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18/02/2007
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Les Archaea - le troisième domaine du vivant
BMC429cours de G. Sezonov
- 2007 -
http://genetique.snv.jussieu.fr/master1.htm
1
-les Archées sont des procaryotes unicellulaires
-les Archées ne sont pas des bactéries
-les Archées ne sont pas que des bêtes exotiques vivant dans des conditionsextrêmes dans des endroits inaccessibles et uniques (sources chaudes, fond d’océan).
- elles sont partout et représentent jusqu’à 20% des procaryotes en biomasse ;
Les notions à retenir à la fin du cours
2
La découverte des Archaea (archées, archéobactéries)
3
Partie I
Les classifications du vivant au XX siècle – classification de Robert Whittaker (1969)
Cinq règnes du vivantreprésentant 2 mondes
eucaryotes et
procaryotes
= bactéries
=
procaryotes
eucaryotes
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Trois domaines du vivant de Carl Woese
1977-1990-nouvel arbre du vivant basé sur laphylogénie moléculaire
- trois domaines de la vie- découverte des Archaea
« the Woesian Revolution »
Bacteria Archaea Eucarya
ancêtre commun universel
procaryotes
Woese is currently a professor of Microbiology University of Illinois at Urbana-Champaign.
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Questions à poser
- pourquoi les Archées n’ont-elles pas été découvertes plus tôt ?
- comment ont-elles été découvertes?
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3 groupes de procaryotes connus depuis longtemps et mal classifiés
Par leur phénotype
-petites cellules; - pas de noyau; - pas d’organites
ils ressemblent aux procaryotes typiques et ne peuvent pas être distingués des bactéries
les méthanogènes les halophiles
Methanobrevibacter HalobacteriumHalococcus
en réalité, ce ne sont pas des bactéries mais des Archées (Archaea)
Sulfolobus acidocaldarius60-95°C pH 1-5
les extrêmophiles
7
Une archée hyperthermophile, Sulfolobus solfataricus
L’observation au microscope ne permet pas de constater la différenceentre les vraies bactéries et les archées
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les méthanogènes les halophiles
Methanobrevibacter HalobacteriumHalococcus Sulfolobus acidocaldarius60-95°C pH 1-5
les extrêmophiles
9
La découverte du méthane – gaz combustible – par Alessandro Volta en 1776 – Lac Majeur
le gaz est produit par une « bactérie » appelée méthanogène et habitant dans les marais
10
Les méthanogènes: une biodiversité extraordinaire
Habitats variés:- eaux stagnantes (marais, station d ’épuration)- sol- lacs salés- zones volcaniques- sédiments sous-marins des sources chaudes- tractus intestinal des mammifères (homme inclus)
Modes de vie très variés:- adaptation à la salinité- adaptation à toutes les températures
Methanogenium frigidum (15°C)Methanopyrus, 100°C
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… ce sont les seuls organismes sur Terre à produire du méthane:
méthanogenèse
CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O
réduction du CO2 ou des substrats méthylésen utilisant l’hydrogène comme donneur d ’e-
CONDITIONS: anaérobie stricte; une réductase avec des coenzymes uniquescontenant le Ni2+
Les méthanogènes: comme leur nom l’indique…
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l’étude phénotypique et métabolique des méthanogènes ne permettait pas de mettre en évidence leur différence par rapport aux autres bactéries
Conclusion
Alors – les méthanogènes, sont elles tout simplement des bactéries bizarres?
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les méthanogènes les halophiles
Methanobrevibacter HalobacteriumHalococcus Sulfolobus acidocaldarius60-95°C pH 1-5
les extrêmophiles
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Un organisme halophile (du grec alos, sel et philein, aimer) est un organisme qui a un besoin absolu de fortes concentrations en sel pour vivre
Procaryotes- Halobacterium- cyanobactérie Aphanothece halophytica
Eucaryotes- une algue verte Dunaliella salina
Les halophiles sont parmi les premiers extrêmophiles connus
Les extrêmophiles sont des organismes capables de vivre dans des conditions de température, pression , salinité, acidité, rayonnement… extrêmes, qui seraient mortelles pour la majorité des êtres vivants.
