Phylogénie des Archaea

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1 Phylogénie des Archaea
Céline Brochier EA EGEE (Évolution Génome Environnement) Université de Provence Aix-Marseille I

2 Phylogénie des Archaea (ARNr 16S)
Methanopyrales Archaeoglobales Methanoccocales Thermococcales Thermoproteales Sulfolobales Desulfurococcales Ancêtre hyperthermophile anaerobic * Euryarchaeota (9 ordres) Halobacteriales Origine précoce de la Méthanogénèse Methanopyrales Methanomicrobiales Methanobacteriales Methanoccocales Methanosarcinales Methanomicrobiales Thermoplasmatales Methanobacteriales Methanosarcinales Archaeoglobales Methanoccocales Thermococcales Nanoarchaeota Découverte d’un représentant d’un troisième phyla ? AAG group Methanopyrales BACTERIA EUKARYA Korarchaeota Desulfurococcales Thermoproteales Sulfolobales Crenarchaeota (3 ordres) 0.05 Adapté de Schleper Nat Rev Microbio 2005

3 Phylogénie des Archaea (whole genome tree content)
Émergence précoce des Halophiles Regroupement Thermoplasmatales + Crenarchaea Archaeoglobus fulgidus M. thermautotrophicum M. jannaschii M. kandleri P. horikoshii P. abyssi T. volcanium T. acidophilum Halobacterium sp. A. pernix S. solfataricus T. maritima R. radiodurans E. coli Omelchenko et al. BMC Evolutionary Biology 2005 Slesarev et al. PNAS 2002

4 Problème des transferts horizontaux de gènes en phylogénie
Phylogénie des espèces A B C D E F Phylogénie basée sur le gène 1 A B C D E F Phylogénie basée sur le gène 2 F B C D E A

5 Problématique Est-il possible de reconstruire une phylogénie des procaryotes dans un contexte de HGT ? ? Doolittle Science (1999)

6 (aux fluctuations près) la même phylogénie
Stratégie Hypothèse S’il existe un ensemble de gènes qui n’ont pas subi de transferts horizontaux, alors la phylogénie qu’ils infèrent reflète la part verticale de l’hérédité, c’est-à-dire la phylogénie des organismes Les gènes qui ont subi la même histoire évolutive doivent permettre d’inférer (aux fluctuations près) la même phylogénie Test Des gènes congruents doivent soutenir ou rejeter de la même façon les différentes topologies possibles

7 Tester la congruence des marqueurs une approche rapide
Topologies 1 0,2 42 13 4 R²=0,9 2 0,1 37 9 4,7 R²=0,05 3 4,1 3,3 0,3 7,8 Gènes 4 ….. 0,1 1,7 0,7 3,4 5,4 5 0,6 0,1 1,7 0,3 6 0,4 0,4 0,7 2,2 0,1 7 0,3 0,8 3,9 4,7 9,7 Analyse en Composante Principale (ACP) des valeurs de déviation standard de chaque topologie par rapport à la meilleure 2 gènes congruents seront proches sur l ’ACP alors que 2 gènes incongruents seront éloignés

8 Application aux Archaea
53 protéines ribosomiques présentes chez au moins 13 archaea Analyses phylogénétiques individuelles Reconstruction d’arbres non racinés (sans outgroup) => Augmenter le nombre de positions analysables => Diminuer le risque d’artefact de reconstruction type ALB Recherche de HGT Analyse de la congruence entre marqueurs (ACP) Élimination éventuelle des marqueurs ‘atypiques’ Concaténation des r-protéines

9 ACP r-protéines (Archaea)
Axe 2 ( 11%) P1 RTN+ 44 r-protéines Axe 1 ( 61%) P3 9 r-protéines Gènes individuels Fusions P1G = 53 prot. (7175 pos) – JTT + loi G P3 = 9 prot. (926 pos) – JTT P2 = 44 prot. (6249 pos) – JTT RTN+G = ARNr 16S et 23S (3933 pos) – TN + loi G Matte et al. MBE 2002

