L3bo Nancy Microbio 2009 N2

Classification supraspécifique des procaryotes cultivés La phylogénie est l'étude de la formation et de l'évolution des organismes vivants en vue d'établir leur parenté

Quels sont les différents grands groupes d’êtres vivants ?

Comment se situent les bactéries par rapport aux autres êtres vivants ?

Qu’ont-elles en commun avec les autres êtres vivants ?

Quelle est la part de bactérie en nous ?

Quels sont les grands groupes d’êtres vivants ? Modèle traditionnel

Animaux

Plantes Plantes Champignons Bactéries Algues

Haeckel, 1866

Plantes

Animaux Protozoaires (eucaryotes unicellulaires)

Plantes

Protozoaires Champignons Algues Bactéries

Plantes Animaux Protozoaires Algues Champignons

Bactéries

Whittaker, 1959

Monera

Plantes

Animaux

Eucaryotes

Procaryotes

Chatton, 1937

Animaux

Protistes

Protistes

Champignons

Animaux

Quels sont les grands groupes d’êtres vivants ? 1977: 1ere étude phylogénétique des procaryotes par des outils moléculaires (ARN 16S) et comparaison avec les eucaryotes (ARN 18S) Carl Woese

Séparation des êtres vivants en trois grands groupes Eucaryotes Bactéries (eubactéries) Archées (archéobactéries)

Arbre non raciné du vivant

Quels sont les grands groupes d’êtres vivants ? Modèle traditionnel

Animaux

Plantes Plantes Champignons Bactéries Algues

Haeckel, 1866

Animaux Protozoaires (eucaryotes unicellulaires)

Plantes Plantes

Protozoaires Champignons Algues Bactéries

Plantes Animaux Protozoaires Algues Champignons

Bactéries

Whittaker, 1959

Monera

Plantes Plantes

Bactéries

Woese, 1977

Archées

Animaux

Eucaryotes

Procaryotes

Chatton, 1937

Animaux

Protistes

Protistes Protozoaires

Bactéries

Champignons

Animaux

Champignons

Animaux

Eucaryotes

Les archées

Un groupe monophylétique avec 2 branches majeures: - les crénarchéotes - les euryarchéotes

3 grands groupes phénotypiques cultivés Thermophiles et hyperthermophiles Regroupe la totalité des crénarchéotes et une partie des euryarchéotes. Sont souvent acidophiles et/ou barophiles, anaérobiques strictes, peuvent métaboliser le soufre ou des composés sulfurés. Sulfolobus Crénarchéote, Métabolisation du soufre , hyperthermophile, acidophile, anaérobique

Methanococcus jannaschii

Méthanogènes Euryarchéotes, produisent du méthane, anaérobiques strictes, souvent thermophiles

Halophiles Milieux à fortes pressions osmotiques

Haloferax volcanii

méthanogène, hyperthermophile, barophile, anaérobique

Les bactéries Les bactéries peuvent être divisées en 23 grands groupes phylogénétiques distincts et bien définis appelés phylums (confirmé par l’analyse de plusieurs gènes) En revanche, les parentés intra- et inter-phylums sont rarement bien définies (à cause de transferts de gènes et des larges distances évolutives)

Certains phylums ont des caractéristiques communes (caractères synapomorphes). Par ex. la forme des spirochètes … mais la plupart sont constitués de bactéries aux capacités diverses Le nombre de représentants connus au sein de chaque phylum est très variable (de quelques genres à plusieurs centaines)

90 % des bactéries cultivées appartiennent à 5 phylums (protéobactéries, firmicutes, actinobactéries, bactéroidetes, cyanobactéries)

La « cultivabilité » des bactéries et des archées reste encore un des freins majeur à l’étude de la diversité microbienne

Les protéobactéries γ

α

Rickettsia

5 classes (α, β,γ,δ,ε), Gram-

Legionella Escherichia Nitrosovibrio Bordetella Burkholderia

Methylobacterium Bradyrhizobium Rhodopseudomonas

β

Ralstonia Alcaligenes Cupriavidus

Rhizobium Agrobacterium

Neisseria Spirillum Azoarcus

Phyllobacterium Xanthobacter Azospirillum

outgroup

16S rDNA tree of proteobacteria

Large groupe avec plus de 1000 espèces caractérisées

(1.8 milliard d’années séparent les α- et les β-protéobactéries et 1.2 milliard d’années l’homme des champignons) http://www.timetree.org/

