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Transferts horizontaux de gènes chez les bactéries Guy Perrière Pôle Bioinformatique Lyonnais Laboratoire de Biométrie et Biologie Évolutive UMR CNRS n° 5558 [email protected]

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Transferts horizontaux degènes chez les bactéries

Guy Perrière

Pôle Bioinformatique LyonnaisLaboratoire de Biométrie et Biologie Évolutive

UMR CNRS n° 5558

[email protected]

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Définitions

Transfert vertical : Transmission de l’information génétique de la

génération parentale à la progéniture. Transfert horizontal (ou latéral) :

Passage de séquences d’un génome à un autre. Mise en jeu de mécanismes comme la transfor-

mation, la transduction et la conjugaison. Intégration par recombinaison.

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Étude des transferts

Les transferts horizontaux semblent toucherl’ensemble des organismes vivants.

La plupart des études ont été réalisées chezles bactéries : Raisons historiques (Griffith, 1928). Motivations d’ordre médical et économique. Rareté des transferts procaryotes eucaryotes :

– Nécessité d’intégrer les lignées germinales.

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Prérequis

Proximité entre le donneur et l’accepteur. Stabilité de l’ADN dans l’environnement. Utilisation d’un vecteur de transmission. Capture par l’hôte suivi d’une insertion. Maintient de l’ADN incorporé. Sélection.

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Protections / limitations

Instabilité de l’ADN internalisé. Systèmes de restriction / modification. Incompatibilité compositionnelle (G+C,

composition en codons). Pas de régions recombinantes suffisamment

longues.

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Cas connus

Gènes plasmidiques de résistance aux anti-biotiques et aux toxines.

Séquences d’insertion (IS). Ilôts de pathogénicité. Plasmide Ti d’Agrobacterium tumefasciens. Phages et pseudo-phages. Transfert depuis des génomes d’organites

(mitochondrie, chloroplaste) vers le noyau.

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La transformation

Capture par la cellule de fragments d’ADN nuprésents dans le milieu.

La transformation naturelle est restreinte àcertaines espèces bactériennes « compétentes ».

Cellule donneuse Receveur compétent

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La conjugaison

Transfert par l’intermédiaire d’un plasmide conju-gatif (e.g., le plasmide F chez E. coli).

La conjugaison serait le mécanisme le plus courantd’échange d’ADN entre organismes distants.

Évènement fréquent Évènement rare

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La transduction

Transfert d’ADN par l’intermédiaire de bactério-phages.

Implique généralement des bactéries appartenant àdes espèces proches (spécificité d’hôte) : Certains phages (e.g., µ) possèdent un large spectre.

ReceveurDonneur infecté

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Intégration des séquences

L’intégration des fragments exogènes estrendue possible par différents mécanismes : Recombinaison site-spécifique. Recombinaison générale homologue :

– Recombinaison réciproque.– Recombinaison non réciproque.

Contribution à la divergence des génomes : Chez E. coli, effet 50 fois plus important que la

mutagenèse.

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Recombinaison site-spécifique

Protéine IntProtéine IHFSite d’attachementSéquence transférée

Phage

Bactérie

attP

×

attB

+

×

Induction SOS (UV)

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Recombinaison réciproque

5´3´ 5´

5´5´3´

5´3´ 5´

5´5´3´

5´3´

RecBCD

5´5´

3´3´

5´3´

3´RecA

5´ 3´5´3´

Site chi

MEPS

Zone hétérologue

5´3´5´ 3´

5´3´ 5´

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Les zones MEPS

Zones homologues minimales nécessaire àl’amorçage de la recombinaison (MinimumEfficient Processing Segment) : Doivent présenter une forte similarité entre

l’ADN endogène et exogène. Longueur dépendante des mécanismes de répa-

ration des mésappariements existant chezl’hôte :

– E. coli : 23-27 pb.– B. subtilis : ≈ 70 pb.

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Rôle des site chi

Séquences d’ADN courtes (10 pb) stimulantla recombinaison.

Permettent le démarrage de la recherche deszones MEPS par la protéine RecA.

Une région comprenant une zone MEPS etun site chi peut recombiner.

Leur présence peut permettre de confirmerl’existence d’un transfert horizontal.

Connus dans un petit nombre d’espèces.

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Méthodes extrinsèques

Se basent sur des données de la phylogéniemoléculaire : Réalisables sur des gènes pour lesquels on

trouve un homologue dans plusieurs espèces. Problèmes :

– Nécessitent l’utilisation de gènes orthologues.– Limites techniques des méthodes de reconstruction.– Nécessité d’effectuer les comparaisons par rapport à

un arbre de référence : Quel arbre choisir ?

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Phylogénies et transferts

Gène X

A B

CD

E

Phylogénie de référencepour A, B, C, D et E

A B

CD

E

Transfert horizontal deB → E pour le gène X

Référence

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Notion de gènes homologues

La phylogénie moléculaire se base sur l’uti-lisation de gènes homologues : Deux séquences sont dites homologues si elles

possèdent un ancêtre commun. L’existence d’un ancêtre commun est inférée à

partir de la similarité. Seuil pour les protéines :

– 30 % d’identité sur une longueur de 100 AA ⇒homologie entre les séquences.

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Orthologues et paralogues

Primates Rongeurs

Gène ancestral

INSHomme

INS1Rat

INS1Souris

INS1 INS2

INS2Rat

INS2Souris

Spéciation

Duplication

Orthologie

Paralogie

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DuplicationSpéciation

Paralogues et phylogénies

Phylogéniedéduite

Phylogénievraie

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Les paralogues sont fréquents

30 % des gènes chez E. coli (compte nontenu des possibles paralogies cachées).

Existence de duplications multiples : Les relations d’orthologie sont souvent non

bijectives. Divergences pouvant être importantes après

duplication : Difficulté d’identifier de nombreux paralogues.

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Exemple

MycobacteriumStreptomycesEscherichia

EscherichiaBacillus

MethanococcusEscherichia

BacillusPyrococcus

BacillusHaemophilus

StreptomycesEscherichia

PyrococcusPyrococcus

PyrococcusPyrococcus

StreptomycesMycobacterium

BacillusBacillus

MethanococcusBacillus

HaemophilusEscherichia

MycobacteriumSaccharomyces

Aminotransférases pyridoxal-phosphate dépendantes (III)

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Substitutions multiples

La distance évolutive réelle (D) est généralementsupérieure aux différences observées (d).

En faisant des hypothèses sur la nature du proces-sus évolutif, on peut estimer D à partir de d.