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Great Salt Lake, Utah, USA La Mer morte Marais salants,Californie
Les extrêmes halophiles - habitat
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Type trophique : chimioorganotrophes - acides aminés , acides organiques
Respiration: aérobes obligatoires
Division cellulaire: fission binaire; pas de noyau – procaryotes typiques
Capacité de mouvement : motiles
Les procaryotes extrêmes halophiles
Haloferax sulfurifontis Halobacterium
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les études phénotypiques et métaboliques de certains halophiles ne permettaient pas de mettre en évidence leur différence par rapport aux autres bactéries
Conclusion
Alors – tous les procaryotes halophiles, sont elles tout simplement des bactéries bizarres?
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La taxonomie classique des microorganismes est difficile et inexacte…
Les critères sont
- morphologie- coloration- métabolisme- habitat-- autres ??
… et ne reflète pas l’évolution réelle du monde des procaryotes
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Les macromolécules, témoins de l’évolution
(Emile Zuckerkandl, Linus Pauling)
1965
nouvelle approche – la phylogénie moléculairebasées sur l’analyse de séquences des gènes
20
L’ADN en tant que mémoire de l’évolution
- les gènes ont une histoire commune car ils descendent d’un même ancêtre.
- l’analyse de rares changement dans la séquence d’ADN codantpermet de construire un arbre phylogénique
gène ancestral
2A
1A1
1 2
2B
1A2
1B
1B1 1B2
21
Arbre phylogénique d’un gène …
….reflète l’histoire naturelle des espèces
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Phylogénie moléculaire des grands groupes – avec quel(s) gène(s)?
Les gens candidats doivent être :
- ubiquitaires- fonctions conservées et essentielles- riches en informations = suffisamment long
les ARN ribosomaux - ubiquitaires et essentiels
toutes les cellules possèdent des ribosomes !!!
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Quel ARNr?
ARN 16S – 1400 - 1500 nt(18S chez eucaryotes)
- plus riche en information que le 5S – 120-130 nt
-plus facile à étudierque le 23S – ~3000 nt
Pour comparer il faut connaître la séquences de ARN 16S venant de plusieurs espèces
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2007 - comment déterminer la séquencer de l’ARN 16S d’une espèce?
On séquence le gène codant cet ARN
ou (mieux)
on séquence le génome en entier et on cherche des gènes codant pour les ARNr
Nitrosomonas europaea complete genomesequence and annotation.
25
Construire un arbre phylogénique en 2007
organisme séquence
A
B
C
D
séquences identiquescar leurs origine est ocmmune
changements accumulés au coursde l’évolution
B et C sont proches – 3 points de différence A et D sont éloignés - 5 points de différence
séquencesdes gènes codant les ARNr16S disponibles
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Construire un arbre phylogénique en 2007
Un arbre phylogénique reflète la distance séparant les espèces
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1977 – la technique employée par C. Woese pour séquencer l’ARN 16S
- la technique de séquençage de l’ADN est inconnue
- cependant, l’ARN 16S peut être facilement extrait des ribosomes
- une technique laborieuse permet de comparer les séquences des différents ARN
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Les bibliothèques d’oligonucléotides
diapo
29
Production d’un catalogue d ’oligonucléotidesdigérés par la RNAse T1
coupure sur Gpar l’RNase T1
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trop courtes pour être spécifiques
bibliothèque des oligos
les oligos assez spécifiques à partir de 5-6 nt
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Les bibliothèques d’oligonucléotides
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La comparaison des bibliothèques d’oligonucléotides
Sab – la coefficient de similarité (ou coefficient d'association)
espèce a espèce b
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Les premiers résultats de Woese –les bactéries sont loin des eucaryotes
– les chloroplastes sont des ex-bactéries
proches
éloignés
proches
éloignés
proches
éloignés
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Carl Woese entreprend alors l’analyse des « bactéries bizarres »:
- les méthanogènes
- les halophiles
- les hyper thermoacidophiles (Sulfolobus)
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Le résultat
les « bactéries » bizarres
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Les « bactéries » bizarres ne sont pas les bactéries (ni les eucaryotes).Une autre forme de vie??
