Licence L1S2 toute mention sauf “ Sciences du Vivant ” UE de découverte        “ Les défis de la biologie ” Jeudi 11 mai 2006 14 à 16h (Amphithéâtre 4 Le Bel) 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

S’il y a défi(s) comment le(s) relever ? 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

“ Pourquoi s’intéresser à l’histoire Licence L1S2 toute mention sauf “ Sciences du Vivant ” UE de découverte   “ Les défis de la biologie ” “ Pourquoi s’intéresser à l’histoire  évolutive des organismes vivants ? ” Jeudi 4 mai 2006 14 à 16h (Amphithéâtre 4 Le Bel) 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

Organismes modèles Saccharomyces cerevisiae Caenorabditis elegans Drosophila melanogaster Mus musculus Arabidopsis thaliana 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

L’évolution fait partie intégrante de la recherche fondamentale et de l’enseignement supérieur Toute nouvelle découverte doit être restituée dans le contexte évolutif Mais 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

Une constante dans l’histoire de l’humanité:      l’origine et l’évolution des organismes vivants ont toujours suscité un grand intérêt 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

Détermination des liens de parenté entre : - organismes  Histoire évolutive Le support beaucoup plus tard: - gènes Phylogénie                 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

Aristote déjà au quatrième siècle avant J. C. posait ces premières questions: “ chaque être engendre un autre être semblable à lui... l’être est engendré par un être identique à lui-même” il dénombrait déjà plusieurs milliers d’espèces il introduisait le mot espèce et par la même les relations entre espèces, ce qui à terme (20 siècles) débouchera sur le concept d’évolution (Lamarck, ...puis Darwin) 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

Seule une infime partie des espèces est connue - le concept d’espèce n’est pas unifié,   donc le dénombrement est imprécis - l’inventaire est partiel et inégal et surtout   impossible - un nombre immense et inconnu d’espèces   sont éteintes quelques chiffres qui évoluent au cours du temps!...et ce n’est pas fini 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

Linné en 1758 connaissait 4163 espèces animales et un peu plus de plantes Il y aurait(!) actuellement plus de 1 800 000 espèces vivantes répertorièes. Mais... l’irréalisme d’une telle question, d’une réponse de sens.... la synonymie : Carabus cancellatus est décrit pour la première fois en 1758, cette espèce a depuis reçu 211 synonymes ! actuellement: - 30 000 nématodes répertoriés pour 1 million d’espèces   supposées - 1 million d’insectes pour 3 à 30 millions (un facteur 10 !) - 99% des microorganismes ne sont pas cultivables au laboratoire et ne sont pas distinguables sur des critères morphologiques 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

Un peu d’histoire 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

Il y a 3,8 milliards d’années    des éléments minéraux s’assemblent pour constituer: - les premières molécules organiques - les premières macromolécules - donner naissance au métabolisme 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

lipides et cellules replication ADN archea eubactérie ADN db (petit) LUCA ADN db (petit) métabolisme protéines ribosome +code g. RNP ARN catalyse 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

Protéines ARN ADN “dogme” central de la biologie 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

Fixer la/une nouveauté, la stabiliser dans le temps: il y a sélection de la replication de l’ADN, stabilité de l’information = transfert entre générations 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

On parle de gène(s) avant de parler plus tard de génome: Watson Crick (désoxyribo)nucléotide A, T, C ,G, on mesure les génomes en 1000 nucléotides = 1Kb 1000 Kb = 1 Mb 1000 Mb = 1 Gb 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

pour simplifier une fraction d’une grande Gène = objet génétique pour simplifier une fraction d’une grande molécule d’ADN où l’on peut positionner - un début - une fin qui porte une information. Cette dernière après “p” étapes de réactions biochimiques donnera une forme (phénotype) 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

une protéine fait en moyenne 500 résidus (acide aminé) (de qq dizaines à rarement plus de 4500) dans un cas simple la séquence de nucléotides pour faire cette protéine sera de 1500 nucléotides ou 1,5 Kb (X3) et la séquence codante du gène sera de 1500 nucléotides (ce n’est pas la définition d’un gène! avec ses séquences régulatrices un géne sera toujours dans cecas simple plutôt voisin de 2 Kb) 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