10 r-protéines détectées comme incongruentes a posteriori
L15e,197aa 10 Ferroplasma acidarinanus Thermoplasma acidophilum Aeropyrum pernix Pyrobaculum aerophilum Sulfolobus solfataricus Pyrococcus abyssi Pyrococcus horikoshii Pyrococcus furiosus Methanococcus jannaschii Archaeoglobus fulgidus Methanosarcina barkeri M. thermoautotrophicum Haloarcula marismortui 89 70 87 98 100 61 60 62 52 Halobacterium halobium L12e,89aa Pyrobaculum aerophilum Aeropyrum pernix Sulfolobus solfataricus Haloarcula marismortui Archaeoglobus fulgidus Methanosarcina barkeri Halobacterium sp. Methanococcus jannaschii M. thermoautotrophicum Pyrococcus furiosus Pyrococcus abyssi Pyrococcus horikoshii Thermoplasma acidophilum Ferroplasma acidarinanus 10 100 25 64 48 51 36 10 Aeropyrum pernix Sulfolobus solfataricus Pyrococcus abyssi Haloarcula marismortui Halobacterium sp. Methanobacterium thermoautotrophicum Methanosarcina barkeri Pyrobaculum aerophilum Thermoplasma acidophilum Methanococcus jannaschii Archaeoglobus fulgidus 100 70 57 52 33 64 Hs6,113aa Matte et al. MBE 2002

11 Détection de l’incongruence par les heat maps
Bapteste et al. BMC evolutionary biology 2005 Application aux protéines de la traduction d’archaea => détection de marqueurs incongruents: rpl15e, rpl37ae… Double clustering hiérarchique des gènes et des topologies Échelle = p-value calculée pour un gène donné et une topologie donnée variant de 0 (=rejet) à 1 (=acceptation) Marqueurs artificiels Marqueurs réels

12 Comparaison des fusions P1 et ARNr TN+G
53 r-protéines (7175 pos) ML JTT + G ARNr 16S +23S (3933 pos) ML TN + G Pyrobaculum aerophilum Aeropyrum pernix 100 Sulfolobus solfataricus 82 Pyrococcus furiosus Pyrococcus horikoshii 100 100 100 Pyrococcus abyssi 68 30 Methanococcus jannaschii 52 100 100 Methanobacterium thermoautotrophicum Archaeoglobus fulgidus 78 55 Methanosarcina barkeri 94 100 100 Haloarcula marismortui 87 100 Halobacterium sp 100 72 99 Thermoplasma acidophilum 10 10 100 100 Ferroplasma acidarmanus Matte et al. MBE 2002

13 Comparaison des fusions P2 et P3
44 r-protéines (6249 pos) ML JTT + G 9 r-protéines (926 pos) ML JTT + G Pyrobaculum aerophilum Aeropyrum pernix 100 Sulfolobus solfataricus 100 Pyrococcus furiosus Pyrococcus abyssi 100 100 100 Pyrococcus horikoshii 71 100 100 Methanococcus jannaschii Phylogénies congruentes sauf pour la position des Thermoplasmatales HGT préférentiels à partir des Sulfolobales ? Proximité écologique > Proximité phylogénétique Methanobacterium thermoautotrophicum 86 37 Halobacterium sp. 100 23 100 94 51 100 Haloarcula marismortui 100 100 Methanosarcina barkeri Archaeoglobus fulgidus 98 42 Thermoplasma acidophilum 100 Ferroplasma acidarmanus 100 10 10 Matte et al. TIG 2002

14 Comparaison des protéomes des Thermoplasmatales et Sulfolobales
Pyrobaculum aerophilum Aeropyrum pernix 100 Sulfolobus solfataricus  2981 ORF 60% Pyrococcus furiosus  2125 ORF 35% Pyrococcus abyssi 100 100 Pyrococcus horikoshii 100 Methanococcus jannaschii Échanges de gènes importants entre microorganismes vivants dans un même milieu => Adaptation secondaire des Thermoplasmatales au milieu acide ? Methanobacterium thermoautotrophicum 86 Halobacterium sp. 100 51 100 Haloarcula marismortui Methanosarcina barkeri Archaeoglobus fulgidus 98 Thermoplasma acidophilum  1553 ORF 42 66% 100 Picrophilus torridus  1535 ORF 10 D’après Fütterer et al. PNAS 2004

