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Découvertes récentes sur les phases précoces de l’évolution de la vie. Manolo Gouy  Laboratoire de Biométrie & Biologie Evolutive - CNRS / Univ. Lyon 1 Décembre 2008
3 domaines du vivants LUCA Première cellule Aujourd’hui Premier âge : Monde pré-cellulaire Second âge : Monde cellulaire pré-luca Troisième âge : Monde cellulaire post-luca Origine(s) de la vie
Découverte en 1977 des trois domaines de la vie
Les S AB  sont élevés à l’intérieur de chacun des 3 groupes et faibles entre groupes.
 
Recherche de la racine de la phylogénie universelle E: eucaryotes;  B: bactéries;  A: archées LUCA: Last Universal Common Ancestor
 
Les hypothèses concurrentes sur l’origine des trois domaines ,[object Object],[object Object],[object Object]
[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object]
L’origine endosymbiotique unique de la mitochondrie à partir d’une   -protéobactérie ancestrale Concatenation of amino acid sequences of respiratory chain proteins   apocytochrome   b   (Cob) and cytochrome oxidase subunits 1 to 3 (Cox1-3).  -protéobactéries mitochondries
Conservation de l’ordre des gènes entre mitochondries et   -protéobactéries
Le génome mitochondrial le plus riche en gènes connu actuellement.
Analyse phylogénétique de l’ARN ribosomique de la petite sous-unité Cavalier-Smith & Chao  (1996) J Mol Evol 43:551 Eucaryotes amitochondriaux: « Archezoa » symbiose mitochondriale?
Tom Cavalier-Smith (1987) Nature 326:332 “ It is a widespread fallacy that mitochondria are found in all eukaryotic cells.” “ It is not the mitochondria, but the nucleus, endomembrane system and cytoskeleton that are the true hallmarks of the eukaryote cell.” “ The idea that some protozoa are the living relics of the earliest phase of eukaryote cell evolution and diverged from our ancestors before the symbiotic origin of mitochondria is given strong support by DNA sequence studies.” Des eucaryotes d’avant la naissance de la mitochondrie
sporoplasme  (noyau + cytoplasme) spore de  Nosema algerae  (Undeen 1997) Les Microsporidies ,[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],spore tube polaire
Analyse phylogénétique de la   -tubuline d’une microsporidie Edlind  et al . (1996) Mol. Phyl. Evol. 5:359.
Analyse phylogénétique de la grande sous-unité de l’ARN polymerase II Hirt  et al . (1999) Proc.Natl.Acad.Sci. USA 96:580
Peut-on réconcilier les ARN ribosomiques et les tubuline et ARN-polymérase ? Eucaryotes amitochondriaux MICROSPORIDIA ?
l’artefact d’A ttraction des  L ongues  B ranches  [ Felsenstein (1978)  Syst Zool  27:401 ] Philippe et al. (2000) Proc. Royal Soc. Lond. B 267:1213.
Analyse en distance de 42 séquences de LSU rRNA de  microsporidies  et d’autres eucaryotes. Les distances ont été corrigées pour la variation du taux entre sites. Cette analyse utilise un modèle beaucoup plus réaliste du processus évolutif au niveau moléculaire. Van de Peer et al. (2000) Gene 246:1
[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object]
d’après Roger & Silberman (2002) Nature 418:827. ,[object Object],[object Object],[object Object]
transfert  vers le noyau perte conservation endosymbiote   -protéobactérien  ancestral  Echanges de gènes durant l’évolution de la mitochondrie importation de protéines Un gène d’origine évolutive mitochondriale peut être porté par le génome nucléaire d’un eucaryote.
