Cellules et GénomesCellules et Génomes

Œuf de grenouille Xenopus laevisŒuf de grenouille Xenopus laevis

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Plan

I - Caractéristiques communes universelles à toutes les cellules

II - Diversité des cellulesIII - Tentative de compréhension

cohérente de toutes les formes de vie à partir du code commun à tous les organismes vivants

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II - La diversité des génomes et l'arbre de vie

• ADN, ARN, Protéines se retrouvent– les océans, les continents, la croûte

terrestre– le fond des océans, les volcans, l'antartic,

en général microscopique– la richesse en O2, le charbon, le pétrole, les

falaises, les mines… en résultent• On n'est pas habitué à ce monde• Beaucoup de points communs (cf. I)• Essai de catalogue et de hiérarchisation

de la diversité

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Les différentes sources d'énergie libre des cellules

• Organotrophiques– aux dépends d'autre organismes vivants ou de leurs

produits (animaux, champignons, bactéries… )

• Non organotrophiques : aux dépends du monde non vivant– phototrophique : énergie lumineuse

• bactéries, algues, plantes, • produisent de l'oxygène

– lithotrophique : environnement chimique inorganique (peu visibles sur la planète)

• aérobiques• anaérobiques

– fournissent l'énergie aux organotrophiques

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Les cheminées hydrothermiques

• Exemple le plus frappant de site de litho trophes sans oxygène

• Fond du Pacifique et de l'Atlantique– palourdes, moules, verts marins géants

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Fig 1-15

• Géologie d'une cheminée hydrothermique au fond de l'océan

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http://www.pmel.noaa.gov/vents/chemistry/image.html

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http://www.pmel.noaa.gov/vents/chemistry/image.html

• Pipe Organ vent chimney cluster on the Northern Cleft segment of Juan de Fuca Ridge during ALVIN dive number 2437 in 1991. Photo from the ALVIN bow camera

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http://www.pmel.noaa.gov/vents/chemistry/image.html

• Black smoker vents on Monolith chimney at Northern Cleft in 1991

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http://www.pmel.noaa.gov/vents/chemistry/image.html

• Marker 6 at Tripod diffuse vent (maximum temperature 60°C) on Northern Cleft Segment in 1988. Bright white bacterial mats line cracks in basaltic sheet flow. Vent fluids were below seawater chlorinity

1988

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http://www.pmel.noaa.gov/vents/chemistry/image.html

Vent fluid chemistry changed dramatically from 1988 to 1990

1992

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http://www.pmel.noaa.gov/vents/chemistry/image.html

• A lobe of pillow basalt collected from the CoAxial segment lava flow that occurred in June/July 1993. This sample was collected from ALVIN in October 1993, and shows red/orange iron-rich alteration where the glass has broken away. Halite (NaCl) crusts were seen on cavity surfaces of similar samples

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http://www.pmel.noaa.gov/vents/chemistry/image.html

Multiple black smoker vents at the "RM29" site at 18°10'S on the Southern East Pacific Rise. Photo taken in November 1994 from the Japanese submersible Shinkai 6500

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Fig 1-16

• Organismes vivants aux abords d'une cheminée hydrothermique

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Viperfish

Viperfish

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Certaines cellules fixent du -N et CO2 pour d'autres

• Une cellule a besoin de 6 éléments :H, C, O, N, S, P.

• Dans l'atmosphère il y a beaucoup de N2 et CO2 mais aréactifs

• Nous utilisons les plantes pour nous fournir du -C et du -N utilisable

• Les plantes dépendent de bactéries• Grosses différences dans le mode d'utilisation

des composants biochimiques• Parfois même il y a fusion totale

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Procaryotes, modèles de diversité biochimique

• Eucaryotes– présence de noyau– plantes, champignons, animaux

• Procaryotes– absence de noyau– bactéries– petits, simples et le plus souvent

unicellulaires

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Fig 1-17

• Forme et taille de quelques bactéries

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Fig 1-18(A)

• Vibrio cholerae (bactérie)– paroi épaisse– pas grand chose en ME

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Fig 1-18(B)

• Escherichia Coli (comme Vibrio cholerae mais sans flagelle)

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Les procaryotes

• Grande variété de niches écologiques• Grandes potentialités biochimiques• Organotrophiques tout type de

nourriture• Phototrophiques :

– fournissent de l'O2 au passage ou non

– eg : Anabaena cylindrica

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Fig 1-19

• Anabaena cylindrica bactérie phototrophe en microscopie optique.