Trois formes de vie
existence de la troisième forme de vie
I ére forme de vie - eucaryotes
II éme forme de vie - eubactéries
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- les méthanogènes sont aussi éloignés de l’homme que des bactéries
- les trois groupes analysés
-méthanogènes-halophiles -hyperthermophiles
forment un domaine très distincts de ceux de vraies bactéries et d’eucaryotes
C. Woese appelle ce domaine Archeobactéries devenu aujourd'hui Archées (Archaea)
Conclusions
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LUCA –« last universal common ancestor »
procaryotes eucaryotes
38
Domaines :
diversification sur Archaea et Eucarya
En 2003 Carl Woese reçoit le Prix Crafoord à Stockholm
Le Prix Crafoord a été créé par Holger Crafoord, l'inventeur du rein artificiel1980. Administré par l'Académie royale des sciences de Suède, le prix a pourobjet de récompenser et de promouvoir la recherche dans les disciplinesscientifiques qui ne sont pas reconnues par un Prix Nobel. Ces domainessont les mathématiques, la géologie, la biologie (en particulier l'écologie etl'évolution) et l'astronomie.
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Evolution du monde vivant à l’échelle du temps
LUCA –« last universal common ancestor «
organismes multicellulaires
oxygène
évolution indépendante de 3 lignées de vie
nous
800 My
2,2 Gy
3,5 Gy
4,5 - 4,8 Gy
formation de la planète Terre40
41
Identifier les nouvelles archées – où et comment?
Partie II
Les premières archées identifiées par C. Woese sont essentiellement des extrêmophiles
-halophiles
-thermoacidophiles
Cherchons les extrêmophiles….. dans les endroits extrêmes:
- lacs hyper salées
- sources chaudes géothermales
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Wolfram Zillig Karl Stetter
Les deux grands explorateur du monde des Archaea extrêmophiles
Pyrococcus furiosus – producteur de la polymérase - Pfu 43
Les principales sources chaudes géothermales sur Terre
Italie
44
« Hot spots »- explication des géologues
manteau2900 km
plaque tectonique
plume
Geologists have identified some 40-50 such hotspots around the globe, with Hawaii, Réunion, Yellowstone, Galápagos, and Iceland
45
noyau
Islande
Italie, Sicile
USA, Yellowstone Park
conditions –température 85-115°CpH – de 0 à 2 riche en H2SO4
46
L’étonnante richesse morphologique et métabolique des Archées hyperthermophiles et acidophiles
47
Découverte des
hyperthermophilesneutrophiles
anaérobies
Thermotoga
Desulfurococcus
Pyrobaculum
Staphylothermus
Methanopyrus
Thermoproteus
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optimum
minimum90°C
maximum113°C
Une résistance extraordinaire à la chaleur
49
Les archées sont les champions de la thermorésistance
0
60°C
113°C
EUCARYOTES
113°C
90°C
ARCHAEA
BACTERIA
80°Chyperthermophiles
50°C
thermophiles
50
Les premières formes de vie ont été hyperthermophiles
les branches courtes et profondes de l’arbre de vie sontreprésentées exclusivement pardes hyperthermophiles
LUCA51
L’arbre phylogénique des Archaea cultivables
phylum Crenarchaeotaphylum Euryarchaeota
hyperthermophiles
halophiles
méthanogènes
52
- structure de la cellule et thermorésistance
- réplication de l’ADN
- transcription
- traduction
- métabolisme et adaptation aux conditions de leurs environnements
La biologie des Archaea
53
Partie III
processus informationnels
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Les Archaea ressemblent à la fois aux bactéries et aux eucaryotes
mais elles portent également un certain nombre de gènes uniques
Transcription
Translation
DNA replication
DNA reparation
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La paroi: bactéries vs archées
Bactéries
Gram+ Gram-
Archées
