
generating favourable mutations and then
reverting to the wild-type allele.
Taddei (1997)
4. Les mutateurs (mutator)
Co-evolution de bactéries avec des phages,
phages dans une
expérience de transfert en série (Pal et al., 2007)
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Modèle : Pseudomonas fluorescens et le phage 2
Culture de 72 populations en parallèle (36 avec phages, 36
sans phage).
Dilution (1%) en série tous les jours pendant 24 jours, avec 7
générations par jour.
4. Les mutateurs
Mesure, après 170 générations, du
taux de mutation chez les
populations évoluant avec les
phages (carrés pleins) et sans phage
(carrés ouverts). Ligne : taux de
mutation de l'ancêtre.
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Après ~ 200 générations, 25% des populations coévoluant avec les phages ont un
taux de mutation 10 à 100 fois plus élevé qu'au départ ; les populations évoluant
sans phage ont leur taux de mutation inchangé.
L'analyse des populations ”mutatrices” montrent que la plupart ont une
mutation dans le système de réparation d'erreur (Mismatch Repair system)
Dans l'expérience, les populations ”mutatrices” ont plus de chance de
conduire les phages à l'extinction que les populations non mutatrice.
4. L'auto-stop (hitchhiking)
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On dit que la mutation apparue sur B' s'est fixée dans une
population par auto-stop,
auto-stop grâce à la sélection positive sur A'.
4. Contraintes
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Les contraintes sont nombreuses : au niveau moléculaire (protéine),
cellulaires (développement chez les pluricellulaires) ou de l'organe. Ce qui
explique la fréquence élevée de mutations délétaires et létales.
Dans le vaste espace des configurations théoriquement possibles pour un
génome, de nombreuses zones sont ”interdites”, c'est à dire non viables,
et éliminées par sélection naturelle.
La contrainte peut cependant être source
d'innovation chez les organismes. Un caractère
propre n'est pas forcément issu d'un processus
d'adaptation, mais peut être lié à une contrainte
(comme un artiste exploite une contrainte
architecturale (Gould & Lewontin, 1979)).
Exaptation