• Les cellules forment un long filament multi cellulaire– V photosynthèse– H fixation de l'azote– S se développe en spores

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Fig 1-20

• Beggiatoa Bactérie lithotrophe

• Prend son énergie en oxydant H2S

• Peut fixer le carbone dans le noir

• Dépôts jaunes de sulfure dans la cellule

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Beggiatoa Bactérie

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Le monde procaryote

• Complètement inexploré• Pas cultivable avec les milieux

traditionnels de la bactériologie• 99% sont inconnus

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Les trois embranchements du monde vivant

• Classification morphologique– poisson, ver, aubépine, pommier,

ancêtre commun arbre• Insuffisance de la morphologie classification biochimique des procaryotes classification génomique : précis deux groupes chez les procaryotes

– bactéries (=eubactéries)– archae (=archaebactéries)

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Fig 1-21

• Les trois grands domaines du monde vivant

Procary

otes

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Archae (= archaebactéries)

• Au départ– environnements (marécages, fermes,

océans, lacs salés, pluies acides… )

• Actuellement– beaucoup dans des sites communs– ressemblent beaucoup aux eucaryotes

(réplication, transcription, traduction… )– ressemblent beaucoup aux eubactéries

(métabolisme, énergie… )

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Évolution du génome

• Mutations– Mieux rare sera perpétué– Pas de différence probable sélection

naturelle (sera perpétuée ou pas)– Grave lésion fréquent pas de

descendance

• Au total– l'organisme évolue– survie en fonction de l'environnement– reproduction satisfaisante

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Évolution du génome• ADN non codant sans rôle régulateur

modifications libres• ADN codant pour une protéine

essentielle la cellule mutante est éliminée le gène est conservé dans son état initial

• On retrouve les gènes conservés dans toutes les espèces

• On utilise ces gènes pour suivre les espèces

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Fig 1-22

• Un exemple : gène 16S d'ARN ribosomal (1500 nucléotides)

• Conservation de l'information génétique depuis le début de la vie

Methanococcus jannashii : archaea

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Les génomes connus

• Bactéries et archae– petite taille (augmentation du rapport

surface/volume ingestion des nutriments augmentée)

– peu de superflu– génome entre 1 et 10 millions de pb– 1000 à 4000 gènes

• Par comparaison on recherche l'ancêtre commun

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Table I-1

• Génomes ayant été totalement séquencés– Eubactéries

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Table I-1

• Génomes ayant été totalement séquencés– Archae

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Table I-1

• Génomes ayant été totalement séquencés– Eucaryotes

http://www.genomesonline.org/

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Complete List of OrganimsAeropyrum pernix Agrobacterium tumefaciensAnabaenaAnopheles gambiaeApis melliferaAquifex aeolicusArabidopsis thaliana Archaeoglobus fulgidusAshbya gossypiiBacillus anthracisBacillus cereus Bacillus halodurans Bacillus licheniformis Bacillus subtilis Bacteroides fragilis Bacteroides thetaiotaomicron Bartonella henselae Bartonella quintana Bdellovibrio bacteriovorusBifidobacterium longumBlochmannia floridanusBordetella bronchisepticaBordetella parapertussisBordetella pertussisBorrelia burgdorferi Bradyrhizobium japonicum Brucella melitensis Brucella suisBuchnera aphidicola Burkholderia mallei Burkholderia pseudomallei Caenorhabditis briggsae Caenorhabditis elegans Campylobacter jejuni Candida glabrata Canis familiaris Caulobacter crescentus Chlamydia muridarum Chlamydia trachomatis Chlamydophila caviaeChlamydophila pneumoniae Chlorobium tepidum Chromobacterium violaceumCiona intestinalis Clostridium acetobutylicum Clostridium perfringens Clostridium tetani Corynebacterium diphtheriaeCorynebacterium efficiens Coxiella burnetiiCryptosporidium hominisCryptosporidium parvumCyanidioschyzon merolaeDebaryomyces hanseniiDeinococcus radiodurans Desulfotalea psychrophila Desulfovibrio vulgaris Drosophila melanogaster Encephalitozoon cuniculi Enterococcus faecalis Erwinia carotovora Escherichia coli Fusobacterium nucleatum