D’où dérive ce terme génome? le mot génome a été utilisé pour la première fois en 1920 (H. Winckler) “l’ensemble des caractères héréditaires d’un être biologique donné” à cette époque cela signifiait le lot de chromosomes 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

Les gènes (objets génétiques): - se créent: fusions, délétions, éléments transposables éléments répétés - vivent : expréssion génique - meurent/disparaissent : pseudogènes et reliques mais    il faut d’abord savoir les identifier - donc certains sont cachés...où ? comment les détecter ? 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

établir des règles de recherche, mais ces objets sont très variables en organisation et en taille: ces règles d’identification sont (et resteront sans doute longtemps) imparfaites basées en partie sur la similarité, donc le connu le nombre de gènes contenu dans l’ADN ,le génome, d’un organisme donné est toujours une question ouverte par exemple la levure de boulanger 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

Inventaire Créer des gènes, nouveaux gènes, nouveautés génétiques: - duplication (compter les gènes) = copier puis coller de l’ADN dans de l’ADN - gène entier ou fragment ou morceau d’ADN mais il faut aussi réduire - délétion (compter les gènes) = couper, déléter puis recoller l’ADN - fusion entre deux gènes, deux fragments ou un fragment de gène et un morceau d’ADN 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

Eléments transposables (objet génétique): “séquence d’ADN capable de se déplacer de façon      autonome et de se multiplier dans le génome” Ils s’insèrent au hasard dans le génome (+sens d’insertion) et vont parfois “détruire” l’organisation de gènes: mutations 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

les éléments transposables peuvent être très nombreux: par exemple chez l’homme: quantification à partir du génome séquencé 2 869 000 éléments soit 42% du génome (110 familles, I) En général, ces chiffres varient d’une espèce à l’autre et d’une population à l’autre dans une espèce donnée (voire d’un individu à l’autre!) 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

Impact sur les génomes des éléments transposables: - séquences répétées identiques = peuvent se remanier on dit recombiner - insertion dans un gène = mutation(s) selon p déclinaisons = évolution du génome 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

L’organisation du monde vivant Animaux Bactéries Végétaux jusqu’en 1960 Eubactéries Eucaryotes        Archées depuis 1990 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

Les génomes de procaryotes sont relativements petits (600 à 13000 kb) Les génomes d’eucaryotes sont de tailles     extraordinairement variables 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

Les génomes d’eucaryotes sont de tailles extraordinairement variables: - en taille “haploïde”: de qq Mb à qq centaines de Gb - des organismes “proches”ont des tailles de génomes très   différentes - pas de relation entre taille du génome et “complexité”   de l’organisme 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

Musa domestica insecte/mouche 900 Mb Anopheles gambiae insecte/moustique 280 Mb Drosophila melanogaster insecte/mouche 125 Mb Amoeba dubia amibe 670 Gb Pinus resinosa conifère 68 Gb Gallus gallus oiseau 1,2 Gb 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

Il existe une bonne corrélation entre taille du génome           et taille des cellules et de leur noyau et on observe en général - grands génomes = grandes cellules = divisions lentes - petits génomes = petites cellules = divisions rapides 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

Forces évolutives, contraires, agissant sur        la taille des génomes d’eucaryotes Diminution délétions = pertes d’ADN + sélection pour réduire le “coût” de la X                                     Augmentation duplications = gain d’ADN + sélection pour augmenter l’adaptation à un biotope donné 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

Phylogénie classer, relier 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

PRIMATES 3 Lorisiformes 2 4 Lémuriformes 1 6 Tarsiiformes 8 Strepsirrhiniens 4 Lémuriformes 1 6 Tarsiiformes 8 Platyrrhiniens 5 Haplorriniens 7 10 Cercopithécoïdes Simiiformes 9 Hylobatoïdés 12 Catarrhiniens Homininés Hominines 19 11 17 Hominoïdes Hominidés 18 Panines 15 13 16 Gorillinés Hominoïdés Pongidés 14 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