A

A G

C

A G

G

A A

A

A G

C

Substitution

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Phénomène de saturation

Trop de substitutionsdepuis la divergenceavec l’ancêtre com-mun : Perte du signal phylo-

génétique. Impossibilité de re-

construire l’arbre vraiquelle que soit la mé-thode employée. Substitution

A B C

Ancêtre

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Arbre vrai Arbre observé

AACCA…

1

2

3

4

ATCGG…

ATCGG…ATCCG…

ATCCG…

ATCGG…

ATCCA…

GC

GC(ATCCC…)

TA(AACCC…)

GC(ATCCG…)

GA(ATCCA…)

CA(AACCA…)

Artefact des longues branches

1

2

3

4

ATCCG…

ATCGG…

AACCA…

ATCCA…

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Racinement par un outgroup

Choix du groupe : Une espèce ou un

groupe d’espèces. Ni trop proche ni trop

éloigné :– Degré de divergence

entre les organismesconsidérés.

Exemple 1 :– γ-Protéobactéries

racinées avec une β-Protéobactérie.

Escherichia

Salmonella

Pasteurella

Haemophilus

Neisseria

Neisseria

Haemophilus

Pasteurella

Escherichia

Salmonella

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Racinement par un outgroup

Choix du groupe : Une espèce ou un

groupe d’espèces. Ni trop proche ni trop

éloigné :– Degré de divergence

entre les organismesconsidérés.

Exemple 2 :– Protéoactéries racinées

avec des Firmicutes.

Escherichia

Buchnera

Helicobacter

Rickettsia

StaphylococcusBacillus

Bacillus

Staphylococcus

Rickettsia

Helicobacter

Escherichia

Buchnera

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Racinement par un outgroup

Choix du groupe : Une espèce ou un

groupe d’espèces. Ni trop proche ni trop

éloigné :– Degré de divergence

entre les organismesconsidérés.

Exemple 3 :– Bactéries racinées avec

des Archées.

Escherichia

Pseudomonas

Bacillus

Mycobacterium

ArchaeoglobusSulfolobus

Sulfolobus

Archaeoglobus

Mycobacterium

Bacillus

Escherichia

Pseudomonas

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Racinement par un paralogue

Duplication chez l’an-cêtre commun des es-pèces étudiées : Racinement en utilisant

une des copies paralo-gues.

Exemple :– Facteurs d’élongation de

la traduction EF-Tu/1αet EF-G/2 (Bactéries/Archées et Eucaryotes).

Escherichia EF-Tu

Salmonella EF-Tu

Pasteurella EF-Tu

Haemophilus EF-Tu

Escherichia EF-G

Escherichia EF-G

Haemophilus EF-Tu

Pasteurella EF-Tu

Escherichia EF-Tu

Salmonella EF-Tu

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Effet de l’outgroup

A

B C

OA

B C

O

Attraction de la longue branche de la séquence A parla longue branche de l’outgroup (O)

B

AC

O

Arbre vrai Arbre obtenu

BA

CO

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Principaux taxons bactériens

Genres représentatifsAgrobacterium, RickettsiaNeisseria, RalstoniaMyxobacteriumHelicobacter, CampylobacterEscherichia, Buchnera, Pseudomonas

Actinomyces, Streptomyces, MycobacteriumBacillus, Clostridium, Mycoplasma

Nostoc, Synechocystis

Treponema, BorreliaLeptonema, Leptospira

Chlorobium, Chloroherpeton

Bacteroides, FusobacteriumCytophaga, Flavobacterium

Planctomyces, Pasteuria, PirellulaIsosphaera

Chlamydia

DeinococcusThermus

Chloroflexus, HerpetosiphonThermomicrobium

Aquifex, HydrogenobacterThermotoga, Geotoga, Thermopallium

Subdivisionα-Protéobactériesβ-Protéobactériesδ-Protéobactériesε-Protéobactériesγ-Protéobactéries

Haut G+CBas G+C

SpirochètesLeptospiras

BactéroïdesFlavobactéries

Groupe des PlanctomycètesGroupe des Thermophiles

DeinococcalesGroupe des Thermophiles

Groupe des ChloroflexusGroupe des Thermomicrobium

AquificalesThermotogales

Division

Protéobactéries

Gram positives

Cyanobactéries et apparentées

Spirochète et apparentées

Bactéries vertes sulfureuses

Cytophagales, Flavobactéries etBactéroïdes (CFB)

Planctomycètes et apparentées

Chlamydiales

Micrococcus radiorésistants etapparentées

Bactéries vertes non sulfureuses

Aquificales et Thermotogales

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Paroi des Gram négatives

Membraneextérieure

Membranecytoplasmique

Périplasme

PorineLipoprotéine

Lipopolysaccharide

Peptido-glycane

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Paroi des Gram positives

Membranecytoplasmique

Paroi

Protéine de surface Acide téichoïque

Peptido-glycane

Acide lipo-téichoïque

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Principaux taxons archéens

Genres représentatifs

Thermoproteus, Pyrobaculum, ThermofilumSulfolobus, AcidianusAeropyrum, DesulfurococcusCenarchaeumCaldisphaera

Methanobacterium, MethanothermobacterMethanococcus, MethanothermococcusHalobacterium, HalococcusThermoplasma, FerroplasmaPyrococcus, ThermococcusArchaeoglobusMethanopyrusMethanosarcina, Methanoculleus

Séquences environementales

Nanoarchaeum

Subdivision

ThermoprotéalesSulfolobalesDésulfurococcalesCénarchéalesCaldisphérales

MéthanobacteriaMéthanococciHalobactériaThermoplasmataThermococciArchaeoglobiMethanopyriMethanomicrobia

Division

Crénarchées

Euryarchées

Korarchées

Nanoarchées [?]

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Particularités des archées

Structure particulière de la paroi : Pas de peptidoglycane. Diglycérides membranaires spécifiques :

– L-Glycérol au lieu de D-Glycérol.– Isoprènes au lieu d’acides gras.– Liaisons avec le glycérol de type ether au lieu d’ester.

Archées Bactéries

-2O3P–O–CH2

HC –CO–O

H2C–CO–O

Liaison ester|

|

D-Glycérol Acide stéarique

CH2–O–PO32-

–O–CH

Liaison ether

–O–CH2

|

|

L-GlycérolPhytanol

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Choix d’un marqueur

Gènes évoluant très lentement (temps dedivergence entre 107 et 109 ans) : Éviter la saturation et les artefacts d’attraction

de longues branches. Pas de paralogues (ou paralogues facilement

identifiables). Pas de transferts horizontaux. Présents dans l’ensemble des organismes

étudiés.

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Marqueurs possibles

Seul un petit nombre de gènes répondent auxcritères précédents : ARNr de la petite ou de la grande sous-unité du

ribosome. Protéines heat-shock (e.g., Hsp70). Facteurs d’élongation de la traduction. Protéines ribosomiques.

Résultats fréquemment incongruents entreeux.

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Phylogénomique

Utilisation de génomes complets plutôt que desgènes individuels.

Minimisation de l’effet des paralogies cachées, destransferts et des erreurs.

Intégration d’une plus grande quantité de signal. Différentes approches ont été tentées :

Codage en présence/absence des gènes. Concaténation d’orthologues présents dans de

nombreuses espèces. Super-arbres intégrant l’information provenant d’un

ensemble d’arbres individuels.