Gallus gallus Geobacter sulfurreducens Gloeobacter violaceusGuillardia thetaHaemophilus ducreyiHaemophilus influenzaeHalobacteriumHelicobacter hepaticusHelicobacter pyloriHomo sapiensKluyveromyces waltiiLactobacillus johnsoniiLactobacillus plantarumLegionella pneumophilaLeifsonia xyliLactococcus lactisLeptospira interrogansListeria innocuaListeria monocytogenesMagnaporthe griseaMannheimia succiniciproducensMesoplasma florumMesorhizobium lotiMethanobacterium thermoautotrophicumMethanococcoides burtoniiMethanococcus jannaschiiMethanococcus maripaludisMethanogenium frigidumMethanopyrus kandleriMethanosarcina acetivoransMethanosarcina mazeiMethylococcus capsulatusMus musculusMycobacterium bovisMycobacterium lepraeMycobacterium paratuberculosisMycobacterium tuberculosisMycoplasma gallisepticum Mycoplasma genitaliumMycoplasma mycoidesMycoplasma penetrans Mycoplasma pneumoniaeMycoplasma pulmonisMycoplasma mobileNanoarchaeum equitansNeisseria meningitidisNeurospora crassaNitrosomonas europaeaNocardia farcinicaOceanobacillus iheyensisOnions yellows phytoplasmaOryza sativaPan troglodytesPasteurella multocidaPhanerochaete chrysosporiumPhotorhabdus luminescensPicrophilus torridusPlasmodium falciparumPlasmodium yoelii yoeliiPopulus trichocarpaPorphyromonas gingivalis Prochlorococcus marinusPropionibacterium acnes

Protochlamydia amoebophilaPseudomonas aeruginosaPseudomonas putidaPseudomonas syringaePyrobaculum aerophilumPyrococcus abyssiPyrococcus furiosusPyrococcus horikoshiiPyrolobus fumariiRalstonia solanacearumRattus norvegicusRhodopirellula balticaRhodopseudomonas palustrisRickettsia conoriiRickettsia typhiRickettsia prowazekiiRickettsia sibiricaSaccharomyces cerevisiaeSaccharopolyspora erythraeaSalmonella entericaSalmonella typhimuriumSchizosaccharomyces pombeShewanella oneidensisShigella flexneriaSinorhizobium melilotiStaphylococcus aureusStaphylococcus epidermidisStreptococcus agalactiaeStreptococcus mutansStreptococcus pneumoniaeStreptococcus pyogenesStreptococcus thermophilusStreptomyces avermitilisStreptomyces coelicolorSulfolobus solfataricusSulfolobus tokodaiiSynechococcusSynechocystisTakifugu rubripes Tetraodon nigroviridis Thalassiosira pseudonana Thermoanaerobacter tengcongensisThermoplasma acidophilumThermoplasma volcaniumThermosynechococcus elongatusThermotagoa maritimaThermus thermophilusTreponema denticolaTreponema pallidumTropheryma whippleiUreaplasma urealyticumVibrio cholerae Vibrio parahaemolyticusVibrio vulnificus Wigglesworthia glossinidiaWolbachia pipientisWolinella succinogenesXanthomonas axonopodisXanthomonas campestrisXylella fastidiosaYarrowia lipolyticaYersinia pseudotuberculosisYersinia pestis