Mycoplasma genitalium Mycoplasma sp. Découverte dans le génome de la microsporidie  Encephalitozoon cuniculi  de plusieurs gènes d’origine évolutive mitochondriale Exemple: gène  IscS Aeropyrum Pyrococcus Methanobacterium 100 100 100 Bacillus Deinococcus Aquifex Archaeoglobus Lactobacillus Thermotoga Helicobacter Anabaena sp Anabaena  azollae Azotobacter vinelandii Azotobacter chroococcum Azospirillum 100 Enterobacter Klebsiella 100 100 Rhizobium Rhodobacter sphaeroides Rhodobacter capsulatus 100 39 97 100 100 100 69 99 Haemophilus Escherichia Synechocystis Rickettsia Zygomonas Arabidopsis-mt 37 Encephalitozoon Schizosaccharomyces-mt Saccharomyces-mt Candida  maltosa-mt Candida albicans-mt 100 100 99 Caenorhabditis-mt Mus-mt Homo-mt 100 86 100 37 85 38 100 33 59 84 55 48 75 48 100 0.2 subst ./site
Vivarès  et al.  (2002)  Current Opinion in Microbiology 5:499.  Le mitosome de microsporidie prédit  par  analyse du génome:  évolutivement il dérive d’une mitochondrie
Détection d’organites  à double membrane par anticorps anti-HSP70
Le mitosome du parasite amitochondrial  Giardia Identification chez  Giardia  de gènes codant des protéines à localisation mitochondriale chez les autres eucaryotes :  Cpn60, Hsp70, IscS (cystéine désulfurase) Un exemple: IscS Tachezy et al. (2001) Mol. Biol. Evol. 18:1919.
La double membrane de cet organite Localisation par immunofluorescence de IscS et IscU dans des trophozoites de  Giardia .
Le chaînon manquant entre mitochondrie et hydrogénosome Fragment de 14027 pb du génome hydrogénosomal Découverte  [Akhmanova et al. (1998) Nature 396:527]  puis séquençage partiel du génome hydrogénosomal du cilié  Nyctothermus ovalis   ,[object Object],[object Object]
Analyses phylogénétiques de 2 gènes du génome hydrogénosomal 12S (SSU) rRNA nad7 (s.u. 49 kDa complexe I) Boxma et al. (2005) Nature 434:74.
Eucaryotes amitochondriaux « Archezoa » Abandon du concept d’eucaryote primitivement amitochondrial symbiose mitochondriale
Distribution des organites dérivés de la mitochondrie chez les eucaryotes Roger & Silberman (2002) Nature 418:827.
[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],B  Création simultanée du noyau eucaryote et de la mitochondrie. Le partenaire bactérien est toujours une   -protéobactérie. Le partenaire archée varie selon les théories (ici méthanogène).
Hypothèses sur l’origine par fusion de la cellule eucaryote a-d : en 2 étapes  e-g : création mitochondrie =création cellule eucaryote Ces hypothèses sont en principe testables: elles prédisent des similarités entre une partie du génome eucaryote et certaines bactéries, et entre le reste de ce génome et certaines archées.
 
 
50 protéines de plastides 143 protéines nucléaires Démonstration de l’origine unique des eucaryotes photosynthétiques primaires L’origine cyanobactérienne des chloroplastes est certaine, mais la position  exacte de cette origine à l’intérieur des cyanobactéries reste encore mal connue.
Modèle de l’endosymbiose chloroplastique primaire
Endosymbiose chloroplastique secondaire
Endosymbiose chloroplastique secondaire chez la cryptophyte  Guillardia theta
Glaucophytes Rhodophytes Green plants Endosymbiose primaire  Euglenozoa Chlorarachniophytes ? Dinoflagellates Apicomplexa Heterokonts Cryptophytes Haptophytes Endosymbioses secondaires
Glaucophytes Dinoflagellates Rhodophytes Green plants Dinoflagellates Karenia Euglenozoa Chlorarachniophytes Apicomplexa Heterokonts Cryptophytes Haptophytes Endosymbioses secondaires Dinoflagellates Euglenozoa Chlorarachniophytes Secondary plastid replacement (Lepidodinium) Endosymbiose  tertiaire Kryptoperidinium Dinophysis
[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object]
La phylogénie du domaine bactérien. Dans la vision « classique », une division naturelle en phylums existe.
La phylogénie du domaine archéen. Découverte récente d’un nouveau phylum.
Modèle standard de l’arbre de la vie:  division en phylums
Modèle alternatif:  les transferts horizontaux de gènes entre procaryotes sont si fréquents que la notion de phylum perd tout sens.
La phylogénie du domaine eucaryote. Un consensus émerge vers l’identification de cinq assemblages de phylums. Les relations entre eux restent très incertaines.
