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Cellules et Génomes Œuf de grenouille Xenopus laevis.

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1 Cellules et Génomes Œuf de grenouille Xenopus laevis

2 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 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 O 2, 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 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 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 6 Fig 1-15 Géologie d'une cheminée hydrothermique au fond de l'océan

7 7 ents/chemistry/image.html

8 8 ents/chemistry/image.html Pipe Organ vent chimney cluster on the Northern Cleft segment of Juan de Fuca Ridge during ALVIN dive number 2437 in Photo from the ALVIN bow camera

9 9 ents/chemistry/image.html Black smoker vents on Monolith chimney at Northern Cleft in 1991

10 10 ents/chemistry/image.html Marker 6 at Tripod diffuse vent (maximum temperature 60°C) on Northern Cleft Segment in Bright white bacterial mats line cracks in basaltic sheet flow. Vent fluids were below seawater chlorinity 1988

11 11 ents/chemistry/image.html Vent fluid chemistry changed dramatically from 1988 to

12 12 ents/chemistry/image.html A lobe of pillow basalt collected from the CoAxial segment lava flow that occurred in June/July 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 13 ents/chemistry/image.html Multiple black smoker vents at the "RM29" site at 18°10'S on the Southern East Pacific Rise. Photo taken in November 1994 from the Japanese submersible Shinkai 6500

14 14 Fig 1-16 Organismes vivants aux abords d'une cheminée hydrothermique

15 15 Viperfish

16 16 Certaines cellules fixent du -N et CO 2 pour d'autres Une cellule a besoin de 6 éléments : H, C, O, N, S, P. Dans l'atmosphère il y a beaucoup de N 2 et CO 2 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 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 18 Fig 1-17 Forme et taille de quelques bactéries

19 19 Fig 1-18(A) Vibrio cholerae (bactérie) –paroi épaisse –pas grand chose en ME

20 20 Fig 1-18(B) Escherichia Coli (comme Vibrio cholerae mais sans flagelle)

21 21 Les procaryotes Grande variété de niches écologiques Grandes potentialités biochimiques Organotrophiques tout type de nourriture Phototrophiques : –fournissent de l'O 2 au passage ou non –eg : Anabaena cylindrica

22 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 23 Fig 1-20 Beggiatoa Bactérie lithotrophe Prend son énergie en oxydant H 2 S Peut fixer le carbone dans le noir Dépôts jaunes de sulfure dans la cellule

24 24 Beggiatoa Bactérie

25 25 Le monde procaryote Complètement inexploré Pas cultivable avec les milieux traditionnels de la bactériologie 99% sont inconnus

26 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 27 Fig 1-21 Les trois grands domaines du monde vivant Procaryotes

28 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 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 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 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 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 33 Table I-1 Génomes ayant été totalement séquencés –Eubactéries

34 34 Table I-1 Génomes ayant été totalement séquencés –Archae

35 35 Table I-1 Génomes ayant été totalement séquencés –Eucaryotes

36 36

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39 39

40 40

41 41 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

42 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 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 44 Fig 1-23(Part2) 4 sur 4 mode d'innovation génétique

45 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 46 Fig 1-24 Familles de gènes liés sur le plan évolutif (gènes paralogues) Bacillus subtilis

47 47 Fig 1-25(A-B) Gènes paralogues et orthologues : deux types d'homologie de gènes basés sur des voies évolutives différentes

48 48 Fig 1-25(C) Gènes paralogues et orthologues : un type complexe d'homologie de gène basé sur des voies évolutives différentes

49 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 50 Fig 1-26 Un exemple de famille complexe de gènes homologues Hémoglobine, myoglobine, globines, (humain, poulet, requin, drosophile

51 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 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 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 54 Échanges horizontaux d'information génétique Naissance des Trois embranchements à partir d'une communauté primordiale de gènes qui ont été échangés

55 55 Fig 1-28 Transfert horizontal de gènes au cours de l'évolution

56 56 Reproduction sexuée : un exemple moderne de transfert horizontal de gènes A l'intérieur d'une même espèce Phénomène très répandu Avantage sélectif

57 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 58 Exemple : Mycobacterium tuberculosis Provoque la tuberculose Très difficile à étudier au laboratoire Son génome : 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 59 Exemple : Bacillus subtilis Presque la moitié des gènes ont des séquences proches de celles de M. tuberculosis

60 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 2264 familles de gènes codant pour des protéines

61 61 Table II-2 Nombre de familles de gènes classés par fonctions communes aux trois domaines du monde vivant

62 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 63 Fig 1-29 Fonction d'un gène révélée par un phénotype mutant Saccharomyces pombe normalmutant

64 64 Challenge du biologiste Séquencer un gène : c'est fini Caractérisation fonctionnelle : nouveau

65 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 pb Environ protéines différentes equenced_genomes/genome_guide_p1a.shtml

66 66 Fig 1-30 Génome d'E. Coli


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