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L’arbre de Brown (1997)

LUCA

Aquifex

ThermusCyanobactéries & Chloroplastes

Flexibacter & BactéroïdesThermotogalesFusobactéries

Spirochètesβ/γ-Protéobactéries

α-Protéobactéries / Mitochondriesδ/ε-Protéobactéries

Gram positivesBas G+C

Gram positivesHaut G+C

Korarchées CrénarchéesEuryarchées

ArchéesAnimaux Champignons

Plantes

EntamoebaEuglenaKinétoplastes

(e.g., Trypanosoma)Parabasaliiens

(e.g., Trichomonas)

Microsporidies [?](e.g., Nosema)

Métamonades(e.g., Giardia)

Bactéries

Eucaryotes

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L’arbre de Brown (2001)

EucaryotesCrénarchéesEuryarchéesSpirochètesChlamydialesBactéries vertessulfureusesGram + haut G+CDéinococcalesGram + bas G+CHyperthermophilesCyanobactériesProtéobactéries

A. actinomycetemcomitansH. influenzaeE. coliV. choleraeP. aeruginosaX. fastidiosaN. meningitidisR. prowazekiiC. jejuniH. pyloriSynechocystis sp.A. aeolicusT. maritimaS. pneumoniaeS. pyogenesE. faecalisS. aureusB. subtilisU. parvumM. pneumoniaeM. genitaliumC. acetobutylicumD. radioduransS. coelicolorM. lepraeM. tuberculosisP. gingivalisC. tepidumC. trachomatisC. pneumoniaeB. burgdorferiT. pallidumP. furiosusP. abyssiP. horikoshiiM. jannaschiiM. thermoautotrophicumA. fulgidusT. acidophilumA. pernixS. cerevisiaeC. elegansH. sapiensD. melanogaster99

100100100100

100100100 100

100 6485 100

100 7355

100100

100100

99100

100100

100100

98100

9781

100100

100100

100100100

1009699

100100100

100100100 92

100

100100

100100

100100

9810083

51

7757

7879

99100

8166

7836

100100

96100

100100

100100

8979

100100

9649

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L’arbre de Brochier (2001)

Protéobactéries

ThermotogalesAquificales

Cyanobactéries

D. radiodurans

Gram + haut G+C

Gram + bas G+C

Chlamydiales

Mycoplasmes

Spirochètes

Cytophagales

Bactéries vertessulfureuses

ε

α

β

γ

70

66

8294

62

81

90

81 81

64

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L’arbre de Brochier (2002)

Bactéries vertes sulfureuses

Thermus/Deinococcus

Cyanobactéries

Gram + bas G+C

Gram + haut G+C

Bactéries vertes non sulfureuses

ε-Protéobactéries

δ-Protéobactéries

α-Protéobactéries

β-Protéobactéries

γ-ProtéobactériesFusobactéries

Thermotogales

AquificalesSpirochètes

Cytophagales / Fusobactéries /Bactéroides (CFB)

Planctomycètes

Crénarchées

Euryarchées

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L’arbre de Daubin (2002)

SpirochètesChlamydialesGram + haut G+C DéinococcalesCyanobactériesGram + bas G+C HyperthermophilesProtéobacteriesEuryarchéesCrénarchéesEucaryotes

A. pernix

Synechocystis sp.

P. horikoshii P. abyssi M. thermoautotrophicum A. fulgidus

T. acidophilum Halobacterium sp.

D. melanogaster C. elegans

S. cerevisiae

S. coelicolor

M. tuberculosis

D. radiodurans

B. subtilis

M. pneumoniae M. genitalium U. parvum

H. pylori C. jejuni

X. fastidiosa

H. influenzae

E. coli V. cholerae

Buchnera sp. P. aeruginosa

N. meningitidis

R. prowazekii

B. halodurans

T. pallidum B. burgdorferi

C. trachomatis C. muridarum C. pneumoniae

T. maritima A. aeolicus

S. aureus

L. lactisS. pyogenes

M. leprae

P. multocida

C. crescentus

S. solfataricus

M. jannashii

A. thaliana

100100

100

100

100

100

100

100

100

100100

100

100100

100

100100

100100

100

100

100

100

72

75

98

87

100

9488

73

61

7363

10062

ε

α

β

γ

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P. aerophilumA. pernixS. solfataricusS. tokodaii

M. acetivoransM. mazeiM. jannaschiiM. thermoautotrophicumM. kandleriP. abyssiP. horikoshiiP. furiosusT. acidophilumT. volcaniumHalobacterium sp.A. aeolicusT. maritimaF. nucleatumT. tengcongensisC. acetobutylicumC. tepidumC. perfringensM. pulmonisU. urealyticumM. pneumoniaeM. genitaliumM. pneumoniaeS. aureusS. epidermidisL. innocuaL. monocytogenesS. oneidensisB. haloduransB. subtilisL. plantarumL. lactisS. pneumoniaeS. mutansS. pyogenesC. tepidumC. pneumoniaeC. muridarumC. trachomatisAnabaena sp.Synechococcus sp.S. elongatusB. burgdorferiT. pallidumL. interrogansD. radioduransS. coelicolorC. efficiensC. glutamicumM. lepraeM. tuberculosisC. jejuniH. pyloriB. aphidicolaW. brevipalpisE. coliS. flexneriiS. typhiS. typhimuriumY. pestisH. influenzaeP. multocidaV. choleraeV. vulnificusS. oneidensisP. aeruginosaP. putidaX. anoxopodisX. campestrisX. fastidiosaN. meningitidisR. conoriiR. prowazekiiC. crescentusB. japonicumA. tumefaciensS. melilotiM. lotiB. melilotiB. suis

A. fulgidus

R. solanacearum

α

100

100100

100100

99

100100

100

100

100100

52

93

91

92

100

100100

100

100

100

100100

100100

88

100

100100

100

100

82

93

100100

100 10065

100

100

100100

58

100 97

100100

10099

100100

100

100

86

82

72100

100 99

100

53

100

100

96

68

52

10053

76

9988L’arbre de Calteau (2004)

ProtéobacteriesGram + haut G+CDéinococcalesSpirochètesCyanobactériesChlamydialesChlorobialesGram + bas G+CFusobactéries (CFB)HyperthermophilesEuryarchéesCrénarchées

δ⁄ε

β

γ

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Que retenir ?

Monophylie de chacun des trois grands domainesdu vivant.

Monophylie des grands groupes bactériens etarchéens définis par Woese.

Monophylie des différentes subdivisions desProtéobactéries.

Polyphylie des bactéries Gram + apparemmentétablie.

Positionnement variable de la plupart des grandesdivisions taxonomiques les unes par rapport auxautres.