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Complete List of Organims

Aeropyrum pernix Agrobacterium tumefaciens Anabaena Anopheles gambiae Apis mellifera Aquifex aeolicus Arabidopsis thaliana Archaeoglobus fulgidus Ashbya gossypii Bacillus anthracis Bacillus cereus Bacillus halodurans Bacillus licheniformis Bacillus subtilis Bacteroides fragilis Bacteroides thetaiotaomicron Bartonella henselae Bartonella quintana Bdellovibrio bacteriovorus Bifidobacterium longum Blochmannia floridanus Bordetella bronchiseptica Bordetella parapertussis Bordetella pertussis Borrelia burgdorferi Bradyrhizobium japonicum Brucella melitensis Brucella suis Buchnera aphidicola Burkholderia mallei Burkholderia pseudomallei Caenorhabditis briggsae Caenorhabditis elegans Campylobacter jejuni Candida glabrata Canis familiaris Caulobacter crescentus Chlamydia muridarum Chlamydia trachomatis Chlamydophila caviae Chlamydophila pneumoniae Chlorobium tepidum Chromobacterium violaceum Ciona intestinalis Clostridium acetobutylicum Clostridium perfringens Clostridium tetani Corynebacterium diphtheriae Corynebacterium efficiens Coxiella burnetii Cryptosporidium hominis Cryptosporidium parvum Cyanidioschyzon merolae Debaryomyces hansenii Deinococcus radiodurans Desulfotalea psychrophila Desulfovibrio vulgaris Drosophila melanogaster Encephalitozoon cuniculi Enterococcus faecalis Erwinia carotovora Escherichia coli Fusobacterium nucleatum Gallus gallus Geobacter sulfurreducens Gloeobacter violaceus Guillardia theta Haemophilus ducreyi Haemophilus influenzae Halobacterium Helicobacter hepaticus Helicobacter pylori Homo sapiens Kluyveromyces waltii Lactobacillus johnsonii Lactobacillus plantarum Legionella pneumophila Leifsonia xyli Lactococcus lactis Leptospira interrogans Listeria innocua Listeria monocytogenes Magnaporthe grisea Mannheimia succiniciproducens Mesoplasma florum Mesorhizobium loti Methanobacterium thermoautotrophicum Methanococcoides burtonii Methanococcus jannaschii Methanococcus maripaludis Methanogenium frigidum Methanopyrus kandleri Methanosarcina acetivorans Methanosarcina mazei Methylococcus capsulatus Mus musculus Mycobacterium bovis Mycobacterium leprae Mycobacterium paratuberculosis Mycobacterium tuberculosis Mycoplasma gallisepticum Mycoplasma genitalium Mycoplasma mycoides Mycoplasma penetrans Mycoplasma pneumoniae Mycoplasma pulmonis Mycoplasma mobile Nanoarchaeum equitans Neisseria meningitidis Neurospora crassa Nitrosomonas europaea Nocardia farcinica Oceanobacillus iheyensis Onions yellows phytoplasma Oryza sativa Pan troglodytes Pasteurella multocida Phanerochaete chrysosporium Photorhabdus luminescens Picrophilus torridus Plasmodium falciparum Plasmodium yoelii yoelii Populus trichocarpa Porphyromonas gingivalis Prochlorococcus marinus Propionibacterium acnesProtochlamydia amoebophila Pseudomonas aeruginosa Pseudomonas putida Pseudomonas syringae Pyrobaculum aerophilum Pyrococcus abyssi Pyrococcus furiosus Pyrococcus horikoshii Pyrolobus fumarii Ralstonia solanacearum Rattus norvegicus Rhodopirellula baltica Rhodopseudomonas palustris Rickettsia conorii Rickettsia typhi Rickettsia prowazekii Rickettsia sibirica Saccharomyces cerevisiae Saccharopolyspora erythraea Salmonella enterica Salmonella typhimurium Schizosaccharomyces pombe Shewanella oneidensis Shigella flexneria Sinorhizobium meliloti Staphylococcus aureus Staphylococcus epidermidis Streptococcus agalactiae Streptococcus mutans Streptococcus pneumoniae Streptococcus pyogenes Streptococcus thermophilus Streptomyces avermitilis Streptomyces coelicolor Sulfolobus solfataricus Sulfolobus tokodaii Synechococcus Synechocystis Takifugu rubripes Tetraodon nigroviridis Thalassiosira pseudonana Thermoanaerobacter tengcongensis Thermoplasma acidophilum Thermoplasma volcanium Thermosynechococcus elongatus Thermotagoa maritima Thermus thermophilus Treponema denticola Treponema pallidum Tropheryma whipplei Ureaplasma urealyticum Vibrio cholerae Vibrio parahaemolyticus Vibrio vulnificus Wigglesworthia glossinidia Wolbachia pipientis Wolinella succinogenes Xanthomonas axonopodis Xanthomonas campestris Xylella fastidiosa Yarrowia lipolytica Yersinia pseudotuberculosis Yersinia pestis