[object Object],[object Object],[object Object],[object Object]
La phylogénie des mammifères. Les ordres (périssodactyles, rongeurs, primates,…) classiquement définis sont confirmés pour la plupart (sauf cétacés). Des groupements supra-ordinaux émergent.

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  • 1. Découvertes récentes sur les phases précoces de l’évolution de la vie. Manolo Gouy Laboratoire de Biométrie & Biologie Evolutive - CNRS / Univ. Lyon 1 Décembre 2008
  • 2. 3 domaines du vivants LUCA Première cellule Aujourd’hui Premier âge : Monde pré-cellulaire Second âge : Monde cellulaire pré-luca Troisième âge : Monde cellulaire post-luca Origine(s) de la vie
  • 3. Découverte en 1977 des trois domaines de la vie
  • 4. Les S AB sont élevés à l’intérieur de chacun des 3 groupes et faibles entre groupes.
  • 5.  
  • 6. Recherche de la racine de la phylogénie universelle E: eucaryotes; B: bactéries; A: archées LUCA: Last Universal Common Ancestor
  • 7.  
  • 8.
  • 9.
  • 10. L’origine endosymbiotique unique de la mitochondrie à partir d’une  -protéobactérie ancestrale Concatenation of amino acid sequences of respiratory chain proteins apocytochrome b (Cob) and cytochrome oxidase subunits 1 to 3 (Cox1-3).  -protéobactéries mitochondries
  • 11. Conservation de l’ordre des gènes entre mitochondries et  -protéobactéries
  • 12. Le génome mitochondrial le plus riche en gènes connu actuellement.
  • 13. Analyse phylogénétique de l’ARN ribosomique de la petite sous-unité Cavalier-Smith & Chao (1996) J Mol Evol 43:551 Eucaryotes amitochondriaux: « Archezoa » symbiose mitochondriale?
  • 14. Tom Cavalier-Smith (1987) Nature 326:332 “ It is a widespread fallacy that mitochondria are found in all eukaryotic cells.” “ It is not the mitochondria, but the nucleus, endomembrane system and cytoskeleton that are the true hallmarks of the eukaryote cell.” “ The idea that some protozoa are the living relics of the earliest phase of eukaryote cell evolution and diverged from our ancestors before the symbiotic origin of mitochondria is given strong support by DNA sequence studies.” Des eucaryotes d’avant la naissance de la mitochondrie
  • 15.
  • 16. Analyse phylogénétique de la  -tubuline d’une microsporidie Edlind et al . (1996) Mol. Phyl. Evol. 5:359.
  • 17. Analyse phylogénétique de la grande sous-unité de l’ARN polymerase II Hirt et al . (1999) Proc.Natl.Acad.Sci. USA 96:580
  • 18. Peut-on réconcilier les ARN ribosomiques et les tubuline et ARN-polymérase ? Eucaryotes amitochondriaux MICROSPORIDIA ?
  • 19. l’artefact d’A ttraction des L ongues B ranches [ Felsenstein (1978) Syst Zool 27:401 ] Philippe et al. (2000) Proc. Royal Soc. Lond. B 267:1213.
  • 20. Analyse en distance de 42 séquences de LSU rRNA de microsporidies et d’autres eucaryotes. Les distances ont été corrigées pour la variation du taux entre sites. Cette analyse utilise un modèle beaucoup plus réaliste du processus évolutif au niveau moléculaire. Van de Peer et al. (2000) Gene 246:1
  • 21.
  • 22.
  • 23. transfert vers le noyau perte conservation endosymbiote  -protéobactérien ancestral Echanges de gènes durant l’évolution de la mitochondrie importation de protéines Un gène d’origine évolutive mitochondriale peut être porté par le génome nucléaire d’un eucaryote.
