Cellules et G

1
Cellules et Génomes

• Œuf de grenouille Xenopus laevis

2
Plan

• I - Caractéristiques communes universelles à
  toutes les cellules
• II - Diversité des cellules
• III - Tentative de compréhension cohérente de
  toutes les formes de vie à partir du code commun
  à tous les organismes vivants

3
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

4
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

5
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

6
Fig 1-15

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

7
http//www.pmel.noaa.gov/vents/chemistry/image.htm
l
8
http//www.pmel.noaa.gov/vents/chemistry/image.htm
l

• 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

9
http//www.pmel.noaa.gov/vents/chemistry/image.htm
l

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

10
http//www.pmel.noaa.gov/vents/chemistry/image.htm
l

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

1988
11
http//www.pmel.noaa.gov/vents/chemistry/image.htm
l

• Vent fluid chemistry changed dramatically from
  1988 to 1990

1992
12
http//www.pmel.noaa.gov/vents/chemistry/image.htm
l

• 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

13
http//www.pmel.noaa.gov/vents/chemistry/image.htm
l
Multiple black smoker vents at the "RM29" site at
1810'S on the Southern East Pacific Rise. Photo
taken in November 1994 from the Japanese
submersible Shinkai 6500
14
Fig 1-16

• Organismes vivants aux abords d'une cheminée
  hydrothermique

15
Viperfish
Viperfish
16
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

17
Procaryotes, modèles de diversité biochimique

• Eucaryotes
• présence de noyau
• plantes, champignons, animaux
• Procaryotes
• absence de noyau
• bactéries
• petits, simples et le plus souvent unicellulaires

18
Fig 1-17

• Forme et taille de quelques bactéries

19
Fig 1-18(A)

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

20
Fig 1-18(B)

• Escherichia Coli (comme Vibrio cholerae mais sans
  flagelle)

21
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

22
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

23
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

24
Beggiatoa Bactérie
25
Le monde procaryote

• Complètement inexploré
• Pas cultivable avec les milieux traditionnels de
  la bactériologie
• 99 sont inconnus

26
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)

27
Fig 1-21

• Les trois grands domaines du monde vivant

Procaryotes
28
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 )

29
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

30
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

31
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
32
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

33
Table I-1

• Génomes ayant été totalement séquencés
• Eubactéries

34
Table I-1

• Génomes ayant été totalement séquencés
• Archae

35
Table I-1

• Génomes ayant été totalement séquencés
• Eucaryotes

http//www.genomesonline.org/
36
http//www.genomesonline.org
37
http//www.genomesonline.org
38
http//www.genomesonline.org
39
http//www.genomesonline.org
40
http//www.genomesonline.org
41
Complete List of Organims
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 paratuberculosisMycobacteriu
m 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 typhimuriumSchizosaccharomyce
s pombeShewanella oneidensisShigella
flexneriaSinorhizobium melilotiStaphylococcus
aureusStaphylococcus epidermidisStreptococcus
agalactiaeStreptococcus mutansStreptococcus
pneumoniaeStreptococcus pyogenesStreptococcus
thermophilusStreptomyces avermitilisStreptomyces
coelicolorSulfolobus solfataricusSulfolobus
tokodaiiSynechococcusSynechocystisTakifugu
rubripes Tetraodon nigroviridis Thalassiosira
pseudonana Thermoanaerobacter tengcongensisTherm
oplasma acidophilumThermoplasma
volcaniumThermosynechococcus elongatusThermotago
a maritimaThermus thermophilusTreponema
denticolaTreponema pallidumTropheryma
whippleiUreaplasma urealyticumVibrio cholerae
Vibrio parahaemolyticusVibrio vulnificus
Wigglesworthia glossinidiaWolbachia
pipientisWolinella succinogenesXanthomonas
axonopodisXanthomonas campestrisXylella
fastidiosaYarrowia lipolyticaYersinia
pseudotuberculosisYersinia pestis
Aeropyrum 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 bacteriovorusBifidobacteri
um 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
42
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
acnes Protochlamydia 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
43
Fig 1-23(part1)

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

44
Fig 1-23(Part2)

• 4 sur 4 mode d'innovation génétique

45
Familles de gènes

• Gènes paralogues
• Gènes s'étant dupliqués puis ont divergé
• Dans un seul génome
• Gènes orthologues
• divergence génétique (donc un seul gène
  ancestral)
• une espèce se scinde en deux espèces
• les gènes se modifient chacun de leur côté
• ont des fonctions correspondantes dans les deux
  lignées
• Gènes homologues paralogues orthologues

46
Fig 1-24

• Familles de gènes liés sur le plan évolutif
• (gènes paralogues)

Bacillus subtilis
47
Fig 1-25(A-B)

• Gènes paralogues et orthologues deux types
  d'homologie de gènes basés sur des voies
  évolutives différentes

48
Fig 1-25(C)

• Gènes paralogues et orthologues un type
  complexe d'homologie de gène basé sur des voies
  évolutives différentes

49
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

50
Fig 1-26

• Un exemple de famille complexe de gènes homologues

Hémoglobine, myoglobine, globines, (humain,
poulet, requin, drosophile
51
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

52
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)

53
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

54
Échanges horizontaux d'information génétique

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

55
Fig 1-28

• Transfert horizontal de gènes au cours de
  l'évolution

56
Reproduction sexuée un exemple moderne de
transfert horizontal de gènes

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

57
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

58
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)

59
Exemple Bacillus subtilis

• Presque la moitié des gènes ont des séquences
  proches de celles de M. tuberculosis

60
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

61
Table II-2

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

62
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

63
Fig 1-29

• Fonction d'un gène révélée par un phénotype mutant

normal
mutant
Saccharomyces pombe
64
Challenge du biologiste

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

65
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/sequenc
ed_genomes/genome_guide_p1a.shtml
66
Fig 1-30

• Génome d'E. Coli