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Importance de la référence

N. meningitidisC. violaceum

E. coliY. pestis

R. prowazekiiA. tumefasciens

C. jejuniF. nucleatum

C. tetaniL. monocytogenesB. subtilis

L. acidophilusAnabaena sp.

S. coelicolorC. glutamicum

D. radioduransT. Thermophilus

C. tepidumB. burgdorferi

T. pallidumC. trachomatisC. pneumoniae

0.1

Transferts inférés enfonction de la référence.

Cas du gène ruvB : Arbre de Brown (2001) :

– Transfert depuis l’ancêtrecommun spirochètes /chlamydiales → C. tepi-dum.

Arbre de Brochier (2001) :– Transfert depuis Gram +

bas G+C → F. nucleatum. Arbre de Calteau (2004) :

– Pas de transfert.

DNA hélicase RuvB

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BactériesArchéesEucaryotes

Cas du gène pyrH

0.5

Cyanobactérie

Famille de l’Uridine Mono-phosphate Kinase

Synechocystis sp.

Buchnera sp.

M. jannashii

A. pernix

P. horikoshii P. abyssi

A. fulgidus

T. acidophilum

Halobacterium sp.

S. coelicolor

M. tuberculosis

D. radiodurans

B. subtilis

M. pneumoniae M. genitalium

U. parvum

H. pylori C. jejuni

X. fastidiosa

H. influenzae V. cholerae

P. aeruginosa

N. meningitidis

R. prowazekii

B. halodurans

T. pallidum B. burgdorferi

C. trachomatis C. muridarum

C. pneumoniae

T. maritima

A. aeolicus

S. aureusL. lactis

S. pyogenes

M. leprae

P. multocida

C. crescentus

S. solfataricus

A. thaliana

M. thermoautotrophicum

Synechocystis sp.

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Cyanobactérie

Endosymbiose et transferts

Chloroplaste

Noyau

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M. thermoautotrophicus

M. acetivoransT. maritimaP. furiosusP. abyssiP. horikoshii

P. aerophilumA. pernix

A. fulgidusS. solfataricusS. tokodaii

T. tengcongensisM. mazei

M. jannaschii

M. jannaschiiM. kandleri

M. thermoautotrophicus P. furiosusP. abyssiP. horikoshii

Halobacterium sp.

A. aeolicusA. aeolicus

H. pylori J99C. jejuni

N. meningitidisR. solanacearum

X. fastidiosaX. axonopodisX. campestris

R. prowazekiiC. crescentusB. melitensisB. suis

M. lotiB. japonicum

A. tumefasciens

S. elongatusAnabaena sp.

Synechocystis sp.Y. pestisB. aphidicolaS. typhimuriumE. coliS. flexneri

S. oneidensisP. aeruginosaP. putida

S. coelicolorD. radiodurans

S. coelicolorM. tuberculosis

L. interrogansT. acidophilumT. volcanium

C. tepidum

R. conorii

53

61

98

54

100

92

82

100

100

100

100

100

100

100

100

61

52

93

6795

59

90

52

66

100

100

100

100

100

100

100

100

100

100100

100

65

100100

95

100

56

97

8799

10053

72

93

99

10083

99

98

100

59

86

99

100

59

55

6854

57

97

99

97

M. acetivoransT. maritima

P. horikoshiiP. abyssi

P. furiosusT. tengcongensis

M. mazeiP. horikoshiiP. abyssiP. furiosus

M. jannaschii M. thermoautotrophicus

M. jannaschiiM. thermoautotrophicus

M. kandleriM. tuberculosis

B. japonicumM. acetivorans

M. mazeiP. aerophilumA. pernixS. solfataricus

S. tokodaiiSynechocystis sp.

S. elongatusSynechocystis sp.

Anabaena sp. L. interrogans

C. tepidumS. coelicolor

P. aeruginosaP. putidaS. oneidensis

B. aphidicolaY. pestisS. typhimuriumE. coli

T. acidophilumH. pylori J99

C. jejuniD. radiodurans

S. coelicolorM. tuberculosis

A. aeolicusN. meningitidis

R. prowazekiiR. conorii

R. solanacearumX. fastidiosaX. campestrisX. axonopodis

C. crescentusA. tumefasciensB. japonicum

M. lotiB. melitensisB. suis

NADH quinoneoxidoreductase

chaîne C/D

NADH quinoneoxidoreductase

chaîne B

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L’opéron mbx

Transfert d’un opéron entier de 13 gènes : Insertion à l’intérieur de la séquence d’une glutamate synthase.

Opéron fonctionnel chez T. maritima ? Quel rôle dans cet organisme ?

Thermotoga maritima

N

TM12

15

TM12

05TM

1206

TM12

08TM

1209

TM12

07

TM12

10

TM12

14

TM12

13

TM12

11

TM12

12

TM12

16

TM12

17

Thermococcales

NA B C D F G H H' I J K L

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Transferts et pathogénicité

Transposons : Gènes de l’entérotoxine ST d’E. coli.

Prophages : Toxines de l’E. coli entéro-hémorragique. Gènes de la toxine diphtérique ou du choléra. Toxines botuliniques.

Plasmides : Shigella, Salmonella, Yersinia.

Ilôts de pathogénicité : E. coli uropathogène, S. typhimurium, Yersinia, H.

pylori, V. cholerae.

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Le cas des entérobactéries

Klebsiella

Shigella

E. coli

Serratia

Salmonella

Citrobacter

Proteus

Yersinia

Erwinia

La virulence est un état dérivé, obtenu parl’acquisition de gènes déterminant cet état

PathogènesNon pathogènes

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Transfert bactérie-eucaryote

Bacillus subtilis

Escherichia coli

Salmonella typhimurium

Staphylococcus aureus

Clostridium perfringens

Clostridium difficile

Trichomonas vaginalis

Haemophilus influenzae

Actinobacillus actinomycetemcomitans

Pasteurella multocida

Phylogénie de la N-acetylneuraminate lyase (NanA)

Pasteurellaceae

Gram+ bas G+CProtéobactériesEucaryote

0.1

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NanA et pathogénicité ?

Enzyme impliquéedans le métabolismede l’acide sialique.

Rôle chez les bacté-ries : Parasitage des muqueu-

ses des animaux à desfins nutritionnelles.

Rôle inconnu chez T.vaginalis.

Glycoprotéines,glycolipides

Sialidase

Acide sialique libre

Transporteur

Acide sialique libre

NanA

N-acetyl-D-mannosamine + pyruvate

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Méthodes intrinsèques

Utilisent exclusivement l’information sto-ckée au sein du génome étudié.

Se basent principalement sur la compositionen codons ou en nucléotides des gènes : Utilisent des indices (univariés ou multivariés)

d’usage du code. Un gène transféré présentera un usage du code

différent de celui des gènes « natifs ». Nécessité de prendre en compte les facteurs

intervenant dans la plasticité des génomes.