Comparer 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

Quels types d’outils pour explorer les génomes? - séquencer l’ADN (moderne et ancien) depuis 1977 (ancien = archéologie et domestication) - la génétique, seule discipline de la biologie qui ne fait pas appel à la physico-chimie mais à la statistique: croiser X des parents différents (ressemblance dissemblance) compter la descendance (test statistique) en tirer une loi (comment ceci ségrège) Gregor Mendel 1864 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

Bonobo Le Condottiere 99% identité en ADN 24 23 par Antonello de Messine 1430-1479 99% identité en ADN 24 23 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

le chromosome 2 de l’homme résulte de la fusion de deux chromosomes du chimpanzé (23 paires/24 paires) d’autres montrent des différences     de tailles (5, 6, 9 et 12) 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

le chien, un loup (Canis lupus) domestiqué il y a environ 15000 ans variabilité à partir “d’un” génome - sélection par l’homme - quels sont les gènes qui permettent ces différences? - comment? 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

°°° Westie Yorkshire Bouviers Bernois Beauceron Berger Allemand Borders Collies Westie Yorkshire Whippet D.Bordeaux °°° Epagneul Breton Boxer Cocker Anglais Pointer 11 mai 2006, Strasbourg Caniche moyen Coton de Tuléar Labrador L1 S2, ULP Lhassa-Apso Shih Tzu Setter Gordon