15 Existe-t-il une phylogénie des Archaea ?
53 r-protéines étudiées 15 % des r-protéines (9) sont détectées comme atypiques (HGT, biais de compositions, artefact…) Peu de biais préférentiel dans les HGT (P1 et P3 proches) => ‘Bruit aléatoire’ 4 r-protéines supportent individuellement une émergence précoce des Thermoplasmatales HGT des Sulfolobales vers les Thermoplasmatales ? attraction par les Crenarchaea Phylogénie congruente avec celle basée sur l’ARNr 16S Biais coévolution dans le ribosome des ARNr et des r-protéines La congruence observée peut refléter un fort biais dans le sens des HGT Étude d’autres systèmes indépendants de la traduction

16 Analyse d’autres systèmes: la transcription
Transcription chez les Archaea RNA polymerase 12 sous-unités Facteurs de transcription NusA et NusG Paralogues multiples: TBP, TFB Distribution taxonomique trop restreinte: TFE, TFIIH, TIP49

17 Analyses individuelles
rpoH A. pernix Positions 57 à 83 P. aerophilum 37 S. solfataricus 97 S. tokodaii A. fulgidus M. thermoautotrophicum P. abyssi 19 91 P. horikoshii 1 seul HGT probable entre Thermoplasmatales et Methanopyrus kandleri 100 P. furiosus 11 H. sp. 100 H. marismortui 15 25 M. kandleri F. acidarmanus 83 T. acidophilum 40 95 T. volcanium 19 M. jannaschii 47 M. maripaludis 65 M. barkeri 0,1456 45 M.mazei 99 M. acetivorans ARBRE NJ, matrice de distances JJT+G rpoM/TFIIS est manquante chez Methanopyrus kandleri Brochier et al. Genome Biology 2004

18 Traduction vs Transcription
53 r-protéines, 6373 aa ML JTT +G Protéines de la transcription 3275 aa, ML JTT +G P.aerophilum A.pernix S.tokodaii 100 84 S.solfataricus 100 100 P.furiosus 100 P.horikoshii 100 P.abyssi M.kandleri 100 100 M.thermautotrophicus M.jannashii 85 88 89 100 M.maripaludis 100 79 F.acidarmanus T.acidophilum 100 98 62 100 41 100 T.volcanium 100 A.fulgidus 96 Halobacterium sp. 100 H.marismortui 100 100 100 0.0825 0.0703 100 100 M.barkeri 2 incongruences mineures ! 1 incongruence majeure ! Brochier et al. Genome Biology 2004

19 Methanopyrus kandleri
P. aerophilum A. pernix S. solfataricus P. furiosus P. abyssi P. horikoshii M. jannaschii H. sp. H. marismortui M. barkeri A. fulgidus T. acidophilum F. acidarmanus Sulfolobus tokodaii M. kandleri M. maripaludis M. thermoautotrophicum M. acetivorans M. mazei T. volcanium 96 100 0,0887 86 93 64 89 87 62 99 rpoA’ (812 pos NJ + JJT+G) % de divergence observé dans les JDD traduction et transcription 30% des sites de la fusion P. aerophilum M. mazei 57 100 90 28 27 39 49 47 78 54 99 52 0,1480 A. pernix S. solfataricus P. furiosus P. abyssi P. horikoshii M. jannaschii H. sp. H. marismortui M. barkeri A. fulgidus T. acidophilum F. acidarmanus Sulfolobus tokodaii M. kandleri M. maripaludis M. thermoautotrophicum M. acetivorans T. volcanium rpoA’’ (360 pos, NJ + JJT+G) Traduction (r-protéines) Couples M kandleri - x Divergence de M. kandleri observée transcription > traduction Transcription (RNA pol sub.) Brochier et al. Genome Biology 2004