Ecologie complexe et diversifiée Saprophytes, symbioses obligatoires ou facultatives, pathogènes (animaux, végétaux, insectes), biorémédiateurs etc…

δ ε

Quelques exemples : symbiose facultative fixatrice d’azote

symbiose obligatoire puceron / Buchnera

Photorhabdus: Symbiote de nématode et pathogène d’insecte bioluminescent

Légumineuses

N2

Rhizobia

parasitage par le ver et infection par la bactérie

(hydridation 16S in situ sur aphid)

P.luminescens tue l’insecte et le ver s’en nourrit

Agrobacterium tumefaciens: Bactérie manipulatrice de génome

Les Firmicutes (Bactéries Gram+ et sans paroi)

Parasites intracellulaires obligatoires animaux et végétaux Bactéries pathogènes animaux

Listériose

Caries dentaires Streptococcus mutans

Listeria monocytogenes

furoncles

Bioterrorisme

Tétanos

Bacillus anthracis

Clostridium tetani

Maladies nosocomiales Staphylococcus aureus

Production d’antibiotiques et de produits alimentaires fermentés et ensilage

Les Actinobactéries Très grande diversité de métabolismes et de modes de vie (Bactéries Gram+) Pathogènes: Mycobactéries (lèpre et tuberculose) Genre Streptomyces est utilisé pour synthétiser 60% des antibiotiques Aulne non inoculé

Aulne inoculé

Genre Frankia : symbiose fixatrice d’azote Bifidobactéries : utilisées pour la fabrication de produits laitiers Bioremédiation de composés toxiques (ex: composés aromatiques, explosifs…)

Les Bacteroidetes (Bactéries Gram-)

Bacteriodes

Présentes dans de nombreux environnements (sol, mers, etc…) Bactéries intestinales (dégradation de polysaccharides chez les mammifères)

Les Cyanobactéries 2 000 espèces, réparties dans plus de 150 genres, apparues il y a plus 3.5 milliards d’années Appelées auparavant « algues bleues » à cause de leur couleur Font de la photosynthèse oxygénique et produisent du dioxygène à partir de CO2 et de lumière Carbone

énergie

O2

Oxygénation de l’atmosphère terrestre primitive (2.8 Md a) Séquestration du carbone Désacidification des océans

stromatholites

Pullulent en cas d’eutrophisation (apport en excès d’éléments nutritifs d’habitude limitant)

Les erreurs de la classification bactérienne Avant les méthodes moléculaires, les premières classifications reposaient sur des caractères phénotypiques ou cytologiques Erreurs au niveau des groupes de haut niveau A l’exception de certains groupes comme les spirochètes la plupart des groupes se sont révélés faux Ex. Mollicutes regroupaient des procaryotes sans paroi… Phylogénétiquement ce groupe est constitué de bactéries et d’archées.

Erreurs au niveau des genres Les anciens genres se sont pratiquement tous révélés faux au niveau phylogénétique. Les genres utilisés aujourd’hui (5% de divergence en ARNr 16S) forment des ensembles vastes. Des genres bactériens proches (10% de divergence) se sont séparés il y a environ 300600 Ma…. contre environ 450 Ma pour l’Homme et les poissons!

Le phénotype et le métabolisme des bactéries sont très limités pour l’identification bactérienne

Phénotype

Phylogénie dassie

35 Ma

17 Ma 70 Ma 100 Ma

Comparaison et caractéristiques des différents groupes

Comparaison des caractéristiques cytologiques des eucaryotes, bactéries et archées Bactéries

Pas d’organite

Archées

Pas d’organite

membranes intracellulaires rares (thylakoïdes des

Organites délimités par des membranes intracellulaires (noyau, RE, mitochondries…)

cyanobactéries)

Peptidoglycane chez bactéries (perte chez quelques

Eucaryotes

pas de peptidoglycane

Quand présente, pas de peptidoglycane

espèces)