la majorité des archées possèdent la couche S (S-layer) qui joue le rôle de paroi S layer- est composé de protéines ou de glycoprotéines - qui forment une structure régulière rassemblant à
celle d’un cristal (structure paracristalline)
S layer
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- certains méthanogènes possèdent du pseudopeptidoglycane
lien
pep
tid
iqu
e
lien
pep
tid
iqu
e
bactéries archées méthanogènes
La paroi: bactéries vs archées – l’exception des méthanogènes
56
La membrane cytoplasmique: bactéries /eucaryotes vs archées
une archée typique
bactéries
archées3 points principaux qui distinguent la membraned’Archaea:
- chiralité du glycérol- liaison ester entre Gly-chaine non polaire- présence des chaines isopréniques
ramifiées
57
Archées – les lipides de la membrane cytoplasmique
BacteriaEukarya
Archaea
diéster phosphoglycerolacides gras non saturé, non ramifiés
diéther phosphoglycerolchaines isoprène saturées ramifiées
de 20 à 40 carbones
58
La membrane plasmiques : bi- et tétra- éthers; sa structurepolaire
non polaire
non polaire
caldarchaeol
membranebi-couche
membranemono-couche
lipide mono polaire
lipide bipolaire
membranemixte (de 1 à 95% de lipides bipolaires)
hyperthermophilesthermoacidophiles
59
H+
H+H+
H+
H+
H+ H+
H+H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+H+
H+
H+
Membrane classique Membrane formées
de glycérides géants
100°C 100°C
Pompe
protéique
H+
H+
H+
H+
archéesbactéries/eucaryotes
membrane perméabledépolarisée
membrane non perméabletoujours polarisée 60
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61
Archaea – d’autres mécanismes facilitant l’adaptation aux températures extrêmes
hyperT reverse gyrase
Reverse gyrase est présente chez tous les hyperthemophiles –bactéries comme archées
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Hyper thermorésistance des Archées - ADN
Gyrase – une topoisomérase II capable d’introduire des supertours négatifs dans l’ADN. Elle relaxe l’ADN surenroulé positivement et produite l’ADN surenroulé négativement.
Reverse gyrase – une topoisomérase capable d’introduire des supertours positifs
gyrase
reverse gyrase
présente chez tous leshyperthemophiles –bactéries comme archées
63
(+)
(-)
se dénature à plus haute température???
état normal de l’ADN
L ’ADN circulaire fermé résiste à la dénaturation jusqu’à 107°C
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même sans être surenroulé positivement
Le rôle exact de la reverse gyrase est incertain
1990
2004
65
Comment l’ARN des hyperthermophiles est-il protégé ?
Hyper thermorésistance des Archées – ARN
A haute température l’activité du radical OH- dissocie la molécule d’ARN
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nucléotides modifié spécifiques aux Archaea
Chez les hyperthermophiles, les ARNt sont stabilisés par des modifications chimiques
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Les protéines des hyperthermophiles sont stabilisées par une augmentation dunombre d’interactions ioniques entre acides-aminés
Les protéines hyperthermophiles sont enrichies en acides-aminés chargés- Asp, Glu, Lys, Arg
- diminution des résidus thermo instables : Asn, Gln, Cys
Certaines protéines hyperthermophiles peuvent fonctionner jusqu'à 140°C !
Hyper thermorésistance des Archées – les protéines
68
69
Archaea – les processus informationnels
Réplication de l’ADN chez Archaea
bactéries eucaryotes archées
ori
- unique site ori- réplication bidirectionnelle
- multiples sites ori- réplication bidirectionnellesur toutes les ori
?
70
Archée+Bacteriés : peu d‘introns et de séquences répetées (Alu etc)
(277 on 21.4.04)
(21 on 21.4.04)
(46 finished + unfinished on 21.4.04)
Chromosome – Archaea vs Bacteria vs Eukarya
71
Origines de réplication
bactéries eucaryotes archées
sites ori 1 multiples de 1 (Pyrococcus abyssi)à 3 (Sulfolobus solfataricus)ou plus ?
