Evolution des génomes chez les micro-organismes

Evolution des génomeschez les micro-organismes

Philippe ThomenPhilippe Thomen

Laboratoire Pierre AigrainLaboratoire Pierre Aigrain

Ecole Normale SupérieureEcole 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

1. Introduction1. 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'évolution2. Les bases moléculaires de l'évolution 3. Les mécanismes de l'évolution3. Les mécanismes de l'évolution 4. Expériences de ”paléontologie expérimentale”4. Expériences de ”paléontologie expérimentale”

Evolution des génomeschez les microorganismes

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

Premiers primates : -55 millions d'années

Premiers H. Sapiens : -200 000 ans

Formation de la Terre :-4,6 milliards d'années

Première forme de vie (Cyanobactéries) : -3,5 milliards d'années

Eucaryotes unicellulaires

Premières formes d'anatomies préfigurant les grands groupes d'animaux actuels (Explosion du cambrien) : -550 millions d'années

Naissance des dinosaures

Mort des dinosaures

-4 -3,5 -3 -2,5 -2 -1,5 -1-4,5 0-0,5

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)

Staphylococcus aureus, ”staphylocoque doré” (coques en amas)Bacillus subtilis

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 levureLa 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

Germination

Germination

(1) Mitose

(3) Sporularion (méiose)

(1) Mitose

(1) Mitose

(2) Fusion des types

sexuels opposés

Deux types sexuels distincts : a et

Haploïde : n chromosomesDiploïde : 2n chromosomes

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 virusImpact des bactériophages sur la biologie et l’évolution de certaines

bactéries :

Phages et particulièrement prophagesPhages 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 ?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.

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.

Le séquençage complet de génomes bactériens révèle la présence de plusieurs prophages qui représentent parfois plus de 10% du génome total.

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 ?

Homo sapiens E. coli

Temps pour 10000 générations

~200 000 ans(âge de l’espèce)

1-2 ans

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)


Un code génétique universelDes mots de 3 lettres... (les codons)


TranscriptionTranscription : l'information contenu dans l'ADN au niveau du gène est ”copiée” sous la forme d'ARN simple brin par une ARN polymérase.

TraductionTraduction : l'ARN est ”traduit” par les ribosomes qui assemblent les acides aminés qui vont constituer la protéine.

Transcription, traduction


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 Comment la transcription est-elle régulée ?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 micro-organismes (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.

Régulation de la transcription


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.


Régulation de la transcription : opéron lacThe 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.


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.




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”



●RecombinaisonRecombinaison : 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 transposableElement 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.

La recombinaison ; les éléments transposables

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.

Sélection : maintenir une distance intergénique minimale

Sélection : réduire le coût de réplication et de trancription

La petite taille des génomes bactériens suppose un biais vers la réduction de la taille du génome.

Mira

et. A

l, Tre

nd

s Ge

ne

t. 17 5

89

(20

01

)

Mise en évidence du biais par recensement des événements de délétion et insertions chez des pseudogènes en comparaison avec leur homologues actifs

3.1 Evolution de la taille des génomes

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 :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

Fré

quen

ce d

'occ

uren

ce


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.


ATG CCT CAC TCA GAT GAT

Met Pro His Ser Asp Asp

Mutation silencieuse :

ATG CCC CAC TCA GAT GAT

Met Pro His Ser Asp Asp

Mutation faux-sens :

ATG CCT CAG TCA GAT GAT

Met Pro Gln Ser Asp Asp

Mutation non-sens :

ATG CCT CAC TAA GAT GAT

Met Pro His STOP 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

Une séquence d'ADN et les acides aminés qu'elle code :


Des mutations silencieuses qui ne le sont pas*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 :

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.

Codon GGU GGC GGA GGG

Fréquence (pour 1000) 25 27 10 11

*Voir : Kimchi-Sarfaty et al, 2007

3.2 Evolution par mutation Taux de divergence du virus de la grippe en fonction du temps :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 HAb) = segment NAc) = 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 hôteNA : neuraminidase, empêche la virus de coller à sa sortie après la lyseNS : ”non strucural proteins”

Hayashida et al., 1985

3.2 Evolution par mutation

Notion d'Notion d'horloge moléculairehorloge 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 antibiotiquesAcquisition 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

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