Analyse du Génome de la cyanobactériemarine Prochlorococcus SS120,

un exemple de génome (presque) minimal

A. Dufresne1, M. Galperin2, K. Makarova2, N. Tandeau de Marsac3, D. Scanlan4, W. Hess5, M. Salanoubat6 et F. Partensky1

1Station Biologique de Roscoff; 2NCBI; 3Institut Pasteur; 4University of Warwick;5Humboldt University of Berlin; 6Genoscope

CP47

CP43

D2

D1IntracytoplasmicMembrane

Cytoplasm

Lumen

CP43

CP47D2

D1

Photosystem II

h

Pcb Pcb

Barber et al, 2000

Pourquoi Séquencer le Génome de Prochlorococcus ?

Cyanobactérie marine atypique✗ Taille minuscule (0.5-0.7 mm): picocyanobactérie✗ Pigments spécifiques: divinyl-chlorophylle a et b✗ Antenne photocollectrice: protéine Pcb

Pourquoi Séquencer le Génome de Prochlorococcus ?

Cyanobactérie marine atypique✗ Taille minuscule (0.5-0.7 mm): picocyanobactérie✗ Pigments spécifiques: divinyl-chlorophylle a et b✗ Antenne photocollectrice: protéine Pcb

Photosystem II

CP47

CP43

D2

D1IntracytoplasmicMembrane

Lumen

CP43

CP47D2

D1

Phycobilisome (cyanobactéries classiques)

Cytoplasm

h

Organisme photosynthétique le plus abondant✗ 0 m -> 150 / 200 m de profondeur✗ 300000 cellules / ml✗ 40 à 60 % de la biomasse chlorophyllienne des zones oligotrophes

Pourquoi Séquencer le Génome de Prochlorococcus ?

Adaptation à des niches écologiques différentes différents “écotypes”

Pourquoi Séquencer le Génome de Prochlorococcus ?

Isolats adaptés aux basses intensités lumineuses

Isolats adaptés aux hautes intensités lumineuses

Différences entre isolats:✗ Photophysiologie (croissance)✗ Rapport Chlb2 / Chla2

Gène de l'ARNr 16SUrbach et al, 1998

High light- adapted

Low light- adapted

Diversité génétique correllée avec la diversité physiologique

Pourquoi Séquencer le Génome de Prochlorococcus ?

Génomes séquencés de Pico-cyanobactéries Marines

High light- adapted

Low light- adapted

Données: Genome OnLine Database*Syn: Synechococcus

Prochlorococcus, un Génome Minuscule...

Séquençage réalisé au Genoscope >Prochlorococcus_SS120_1751080_bpaaagctagatggcagaaaggtttttgaataatttccacagattccacaagacctactactactgtattaatttcatataattaaattagaattactagaagaagagaaaacttttattaaagctatgaaaactttttgttccttttttggtatttcgtagttatgttgaaccgatgaaacttgtttgttctcaaattgagctcaatacagctcttcaactagttagtagagctgtagccactaggccttcgcatccagtattggcaaatgtattgcttactgctgatgcgggaactggaaaactaagcttaactggatttgatcttaatttaggaattcaaacatcgcttagtgcttctatcgaaagtagtggagcaattacagttccctcaaaacttttcggagaaataatatcaaaattatctagtgaatcttctataactttatcaacagatgattctagtgaacaagttaatttaa........

Annotation du génome de Prochlorococcus SS120

Identification des gènes codant pour des protéines

Critica Genemarks Glimmer

2274 ORFs

1884 ORFs

Intergenic regions

tBLASTx

BLASTx

Added

nr

Genomes

PSI -BLAST

tBLASTn

Removed no hit

< 50 aa

Identification des gènes codant pour des protéines

Identification des gènes codant pour des protéines

Nombreuses petites protéines (380 < 100 aa)Très peu de “low complexity proteins”

1751 1884 1,08 112594 2475 0,95 103573 3169 0,89 136414 6129 0,96 18

Taille du génome (kb)

Nb d'ORFs

Densité génique

% d'ADN non codant

Prochlorococcus SS120T. elongatus BP-1Synechocystis sp. PCC 6803Anabaena sp. PCC 7120

✗ COGs: Clusters of Orthologous Groups: Classification phylogénétique des protéines codées dans des génomes entièrement séquencés✗ PSI-BLAST vs. NBCI-nonredundant: recherche d'homologues absents des COGs✗ RPS-BLAST vs. Conserved Domain Database: recherche de domaines protéiques✗ Identification des peptides signaux, hélices transmembranaires, domaines “coiled-coil”

Détermination de la fonction des gènes

Gènes orthologues :Garde la même fonction

Relation “1 à 1” entre orthologues

Spéciation

Ancêtre commun

✗COGs: Clusters of Orthologous Groups:

