Dcouvertes rcentes sur les phases prcoces de lvolution

Découvertes récentes sur les phases précoces de l’évolution de la vie. Manolo Gouy Laboratoire de Biométrie & Biologie Evolutive - CNRS / Univ. Lyon 1 Décembre 2008 1

3 domaines du vivants Aujourd’hui LUCA Première cellule Troisième âge : Monde cellulaire post-luca Origine(s) de la vie Second âge : Monde cellulaire pré-luca Premier âge : Monde pré-cellulaire 2

Découverte en 1977 des trois domaines de la vie 3

Les SAB sont élevés à l’intérieur de chacun des 3 groupes et faibles entre groupes. 4

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Recherche de la racine de la phylogénie universelle E: eucaryotes; B: bactéries; A: archées LUCA: Last Universal Common Ancestor 6

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Les hypothèses concurrentes sur l’origine des trois domaines 1) La plus couramment admise, celle déduite de quelques analyses de gènes dupliqués avant LUCA. 2) Alternative iconoclaste proposée par quelques auteurs: l’état procaryote (simple) est plutôt vu comme résultant d’une simplification que comme ancestral. 4) La cellule eucaryote vue comme résultant d’une fusion 8 archée - bactérie. Plusieurs scénarios ont été proposés.

Histoire évolutive de l’endosymbiose mitochondriale - quel est l’organisme donneur ? - l’endosymbiose a-t-elle été unique ou répétée ? - quand s’est-elle produite ? - quelles lignées eucaryotes sont-elles concernées ? 9

L’origine endosymbiotique unique de la mitochondrie à partir d’une -protéobactérie ancestrale -protéobactéries mitochondries Concatenation of amino acid sequences of respiratory chain proteins apocytochrome b (Cob) and cytochrome oxidase subunits 1 to 3 (Cox 1 -3). 10

Conservation de l’ordre des gènes entre mitochondries et -protéobactéries 11

Le génome mitochondrial le plus riche en gènes connu actuellement. 12

Analyse phylogénétique de l’ARN ribosomique de la petite sous-unité symbiose mitochondriale? Eucaryotes amitochondriaux: « Archezoa » 13 Cavalier-Smith & Chao (1996) J Mol Evol 43: 551

Des eucaryotes d’avant la naissance de la mitochondrie Tom Cavalier-Smith (1987) Nature 326: 332 “It is a widespread fallacy that mitochondria are found in all eukaryotic cells. ” “It is not the mitochondria, but the nucleus, endomembrane system and cytoskeleton that are the true hallmarks of the eukaryote cell. ” “The idea that some protozoa are the living relics of the earliest phase of eukaryote cell evolution and diverged from our ancestors before the symbiotic origin of mitochondria is given strong support by DNA sequence studies. ” 14

Les Microsporidies spore tube polaire sporoplasme (noyau + cytoplasme) spore de Nosema algerae (Undeen 1997) • > 1000 espèces • eucaryotes unicellulaires de très petite taille • parasites intracellulaires obligatoires • amitochondriaux, aperoxysomaux • origine evolutive très débattue 15

Analyse phylogénétique de la b-tubuline d’une microsporidie 16 Edlind et al. (1996) Mol. Phyl. Evol. 5: 359.

Analyse phylogénétique de la grande sous-unité de l’ARN polymerase II Hirt et al. (1999) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 96: 580 17

Peut-on réconcilier les ARN ribosomiques et les tubuline et ARN-polymérase ? MICROSPORIDIA ? Eucaryotes amitochondriaux 18

l’artefact d’Attraction des Longues Branches [ Felsenstein (1978) Syst Zool 27: 401 ] 19 Philippe et al. (2000) Proc. Royal Soc. Lond. B 267: 1213.

Analyse en distance de 42 séquences de LSU r. RNA de microsporidies et d’autres eucaryotes. Les distances ont été corrigées pour la variation du taux entre sites. Cette analyse utilise un modèle beaucoup plus réaliste du processus évolutif au niveau moléculaire. 20 Van de Peer et al. (2000) Gene 246: 1

Conclusion à ce stade: L’heureuse correspondance, pour les microsporidies, entre - absence de mitochondrie et - origine précoce parmi les eucaryotes ne tient plus. 21

Diversité des protistes (anaérobies) ‘amitochondriaux’ • pas d’organite ‘mitochondrial’ détecté (microsporidies, diplomonadines, Entamoeba, …) • hydrogénosomes: organites sans génome produisant ATP et H 2 (certains ciliés, champignons anaérobies, Parabasalia (ex: Trichomonas)) 22 d’après Roger & Silberman (2002) Nature 418: 827.

Echanges de gènes durant l’évolution de la mitochondrie endosymbiote -protéobactérien ancestral perte transfert vers le noyau conservation importation de protéines Un gène d’origine évolutive mitochondriale peut être porté par 23 le génome nucléaire d’un eucaryote.