partir de la séquence 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

CTAATAAAAAGAAATGGTATTCTGCCAAACACCAAAGTGCCAAATAAGCATTATTTTACATAGTACGAAATGGAAATTACGTCAATTATCGACATTATGACATAAAATTGGATTTAACAAGATGTCTGAATCTGATATGCTTCTTTCATTAGGGTGGAAATAACAGCATTTGAGAGAAGCAATTGCCAAGCTTCTATGAAAATTTTCTAGAAGGCAAGAGTATTTCAGACTTTCCTAATATGAAAGGACAAATTGACACTAATGTCTGATTATGGCCAATTCCTGCGGTAAATTACACGGCGATTACGGCGACATGAGCTCACATTCATCACTCTATGGGACAAATGTTTCCAAACTGGGCGCAACAAACACCTGATGTGACTCCTACCCTTTGGACAATGCAGATCCACGCTACGGCAAATTAGTCAAATGCACTAGAACATGGCGCAAGTACTTATTGTGACCTTTGGGGTACCGTTACCGTCAGTTTTCTTCAGCTAAGGCGCGCGCGCCAGATAACTAAAAAAAAATATAGTTGCTGCTTAAAAAACAATACACCCGTACTCTCTTGCCTGTAAAAACCTCGAAGGACCAAAGATACCCTCAAGGTTCTCATCTGTGCGGTATTCTTCAAATTACAATGACATTTCCCAAAATTATCAGATGTGCTCAGGTATCTTCTCTCCAATGAGATGAGACAGATGAACATATTTGACCTTGAAGGTCATGGAAAGTAGGTTGAGAGCAAATGTGTAGAACGAAATTAAGAAAAAAAGAAATTACGCACGGCATTAGCTCGATGACTTAGTTATAAATAGAGGCCTGGTATCGGCTGTCATGATCTCATCTCTTCCCTATTTACAAAAAAACTGCAAGTATAGACAATAAAACAACAGCACAAATATCAAAAAAGGAATTATGAGCAACGTTACTACGCCGTGGTGGAAACAATGGGACCCTTCTGAAGTTACACTTGCCGATAAAACCCCTGATGATGTGTGGAAGACCTGTGTTTTGCAAGGTGTTTACTTTGGTGGAAACGAGTACAATGGTAACTTAGGTGCCAGAATATCTTCCGTCTTTGTTATTCTTTTCGTGAGTACTTTTTTCACCATGTTCCCATTAATCTCAACAAAAGTGAAAAGATTGAGAATTCCTCTATATGTTTACCTTTTCGCAAAGTATTTTGGTTCCGGTGTTATTGTTGCAACCGCATTTATCCACTTAATGGACCCTGCTTATGGTGCGATTGGTGGTACCACTTGTGTAGGACAAACCGGTAACTGGGGTCTTTATTCATGGTGTCCTGCCATTATGCTAACGAGTTTGACCTTCACTTTCCTTACTGATCTATTCAGTAGCGTCTGGGTTGAAAGAAAGTATGGTCTTTCCCATGACCATACCCACGATGAAATTAAAGACACTGTTGTGAGAAACACTGCAGCTGTTTCAAGTGAGAATGACAATGAGAATGGTACTGCAAATGGATCTCATGACACCAAGAACGGAGTAGAGTATTATGAAGATTCAGACGCTACATCCATGGATGTTGTTCAATCATTTCAAGCACAATTTTATGCCTTTTTAATTTTAGAATTCGGTGTGATTTTCCACTCCGTTATGATCGGTCTAAACCTGGGAAGTGTTGGTGATGAGTTCTCCTCCCTATACCCTGTCTTAGTGTTCCATCAATCATTTGAAGGTTTAGGTATTGGTGCAAGATTGTCAGCCATTGAATTCCCTAGATCAAAGAGATGGTGGCCATGGGCCCTATGTGTTGCGTATGGGTTAACCACACCAATCTGTGTGGCCATCGGTTTGGGTGTTCGTACCAGATACGTCAGCGGTTCTTACACTGCGCTTGTTATCTCTGGTGTTTTGGATGCCATTTCTGCTGGTATCTTATTGTACACTGGTTTGGTTGAACTACTAGCAAGAGACTTTATATTCAATCCTCAAAGAACAAAGGATCTAAGAGAATTGTCCTTCAACGTTATATGCACTCTTTTCGGTGCTGGTATCATGGCTTTGATCGGTAAGTGGGCTTAAACCAAAGCGAAATTCTGCATGTTCCATATAGATTCTATTTCATATTTTATAGTTATTTATTCTTTAGTAATAGCAAAAAAACAGTAATAATTTTTCTTTAACAGTCTCGGACAATAAATACGCTAAAGAAGATGAAAATGACAACTTTTACGCTGGTGTGCACAAGTGGTACCAGAATACGTGGCCACCAAAACAATGACGGATATAGGGAGAACCAAGTCTAGAAATTACAAATGTTCTTTTGACGGTTGTGAGAAAGTCTACAACAGACCTAGTTTGCTTCAGCAACACCAAAATTCGCATACCAATCAAAAGCCGTATCATTGTGATGAGCCGGGATGTGGCAAAAAATTTATAAGACCGTGCCATCTACGAGTTCACAAATGGACTCATTCACAAATCAAGCCCAAAGCGTGCACATTATGTCAAAAAAGATTTGTCACAAATCAGCAATTAAGAAGGCATTTAAATAGTCATGAAAGAAAAAGCAAGCTTGCATCAAGAATTGACCGTAAACACGAAGGAGTGAATGCGAATGTGAAAGCAGAACTCAATGGCAAGGAGGGAGGTTTTGACCCAAAATTACCTTCCGGCTCTCCAATGTGTGGTGAAGAATTCTCGCAAGGTCATTTGCCTGGATATGATGACATGCAAGTGCTACAATGCCCATACAAATCATGTCAAAAAGTTACCAGCTTCAATGACGATCTAATAAATCATATGTTGCAACATCATATAGCAAGTAAGCTTGTTGTACCATCTGGAGAT 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

pour aboutir à une carte physique 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

- génétique Dans génomique on retrouve: - gène 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