sites ori toujours très proches du gène orc1/cdc6
cdc6-1
cdc6-2
cdc6-3
ori1
ori2
ori3
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Initiation de réplication
bactéries eucaryotes archées
DnaChélicase loader
DnaAinitiation
DnaBhélicase
ORC« origin recognition complexe» 6 protéines Orc (1-6)
Cdc6
Mcm(2-7)hélicase
Orc1/Cdc6 fusionnée
Mcm(6)hélicase
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La composition du réplisome
protéines bactéries eucaryotes archées(Sulfolobus)
hélicase DnaB MCM(2-7) MCM(6)
protéine se fixant à l’ADN ss
SSB RPA RPA
primase DnaG plusieurs Pri
plusieurs Pri
DNA pol PolIII familles A,B,C,D,X et Y
famille B -réplicationB1, B2, B3famille Y –réparationDpo4
sliding clamp b - clamp PCNA PCNA
clamp loader g -complexe
plusieurs RFC
plusieurs RFC
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La vitesse de réplication
bacteries eucaryotes archéesP. abyssi
vitesse de réplication kb/min
50 2 15-20
taille de fragments d’Okazaki
~ 2000 ~120 ~120
Euryarchaea (1 ori)Pyrococcus abyssi
DNA pol. 300nt s-1
Genome: 1765kbEst. repln time: 49 min
Crenarchaea (3 oris)Sulfolobus solfataricus
DNA pol. 80-110nt s-1
Genome: 2992kbEst. repln time: 76 min
Sulfolobus acidocaldaricusDNA pol. 80-100nt s-1
Genome: 1900kbEst. repln time: 52 min
Les archées répliquent leurs chromosomes aussi vite que les bactériestout en utilisant les protéines de réplication eucaryotiques
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Promoter Operator Gene 1 Gene 2 Gene 3 Terminator
mRNA
Protein 1 Protein 2 Protein 3proteins
5‘- -3‘
RNApol.
ribosome
La transcription chez les Archées
les gènes forment des opérons régulés comme chez les bactéries par des répresseurs ou activateurs qui se lient à l’ADN
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La transcription chez les Archées
• RNA polymérase d’Archaea
• 12 sous-unités
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Eukaryotes Archaea
TBP+TFIID+TFIIA TBP - TATA box binding protein
TFIIB TFB
TFIIETFIIFTFIIH
RNApol IIRNApol II
TFEoptional
Initiation de la transcription
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Les promoteurs chez les bactéries et chez les archées
bactéries
archées
purines riche siteBRE
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Archaeal transcriptional regulatorsEuryarchaeota
Crenarchaeota motif
HTH
HTH
HTH
Les régulateurs transcriptionnels chez les Archaea
80
typebactérien
typebactérien
168 proteins23 families
AsnC/Lrp is the most abundant
51 proteins11 familiesincluding metal- bindingand Zn-finger-likemotifs
61 protein(RpoB, Spt5…)
60%archaeal/bacterial
18%archaeal/eukaryotic
22%universal
Les Archaea transcrivent leurs gènes comme les eucaryotes mais régulent leur expression via des régulateurs de type bactérien
81
Bacteria Archaea Eukaryotes
RNA-Pol. 1 typesigma factor
1 type (similar toeukaryotic RNA pol.II)
RNA pol. I: rRNARNA pol. II: mRNARNA pol. III: tRNAmany cofactors
promoter
initiator element
coding monocistronicpolycistronic (operon)
monocistronicpolycistronic (operon)
monocistronic
82
Transcription: le résumé
Traduction chez les Archaea – un système plutôt eucaryotique
bactéries archées eucaryotes
ribosomes 70S=30S+50S 70S=30S+50S 80S=40S+60S
rARN 16S/5S+23S~1400nt
~130nt~3000nt
16S/5S+23S 18S/5S+5,8S+28S
opérons ribosomaux:le nombre
de 1 à 7 (E. coli)ou plus
1 seul r opéron sauf méthanogènes et
halophiles
beaucoup
opéron r:les gènes
16S—tARN—23S —5S—tARN
16S—tARN—23Set 5S à part
18S—5,8S—28S et 5Sà part
codons d’initiation
ATG, GUG, UUG ATG, GUG, UUG ATG
ribosome bindingsite(RBS)
de type Shine-Dalgarno
de type Shine-Dalgarno autre
initiation de la traduction
f-méthionine méthionine méthionine
facteurs d’initiation IF
3 facteurs IFbactériens
beaucoup d’IFtype -eucaryotiqiue
beaucoup d’IF
sensibilité à latoxine diphtérique
insensible sensible sensible83
30S/50S30S/50S
30S/50S
La distribution des protéines ribosomales entre les 3 domaines
une seule r-protéine spécifique aux archées
aucune protéinespécifique aux Bactéries/Archées
aucune protéinespécifique aux Bactéries/Eucaryotes
Archées et Eucaryotes partagent beaucoup de r protéines