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Fig 1-23(part1)

• 3 sur 4 modes d'innovation génétique pour générer de nouveaux gènes (mais toujours à partir de gènes préexistants)

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Fig 1-23(Part2)

• 4 sur 4 mode d'innovation génétique

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Exemple : hémoglobine

• Les 7 gènes d'hémoglobine sont des paralogues : , , , , , , .Dans un même organisme

• Peuvent évoluer dans deux espèces différentes orthologues

• Sont homologues aux myoglobines

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Fig 1-26

Un exemple de famille complexe de gènes homologues

Hémoglobine, myoglobine, globines, (humain, poulet, requin, drosophile

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Transferts de gènes entre organismes

• Bactériophage– se répliquent dans une cellule– sortent avec une enveloppe– entrent dans une autre cellule

• fragment d'ADN libre (plasmide) ou• s'incorpore dans le génome de l'hôte

– peuvent prendre de l'ADN et le transférer d'une cellule à une autre• fréquent chez les eucaryotes• commun entre des cellules eucaryotes de la

même espèce

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Application du transfert de gènes à l'évolution

• Transfert horizontal entre cellules eucaryotes de différentes espèces : très rare

• Transfert horizontal entre cellules procaryotes de différentes espèces : fréquent. Grande capacité d'absorption d'ADN étranger.(résistance aux antibiotiques ou production de toxine ou infections nosocomiales)

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Fig 1-27

• Transfert d'ADN viral d'une cellule à une autre– (A) bactériophage T4– (B) bactérie avec un

bactériophage à sa surface. Tête de T4 en cours d'assemblage

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Échanges horizontaux d'information génétique

• Naissance des Trois embranchements à partir d'une communauté primordiale de gènes qui ont été échangés

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Fig 1-28

• Transfert horizontal de gènes au cours de l'évolution

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Reproduction sexuée : un exemple moderne de

transfert horizontal de gènes

• A l'intérieur d'une même espèce• Phénomène très répandu• Avantage sélectif

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Intérêt des familles de gènes

• Historique (évolution)• Fonction d'un gène nouveau par la

recherche des homologues• Connaissance d'un organisme

simplement en analysant son génome

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Exemple : Mycobacterium tuberculosis

• Provoque la tuberculose• Très difficile à étudier au laboratoire• Son génome : 4 411 429 pb et environ

4000 gènes (1998)• 40% des gènes étaient déjà connus• 44% similitude avec des gènes connus• 16% seulement étaient inconnus• Beaucoup de gènes du métabolisme

des lipides ( manteau résistant au système immunitaire)

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Exemple : Bacillus subtilis• Presque la moitié des gènes ont des séquences

proches de celles de M. tuberculosis

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Les gènes communs aux 3 embranchements

• Difficile– perte de gènes– transfert horizontal

• Comparaison de – 18 bactéries– 6 archae– 1 eucaryote– 76 familles sont ubiquitaires en fait en étant

moins restrictif– 239 familles de gènes conservés

2264 familles de gènes codant pour des protéines

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Table II-2

• Nombre de familles de gènes classés par fonctions communes aux trois domaines du monde vivant

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Méthodes d'approche de la fonction d'un gène

• Génétique• Biochimie• Mutants• Création de mutations dans des sites

spécifiques (conservés par exemple)• Construction de gènes hybrides• En fait conjonction de plusieurs

approches• Intégrer dans l'organisme entier

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Fig 1-29

• Fonction d'un gène révélée par un phénotype mutant

Saccharomyces pombe

normal mutant

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Challenge du biologiste

• Séquencer un gène : c'est fini• Caractérisation fonctionnelle : nouveau

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Le cas particuler de Escherichia coli

• Modèles "choisi" par les biologistes• Vit dans l'intestin de l'homme• Facile à cultiver• Une seule molécule d'ADN circulaire• 4 639 221 pb• Environ 4 300 protéines différentes

http://www.genomenewsnetwork.org/resources/sequenced_genomes/genome_guide_p1a.shtml

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Fig 1-30

Génome d'E. Coli