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Facteurs connus

Les facteurs influençant la composition encodons chez les bactéries sont multiples : Contenu global en G+C du génome. Sélection traductionnelle. Localisation sur l’un ou l’autre des deux brins

du chromosome. Distance à l’origine de réplication. Composition en acides aminés.

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Le code génétique standard

GGU Gly G

GGC Gly G

GGA Gly G

GGG Gly G

GAU Asp D

GAC Asp D

GAA Glu E

GAG Glu E

GCU Ala A

GCC Ala A

GCA Ala A

GCG Ala A

GUU Val V

GUC Val V

GUA Val V

GUG Val V

AGU Ser S

AGC Ser S

AGA Arg R

AGG Arg R

AAU Asn N

AAC Asn N

AAA Lys K

AAG Lys K

ACU Thr T

ACC Thr T

ACA Thr T

ACG Thr T

AUU Ile I

AUC Ile I

AUA Ile I

AUG Met M

CGU Arg R

CGC Arg R

CGA Arg R

CGG Arg R

CAU His H

CAC His H

CAA Gln Q

CAG Gln Q

CCU Pro P

CCC Pro P

CCA Pro P

CCG Pro P

CUU Leu L

CUC Leu L

CUA Leu L

CUG Leu L

UGU Cys C

UGC Cys C

UGA Stop

UGG Trp W

UAU Tyr Y

UAC Tyr Y

UAA Stop

UAG Stop

UCU Ser S

UCC Ser S

UCA Ser S

UCG Ser S

UUU Phe F

UUC Phe F

UUA Leu L

UUG Leu L

U

C

A

G

U

C

A

G

U C A G

U

C

A

G

U

C

A

G

U

C

A

G

III

III

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Biais au niveau d’un gène

UUU Phe 6 UCU Ser 5 UAU Tyr 4 UGU Cys 0UUC Phe 10 UCC Ser 6 UAC Tyr 12 UGC Cys 3UUA Leu 8 UCA Ser 8 UAA Ter * UGA Ter *UUG Leu 6 UCG Ser 10 UAG Ter * UGG Trp 12

CUU Leu 6 CCU Pro 5 CAU His 2 CGU Arg 7CUC Leu 9 CCC Pro 5 CAC His 3 CGC Arg 6CUA Leu 5 CCA Pro 4 CAA Gln 9 CGA Arg 6CUG Leu 2 CCG Pro 3 CAG Gln 9 CGG Arg 3

AUU Ile 1 ACU Thr 11 AAU Asn 2 AGU Ser 4AUC Ile 8 ACC Thr 5 AAC Asn 15 AGC Ser 3AUA Ile 7 ACA Thr 5 AAA Lys 5 AGA Arg 3AUG Met 7 ACG Thr 6 AAG Lys 9 AGG Arg 4GUU Val 8 GCU Ala 6 GAU Asp 8 GGU Gly 15

GUC Val 7 GCC Ala 12 GAC Asp 5 GGC Gly 6GUA Val 7 GCA Ala 7 GAA Glu 5 GGA Gly 2GUG Val 9 GCG Ala 10 GAG Glu 12 GGG Gly 5

Protéine A du phage MS2 (Fiers et al., 1975)

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Biais au niveau d ’un génome

Tyr

Trp

Phe

MetIle

HisGlu

Gln

Cys

Asp

Val

ThrSer

Pro

Lys

Leu

Gly

Asn

Arg

Ala

Codons d ’E. coli

Fréq

uenc

e (×

100

0)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

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Contenu global en G+C

Calculé en pourcentage debases G+C : Constitue une des premières

mesures moléculaires appli-quée à la systématique.

Méthodes de dénaturationpar la chaleur : Mesure de la variation de

l’absorption UV en fonc-tion de la température.

La valeur du Tm est linéai-rement proportionnelle auG+C% de l’organisme.

1,0

0,75

0,5Tm

75 80 85 90

Température (°C)A

bsor

ptio

n à

260

nm

Doublebrin

Simplebrin

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Distribution

Mesure faite sur 772bactéries.

Minimum : Mycoplas-ma capricolum (24 %).

Maximum : Micrococ-cus luteus (77 %).

Variations de 5 % et10 % au sein d’uneespèce et d’un genre.

Nom

bre

G+C%

0

10

20

30

40

50

60

20 30 40 50 60 70 80

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Source de la variation

Différences de pression de mutation entre lespaires A•T et G•C.

Le ratio u/v est différent d’une espèce à l’autre : Distribution observée chez les bactéries.

Paire A•T Paire G•C

v

u

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G+C global et contenu en AA

0

4

8

12

16

0 20 40 60 80

Ala

0

4

8

12

0 20 40 60 80

Arg Asn

0

4

8

12

0 20 40 60 80

0

2

4

6

8

10

0 20 40 60 80

Asp

0

4

8

12

0 20 40 60 80

Glu

0

4

8

12

0 20 40 60 80

Gly

0

1

2

3

0 20 40 60 80

His

0

4

8

12

16

0 20 40 60 80

Ile

0

4

8

12

0 20 40 60 80

Leu

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G+C global et contenu en AA

0

2

4

6

8

0 20 40 60 80

Phe

0

2

4

6

8

0 20 40 60 80

Pro

0

4

8

12

16

0 20 40 60 80

Lys

0

1

2

0 20 40 60 80

Trp

0

2

4

6

0 20 40 60 80

Tyr

0

4

8

12

0 20 40 60 80

Ser

0

4

8

12

0 20 40 60 80

Val

Quatre AA non corrélés auG+C% : Cys, Gln, Met, Thr

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Fréquences des ARNt

Q = Quosine, I = Inosine, R = {A, G}, Y = {C, U}, D = {A, G, U}, H = {A, C, U}

Arg

Leu

Ser

Thr

Pro

Ala

Gly

AA

CGHCGGAGRCUYCUACUGUURUCYUCDAGYACYACRCCYCCRGCYGCDGGYGGAGGG

Codon

ICGidemidemGAGidemCAGAAAGGAUGAGCUGGUUGUGGGUGGGGCUGCGCCUCCCCC

Anti-codon

5.250.640.701.750.585.831.462.391.461.464.671.400.993.324.206.066.530.880.58

ARNt %

Val

LysAsnGln

HisGluAspTyrCysPheIle

MetTrp

AA

GUYGUDAARAAYCAACAGCAYGARGAYUAYUGYUUYAUYAUAAUGUGG

Codon

GACUACUUUQUUUUGCUGQUGUUCQUCQUAGCAGAAGAUNAUCAUCCA

Anti-codon

2.336.125.833.501.752.332.335.254.672.921.172.045.830.291.751.75

ARNt %

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La demande au niveau des gènes et la fréquence relative enARNt sont corrélées positivement : Cette corrélation est d’autant plus forte que les gènes sont haute-

ment exprimés.