Pas de cytosquelette, mais

Pas de cytosquelette, mais

quelques exemples de structures impliquées dans division et structure de la cellule chez certaines espèces

quelques exemples de structures impliquées dans division et structure de la cellule chez certaines espèces

Membrane : Acides gras à chaine droite attachés au glycérol par une liaison ester

Membrane : Chaines aliphatiques ramifiées attachées au glycérol par des liaisons éthers Ces membranes leur permettent de mieux résister à des conditions extrêmes

Cytosquelette

Membrane : Acides gras à chaine droite attachés au glycérol par une liaison ester

Comparaison des caractéristiques de reproduction et génomiques Bactéries

Archées

Eucaryotes

Division cellulaire par scissiparité

Division cellulaire par scissiparité

Division cellulaire par mitose

Reproduction asexuée

Reproduction asexuée

Reproduction sexuée et méiose

Transferts horizontaux de gènes

Transferts horizontaux de gènes

Transferts horizontaux très rares

1 chromosome, voire plus généralement circulaire

1 chromosome, voire plus généralement circulaire

Plusieurs chromosomes linéaires

Pas d’ histone et de nucléosome

Chez euryarchéotes histones et nucléosomes apparentés aux eucaryotes Pas chez crénarchéotes

ADN avec histones en nucléosomes

Comparaison des caractéristiques de réplication, transcription et traduction Bactéries

Archées

Eucaryotes

Réplication Une origine de réplication par chromosome

Le plus souvent une origine mais jusqu’à trois chez certaines espèces

Plusieurs origines de réplication par chromosome

Protéines de réplication de l’ADN non apparentées

Protéines de réplication de l’ADN apparentées avec eucaryotes

Protéines de réplication de l’ADN apparentées avec archées

1 seule ARN polymérase modèle sous-unitaire simple(α2ββ’)

Plusieurs ARN polymérase Modèle sous-unitaire complexe semblable aux enzymes eucaryotes (8-12 sous unités)

3 ARN polymérases Modèle sous-unitaire complexe (12-14 sous unités)

Transcription affectée par la rifampicine

Transcription non affectée par la rifampicine

Transcription non affectée par la rifampicine

Promoteur : boites -10 (Pribnow box) et – 35

Promoteur : TATA box apparentée à celle des eucaryotes

Promoteur: TATA box

Transcription

Traduction Transcription et traduction couplées

Transcription et traduction couplées

Transcription et traduction non couplées

Ribosomes sensibles au chloramphénicol et à la kanamycine et résistant a l’anisomycine

Ribosomes résistant au chloramphénicol et à la kanamycine et sensible à l’anisomycine

Ribosomes résistant au chloramphénicol et à la kanamycine et sensible à l’anisomycine

Fixation des ribosomes sur les sites RBS (Shine-Dalgarno) sur ARNm

Fixation des ribosomes sur les sites RBS (Shine-Dalgarno) sur ARNm

Pas de RBS (Shine-Dalgarno) sur ARNm

Existence d’opérons et de transcrits polycistroniques

Existence d’opérons et de transcrits polycistroniques Existence de codon d’initiation alternatif à AUG

Existence de codon d’initiation alternatif à AUG

Pas d’opérons et de transcrits polycistroniques AUG est le seul codon d’initiation

En résumé…

Caractéristiques des eucaryotes 1) Cellules eucaryotiques 2) Comme les bactéries, leurs membranes sont composées d’acides gras attachés au glycérol par des liaisons esters 3) Quand ils possèdent des parois, pas de peptidoglycane 4) Résistants à la plupart des antibiotiques antibactériens

Caractéristiques des bactéries 1) cellules procaryotes 2) Comme les eucaryotes, leurs membranes sont composées d’acides gras attachés au glycérol par des liaisons esters 3) Leur paroi contient du peptidoglycane 4) Résistantes à la plupart des antibiotiques affectant les eucaryotes

- de nombreux caractères propres aux bactéries - de nombreux caractères propres aux eucaryotes - peu de caractères propres aux archées - de nombreux caractères groupant archées et bactéries - de nombreux caractères groupant les archées et les eucaryotes - peu de caractères groupant les eucaryotes et les bactéries.