20 Methanopyrus kandleri
Brochier et al. Genome Biology 2004

21 Le paradoxe de Methanopyrus kandleri
Émergence précoce Lipides ‘primitifs’ Signatures de crenarchaeota ARNr 16S Phylogénie ARNr 16S, RNA polymerases Émergence tardive mais évolution rapide Protéines ribosomiques Contenu en gène du génome Réarrangements génomiques Split de gènes (réverse gyrase) Fusion de gène (histones) Gènes uniques/orphelins (DNA topoisomerase V type 1B) Perte de rpoM/TFIIS Archaeoglobus fulgidus M. thermautotrophicum M. jannaschii M. kandleri P. horikoshii P. abyssi T. volcanium T. acidophilum Halobacterium sp. A. pernix S. solfataricus T. maritima R. radiodurans E. coli Archaeoglobus fulgidus M. thermautotrophicum M. jannaschii M. kandleri P. horikoshii P. abyssi T. volcanium T. acidophilum Halobacterium sp. A. pernix S. solfataricus T. maritima R. radiodurans E. coli Slesarev et al. PNAS 2002

22 Résoudre les incongruences ?
Methanopyrus kandleri Artefact pour dans la phylogénie des protéines de la transcription => Ajout de séquences proches de M. kandleri => ‘Casser’ sa longue branche Methanobacteriales/Methanococcales et Archaeoglobus Manque de signal phylogénétique => Augmenter l’échantillonnage taxonomique HGT non détectés

23 Analyse de 25 génomes Les deux incongruences mineures ont disparu !
Pyrobaculum aerophilum Aeropyrum pernix * * Sulfolobus tokodaii 100 100 * Sulfolobus solfataricus * Nanoarcheum equitans Thermococcus gammatolerans Pyrococcus furiosus * Pyrococcus abyssi * Pyrococus horikoshii * * * 100 Methanopyrus kandleri 100 * Methanobacterium thermautotrophicus 55 Methanococcus maripaludis 95 * 68 100 Methanocaldococcus jannashii * Ferroplasma acidarmanus 31 Thermoplasma volcanium * * 82 Thermoplasma acidophilum * * Archaeoglobus fulgidus 97 77 Haloferax volcanii Haloarcula marismortui 85 * * 96 86 Halobacterium sp. 45 98 Methanogenium frigidum 86 Methanobacteroides burtonii 100 0.1 Methanosarcina barkeri 79 0.1 100 Methanosarcina acetivorans 100 * * Methanosarcina mazei r-protéines ML JTT+G * * transcription ML JTT+G Les deux incongruences mineures ont disparu ! 1 incongruence majeure ! Brochier et al. BMC Evolutionary Biology 2005

24 Enzymes impliquées dans la méthanogénèse et dans la synthèse des cofacteurs
4 gènes : hmdI, comA, comB and comC sont présents uniquement chez les méthanogènes de ClasseI => Signature génomique de la Classe I (regroupement des Methanopyrales, Methanococcales et Methanobacteriales) Seuls les méthanogènes possèdent la quasi totalité des protéines impliquées dans la méthanogénèse et la synthèse des coenzymes Les protéines impliquées dans la synthèse des coenzymes sont plus largement distribuées que celles réalisant la méthanogénèse (duplications/pertes et/ou transferts mais pas entre méthanogènes) Apparition de la méthanogénèse chez les Euryotes à partir d’une voie métabolique plus générale et plus ancienne ? A. fulgidus possède des enzymes impliquées dans la méthanogénèse. Absence des enzymes réalisant les deux dernières étapes => pas de méthanogénèse Ces enzymes sont impliquées dans l’oxydation du lactate.

25 Phylogénie des protéines impliquées dans la méthanogénèse
Non méthanogènes Methanopyrus kandleri M. thermautotrophicus Methanogènes Classe I Methanocaldococcus jannaschii Methanosarcinales Methanogènes Classe II Methanomicrobiales Seuls 3 transferts de protéines impliquées dans la méthanogénèse ou dans la synthèse des coenzymes sont observés entre méthanogènes Gènes non organisés en opéron Acquisition unique de la méthanogénèse au cours de l’évolution des Euryarchaea plus probable que celle d’acquisitions multiples via HGT entre des groupes distants (évolutivement et écologiquement)