Demande en ARNt

ARNt %

Dem

ande

en

AR

Nt ‰

0

10

20

30

40

50

60

0 1 2 3 4 5 6 7

r2 = 0.795 (P < 10-4)

ARNt %

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 1 2 3 4 5 6 7

r2 = 0.935 (P < 10-4)

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Sélection traductionnelle

La traduction est d’autant plus rapide/efficace que les codons utilisés corres-pondent à des ARNt abondants

GCGCCG

Met

ArgGly

5'

…CGC GGC UCCGCG

Codons3'

AGGCCG

Arg Gly Ser

… GGC UCC...

Met

5'3'

AGG

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Différence entre les deux brins

Le brin direct et le brin retardé sont répliqués defaçon différente : Il existe une asymétrie de composition en base entre les

deux brins chez la plupart des bactéries. Cette asymétrie est très marquée chez certaines espèces.

3'

3'3'

5'

5'

5'3'

5'

ADN parentalBrin direct

Brin retardé

Fragments d’Okazaki

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Asymétrie chez B. burgdorferi

Origine deréplication

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

[A] = [T]

[C] = [G]

0 kbPosition sur lechromosome

-60-50-40-30-20-10

01020304050

100 ×[A] - [T]

[A] + [T]

100 ×[C] - [G][C] + [G]

450 kb 900 kb

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Contenu en G+C3

Contenu en G+C3 d’un gène : Pourcentage en bases G+C en position III des

codons :– Valeur brute (G+C3).– Centrage par la moyenne (G+C3c).

La position III est le plus souvent conservatriceen cas de mutation ponctuelle :

– Pas de changement de l’acide aminé codé dans 55 %des cas (composition uniforme).

– La plasticité joue essentiellement sur cette position.

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Le Codon Adaptation Index (CAI) est cal-culé à partir de la formule :

L’indice CAI

où n est le nombre de codons dégénérés, nile nombre de codons i, et wi le « facteurd’adaptation » du codon i.

ln(CAI) =1n ni ln wi

59

∑i = 1

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Calcul du facteur d’adaptation

Valeur donnée par le rapport : wi = xi /ximax

où xi est la fréquence du codon i et ximax est la fréquence ducodon synonyme majeur pour un acide aminé donné : Les valeurs de xi et ximax sont obtenues à partir d’un ensemble de

gènes de référence.

AGAAGGCGACGCCGGCGU

wAGA = 5/626 = 0.0080wAGG = 0.5/626 = 0.0008 wCGA = 2/626 = 0.0032wCGC = 268/626 = 0.4281wCGG = 3/626 = 0.0048wCGU = 626/626 = 1.0000

502

2683

626

Arg

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Choix des gènes de référence

On utilise un ensemble de référence pourchaque espèce étudiée.

Les gènes utilisés sont généralement haute-ment exprimés : Fortes valeurs de CAI :

– Gènes hautement exprimés. Faibles valeurs de CAI :

– Gènes faiblement exprimés.– Gènes transférés horizontalement.

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Mesure de l’utilisation des codons synony-mes par rapport à un usage aléatoire.

où mij est le nombre de codons j codantspour l’acide aminé i, mi• le nombre total decodons codants pour i, et sj le nombre decodons synonymes pour i.

χ2 d’usage du code

χ2 =(mij − mi• /sj)

2

j = 1

sj

∑ mi• /sj∑i = 1

20

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Lawrence et Ochman (1998)

Utilisation du CAI etd’une mesure du χ2

pondérée par la lon-gueur des gènes.

Proximité de structuresimpliqués dans lestransferts : Élements transposables

(séquences IS). Régions recombinantes

(sites chi).

χ2/L

CAI

Gènes transférésAutres gènes

+

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

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Autres espèces

Gènes « natifs » présents dans le génome Gènes transférés associés à des éléments mobiles Gènes transférés non associés à des éléments mobiles

Séquences codantes (kb)

12.83.3

7.516.6

5.25.2

3.26.4

2.79.4

4.56.2

9.61.3

3.60.10.0

11.60.0

E. coli K12M. tuberculosis

B. subtilisSynechocyctis PCC6803

D. radioduransA.fulgidus

A. pernixT. maritima

P. horikoshiiM. thermoautotrophicum

H. influenzaeH. pylori 26695

A. aeolicusM. jannaschii

T. pallidumB. burgdorferi

R. prowazekiiM. pneumoniae

M. genitalium

0 1000 2000 3000 4000

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Résultats chez E. coli

755 gènes sur 4286 (17,6 %) sont préditscomme transférés chez E. coli.

67 % des séquences IS du génome sont asso-ciées à ces gènes : Ces séquences IS constituent fréquemment des

frontières entre zones endogènes et exogènes. 36 % des gènes détectés se situent au voisi-

nage du terminus de réplication (24 % duchromomosome).

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G+C3 des gènes

G+C3%

% d

u to

tal

Gènes transférésAutres gènes

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

21 23 26 28 30 32 35 37 39 42 44 46 48 51 53 55 58 60 62 64 67 69 71 73 76 78 80 83 85 87 89

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Effet de la localisation

La variation des valeurs « brutes »du G+C3 le long du chromosomed’E. coli n’est pas significative

L’utilisation des valeurscentrées / cumulées (G+C3c)révèle une structuration dugénome

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 1 2 3 4

G+C

3

Position (Mb)

-10

-5

0

5

10

15

20

25

0 1 2 3 4

Cum

sum

(G+C

3c)

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Espèces similaires à E. coliSt

aphy

loco

ccus

aur

eus

(Gra

m+

bas-

G+C

)

List

eria

mon

ocyt

ogen

es(G

ram

+ ba

s-G

+C)

Myc

obac

teri

um tu

berc

ulos

is(G

ram

+ ha

ut-G

+C)

Sino

rhiz

obiu

m m

elilo

ti(α

-Pro

téob

acté

rie)

Chl

amyd

ia tr

acho

mat

is(C

hlam

ydia

)-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

0 500 1000 1500 2000 2500-15

-12.5-10

-7.5-5

-2.50

2.55

7.510

12.5

0 500 1000 1500 2000 2500-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

0 1000 2000 3000 4000

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

0 500 1000 1500 2000 2500 3000-2

-1.5-1

-0.50

0.51

1.5

22.5

3

0 100200300 400500600700800Tr

epon

ema

palli

dum

(Spi

roch

ète)

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

0 200 400 600 800 1000

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Cas particuliersD

eino

cocc

us ra

diod

uran

s(D

éino

cocc

ale)

Mes

orhi

zobi

um m

elilo

ti(α

-Pro

téob

acté

rie)

Pseu

dom

onas

aer

ugin

osa

(γ-P

roté

obac

térie

)

Myc

opla

sma

pneu

mon

iae

(Gra

m+

bas-

G+C

)

Rals

toni

a so

lana

cear

um(β

- Pro

téob

acté

rie)

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

0 500 1000 1500 2000 2500-80-70-60

-50-40-30-20-10

01020

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000-35-30-25

-20-15-10-50

51015

0 1000 2000 3000 4000 5000

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

0 100 200 300 400 500 600-5

0

5

10

15

20

25

0 1000 2000 3000

Myc

opla

sma

geni

taliu

m(G

ram

+ ba

s-G

+C)

-4

-2

0

2

4

6

8

0 100 200 300 400

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Escherichia / Salmonella

Utilisation des gènesconservés entre E. coliet S. typhimurium: Le motif est retrouvé

dans les deux espèces :– Pourquoi ce bais aurait-

il été conservé dans lecas d’un transfert massifà l’ancêtre commun ?

