11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

Licence L1S2 toute mention sauf “ Sciences du Vivant ” UE de découverte

       “ Les défis de la biologie ”

Jeudi 11 mai 2006 14 à 16h (Amphithéâtre 4 Le Bel)

11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

  S’il y a défi(s)

      comment le(s) relever ?

11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

Licence L1S2 toute mention sauf “ Sciences du Vivant ” UE de découverte  “ Les défis de la biologie ”

“ Pourquoi s’intéresser à l’histoire  évolutive des organismes vivants ? ”

Jeudi 4 mai 2006 14 à 16h (Amphithéâtre 4 Le Bel)

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Saccharomyces cerevisiae

Caenorabditis elegans

Drosophila melanogaster

Mus musculus

Arabidopsis thaliana

Organismes modèles

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L’évolution fait partie intégrante de la recherche fondamentale et de l’enseignement supérieur

Toute nouvelle découverte doit être restituée dans le contexte évolutif

Mais

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Une constante dans l’histoire de l’humanité:

     l’origine et l’évolution des organismes vivants ont toujours suscité un grand intérêt

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Détermination des liens de parenté entre :- organismes

 Histoire évolutive

Le support beaucoup plus tard:- gènes

Phylogénie

               

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Aristote déjà au quatrième siècle avant J. C.posait ces premières questions:“ chaque être engendre un autre être semblable à lui...l’être est engendré par un être identique à lui-même”

il dénombrait déjà plusieurs milliers d’espèces

il introduisait le mot espèce et par la même les relations entre espèces, ce qui à terme (20 siècles) débouchera sur le concept d’évolution (Lamarck, ...puis Darwin)

11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

Seule une infime partie des espèces est connue - le concept d’espèce n’est pas unifié,   donc le dénombrement est imprécis- l’inventaire est partiel et inégal et surtout  impossible- un nombre immense et inconnu d’espèces   sont éteintes

quelques chiffres qui évoluent au cours du temps!...et ce n’est pas fini

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Linné en 1758 connaissait 4163 espèces animales et un peuplus de plantesIl y aurait(!) actuellement plus de 1 800 000 espèces vivantes répertorièes. Mais...l’irréalisme d’une telle question, d’une réponse de sens....

la synonymie : Carabus cancellatus est décrit pour la première fois en 1758, cette espèce a depuis reçu211 synonymes !actuellement:- 30 000 nématodes répertoriés pour 1 million d’espèces   supposées- 1 million d’insectes pour 3 à 30 millions (un facteur 10 !)- 99% des microorganismes ne sont pas cultivables au laboratoire et ne sont pas distinguables sur des critères morphologiques

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Un peu d’histoire

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Il y a 3,8 milliards d’années

   des éléments minéraux s’assemblent pour constituer:

- les premières molécules organiques

- les premières macromolécules

- donner naissance au métabolisme

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LUCA

catalyse ARN

RNP

ribosome +code g.

métabolisme

archea eubactérie

ADN db (petit)

replication ADN

lipides et cellules

protéines

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Protéines

ARN

ADN

“dogme” central de la biologie

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Fixer la/une nouveauté, la stabiliser dans le temps: il y a sélection de la replication de l’ADN,

stabilité de l’information = transfert entre générations

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On parle de gène(s) avant de parler plus tard de génome:

Watson

Crick

(désoxyribo)nucléotide A, T, C ,G, on mesure les génomes en1000 nucléotides = 1Kb1000 Kb = 1 Mb1000 Mb = 1 Gb

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Gène = objet génétiquepour simplifier une fraction d’une grandemolécule d’ADN où l’on peut positionner

- un début- une fin

qui porte une information.