26 Évolution de la méthanogénèse
Nanoarchaeota Crenarchaeota 100 100 100 100 Thermococcales 100 Methanopyrales Methanobacteriales 98 Methanococcales 49 100 Acquisition de la methanogénèse Thermoplasmatales Euryarchaeota 100 100 Archaeoglobales 99 Halobacteriales 82 100 Methanomicrobiales 100 100 100 Methanosarcinales 100 0.1 100 Methanogènes (Classe I) Perte des gènes impliqués dans la methanogénèse Methanogènes (Classe II) Perte partielle des gènes impliqués dans la methanogénèse

27 Une phylogénie des Archaea totalement résolue ?
Pyrobaculum aerophilum Séparation des Crenarchaeota/Euryarchaeota N. equitans = Troisième phyla Émergence précoce des Thermococcales Méthanogénèse non ancestrale Manque de signal pour la position relative des Methanopyrales + Methanococcales + Methanobacteriales Grand cluster regroupant les Thermoplasmatales + Archaeoglobus + Halobacteria + Methanomicrobia => Émergence tardive des Halophiles et Thermoplasmatales Aeropyrum pernix * Sulfolobus tokodaii 100 * Sulfolobus solfataricus Nanoarcheum equitans Thermococcus gammatolerans Pyrococcus furiosus 100 Pyrococcus abyssi * Pyrococus horikoshii * Et pourtant… Methanopyrus kandleri 100 Methanobacterium thermautotrophicus 55 Methanococcus maripaludis 100 Methanocaldococcus jannashii * Ferroplasma acidarmanus 31 Thermoplasma volcanium * Thermoplasma acidophilum * Archaeoglobus fulgidus 97 Haloferax volcanii Haloarcula marismortui 85 * 86 Halobacterium sp. 98 Methanogenium frigidum Methanobacteroides burtonii 100 0.1 Methanosarcina barkeri 100 Methanosarcina acetivorans * Methanosarcina mazei * Brochier et al. BMC Evolutionary Biology 2005 r-protéines ML JTT+G

28 Nanoarchaeota: le troisième phyla
Isolée pour la première fois en 2002 (Stetter et al. 2002) Plus petite cellule vivante connue (400nm) ARNr 16S très divergent (non amplifiable avec des amorces classiques) Association stricte à la surface de son hôte Ignicoccus (une Crenarchaeota) Plus petit génome séquencé (480Kb) Émergence précoce dans les phylogénies basées sur l’ARNr 16S et une concaténation de protéines ribosomiques Assigné à un nouveau phylum: Nanoarchaeota 84% Eukarya Crenarchaeota Nanoarchaeota Euryarchaeota Waters et al. PNAS 2003

29 Position de Nanoarchaeum equitans
Brochier et al. Genome Biology 2005 Basal 7/49 r-protéines supportent un placement basal de N. equitans (4L/3S) Groupe frère des Sulfolobales Groupe frère d’Aeropyrum pernix Groupe frère de Pyrobaculum aerophilum Autre mais dans les Crenarchaeota 9/49 r-protéines supportent un placement dans les Crenarchaeota (6L/3S) La majorité des protéines ribosomiques soutiennent individuellement une émergence dans les Euryarchaeota Autre mais dans les Euryarchaeota Groupe frère des Methanococcales Groupe frère des Thermococcales Groupe frère de Methanopyrus kandleri Groupe frère des Tp ou Ar ou Halo ou Mmicrob Groupe frère des Methanobacteria 33/49 r-protéines supportent un placement dans les Euryarchaeota (16L/17S) Les protéines ribosomiques sont de petite taille => Quelle confiance peut-on avoir dans ce placement ?

30 Position des Sulfolobales et Halobactériales
Malgré leur petite taille la position correcte de ces deux groupes est majoritairement retrouvée 56% Basal Groupe frère d’Aeropyrum pernix Groupe frère de Pyrobaculum aerophilum Autre mais dans les Crenarchaeota Dans les Euryarchaeota Autre Basal Autre Groupe frère des Methanococcales Groupe frère d’Archaeoglobus fulgidus Groupe frère des Thermoplasmatales Groupe frère des Methanomicrobia Autre mais dans les Euryarchaeota Groupe frère de Methanopyrus kandleri