Un peu d’histoire de la génétique - loi de Mendel 1864 (1903) - ADN est le matériel génétique 1944 - structure de l’ADN 1953 - code génétique 1961 - l’ADN recombinant 1973 - les introns 1977 - séquençage de l’ADN 1977 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

Des questions déjà posées - qu’est ce qu’un gène? - comment(méthode) détecter un gène ? mais aussi - comment identifier la fonction d’un gène (stratégies) ? 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

Déterminer les objets génétiques: suivre des régles identifier le début et la fin d’un objet pour conclure, - gène codant pour une protéine - gène d’ARN,... - transposon, ... - etc 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

On parle alors de génomique 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

La domestication du chien deux hypothèses: - une seule en Eurasie ou - deux indépendantes en Eurasie et en Amérique L’analyse del’ADN de squelettes de chiens venant des sites archéologiques Alaska, Mexique, Pérou,Bolivie comparée à celles issues de 250 loups actuels (30 sites de part le monde) et de 140 chiens actuels (67 races) indique que les chiens d’ Amérique dérivent de 4 types (haplotypes) de chiens actuels. Qu’il n’y a eu qu’une seule domestication en Eurasie, qu’il y a eu une divergence significative parmi les lignées de chiens d’Eurasie avant qu’ils n’accompagnent les humains dans leurs migrations pré-Colombienne vers l’Amérique 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

La malaria résulte de l’infection de H. s. s. par un parasite le Plasmodium falciparum(Apicomplexés). Le génome de P. falciparum révèle la présence d’ADN chloroplastique (non photosynthetic chloroplaste like) et indique que cet organisme résulte en fait d’une endosymbiose, très lointaine, avec une algue. Il se multiplie dans le sang de l’hôte et n’a pas de rapport avec les végétaux. Aplication recherche de drogues spécifiques (action sur le chloroplastes par sur H. s. s.) 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

On observe et on observera dans tous les génomes que : - la redondance génique est élevée - il existe des gènes de fonction inconnue 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

il y a évolution biologique (histoire) S’il y a duplication, il y a évolution biologique (histoire) 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

- les êtres vivants ont une histoire - cette histoire est transmise.... - cette histoire est lue grâce à la génétique et aux génomes 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

- grâce à la génomique on peut : étudier des organismes réfractaires à une analyse expérimentale taille, cycle de reproduction, milieu atypique, etc... 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

étudier des organismes qui ne sont pas analysables/cultivables sous forme isolées (non clones, populations, ) métagénomique ADN d’organismes présents dans les boues des stations d’épuration 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

anaerobic ammonium oxidation la bactérie anammox a: séquence d’anammox : anaerobic ammonium oxidation la bactérie anammox a: - un temps de division long deux semaines-  - elle n’est pas cultivable sous forme de  culture pure mais d’associations complexes  de microorganismes 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

- un bioréacteur de laboratoire, - UN AN de culture, expérience: - un bioréacteur de laboratoire, - UN AN de culture, - le DNA total, mélange, est extrait,    séquençé, x étapes... 29 types taxonomiques identifiés sous      forme de génomes 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

cette exploration et de façon peu coûteuse la biodiversité est très faiblement explorée et mesurée, mais la génomique va permettre ,en partie, cette exploration et de façon peu coûteuse 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

Eucaryotes (gène codant pour une protéine) - Saccharomyces cerevisiae    5807 - Caenorhabditis elegans 14824 - Drosophila melanogaster 13600 - Schizosaccharomyces pombe  4824 - Arabidopsis thaliana 25498 - Homo sapiens sapiens 23000 - Oryza sativa 30-50000 - Ratus norvegicus 22400 - Tetraodon negroviridi 22400 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

- le nombre de gènes est limité - la redondance génique est élevée Quel est l’impact du début de la période génomique? Qu’avons nous appris ? - le nombre de gènes est limité - la redondance génique est élevée - dans chaque génome on observe des  gènes de fonction inconnue 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP

Merci de votre intérêt pour l’analyse des génomes 11 mai 2006, Strasbourg L1 S2, ULP