Cette dernière après “p” étapes de réactionsbiochimiques donnera une forme (phénotype)

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une protéine fait en moyenne 500 résidus (acide aminé) (de qq dizaines à rarement plus de 4500)

dans un cas simple la séquence de nucléotides pour faire cette protéine sera de 1500 nucléotides ou 1,5 Kb (X3)

et

la séquence codante du gène sera de 1500 nucléotides(ce n’est pas la définition d’un gène! avec ses séquences régulatrices un génesera toujours dans cecas simple plutôt voisin de 2 Kb)

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D’où dérive ce terme génome?le mot génome a été utilisé pour la

première fois en 1920 (H. Winckler) “l’ensemble des caractères

héréditaires d’un être biologique donné”

à cette époque cela signifiait le lot de chromosomes

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Les gènes (objets génétiques):

- se créent: fusions, délétions, éléments transposables

éléments répétés

- vivent : expréssion génique

- meurent/disparaissent : pseudogènes et reliques

mais

   il faut d’abord savoir les identifier

- donc certains sont cachés...où ? comment les

détecter ?

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établir des règles de recherche, mais ces objets sonttrès variables en organisation et en taille: ces règles d’identification sont (et resteront sans doute longtemps) imparfaites

basées en partie sur la similarité, donc le connu

le nombre de gènes contenu dans l’ADN ,le génome, d’un organisme donné est toujours une question ouverte

par exemple la levure de boulanger

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Créer des gènes, nouveaux gènes, nouveautés génétiques:- duplication (compter les gènes)

= copier puis coller de l’ADN dans de l’ADN- gène entier ou fragment ou morceau d’ADN

mais il faut aussi réduire

- délétion (compter les gènes)= couper, déléter puis recoller l’ADN

- fusion entre deux gènes, deux fragments ou un fragment de gène et un morceau d’ADN

Inventaire

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Eléments transposables (objet génétique): “séquence d’ADN capable de se déplacer de façon      autonome et de se multiplier dans le génome”

Ils s’insèrent au hasard dans le génome (+sens d’insertion) et vont parfois “détruire” l’organisation de gènes: mutations

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les éléments transposables peuvent être très nombreux:par exemple chez l’homme:quantification à partir du génome séquencé 2 869 000 éléments soit 42% du génome (110 familles, I)

En général,ces chiffres varient d’une espèce à l’autre et d’une population à l’autre dans une espèce donnée(voire d’un individu à l’autre!)

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Impact sur les génomes des éléments transposables:

- séquences répétées identiques = peuvent se remanier on dit recombiner

- insertion dans un gène = mutation(s) selon p déclinaisons = évolution du génome

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AnimauxBactéries Végétaux

jusqu’en 1960

L’organisation du monde vivant

Eubactéries Eucaryotes

       Archées

depuis 1990

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Les génomes de procaryotes sont        relativements petits

(600 à 13000 kb)

Les génomes d’eucaryotes sont de tailles     extraordinairement variables

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Les génomes d’eucaryotes sont de tailles extraordinairementvariables:

- en taille “haploïde”: de qq Mb à qq centaines de Gb

- des organismes “proches”ont des tailles de génomes très   différentes

- pas de relation entre taille du génome et “complexité”   de l’organisme

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Musa domestica insecte/mouche 900 Mb

Anopheles gambiae insecte/moustique280 Mb

Drosophila melanogaster insecte/mouche 125 Mb

Amoeba dubia amibe 670 Gb

Pinus resinosa conifère 68 Gb

Gallus gallus oiseau 1,2 Gb

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Il existe une bonne corrélation entre taille du génome           et taille des cellules et de leur noyau

et on observe en général

- grands génomes = grandes cellules = divisions lentes

- petits génomes = petites cellules = divisions rapides

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  Forces évolutives, contraires, agissant sur        la taille des génomes d’eucaryotes

Diminutiondélétions = pertes d’ADN+ sélection pour réduire le “coût” de la X

                                    Augmentationduplications = gain d’ADN+ sélection pour augmenter l’adaptation à un biotope donné

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Phylogénie

classer, relier

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PRIMATESLorisiformes

Lémuriformes

Tarsiiformes

Platyrrhiniens

Cercopithécoïdes

Hylobatoïdés

Hominines

Panines

Gorillinés

Pongidés

3

4

6

8

10

12

19

18

16

14

2

1

5

7

11

13

17

15

9

Strepsirrhiniens

Haplorriniens

Simiiformes

Catarrhiniens

Hominoïdes

Hominoïdés

Hominidés

Homininés

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Comparer

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Quels types d’outils pour explorer les génomes?