Découverte dans le génome de la microsporidie Encephalitozoon cuniculi de plusieurs gènes d’origine évolutive mitochondriale Exemple: gène Isc. S Homo-mt Mus-mt Caenorhabditis-mt 100 Candida albicans-mt 85 100 Candida maltosa-mt 99 Saccharomyces-mt 38 Schizosaccharomyces-mt 86 Encephalitozoon 33 Arabidopsis-mt Zygomonas 37 84 Rickettsia 37 Synechocystis Escherichia 100 Haemophilus 100 Rhodobacter capsulatus 97 Rhodobacter sphaeroides Rhizobium 100 Klebsiella Enterobacter Azospirillum 100 39 Azotobacter chroococcum 100 Azotobacter vinelandii 100 99 Anabaena azollae Anabaena sp 100 Helicobacter Thermotoga Lactobacillus 69 Archaeoglobus Aquifex Deinococcus Bacillus Methanobacterium Pyrococcus Mycoplasma sp. 24 100 Mycoplasma genitalium Aeropyrum 100 0. 2 subst. /site 55 48 48 59 75 100 100

Le mitosome de microsporidie prédit par analyse du génome: évolutivement il dérive d’une mitochondrie 25 Vivarès et al. (2002) Current Opinion in Microbiology 5: 499.

Détection d’organites à double membrane par anticorps anti-HSP 70 26

Le mitosome du parasite amitochondrial Giardia Identification chez Giardia de gènes codant des protéines à localisation mitochondriale chez les autres eucaryotes : Cpn 60, Hsp 70, Isc. S (cystéine désulfurase) Un exemple: Isc. S Tachezy et al. (2001) Mol. Biol. Evol. 18: 1919. 27

La double membrane de cet organite Localisation par immunofluorescence de Isc. S et Isc. U dans des trophozoites de Giardia. 28

Le chaînon manquant entre mitochondrie et hydrogénosome Découverte [Akhmanova et al. (1998) Nature 396: 527] puis séquençage partiel du génome hydrogénosomal du cilié Nyctothermus ovalis Fragment de 14027 pb du génome hydrogénosomal - Plusieurs protéines codées par le génome hydrogénosomal se groupent avec leurs homologues mitochondriaux de ciliés aérobies. - Identification de plusieurs gènes nucléaires pour des composants du protéome mitochondrial (pyruvate déshydrogénase, complexe II). 29

Analyses phylogénétiques de 2 gènes du génome hydrogénosomal nad 7 (s. u. 49 k. Da complexe I) 12 S (SSU) r. RNA 30 Boxma et al. (2005) Nature 434: 74.

Abandon du concept d’eucaryote primitivement amitochondrial symbiose mitochondriale Eucaryotes amitochondriaux « Archezoa » 31

Distribution des organites dérivés de la mitochondrie chez les eucaryotes 32 Roger & Silberman (2002) Nature 418: 827.

A Scénario en deux étapes - création par fusion bactérie/archée d’une cellule eucaryote amitochondriale puis - endosymbiose avec une -protéobactérie B Création simultanée du noyau eucaryote et de la mitochondrie. Le partenaire bactérien est toujours une protéobactérie. Le partenaire archée varie selon les théories (ici méthanogène). 33

Hypothèses sur l’origine par fusion de la cellule eucaryote a-d: en 2 étapes e-g: création mitochondrie =création cellule eucaryote 34 Ces hypothèses sont en principe testables: elles prédisent des similarités entre une partie du génome eucaryote et certaines bactéries, et entre le reste de ce génome et certaines archées.

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Démonstration de l’origine unique des eucaryotes photosynthétiques primaires 50 protéines de plastides 143 protéines nucléaires 37 L’origine cyanobactérienne des chloroplastes est certaine, mais la position exacte de cette origine à l’intérieur des cyanobactéries reste encore mal connue.

Modèle de l’endosymbiose chloroplastique primaire 38

Endosymbiose chloroplastique secondaire 39

Endosymbiose chloroplastique secondaire chez la cryptophyte Guillardia theta 40

Endosymbiose primaire Green plants Rhodophytes Glaucophytes ? Euglenozoa Dinoflagellates Heterokonts Cryptophytes Apicomplexa Chlorarachniophytes Endosymbioses secondaires 41 Haptophytes

Green plants Rhodophytes Glaucophytes Endosymbioses secondaires Euglenozoa Dinoflagellates Heterokonts Cryptophytes Apicomplexa Chlorarachniophytes Secondary plastid replacement Karenia (Lepidodinium) Kryptoperidinium Haptophytes Dinophysis Endosymbiose tertiaire 42

Etat de l’art sur les connaissances phylogénétiques à l’échelle de l’arbre de la vie. - La phylogénie des domaines bactérien et archéen. Le concept d’arbre phylogénétique est-il adéquat ? - La phylogénie du domaine eucaryote. Après beaucoup d’égarement, on commence à y voir clair. - La phylogénie des métazoaires. Des résultats très récents combinent un fort signal phylogénétique et une grande richesse taxonomique. - La phylogénie des mammifères. Des assemblages supra-ordinaux émergent. 43

La phylogénie du domaine bactérien. Dans la vision « classique » , une division naturelle en phylums existe. 44

La phylogénie du domaine archéen. Découverte récente d’un nouveau phylum. 45

Modèle standard de l’arbre de la vie: division en phylums 46

Modèle alternatif: les transferts horizontaux de gènes entre procaryotes sont si fréquents que la notion de phylum perd tout sens. 47

La phylogénie du domaine eucaryote. Un consensus émerge vers l’identification de cinq assemblages de phylums. Les relations entre eux restent très incertaines. 48

La phylogénie des métazoaires. - Bilatériens vs. cnidaires, porifères et cténophores - Protostomes vs. Deutérostomes - Abandon du concept acoelomate, pseudocoelomate, coelomate pour la phylogénie: division lophotrochozoa / ecdysozoa 49

La phylogénie des mammifères. Les ordres (périssodactyles, rongeurs, primates, …) classiquement définis sont confirmés pour la plupart (sauf cétacés). Des groupements supraordinaux émergent. 50