31 Marqueurs alternatifs
1.00/100 1.00 64 N. equitans Pyrococcus furiosus Pyrococcus horikoshii Pyrococcus abyssi 0.1 Pyrobaculum aerophilum Aeropyrum pernix Desulfurococcus mobilis Sulfolobus solfataricus Sulfolobus tokodaii Sulfolobus acidocaldarius Archaeoglobus fulgidus Methanocaldococcus jannaschii Methanococcus vannielii Methanococcus maripaludis Methanopyrus kandleri M. thermautotrophicus Ferroplasma acidarmanus Thermoplasma volcanium Thermoplasma acidophilum Methanococcoides burtonii Methanosarcina barkeri Methanosarcina mazei Methanosarcina acetivorans Haloferax volcanii Haloarcula marismortui Halobacterium sp. Halobacterium salinarum 1.00/100 1.00/97 0.98/94 1.00 99 0.88 35 94 -/39 0.86/34 0.86/49 1.00/98 100 0.85/54 1.00/ 100 1.00/ 93 1.00/79 Nanoarchaeum equitans Thermococcus celer Pyrococcus abyssi Pyrococcus horikoshii Pyrococcus furiosus Pyrococcus woesei 79 1.00/92 0.1 Uncultured crenarchaeote Pyrobaculum aerophilum Aeropyrum pernix Desulfurococcus mobilis Sulfolobus solfataricus Sulfolobus acidocaldarius Sulfolobus tokodaii Nanoarchaeum equitans Pyrococcus furiosus Pyrococcus horikoshii Pyrococcus abyssi Methanopyrus kandleri M. thermautotrophicus Methanocaldococcus jannaschii Methanococcus vannielii Methanococcus maripaludis Picrophilus torridus Ferroplasma acidarmanus Thermoplasma volcanium Thermoplasma acidophilum Archaeoglobus fulgidus Haloferax volcanii Haloarcula marismortui Halobacterium salinarum Halobacterium sp. Methanococcoides methylutens Methanococcoides burtonii Methanosarcina thermophila Methanosarcina barkeri Methanosarcina mazei Methanosarcina acetivorans 1.00/99 1.00/100 -/64 -/74 -/100 1.00 64 1.00/70 93/35 100 0.88/31 0.78/27 -/44 0.63/100 1.00/97 1.00/56 -/90 0.1 Nanoarchaeum equitans Thermococcus gammatolerans Pyrococcus furiosus Pyrococcus abyssi Pyrococcus horikoshii 1.00/40 0.95/70 1.00/100 1.00 98 Bdellovibrio bacteriovorus Methanocaldococcus jannaschii Methanococcus maripaludis 1.00/97 57 Methanothermobacter thermautotrophicus Methanopyrus kandleri 100 Haloarcula marismortui Halobacterium sp. Haloferax volcanii 0.90 54 Archaeoglobus fulgidus Methanogenium frigidum Methanococcoides burtonii Methanosarcina barkeri Methanosarcina mazei Methanosarcina acetivorans 0.38/49 0.99/78 0.67/94 1.00/80 Pyrobaculum aerophilum Aeropyrum pernix Sulfolobus tokodaii Sulfolobus shibatae Sulfolobus solfataricus Nanoarchaeum equitans Thermococcus gammatolerans Pyrococcus furiosus Pyrococcus abyssi Pyrococcus horikoshii 1.00/40 0.95/70 1.00/100 1.00 98 Nanoarchaeum equitans Thermococcus celer Pyrococcus abyssi Pyrococcus horikoshii Pyrococcus furiosus Pyrococcus woesei 1.00 79 1.00/100 1.00/92 100 EF-1a (ML et MB, JTT + G) EF-2 (ML et MB, JTT + G) TOPOVI A (ML et MB, JTT + G)