- séquencer l’ADN (moderne et ancien) depuis 1977 (ancien = archéologie et domestication)

- la génétique, seule discipline de la biologie qui ne fait pas appel à la physico-chimie mais à la statistique:

croiser X des parents différents (ressemblance

dissemblance)

compter la descendance (test statistique)

en tirer une loi (comment ceci ségrège)

Gregor Mendel 1864

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QuickTime™ et un décompresseurPhoto - JPEG sont requis pour visualiser

cette image.

Bonobo    Le Condottierepar Antonello de Messine 1430-1479 99% identité en

ADN 24

23

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le chromosome 2 de l’homme résulte de la fusion de deux chromosomes du chimpanzé (23 paires/24 paires)

d’autres montrent des différences     de tailles (5, 6, 9 et 12)

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le chien, un loup (Canis lupus) domestiqué    il y a environ

   15000 ans

variabilité à partir “d’un” génome- sélection par l’homme- quels sont les gènes qui permettent ces différences?- comment?

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Beauceron Berger Allemand

Caniche moyen Coton de Tuléar

Westie Yorkshire

Cocker Anglais

Whippet

Bouviers BernoisBorders Collies

Setter GordonShih TzuLhassa-ApsoLabrador

Pointer

Boxer

D.Bordeaux

Epagneul Breton

°°°

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partir de la séquence

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CTAATAAAAAGAAATGGTATTCTGCCAAACACCAAAGTGCCAAATAAGCATTATTTTACATAGTACGAAATGGAAATTACGTCAATTATCGACATTATGACATAAAATTGGATTTAACAAGATGTCTGAATCTGATATGCTTCTTTCATTAGGGTGGAAATAACAGCATTTGAGAGAAGCAATTGCCAAGCTTCTATGAAAATTTTCTAGAAGGCAAGAGTATTTCAGACTTTCCTAATATGAAAGGACAAATTGACACTAATGTCTGATTATGGCCAATTCCTGCGGTAAATTACACGGCGATTACGGCGACATGAGCTCACATTCATCACTCTATGGGACAAATGTTTCCAAACTGGGCGCAACAAACACCTGATGTGACTCCTACCCTTTGGACAATGCAGATCCACGCTACGGCAAATTAGTCAAATGCACTAGAACATGGCGCAAGTACTTATTGTGACCTTTGGGGTACCGTTACCGTCAGTTTTCTTCAGCTAAGGCGCGCGCGCCAGATAACTAAAAAAAAATATAGTTGCTGCTTAAAAAACAATACACCCGTACTCTCTTGCCTGTAAAAACCTCGAAGGACCAAAGATACCCTCAAGGTTCTCATCTGTGCGGTATTCTTCAAATTACAATGACATTTCCCAAAATTATCAGATGTGCTCAGGTATCTTCTCTCCAATGAGATGAGACAGATGAACATATTTGACCTTGAAGGTCATGGAAAGTAGGTTGAGAGCAAATGTGTAGAACGAAATTAAGAAAAAAAGAAATTACGCACGGCATTAGCTCGATGACTTAGTTATAAATAGAGGCCTGGTATCGGCTGTCATGATCTCATCTCTTCCCTATTTACAAAAAAACTGCAAGTATAGACAATAAAACAACAGCACAAATATCAAAAAAGGAATTATGAGCAACGTTACTACGCCGTGGTGGAAACAATGGGACCCTTCTGAAGTTACACTTGCCGATAAAACCCCTGATGATGTGTGGAAGACCTGTGTTTTGCAAGGTGTTTACTTTGGTGGAAACGAGTACAATGGTAACTTAGGTGCCAGAATATCTTCCGTCTTTGTTATTCTTTTCGTGAGTACTTTTTTCACCATGTTCCCATTAATCTCAACAAAAGTGAAAAGATTGAGAATTCCTCTATATGTTTACCTTTTCGCAAAGTATTTTGGTTCCGGTGTTATTGTTGCAACCGCATTTATCCACTTAATGGACCCTGCTTATGGTGCGATTGGTGGTACCACTTGTGTAGGACAAACCGGTAACTGGGGTCTTTATTCATGGTGTCCTGCCATTATGCTAACGAGTTTGACCTTCACTTTCCTTACTGATCTATTCAGTAGCGTCTGGGTTGAAAGAAAGTATGGTCTTTCCCATGACCATACCCACGATGAAATTAAAGACACTGTTGTGAGAAACACTGCAGCTGTTTCAAGTGAGAATGACAATGAGAATGGTACTGCAAATGGATCTCATGACACCAAGAACGGAGTAGAGTATTATGAAGATTCAGACGCTACATCCATGGATGTTGTTCAATCATTTCAAGCACAATTTTATGCCTTTTTAATTTTAGAATTCGGTGTGATTTTCCACTCCGTTATGATCGGTCTAAACCTGGGAAGTGTTGGTGATGAGTTCTCCTCCCTATACCCTGTCTTAGTGTTCCATCAATCATTTGAAGGTTTAGGTATTGGTGCAAGATTGTCAGCCATTGAATTCCCTAGATCAAAGAGATGGTGGCCATGGGCCCTATGTGTTGCGTATGGGTTAACCACACCAATCTGTGTGGCCATCGGTTTGGGTGTTCGTACCAGATACGTCAGCGGTTCTTACACTGCGCTTGTTATCTCTGGTGTTTTGGATGCCATTTCTGCTGGTATCTTATTGTACACTGGTTTGGTTGAACTACTAGCAAGAGACTTTATATTCAATCCTCAAAGAACAAAGGATCTAAGAGAATTGTCCTTCAACGTTATATGCACTCTTTTCGGTGCTGGTATCATGGCTTTGATCGGTAAGTGGGCTTAAACCAAAGCGAAATTCTGCATGTTCCATATAGATTCTATTTCATATTTTATAGTTATTTATTCTTTAGTAATAGCAAAAAAACAGTAATAATTTTTCTTTAACAGTCTCGGACAATAAATACGCTAAAGAAGATGAAAATGACAACTTTTACGCTGGTGTGCACAAGTGGTACCAGAATACGTGGCCACCAAAACAATGACGGATATAGGGAGAACCAAGTCTAGAAATTACAAATGTTCTTTTGACGGTTGTGAGAAAGTCTACAACAGACCTAGTTTGCTTCAGCAACACCAAAATTCGCATACCAATCAAAAGCCGTATCATTGTGATGAGCCGGGATGTGGCAAAAAATTTATAAGACCGTGCCATCTACGAGTTCACAAATGGACTCATTCACAAATCAAGCCCAAAGCGTGCACATTATGTCAAAAAAGATTTGTCACAAATCAGCAATTAAGAAGGCATTTAAATAGTCATGAAAGAAAAAGCAAGCTTGCATCAAGAATTGACCGTAAACACGAAGGAGTGAATGCGAATGTGAAAGCAGAACTCAATGGCAAGGAGGGAGGTTTTGACCCAAAATTACCTTCCGGCTCTCCAATGTGTGGTGAAGAATTCTCGCAAGGTCATTTGCCTGGATATGATGACATGCAAGTGCTACAATGCCCATACAAATCATGTCAAAAAGTTACCAGCTTCAATGACGATCTAATAAATCATATGTTGCAACATCATATAGCAAGTAAGCTTGTTGTACCATCTGGAGAT