les ribosomes des Archaea – une version miniaturisée de ceux des Eucaryotes
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Conclusion: les principaux points de différence entre les 3 domaines
les voies métaboliques et laconversion de l’énergie
proches chez les Archées et les Bactéries
85 86
Présentation plus détaillée de quelques Archaea
Korarchaeota
CrenarchaeotaEuryarchaeota
L’arbre phylogénique d’Archées basé sur la séquence des ARN 16S
extrêmes halophiles
methanogènes
ThermoplasmaMethanopyrus
Methanococcus
Halobacterium
Methanosarcina
hyperthermophiles1
23
87
Les Archaea produisant le méthane – les méthanogènes
Taxonomie – trois classes
88
méthanogenèse
CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O
-chimiolithotrophes et autotrophes en croissance sur CO2 et H2
89
butyrate, propionate
protéines, lipides, glucides
acétate
La chaine alimentaire dans les conditions anaérobiques
90
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16
Relations symbiotiques entre les bactéries et les méthanogènes
91 92
Le rumen est riche en méthanogènes
Methanobrevibacter
400 litres CH4/jour
93 94
1013 – 1014 microorganismes-72 types de bactéries (83% non cultivables) - 1 seule archaea Methanobrevibacter smithii
Une archée méthanogène, Methanobrevibacter smithii, est un composant majeur de l’intestin humain
son rôle n’est absolument pas connu
Les méthanogènes mésophiles non cultivables sont abondants dans les champs de riz
de 10 à 25% du méthane est produit par des archées méthanogènes identifiées comme Rice Cluster I
-les archées méthanogènes sont abondantes dans les champs de riz- elles produisent du méthane en grande quantité- ces archées ne peuvent pas être cultivées
95Korarchaeota
CrenarchaeotaEuryarchaeota
L’arbre phylogénique d’Archées basé sur la séquence des ARN 16S
extrêmes halophiles
méthanogènes
ThermoplasmaMethanopyrus
Methanococcus
Halobacterium
Methanosarcina
hyperthermophiles1
2 3
96
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Haloferax sulfurifontis
Halobacterium
Halobacteria – la taxonomie
poissons salés
Mer Morte
Mer Morte
97
14 genres
Les archées halophiles sont les mieux adaptées aux milieux riches en sels
bactéries algues archées
98
Les extrêmes halophiles - hétérotrophie et photosynthèse
- minimum de NaCl – 1,5 M; optimum – 3-4 M- tous sont chimioorganotrophes- la majorité sont des aérobes- leur membrane contient des caroténoïdes donnant une couleur rougeâtre caractéristique - certains sont photosynthétiques grâce à la bactériorhodopsine ou à l’halorhodopsine
99
Halobacterium salinarum
Bactériorhodopsine de Halobacterium salinarum
coloration pourpre d’une saline provoquée par Halobacterium salinarum
100
101
bactériorhodopsine
sodium / proton antiport
sodium / AA symport
sodium / calcium antiport
potassium uniport
Flux des ions et des molécules au travers de la membrane chez les archées halophiles
5,3 M de K+3,3 M de Na+
102
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- la présence de fortes concentrations de Na+ (de 1,5 à 5,5 M – 32%!!) est indispensable
- les protéines du cytoplasme contiennent peu d’aminoacides hydrophobes et basiqueset beaucoup d’aminoacides acides. En conséquence, elles restent solubles malgré une forte concentration de K+
- une forte concentration de K+ est requise pour l’activité catalytique de beaucoup de protéines, les ribosomes inclus
Les extrêmes halophiles - la composition des protéines
malate déshydrogénasearchée halophile bactérie
en rouge, aminoacides acides (aspartate, glutamate); en bleu - basiques103
Les protéines des halophiles et des hyperthermophiles sont adaptées auxétudes structurales
- facilité de purification- facilité de cristallisation
la structure 3D de la sous unité 50S du ribosome de Haloarcula marismortui,Science 2000
23S ARNr
28 protéines
104
Korarchaeota
CrenarchaeotaEuryarchaeota
L’arbre phylogénique d’Archées basé sur la séquence des ARN 16S
extrêmes halophiles
méthanogènes
ThermoplasmaMethanopyrus
Methanococcus
Halobacterium
Methanosarcina
hyperthermophiles1
2 3
105
hyperthermo
Les Archaea hyperthermophiles du phylum Crenarchaeota
106
archaea