Caractéristiques des Archées 1) cellules procaryotes 2) Contrairement aux bactéries et aux eucaryotes, elles ont des membranes composées de chaines aliphatiques attachées au glycérol par des liens éthers. 3) Leur paroi ne contient pas de peptidoglycane 4) Résistantes à certains antibiotiques affectant les bactéries, mais sensibles à d’autres qui affectent les eucaryotes

…

Les archées et les bactéries se ressemblent au niveau de la structure de leur cellule (procaryote), mais au niveau moléculaire, les archées sont souvent plus proches des eucaryotes

Quelle est la parenté entre les 3 grands groupes d’êtres vivants ? … ou comment enraciner l’arbre de la vie

Quelle est la parenté entre les 3 grands groupes d’êtres vivants ? Différents modèles ont été proposés Bactéries

Archées

Eucaryotes

Distance équidistante

Bactéries

Archées

Eucaryotes

Ancêtre commun aux eucaryotes et archées

Bactéries

Eucaryotes

Archées

Eucaryotes = chimère de bactérie et archée

Il est difficile de trouver de bons marqueurs phylogénétiques et les différentes phylogénies ne sont pas forcément congruentes suivant les protéines utilisées (duplication de gènes non visibles, vitesses d’évolution différentes, transferts de gènes intra- et inter domaines…)

Bactéries

Archées

Eucaryotes Bactéries

Archées

Eucaryotes

EF-2

EF-1

Duplication du gène EF LUCA

5-6 protéines donnent cet enracinement

Quelle est la parenté entre les 3 grands groupes d’êtres vivants ? Comparaison de génomes entièrement séquencés Archée séquencée

Methanococcus jannaschii

Beaucoup plus de gènes ont une similarité importante avec des gènes bactériens que eucaryotes (44% contre 13%). Beaucoup plus de gènes ont des orthologues uniquement chez les bactéries que chez les eucaryotes (25% contre 5.7%) Les gènes impliqués dans les mécanismes fondamentaux (réplication, transcription, traduction) sont plus proches de ceux des eucaryotes et souvent absents des bactéries

Au final, il n’est pas encore possible de conclure quant aux parentés réelles entre les 3 groupes

L’évolution de la vie ne s’est pas faite de manière linéaire, mais plutôt de façon réticulée

Quelle est la part de bactérie en nous ?

L’origine endosymbiotique des mitochondries

Mitochondrie : usine énergétique des cellules eucaryotes (production d’ATP)

Les mitochondries forment un groupe monophylétique au sein des α-protéobactéries

Arbre phylogénétique des α- protéobactéries

L’origine endosymbiotique des mitochondries

Les mitochondries possèdent encore de l’ADN, mais environ 90% de leurs protéines sont codées par le noyau 1,5 à 2 milliards d’années Transfert de gène

De nombreux transferts de gènes se sont produits entre les mitochondries et le noyau

mitochondrie

noyau

Cellule eucaryote

L’origine endosymbiotique des mitochondries Le devenir des gènes au cours d’une endosymbiose

L’origine endosymbiotique des chloroplastes

Chloroplaste : centre de la photosynthèse

L’origine endosymbiotique des chloroplastes

Le génome mitochondrial est d’environ 70 kb à 200 kb (40 a 220 gènes). 80% de ses protéines sont codées par le noyau

1,5 ou 1,6 milliard d'années

Transfert de gènes mitochondrie

De nombreux transferts de gènes se sont produits des chloroplastes vers le noyau et les mitochondries (peu ou pas vers les chloroplastes)

noyau

chloroplaste

Les génomes nucléaires eucaryotiques sont des chimères entre des séquences d’origine bactérienne et des séquences d’un ancêtre des eucaryotes Nous sommes intiment liés aux bactéries L’être humain est en contact et en interaction permanents avec les bactéries.

Streptococcus mutans

Actinobacteria

Cette relation se retrouve même au niveau cytologique et génomique… E. coli

Homo sapiens de base

Dans l'intérieur de notre corps vivent en permanence des milliards de microbes. Pourtant, quand on les regarde au microscope, ils font tous semblant de ne pas nous reconnaître

…

François Cavanna