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pour aboutir à une carte physique

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Dans génomique on retrouve:

- gène - génétique

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Un peu d’histoire de la

génétique

- loi de Mendel 1864 (1903)- ADN est le matériel génétique 1944- structure de l’ADN 1953- code génétique 1961- l’ADN recombinant 1973- les introns 1977- séquençage de l’ADN 1977

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Des questions déjà posées

- qu’est ce qu’un gène?- comment(méthode) détecter un

gène ? mais aussi- comment identifier la fonction d’un

gène (stratégies) ?

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Déterminer les objets génétiques:

suivre des régles identifier le début et la fin d’un objet pour conclure,- gène codant pour une protéine- gène d’ARN,...- transposon, ...- etc

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On parle alors de génomique

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     La domestication du chien deux hypothèses:

- une seule en Eurasieou

- deux indépendantes en Eurasie et en Amérique

L’analyse del’ADN de squelettes de chiens venant des sites archéologiques Alaska, Mexique, Pérou,Bolivie comparée à celles issues de 250 loups actuels (30 sites de part le monde) et de 140 chiens actuels (67 races) indique que les chiens d’Amérique dérivent de 4 types (haplotypes) de chiens actuels.Qu’il n’y a eu qu’une seule domestication en Eurasie, qu’il y a eu une divergence significative parmi les lignées de chiens d’Eurasie avant qu’ils n’accompagnent les humains dans leursmigrations pré-Colombienne vers l’Amérique

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La malaria résulte de l’infection de H. s. s. par un parasite le Plasmodium falciparum(Apicomplexés). Le génome de P. falciparum révèle la présence d’ADN chloroplastique (non photosynthetic chloroplaste like)et indique que cet organisme résulte en fait d’une endosymbiose, très lointaine, avec une algue.Il se multiplie dans le sang de l’hôte et n’a pas de rapportavec les végétaux. Aplication recherche de drogues spécifiques (action surle chloroplastes par sur H. s. s.)

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        On observe et on observera          dans tous les génomes que :

- la redondance génique est élevée

- il existe des gènes de fonction inconnue

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S’il y a duplication,

il y a évolution biologique (histoire)

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- les êtres vivants ont une histoire- cette histoire est transmise....- cette histoire est lue grâce à la

génétique et aux génomes

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- grâce à la génomique on peut :étudier des organismes réfractaires à une analyse expérimentale

taille, cycle de reproduction, milieu atypique, etc...

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étudier des organismes qui ne sont pas analysables/cultivables sous forme isolées (non clones, populations, )

métagénomique

ADN d’organismes présents dans les boues des stations d’épuration

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séquence d’anammox : anaerobic ammonium oxidation

la bactérie anammox a: - un temps de division long deux

semaines- - elle n’est pas cultivable sous forme

de  culture pure mais d’associations complexes  de microorganismes

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expérience:- un bioréacteur de laboratoire, - UN AN de culture, - le DNA total, mélange, est extrait,    séquençé, x étapes...

29 types taxonomiques identifiés sous

     forme de génomes

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la biodiversité est très faiblement explorée et mesurée, mais la génomique va permettre

,en partie, cette exploration et de façon peu

coûteuse

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Eucaryotes (gène codant pour une protéine)

- Saccharomyces cerevisiae    5807

- Caenorhabditis elegans 14824

- Drosophila melanogaster 13600

- Schizosaccharomyces pombe  4824

- Arabidopsis thaliana 25498

- Homo sapiens sapiens 23000

- Oryza sativa 30-50000

- Ratus norvegicus 22400

- Tetraodon negroviridi 22400

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Quel est l’impact du début de la période génomique? Qu’avons nous appris ?

- le nombre de gènes est limité - la redondance génique est élevée - dans chaque génome on observe

des  gènes de fonction inconnue

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     Merci de votre intérêt pour          l’analyse des génomes