Hyperthermophiles et acidophiles – définir les termes
taux de croissance
107
Hyperthermophiles – les sources d’énergie et du carbone
la majorité sont des chimiolithotrophes et des autotrophes…
… mais certains sont également des hétérotrophes facultatifs -ils poussent sur de l’extrait de levures et du trypton
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T C° pH
Les gourmandises des archaea hyperthermophiles - le soufre et l’acide sulfurique, l’acide nitrique et l’hydrogène - tout ce que donne un volcan en éruption
109
sulfure d hydrogène
110
Milieu de croissance pour une souche de Sulfolobus
111
Sulfolobus solfataricus
Sulfolobus tokodaii
S. acidocaldariusSulfolobus solfataricusinfecté par le virus STSV1
Quelques photos de la famille Sulfolobales
112
Nanoarchaeum equitans - la plus petite cellule procaryotique- et le seul parasite connu chez les Archaea
1. Découverte
Island, Kolbeinsey crête Cheminée blanche – petit volcan de50 cm de hauteur situé à 106 m de profondeur,éjectant de l’eau chaude à 103°C
Hôte - Ignicoccus-taille 1-2 mm- phylum Euryarchaeota- autotrophe réducteur de soufre,nécessite H2 et CO2
Symbiote - Nanoarchaeum equitans- taille 350-500 nm (1% de volume d’E. coli)- phylum Crenarchaeota- complètement dépendant de l’hôte
hôte
symbiote
113
Nanoarchaeum equitans – premier représentant du nouveau phylum Nanoarchaeota….et le plus ancien organisme connu?
Arbre phylogénique construit d’après l’analyse de la séquence de l’ARN 16S
2. Taxonomie
114
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20
archaea
bactérie
Nanoarchaeum equitans – le plus petit génome procaryotique connu - 487 gènes
Nanoarchaeum equitans - absence de gènes de biosynthèse de novo des aminoacides, des nucléotides, des lipides et des cofacteurs
- absence de gènes du cycle de Krebs, de gluconéogenèse et des voies connues de l’assimilation du carbone
Nanoarchaeum equitans transporte tous ces composants de son hôte Ignicoccus
115
Virus des Archaea hyperthermophiles
Les virus représentent un composant majeur de tous les écosystèmes
- 105 – 106 particules par ml dans l’eau de mer;
- ~ 20% des cellules procaryotiques sont infectées et lysées quotidiennement ;
- les virus participent à l’échange génétique par transduction
116
?
Les virus d’Archaea - existent-ils; comment sont ils?
117 118
100 nm
Zillig et al.
Fuselloviridae: SSV1, SSV2, SSV3, SSV4
119
200nm
Prangishvili et al., Genetics 1999
Sulfolobus islandicus Rod-shaped Virus 1, SIRV1
120
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21
micro pinces – outil de nano technologie du demain?
Acidianus Filamentous Virus 1, AFV1
121
100 nm
Häring et al., J. Virol., 2005
Acidianus Bottle-shaped Virus, ABV
122
Bars, 100 nm
Häring et al., J. Virol., 2005 123
incubation at 90°C, 1 hr
incubation at 10°C, 6 months
incubation at 75°C, 6 days
purified
virions
Häring et al., Nature, 2005
Acidianus convivator Two-tailed Virus, ATV
124
Häring et al., Nature, 2005
Acidianus convivator „Two-tailed Virus“ ATV
125
Sulfolobus Icosahedral Turreted Virus (STIV)
Thermal Viruses in Yellowstone National Park
126
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Sulfolobus STIV virus sliced density map
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Virus des Archaea hyperthermophiles – conclusions
- une vingtaine de virus infectant des archaea hyperthermophiles sont identifiés;
- tous contiennent de l’ADN double brin;
- après l’infection, les virus établissent des relation stables avec leurs hôtes:-les cellules ne sont pas lysées;-les particules virales sont produites en continu ;
- peu de virus intègrent leur ADN dans le chromosome de l’hôte ;
-la majorité des protéines codées par des gènes viraux ne ressemblent àaucune des protéines connues chez les bactéries ou chez les eucaryotes
128
129
Partie IVla génétique des Archaea –
inactiver et surexprimer les gènes
Les approches génétique pour les études sur les Archées
Halobacterium NRC-1
obtenir des colonies isolées
agar classique « Gelrite » pour les hyperthermophiles
polysaccaride produit par Pseudomonas elodeaaprès la polymérisation il est stable jusqu’à 120°C
130
Transformation difficile….