– Enrichissement intrin-sèque au lieu de trans-ferts.

-8

-6

-4

-2

10

12

0

2

4

6

8

S. typhimurium LT2E. coli K12

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Répartition phylogénétique

Gram+ haut-G+C (2) (1) (1)

Gram+ bas-G+C (13) (7) (6)

Thermotogales (1)

Aquificales (1) (1)

Déinococcales (1) (1)

Cyanobactéries (2) (2)

Protéobacteries (23) (12) (9) (2)

Chlamydiales (3) (3)

Spirochètes (2) (1) (1)

24 18 6

(1)

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Le terminus d’E. coli

La région du terminuscontient dix sites ter(A-J) : Combinaison à la

protéine Tus :– Inhibition de l’action

des hélicases de manièrepolaire.

– Les deux fourches deréplication se rejoignentau niveau du site dif.

– Résolution des dimères.

Localisation et polaritédes dix sites ter d’E. coli

ori

E. coliChromosome

ABC D EI

HFG

J

dif

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Pourquoi un tel motif ?

Les gènes transférés s’insèrent plus fré-quemment au niveau du terminus : Ces gènes seraient systématiquement plus riches

en bases A+T que l’hôte. Existence d’un phénomène intrinséque,

indépendant des transferts : Biais mutationnel déplacé vers A+T dans cette

région.

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Réparation des lésions

Quand le complexe atteint une lésion, laréplication s’arrête : Recul de la fourche. Formation d’une jonction de Holliday sous

l’action des hélicases RecG et PriA :– Réparation par recombinaison homologue.

Dans la région du terminus, les complexester/Tus inhibent l’action des hélicases ! Réparation par le mécanisme de translésion.

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La translétion

Réalisée par l’intermé-diaire des polymérasesSOS (polIII et polIV) : Introduction systéma-

tique de dAMP (A-rule)aux sites abasiques :

– Enrichissement en A+Tde régions n’utilisantpas la réparation parrecombinaison.

5'A-G-C-C-T3'3'T-C-G-G-A5'

5'A-G-C-C-T3'3'T-C- -G-A5'

5'A-G-C-C-T3'3'T-C-A-G-A5'

5'A-G-T-C-T3'3'T-C-A-G-A5'

Délétion

Translétion

Mismatchcorrection

polIII / IV

polIII / IV

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Profil en G+C chez B. subtilis

30

32,5

35

37,5

40

42,5

45

47,5

50

52,5

55

G+C

%

0 500000 1000000 1500000 2000000 2500000 3000000 3500000 4000000

Position (pb)

3 61 2 4 PBSX 5 SPβ skin 7

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Profil chez N. meningitidis

Position (pb)

30

35

40

45

50

55

60

0 500000 1000000 1500000 2000000

G+C

%

IHT-A

IHT-B IHT-C

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Les ilôts de N. meningitidis

IHT-A166 : adénine rRNA méthylase, 67-70 :protéines de biosynthèse de la capsule,71-74 : protéines d’exportation de lacapsule

IHT-A297 : protéine de sécrétion, 98 :transporteur ABC

IHT-C1747 : protéine TspB, 1750 : PivNM-2, 1751, 1769-70 : transposases,1753-54 : protéines de phages, 1762-63, 1768 : toxines ou assimilées

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Espace de grande dimension

Approximation

Espace à deuxdimensions

Analyses multivariées

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Exemple de l’isoleucine

AUA

AUC

0

AUUF1

F2

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Tableaux utilisables par l’AFC

Tableaux de contin-gence : Tableaux ventilant une

population selon descaractères croisés.

Par extension : Tous tableaux conte-

nant des fréquencesabsolues (effectifs).

– Les marges (sommeslignes et colonnes) ontune signification.

X = [xij]

x••

xij

n

p

xi•

x•j

11

p = 61 (codons Ter exclus)

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Principe de l’AFC (1)

fij = xij /x••

F = [fij]

fij

n

p11

xij

n

p11

X = [xij]

ri = xi• /x••

R = [ri]

n

1

cj = x•j /x••

C = [cj]

p1

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yij = (fij /ricj) − 1

Principe de l’AFC (2)

n

p

yij

11

Yn

p

fij

1

F

1n1

n

1 r1

rn

ri

Dn

Dn : matrice diagonaleconstruite avec les éléments de R

p11

p cp

cj

Dp

c1Dp : matrice diagonaleconstruite avec les éléments de C

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Principe de l’AFC (3)

n

1n1

r1

rn

ri

Dnn

p

yij

11

Y

p11

p

c1

cp

cj

Dp

A = Dp1/2Y t DnYDp

1/2

AUk = λkUk

p valeurs etvecteurs propres

p facteurs

F1

F2

UkRk = YD p1/2˜

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Fréquences relatives

n

p

zij

11

Z = [zij]

zij =xij

∑ xij'j' / Cl( j' ) = k

X = [xij]

n

p

xij

11

k

sk = nombre de codons synonymes pour kzij = 1/sk ∀j' si pas d’acide aminé k

n

1 18

18

R = [ri]

p = 59 (codons Met et Trp exclus)

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Relative Synonymous Codon Usage

n

p

wij

11

W = [wij]X = [xij]

n

p

xij

11

k

sk = nombre de codons synonymes pour kwij = 1 ∀j' si pas d’acide aminé k

n

1 59

59

R = [ri]

p = 59 (codons Met et Trp exclus)

wij =xij

1sk

∑ xij'j' / Cl( j' ) = k

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Études réalisées avec l’AFC

Espèce

Bacillus subtilis

Borrelia burgdorferi

Chlamydia trachomatisCaenorhabditis elegansDrosophila melanogasterEscherichia coli

Helicobacter pyloriMycoplasma genitaliumPseudomonas aeruginosa

Rickettsia prowazekiiThermotoga maritimaTreponema pallidumDivers

Article

Shields et Sharp (1987)Sharp et al. (1990)Perrière et al. (1994)Moszer et al. (1995)Moszer et al. (1999)McInerney (1998)Lafay et al. (1999)Romero et al. (2000)Stenico et al. (1994)Shields et al. (1988)Holm (1986)Médigue et al. (1991)Lafay et al. (2000)McInerney (1997)Gupta et Ghosh (2001)Grocock et Sharp (2002)Andersson et Sharp (1996)Zavala et al. (2002)Lafay et al. (1999)Grantham et al. (1980ab)

Tableau

FARSCUFAFRFRRSCURSCURSCURSCURSCUFAFR FA+RSCURSCURSCURSCUFA+RSCURSCURSCUFA

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Résultats chez E. coli

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

-0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

F2

F1

● Gènes haute expr.+ Autres gènes

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Premier facteur de l’AFCF1

1/CAI

● Gènes haute expr.+ Autres gènes

r2 = 0.843

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1 2 3 4 5 6 7 8

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Deuxième facteur de l’AFC

G+C3

F2

● Gènes haute expr.+ Autres gènes

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

r2 = 0.357

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L’indice de Kyte & Doolittle

La valeur de l’hydrophobicité d’une proté-ine (selon Kyte et Doolittle) est donnée par :

KD =

1n

niφii = 1

61

où n est le nombre de codons du gène, ni lenombre de codons i, et φi l’hydrophobicitéde l’acide aminé correspondant à ce codon.