32 Position de N. equitans 60 Desulfurococcales Nanoarchaeota
Sulfolobus solfataricus Nanoarchaeum equitans Aeropyrum pernix Sulfolobales Sulfolobus tokodaii Thermococcales 2 3 4 1 100 100 100 Methanopyrales Thermoproteales Methanopyrus kandleri 100 Pyrobaculum aerophilum 60 100 100 Methanocaldococcus jannaschii 72 82 Archaeoglobus fulgidus Archaeoglobales 96 100 75 Methanococcus maripaludis Methanogenium frigidum Methanococcales 100 100 100 Methanomicrobiales Methanothermobacter thermautotrophicus 100 Methanobacteriales Methanococcoides burtonii 100 Methanosarcina barkeri 100 100 Methanosarcina mazei Thermoplasma volcanium 100 100 Methanosarcinales Methanosarcina acetivorans 63 Thermoplasma acidophilum Haloarcula marismortui Ferroplasma acidarmanus Haloferax volcanii Halobacterium sp 1 - Pyrococcus furiosus 2 - Pyrococcus abyssi 3 - Pyrococcus horikoshii 4 - Thermococcus gammatolerans 0.1 Thermoplasmatales Halobacteriales r-protéines ML JTT + G Brochier et al. Genome Biology 2005

33 Position de N. equitans Peut-être mal placée dans les études précédentes => Assignation à un troisième phylum peut-être prématurée HGT de r-protéines à partir d’Ignicoccus ? Caractères typiques partagés avec les Euryotes  caractères dérivés DNA polymerase famille D protéines de division cellulaire FTSZ MinD Insertion dans EF-1a Présence d’histones de type Eucaryote…

34 Ancêtre hyperthermophile
Aérobie Ancêtre hyperthermophile Pyrobaculum aerophilum Thermoproteales Hyperthermus butylicus Desulfurococcales Aeropyrum pernix Sulfolobus solfataricus Sulfolobus tokodaii Sulfolobales Sulfolobus acidocaldarius Nanoarchaeum equitans Nanoarchaeota Apparition unique secondaire de la méthanogénèse chez les Euryotes Thermococcus kodakarensis Thermococcus gammatolerans Pyrococcus furiosus Thermococcales Pyrococcus horikoshii Pyrococcus abyssi Methanopyrus kandleri Methanopyrales M. thermautotrophicus Methanobacteriales Methanocaldococcus jannaschii Methanococcales Methanococcus maripaludis Picrophilus torridus Ferroplasma acidarmanus Thermoplasmatales Thermoplasma acidophilum Thermoplasma volcanium Archaeoglobus fulgidus Archaeoglobales Haloarcula marismortui Halobacterium salinarum Halobacteriales Haloferax volcanii Methanogenium frigidum Methanomicrobiales Methanococcoides burtonii Methanosarcina barkeri Methanosarcinales Methanosarcina mazei Methanosarcina acetivorans

35 Perspectives Améliorer la méthodologie (détection de l’incongruence)
Analyser de nouveaux systèmes (exosome, SRP, proteasome, réplication…) Intégrer les nouveaux génomes (Ignicoccus, Korarchaeota, Crenarchaea mésophiles : Cenarchaeum symbiosum…)

36 Phylogénie des Archaea (RNRr 16S)
Euryarchaeota (9 ordres) Halobacteriales Methanomicrobiales Thermoplasmatales Methanobacteriales Archaeoglobales Methanosarcinales Methanoccocales Thermococcales Methanopyrales BACTERIA EUKARYA AAG group Korarchaeota Nanoarchaeota Thermoproteales Desulfurococcales Sulfolobales Crenarchaeota (3 ordres) 0.05 Adapté de Schleper Nat Rev Microbio 2005

37 Analyse des protéines de la traduction
Trop d’espèces non représentées (10) Séquences paralogues (8) + ARNt synthétases (20) Séquences non paralogues (orthologues ou xénologues ) (57) Fusion P4 Fusion P1 Calcul des valeurs de vraisemblance pour un échantillonnage représentatif de topologies Analyse en Composante Principale des valeurs de déviation standard de chaque topologie par rapport à la meilleure

38 Gènes a priori orthologues Gènes a priori non orthologues
Résultats de l’ACP P1 (~9000 pos) Ala EF-G Axe 1 (83%) ARNr (~3500 pos) Gènes a priori orthologues Rps14 Gènes a priori non orthologues Fusions Axe 2 (7%) P4 (~11000 pos)

