Title: Cellules et G
1Cellules et Génomes
- Œuf de grenouille Xenopus laevis
2Plan
- 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
3II - 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
4Les 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
5Les 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
6Fig 1-15
- Géologie d'une cheminée hydrothermique au fond de
l'océan
7http//www.pmel.noaa.gov/vents/chemistry/image.htm
l
8http//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
9http//www.pmel.noaa.gov/vents/chemistry/image.htm
l
- Black smoker vents on Monolith chimney at
Northern Cleft in 1991
10http//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
11http//www.pmel.noaa.gov/vents/chemistry/image.htm
l
- Vent fluid chemistry changed dramatically from
1988 to 1990
1992
12http//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
13http//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
14Fig 1-16
- Organismes vivants aux abords d'une cheminée
hydrothermique
15Viperfish
Viperfish
16Certaines 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
17Procaryotes, modèles de diversité biochimique
- Eucaryotes
- présence de noyau
- plantes, champignons, animaux
- Procaryotes
- absence de noyau
- bactéries
- petits, simples et le plus souvent unicellulaires
18Fig 1-17
- Forme et taille de quelques bactéries
19Fig 1-18(A)
- Vibrio cholerae (bactérie)
- paroi épaisse
- pas grand chose en ME
20Fig 1-18(B)
- Escherichia Coli (comme Vibrio cholerae mais sans
flagelle)
21Les 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
22Fig 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
23Fig 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
24Beggiatoa Bactérie
25Le monde procaryote
- Complètement inexploré
- Pas cultivable avec les milieux traditionnels de
la bactériologie - 99 sont inconnus
26Les 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)
27Fig 1-21
- Les trois grands domaines du monde vivant
Procaryotes
28Archae ( 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 )
29Évolution 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
30Évolution 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
31Fig 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
32Les 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
33Table I-1
- Génomes ayant été totalement séquencés
- Eubactéries
34Table I-1
- Génomes ayant été totalement séquencés
- Archae
35Table I-1
- Génomes ayant été totalement séquencés
- Eucaryotes
http//www.genomesonline.org/
36http//www.genomesonline.org
37http//www.genomesonline.org
38http//www.genomesonline.org
39http//www.genomesonline.org
40http//www.genomesonline.org
41Complete 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
42Complete 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
43Fig 1-23(part1)
- 3 sur 4 modes d'innovation génétique pour générer
de nouveaux gènes (mais toujours à partir de
gènes préexistants)
44Fig 1-23(Part2)
- 4 sur 4 mode d'innovation génétique
45Familles 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
46Fig 1-24
- Familles de gènes liés sur le plan évolutif
- (gènes paralogues)
Bacillus subtilis
47Fig 1-25(A-B)
- Gènes paralogues et orthologues deux types
d'homologie de gènes basés sur des voies
évolutives différentes
48Fig 1-25(C)
- Gènes paralogues et orthologues un type
complexe d'homologie de gène basé sur des voies
évolutives différentes
49Exemple hémoglobine
- Les 7 gènes d'hémoglobine sont des paralogues
?, ?, ?, ?, ?, ?, ?.Dans un même organisme - Peuvent évoluer dans deux espèces différentes ?
orthologues - Sont homologues aux myoglobines
50Fig 1-26
- Un exemple de famille complexe de gènes homologues
Hémoglobine, myoglobine, globines, (humain,
poulet, requin, drosophile
51Transferts 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
52Application 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)
53Fig 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
54Échanges horizontaux d'information génétique
- Naissance des Trois embranchements à partir d'une
communauté primordiale de gènes qui ont été
échangés
55Fig 1-28
- Transfert horizontal de gènes au cours de
l'évolution
56Reproduction sexuée un exemple moderne de
transfert horizontal de gènes
- A l'intérieur d'une même espèce
- Phénomène très répandu
- Avantage sélectif
57Intérêt 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
58Exemple 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)
59Exemple Bacillus subtilis
- Presque la moitié des gènes ont des séquences
proches de celles de M. tuberculosis
60Les 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
61Table II-2
- Nombre de familles de gènes classés par fonctions
communes aux trois domaines du monde vivant
62Méthodes 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
63Fig 1-29
- Fonction d'un gène révélée par un phénotype mutant
normal
mutant
Saccharomyces pombe
64Challenge du biologiste
- Séquencer un gène c'est fini
- Caractérisation fonctionnelle nouveau
65Le 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
66Fig 1-30