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Troisième facteur de l’AFC

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5

r2 = 0.740

KD

F3

▲ Protéines membr.+ Autres protéines

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Résultats chez H. influenzae

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

-0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8

● Gènes haute expr.+ Autres gènes

F1

F2

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Résultats chez H. pylori

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6F4

-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6F3

● Gènes haute expr.+ Autres gènes

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Résultats chez B. burgdorferi

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

-0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8

● Gènes haute expr.+ Autres gènes

F1

F2

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Résultats chez M. tuberculosisFA

2

FA1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

-0.75 -0.25 0.25 0.75 1.25 1.75R

SCU

2RSCU1

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6

● Gènes prot. ribosomales◆ Autres gènes haute expr.▲ Gènes prot. PE-PGRS+ Autres gènes

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Résultats chez B. subtilis

● Gènes haute expr.▲ Gènes prot. mb.+ Autres gènes

FA2

FA1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8FR

2

FR1

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

-0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8

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Résultats chez B. subtilis

● Fréq. relatives UGC/UGU =1/0■ Fréq. relatives UGC/UGU = 0/1+ Autres fréq. relatives

FR3

FR2

FA3

FA2

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6

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Approche comparative

Divergence A/B (TAB)

Divergence A1/A2 (T12)

A1

A2

B

A

Statut Événement probable

+A1 -A2 -B Importation dans A1 après T12+A1 +A2 -B Importation dans A après TAB

ou délétion dans B+A1 -A2 +B Délétion dans A2 après T12+A1 +A2 +B Aucun événement-A1 +A2 +B Délétion dans A1 après T12-A1 +A2 -B Importation dans A2 après T12-A1 -A2 +B Délétion dans A après TAB

A2A1

B

Recherche croiséedes homologues

E ≤ 10-20

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Analyses effectuées

PertesTransfert récentTransfert ancien

102 126 144 259 2039 12 114 38 13

41121

E. co

li O15

7:H7

Sak

E. co

li K12

S. e

nter

ica

S. ty

phim

urium

E. co

li O15

7:H7

EDL

933

Escherichia / Salmonella

C. jejun

ii

H. pylo

ri

H. pylo

ri J9

9

281

42

1

Helicobacter / Campylobacter

S. pyo

gene

s SF3

70

S. pne

umon

iae T

GR4

S. pne

umon

iae R

6

533

5814

Streptococcus

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Gains et pertes

Nb. d’acquisitions sys-tématiquement supé-rieur au nb. de pertes : Augmentation de la

taille des génomes :– Cas des deux E. coli

O157:H7 pathogènes.

Il existe un turnoverrapide des gènes trans-férés:

– Délétion peu de tempsaprès transfert.

A1 A2 B

Pertes observéesTransferts récents

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Étude de l’usage du code

Analyse par une AFC : Séparation des gènes en cinq groupes :

– Éléments IS, gènes natifs, phages et prophages, transfertsrécents et transferts anciens.

Tirage aléatoire de 200 représentants parmi l’ensembledes gènes appartenant à la classe « native ».

Tirage aléatoire de 50 représentants pour les phages etles éléments IS.

Dix répétitions effectuées pour vérifier la conservationdes résultats avec des échantillons différents.

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Escherichia coliA

xe 2

(gèn

es)

Axe 1 (gènes)

- 1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

-0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

Axe

2 (c

odon

s)Axe 1 (codons)

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

-0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

ATA

AGA

AGG

ISGènes natifsPhagesTransferts récentsTransferts anciens

A3C3G3T3

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Salmonella enterica

ISGènes natifsPhagesTransferts

Axe

2 (g

ènes

)

Axe 1 (gènes)

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

-1.2 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

-1.2 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6

AGG

ATA

AGA

Axe 1 (codons)A

xe 2

(cod

ons)

A3C3G3T3

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-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

-1.4 -1.2 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8

ATA

TTAAGA

AGG

Streptococcus pneumoniaeA

xe 2

(gèn

es)

Axe 1 (gènes)

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

-1.4 -1.2 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8

ISGènes natifsTransferts

Axe 1 (codons)A

xe 2

(cod

ons)

A3C3G3T3

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Helicobacter pyloriA

xe 2

(gèn

es)

Axe 1 (gènes)

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

-0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8

ATA

AGA

CAC

0.8

Axe 1 (codons)A

xe 2

(cod

ons)

-1.0

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

-0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.60.8

ISGènes natifsTransferts

A3C3G3T3

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Contenu en G+C3

0.29

0.31

0.33

0.35

0.37

0.39

TH*ISNatif

S. pneumoniae (35 %)0.40

0.44

0.48

0.52

0.56

0.60

Ph.

S. Enterica (57 %)

TH*ISNatif

0.28

0.32

0.36

0.40

0.44

H. Pylori (41 %)

TH*Natif0.38

0.42

0.46

0.5

0.54

0.58

E. coli O157:H7 (53 %)

THR*THA*Ph.ISNatif

* Test de Mann-Whitney significatif à P < 10-4

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Hypothèses possibles

Biais dans les séquences reconnues par lessystèmes de restriction : Celles-ci apparaissent comme étant globalement

riches en G+C (70 % dans REBASE). Biais au niveau des vecteurs impliqués dans

les transferts (phages et éléments IS) ? Les transferts horizontaux, un sous-produit

des besoins en Adénine des bactéries ?

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Compétition métabolique

Parmi les ribonucléosides triphosphates(NTP), l’ATP est le plus abondant : Au cœur de toutes les voies métaboliques.

De tous les désoxyribonucléosides triphos-phates (dNTP), le dCTP est le plus coûteux àsynthétiser.

La transformation, un mécanisme biaisé versla capture d’ADN riche en Adénine ?

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Biosynthèse des dNTP

Purines :

Pyrimidines :

IMP AMP dATP

XMP GMP dGTP

ATP GDP

ATP AMP + PPi

NADH

NAD+

UMP UTP

2ATP

CTP

2ADP ATP ADPCDP

dTTP dCTPdUTP

ndk

ATPADP