  • 24. Mycoplasma genitalium Mycoplasma sp. Découverte dans le génome de la microsporidie Encephalitozoon cuniculi de plusieurs gènes d’origine évolutive mitochondriale Exemple: gène IscS Aeropyrum Pyrococcus Methanobacterium 100 100 100 Bacillus Deinococcus Aquifex Archaeoglobus Lactobacillus Thermotoga Helicobacter Anabaena sp Anabaena azollae Azotobacter vinelandii Azotobacter chroococcum Azospirillum 100 Enterobacter Klebsiella 100 100 Rhizobium Rhodobacter sphaeroides Rhodobacter capsulatus 100 39 97 100 100 100 69 99 Haemophilus Escherichia Synechocystis Rickettsia Zygomonas Arabidopsis-mt 37 Encephalitozoon Schizosaccharomyces-mt Saccharomyces-mt Candida maltosa-mt Candida albicans-mt 100 100 99 Caenorhabditis-mt Mus-mt Homo-mt 100 86 100 37 85 38 100 33 59 84 55 48 75 48 100 0.2 subst ./site
  • 25. Vivarès et al. (2002) Current Opinion in Microbiology 5:499. Le mitosome de microsporidie prédit par analyse du génome: évolutivement il dérive d’une mitochondrie
  • 26. Détection d’organites à double membrane par anticorps anti-HSP70
  • 27. Le mitosome du parasite amitochondrial Giardia Identification chez Giardia de gènes codant des protéines à localisation mitochondriale chez les autres eucaryotes : Cpn60, Hsp70, IscS (cystéine désulfurase) Un exemple: IscS Tachezy et al. (2001) Mol. Biol. Evol. 18:1919.
  • 28. La double membrane de cet organite Localisation par immunofluorescence de IscS et IscU dans des trophozoites de Giardia .
  • 29.
  • 30. Analyses phylogénétiques de 2 gènes du génome hydrogénosomal 12S (SSU) rRNA nad7 (s.u. 49 kDa complexe I) Boxma et al. (2005) Nature 434:74.
  • 31. Eucaryotes amitochondriaux « Archezoa » Abandon du concept d’eucaryote primitivement amitochondrial symbiose mitochondriale
  • 32. Distribution des organites dérivés de la mitochondrie chez les eucaryotes Roger & Silberman (2002) Nature 418:827.
  • 33.
  • 34. Hypothèses sur l’origine par fusion de la cellule eucaryote a-d : en 2 étapes e-g : création mitochondrie =création cellule eucaryote Ces hypothèses sont en principe testables: elles prédisent des similarités entre une partie du génome eucaryote et certaines bactéries, et entre le reste de ce génome et certaines archées.
  • 35.  
  • 36.  
  • 37. 50 protéines de plastides 143 protéines nucléaires Démonstration de l’origine unique des eucaryotes photosynthétiques primaires L’origine cyanobactérienne des chloroplastes est certaine, mais la position exacte de cette origine à l’intérieur des cyanobactéries reste encore mal connue.
  • 38. Modèle de l’endosymbiose chloroplastique primaire
  • 40. Endosymbiose chloroplastique secondaire chez la cryptophyte Guillardia theta
  • 41. Glaucophytes Rhodophytes Green plants Endosymbiose primaire Euglenozoa Chlorarachniophytes ? Dinoflagellates Apicomplexa Heterokonts Cryptophytes Haptophytes Endosymbioses secondaires
  • 42. Glaucophytes Dinoflagellates Rhodophytes Green plants Dinoflagellates Karenia Euglenozoa Chlorarachniophytes Apicomplexa Heterokonts Cryptophytes Haptophytes Endosymbioses secondaires Dinoflagellates Euglenozoa Chlorarachniophytes Secondary plastid replacement (Lepidodinium) Endosymbiose tertiaire Kryptoperidinium Dinophysis
  • 43.
  • 44. La phylogénie du domaine bactérien. Dans la vision « classique », une division naturelle en phylums existe.
  • 45. La phylogénie du domaine archéen. Découverte récente d’un nouveau phylum.
  • 46. Modèle standard de l’arbre de la vie: division en phylums
  • 47. Modèle alternatif: les transferts horizontaux de gènes entre procaryotes sont si fréquents que la notion de phylum perd tout sens.
  • 48. La phylogénie du domaine eucaryote. Un consensus émerge vers l’identification de cinq assemblages de phylums. Les relations entre eux restent très incertaines.
  • 49.
  • 50. La phylogénie des mammifères. Les ordres (périssodactyles, rongeurs, primates,…) classiquement définis sont confirmés pour la plupart (sauf cétacés). Des groupements supra-ordinaux émergent.