39 Protéines traduction vs ARNr 16S + 23S
  Chlamydiales Protéines ~9000 positions Mycoplasmas (Low GC Gram positives)    Chlamydiales Spirochetes Cyanobacteria  Green Sulfur Spirochetes D. radiodurans  Cytophagales High G+C Gram positives Green Sulfur  Cytophagales Low GC Gram positives Thermotogales Thermotogales Aquificales Aquificales Mycoplasmas Cyanobacteria ARNr ~3500 positions Low GC Gram positives D. radiodurans High GC Gram positives Valeurs de bootstrap inférieures à 90%

40 Phylogénie du facteur d’élongation EF-G
Campylobacter Campylobacter Helicobacter Helicobacter Thiobacillus Thiobacillus Vibrio Vibrio Escherichia Pasteurella Haemophilus Yersinia Yersinia Escherichia Pasteurella Haemophilus Shewanella Shewanella Pseudomonas aeruginosa Pseudomonas fluorescens Pseudomonas aeruginosa Pseudomonas Xylella Nitrosomonas Nitrosomonas Thiomonas Burkholderia Bordetella Ralstonia Bordetella Bordetella Burkholderia Ralstonia Neisseria Neisseria Buchnera Escherichia Salmonella Pasteurella Haemophilus Yersinia EF-G Fusion P1

41 Phylogénie de l’alanine ARNt synthétase
-protéobactéries Chlamydiales -protéobactéries -protéobactéries Aquificales Bactéries vertes sulfureuses -protéobactéries Cytophagales Deinococcales Cyanobactéries Spirochètes Bactéries gram positives à haut taux de GC Thermotogales Bactéries gram positives à bas taux GC

42

43 Quantification des transferts horizontaux
Comparaison du contenu de génomes proches 20% du génome de Salmonella est d’origine exogène récente (Lan et Reeves 1996) Très peu de transferts chez Chlamydia ou Rickettsia (Kalman et al. 1999, Ogata et al. 2001) Recherche de similitudes par BLAST 24% des gènes de Thermotoga maritima et 16% des gènes d’Aquifex aeolicus seraient d’origine archébactérienne (Aravind et al. 1998, Nelson et al. 1999) Biais de composition 18% du génome d’Escherichia coli K-12 aurait été acquis par transfert depuis la divergence avec Salmonella. (Lawrence et al. 1998) Estimations très variables et contradictoires (Ragan 2001).

44 Hypothèse de complexité
Fréquence des transferts Gènes du métabolisme > Gènes de l’information Procaryotes La probabilité de fixation d’un gène transféré décroît avec le nombre et la complexité des interactions qu’a le produit de ce gène dans la cellule (Jain et al. PNAS 1999) Les gènes de l’information (réplication, transcription, traduction) formeraient un « noyau » de gènes peu transférés Gènes du métabolisme, Gènes de l’information Euryarcheota Dans les 2 cas, l’estimation des taux de transferts est probablement biaisée par des échantillonnages taxonomiques trop faibles (4 ou 6 taxons)

45 Phylogénie des protéines impliquées dans la méthanogénèse
ML phylogenie de 7 protéines impliquées dans la synthèse des coenzymes (aksD, aksE, aksF, cofD, cofG, cofH, comD) Non méthanogènes Methanopyrus kandleri M. thermautotrophicus Methanogènes Classe I 100 88 Methanocaldococcus jannaschii Methanosarcina acetivorans Seuls 3 transferts de protéines impliquées dans la méthanogénèse ou dans la synthèse des coenzymes sont observés entre méthanogènes Methanogènes Classe II 1 100 Methanosarcina mazeii ML phylogenie de 9 protéines impliquées dans la méthanogénèse (ftr, fwdA, mcrA, mer, mtd, mtrB, mtrC, mtrD, mtrE) Gènes non organisés en opéron M. thermautotrophicus Acquisition unique de la méthanogénèse au cours de l’évolution des Euryarchaea plus probable que celle d’acquisitions multiples via HGT entre des groupes distants (évolutivement et écologiquement) Methanopyrus kandleri Methanocaldococcus jannaschii 70 Methanogens Class I 100 Methanogens Class II 100 10 Methanosarcina barkeri Methanomicrobiales 65 Methanosarcina mazeii Methanosarcina acetivorans

46 GE Methanopyrus kandleri 1 2 3 4 5 6 7 8