COG: Cluster of Orthologous Groups of proteins

Spéciation

Relation “1 à plusieurs” entre orthologues

Gènes paralogues :nouvelles fonctions

Duplication

Ancêtre commun

Spéciation

Duplication

COG: Cluster of Orthologous Groups of proteins

Relation “plusieurs à plusieurs” entre orthologues

Ancêtre commun

alr4866PsbA1

Pro0252

PsbA

sll1867PsbA3

Bidirectional

best hit

Bidirectional

best hit

Bidirectional

best hit

All-against-all comparison with BLAST

Construction des COGs

Triangle = simplest COG

------yqvdrlbcefghsnujxitwAbsent uniquement des génomes d'archébactéries

Phylogenetic patterns

aompkz--------------------Seulement dans les génomes d'archébactéries

Phylogenetic patterns

SynechocystisPCC 68033169 ORFs

ProchlorococcusSS120

1884 ORFs

AnabaenaPCC7120

6129 ORFs

T. elongatus BP-1

2475 ORFs

Best hits

Best hits

Best hits

Best hits

Best hits

Best hits

Construction des YOGs: cYanobacterial COGs

S

T A

S

T P T

A

P

S

A

P

Construction des YOGs: cYanobacterial COGs

S

T

T

T

A

P P

S

S A

PA

2260 YOGs créés

Construction des YOGs: cYanobacterial COGs

Nombre de YOGs ne contenant que 3 génomes:✗ Anabaena sp. PCC 7120 : 12✗ Synechocystis sp. PCC 6803 : 24✗ T. elongatus BP-1 : 67✗ Prochlorococcus SS120 : 489

✗ 1800 YOGs déjà présents dans les COGs ✗ YOGs spécifiques de cyanobactéries: 136✗ Principalement des gènes photosynthétiques

Construction des YOGs: cYanobacterial COGs

No. of ORFs 1884No. of ORFs on leading strand 50.6% of ORFs on lagging strand 49.4% of ORFs with predicted function 66.6% of conserved hypothetical ORFs 21.2% of hypothetical ORFs 12.2No. of tRNA genes 40No. of rRNA cluster 1Other RNA genes 3

Résultats de l'annotation

Résultats de l'annotationVoies de signalisation et de régulation

Pas de photorécepteurs: phytochrome, cryptochrome, rodhopsine

Résultats de l'annotationÉléments génétiques mobiles

✗ Pas d'éléments transposables: séquences d'insertion et transposons✗ Pas d'introns du groupe II✗ Un retron ?✗ Pas d'inteins

✗ Pas de réarrangements génomiques liés aux éléments transposables ✗ Genome plus stable ?

Résultats de l'annotationGènes photosynthétiques

✗ Tous les gènes du PSI, PSII, Cyt b6/f sont en simple copie✗ Pas de psbV ni de psbU

● Comparaisons avec les cyanobactéries séquencées (eau douce)✗ (Quasi) Disparition de catégories fonctionelles ✗ Peu de gènes paralogues, disparition de gènes bifonctionnels

● Petite taille du génome reliée au volume cellulaire (0,1 mm3) 2 avantages:✗ Augmentation du rapport surface / volume✗ Diminution du “package effect” (auto-ombrage)

Résultats de l'annotationConclusions

Etat dérivé ou ancestral ?

16S-23S rDNA Spacer, 233 nt, ML Rocap et al, 2002, AEM

Evolution des picocyanobactéries marines

GC %

1658 311751 36,42411 512434 59,4

Taille du génome

(kb)Prochlorococcus MED4Prochlorococcus SS120Prochlorococcus MIT9313Synechococcus WH8102

Evolution des picocyanobactéries marines

Evolution des picocyanobactéries marinesGènes codant pour les phycobilisomes

Hess et al, 2002, Photosynthesis Research

Evolution des picocyanobactéries marinesGènes du métabolisme de l'azote

Evolution des picocyanobactéries marines

Comparaison des 4 génomes de picocyanobactéries marines

● Identifier des gènes spécifiques:✗ d'un écotype => haute lumière (MED4, WH8102) / basse lumière (SS120, MIT9313)✗ d'un genre => Prochlorococcus / Synechococcus✗ d'une souche => MED4/SS120/MIT9313/WH8102

● Définir de nouvelles cibles pour les études de génomique fonctionnelle (puces à ADN, protéomique) et de biologie moléculaire (mutants, PCR quantitative)

● Comprendre les bases moléculaires de l'adaptation au milieu marin et du succès écologique de Prochlorococcus et Synechococcus

Comparaison des 4 génomes de picocyanobactéries marines

MED4+SS120+MIT9313+SYNWH8102

Prochlorococcus_only

MED4_only SS120_onlyMIT9313_only SYNWH8102_onlyMED4+SS120 MED4+MIT9313MED4+SYNWH8102 SS120+MIT9313SS120+SYNWH8102 MIT9313+SYNWH8102Other

Nombre d'ORFs par catégorie

Conserved hypothet-ical

Photolyase-related

ABC-Transporter Other TransporterGAF domain pro-teins

DNA ligase

Transcription regula-tor

Other

Comparaison des 4 génomes de picocyanobactéries marinesSouches adaptées aux hautes intensités lumineuses

Conclusions

✗ Evolution vers un génome réduit et une petite taille cellulaire chez Prochlorococcus ✗ Exemple d'évolution réductive dans un organisme à vie libre✗ Effets du milieu visibles sur les caractéristiques des génomes

✗ Peu de gènes spécifiques d'un écotype/genre/souche✗ Majorité des gènes spécifiques sont sans fonctions connues et constituent des cibles pour expliquer l'adaptation de ces procaryotes à leurs niches écologiques.

Remerciements

✗ Eugene Koonin✗ Michael Galperin✗ Kira Makarova✗ Yuri Wolf✗ Igor Rogozin

MARGENES Project(2002-2005)

Marcel Salanoubat

Equipe Phytoplancton océanique

Et Olivier Collin

La Région Bretagne