méthanogènes
méthanogèneshalophiles
sans résultat
sans résultat
applicable dansdes cas limités
131
Marqueurs de sélection – résistance aux antibiotiques
les gènes de résistance aux antibiotiques - rares et souvent limités à certains groupes d’Archaea
antibiotique gène de résistance utilisé pour
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Marqueurs de sélection – auxotrophies
l’intérêt du système URA/5-FOA – sélection dans les deux sens
sélection ura- ura+ milieu minimum sans uracile (acquisition du gène ura+)
sélection ura+ ura- milieu avec uracile et 5-FOA (la perte du gène ura+ car5-FOA est métabolisé dans ura+ et donne un dérivé toxique))
133
Comment inactiver un gène chez les Archaea – remplacement par un marqueur
134
Comment inactiver un gène chez les Archaea – délétion en 2 étapes
souche Ura-
sélection Ura+
allèle nul du gène
ura+
plasmidenon réplicatif
étape 1intégration
étape 2excision
sélection Ura- en présence du 5-FOAet de l’ uracile
inactivation d’un autre gène
aucun marqueur ajouté
135 136
L’approche métagénomique pour les étudesenvironnementales des Archaea
- 200 litres d’eau de mer- extraction d’ADN- clonage des fragments de 2 à 6 kb- séquence et analyse
Archaea à l’époque de la metagénomique
Résultat: - 1,66 millions de fragments lus- 1,36 Gb d’ADN séquencées
2004
137
The Institute for Genomic Research (TIGR) in Rockville, Maryland
Des représentants non-extrêmophiles de deux phyla d’Archaea sont abondants dans l’eau de mer
Archaea mésophilesnon cultivables6% de population
reconnus par la séquence spécifique de leurs ARN 16S
-certains fragments portentles gènes amoAB codant pour l’ammonium oxydase
138
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Le cycle de l’azote
ammonium oxydase
139
nitrification
2,3x1028 cellules d’archées dans le milieu marin et dans le sol
la présence des gènes d’ammonium oxydase amoABsuggère leur capacité d’oxyder NH4
+ en NO2-
2006
vers les plantes
fragment metagénomique16S et 23S typiquement archaea
140
Nature - 2006
- 99% de microorganismes du sol ne sont pas cultivables- jusqu’à 3000 fois plus d’Archaea que des bactéries dans
des sols non agricoles- dans le cycle d’azote sur Terre, l’oxydation de l’ammonium est
en grande partie assurée par les archées crenarchaeota Ratio:amoA Archae/amoA bacteria
profondeur cm 141
Les majorité des Archaea ne sont pas des extrêmophiles
-années 70-90-les Archaea sont des créatures bizarres habitant dansdes environnements marginaux et extrêmes (très chauds, très salés, fond de l’océan etc)(sauf quelques exceptions comme les méthanogènes)
écologie des Archaea – deux points de vu
142
archées extrêmophiles
archées marines
archées du sol
méthanogènes
-années 2000- les Archaea sont un composant ubiquitaire de tous les écosystèmes
- les Archaea mésophiles (Cren- comme Euryarchaeota) représentent 20%de la biomasse sur Terre
- leur rôle dans le cycle de l’azote sur Terre est prédominant
143
Les Archaea mésophiles ne sont pas cultivables ….. ….on les identifie par:
-approche PCR -avec les oligoscorrespondant aux partiesconservées des gènes codant pour les ARN 16S
-approche RT-PCR avec les oligoscorrespondant au gènesamoA d’Archaea
- dosage des lipides typiquement Archaea
sauf 2 cas ….144
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Axinella mexicana
séquençage du génome
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Absence de bactéries de nitrification . Quel organisme est responsable de cette transformation?
L’eau du Shedd Aquarium à Chicago ne contient pas de NH4.
Crenarchaeota Nitrosopumilus maritumus146
Phylogénie des Archaea – état actuel
Nanoarchaeota
147
Archaea et astrobiologie :les extrêmophiles peuvent ressembler aux formes de vie extraterrestre
Les archées méthanogène sur Mars?
méthane volcan eau
148
149
… et un jour Mars-archaeota???
150
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Tableau final – comparaison des trois phyla de l’arbre de vie
Faux
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