Post on 02-Feb-2016
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Phylogénie des Archaea
Céline Brochier
EA EGEE
(Évolution Génome Environnement)
Université de Provence Aix-Marseille I
Phylogénie des Archaea (ARNr 16S)
0.05
Crenarchaeota
(3 ordres)
Euryarchaeota
(9 ordres)
Korarchaeota
Methanopyrales
AAG group BACTERIAEUKARYA
Methanomicrobiales
Methanobacteriales
Archaeoglobales
Methanoccocales
Thermococcales
Halobacteriales
Thermoplasmatales
Methanosarcinales
Thermoproteales
Sulfolobales
Desulfurococcales
Nanoarchaeota
Découverte d’un représentant d’un troisième phyla ?
Adapté de Schleper Nat Rev Microbio 2005
Methanopyrales
Archaeoglobales
Methanoccocales
Thermococcales
Thermoproteales
Sulfolobales
Desulfurococcales Ancêtrehyperthermophile
anaerobic
*
*
*
Origine précocede la Méthanogénèse
Methanopyrales
Methanomicrobiales
Methanobacteriales
Methanoccocales
Methanosarcinales
Omelchenko et al. BMC Evolutionary Biology 2005Slesarev et al. PNAS 2002
Phylogénie des Archaea(whole genome tree content)
Émergence précocedes Halophiles
RegroupementThermoplasmatales+ Crenarchaea
Archaeoglobus fulgidus
M. thermautotrophicum
M. jannaschiiM. kandleri
P. horikoshiiP. abyssi
T. volcanium
T. acidophilumHalobacterium sp.
A. pernix
S. solfataricus
T. maritima
R. radiodurans E. coli
Problème des transferts horizontaux de gènes en phylogénie
Phylogénie des espèces
ABCDEF
Phylogénie basée sur le gène 2
F
B
CDE
A
Phylogénie basée sur le gène 1
AB
CD
E
F
Problématique
• Est-il possible de reconstruire une phylogénie des procaryotes dans un contexte de HGT ?
?Doolittle Science (1999)
Les gènes qui ont subi la même histoire évolutive doivent permettre d’inférer(aux fluctuations près) la même phylogénie
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
Test
Des gènes congruents doivent soutenir ou rejeter de la même façon les différentes topologies possibles
Stratégie
Analyse en Composante Principale (ACP) des valeurs de déviation standard de chaque topologie par rapport à la meilleure
Topologies
Gènes
1
2
3
4
5
6
7
0
0,1
4,1
0,6
0,1
0,4
0,3
4
5,4
7,8
0,3
4,7
0,1
9,7
13
3,4
0
1,7
9
2,2
4,7
42
0,7
0,3
0
37
0,7
3,9
0,2
1,7
3,3
0,1
0
0,4
0,8
…..
R²=0,9
R²=0,05
2 gènes congruents seront proches sur l ’ACPalors que 2 gènes incongruents seront éloignés
Tester la congruence des marqueurs une approche rapide
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
P3
P2
RTN+
P1Axe 2 ( 11%)
Axe 1 ( 61%)
ACP r-protéines (Archaea)
Gènes individuelsFusions
P1 = 53 prot. (7175 pos) – JTT + loi P3 = 9 prot. (926 pos) – JTT
P2 = 44 prot. (6249 pos) – JTT RTN+ = ARNr 16S et 23S (3933 pos) – TN + loi
44 r-protéines
9 r-protéines
Matte et al. MBE 2002
r-protéines détectées comme incongruentes a posteriori
10
Aeropyrum pernixSulfolobus solfataricus
Pyrococcus abyssiHaloarcula marismortui
Halobacterium sp.Methanobacterium thermoautotrophicumMethanosarcina barkeri
Pyrobaculum aerophilumThermoplasma acidophilum
Methanococcus jannaschiiArchaeoglobus fulgidus
100
70100
5752
33
10064
Hs6,113aa
L15e,197aa
10
Ferroplasma acidarinanusThermoplasma acidophilum
Aeropyrum pernixPyrobaculum aerophilumSulfolobus solfataricus
Pyrococcus abyssiPyrococcus horikoshiiPyrococcus furiosus
Methanococcus jannaschiiArchaeoglobus fulgidus
Methanosarcina barkeriM. thermoautotrophicum
Haloarcula marismortui
8970
87
89
98
100
10061
6062
52
Halobacterium halobium
L12e,89aaPyrobaculum aerophilum
Aeropyrum pernixSulfolobus solfataricus
Haloarcula marismortuiArchaeoglobus fulgidus
Methanosarcina barkeriHalobacterium sp.
Methanococcus jannaschiiM. thermoautotrophicumPyrococcus furiosusPyrococcus abyssiPyrococcus horikoshii
Thermoplasma acidophilumFerroplasma acidarinanus
10
100
100
100
100
25
64100
10048
5136
Matte et al. MBE 2002
Détection de l’incongruence par les heat maps
Bapteste et al. BMC evolutionary biology 2005
Marqueurs réels
Marqueurs artificiels
Double clustering hiérarchique des gènes et des topologiesÉchelle = p-value calculée pour un gène donné et une topologie donnée variant de 0 (=rejet) à 1 (=acceptation)
Application aux protéines de la traduction d’archaea=> détection de marqueurs incongruents: rpl15e, rpl37ae…
Comparaison des fusions P1 et ARNr TN+
Pyrobaculum aerophilum Aeropyrum pernix
Sulfolobus solfataricusPyrococcus furiosusPyrococcus horikoshii
Pyrococcus abyssiMethanococcus jannaschii
Methanobacterium thermoautotrophicum Archaeoglobus fulgidus Methanosarcina barkeri Haloarcula marismortui
Halobacterium sp Thermoplasma acidophilum Ferroplasma acidarmanus
10
100
100
100100
30
100100
94
100
72
55
10
82
100
68100
52
100
99
87
78
100
100
ARNr 16S +23S (3933 pos)ML TN +
53 r-protéines (7175 pos)ML JTT +
Matte et al. MBE 2002
Comparaison des fusions P2 et P3
Pyrobaculum aerophilum Aeropyrum pernix
Sulfolobus solfataricusPyrococcus furiosusPyrococcus abyssi
Pyrococcus horikoshiiMethanococcus jannaschii
Methanobacterium thermoautotrophicum Halobacterium sp.
Haloarcula marismortui Methanosarcina barkeri
Archaeoglobus fulgidus Thermoplasma acidophilum
Ferroplasma acidarmanus
9 r-protéines (926 pos)ML JTT +
44 r-protéines (6249 pos)ML JTT +
100
100100100
98
51
86
10
42
100100
100 10
100
100
100100
10023
37
71
10094
100
Phylogénies congruentes sauf pour la position des ThermoplasmatalesHGT préférentiels à partir des Sulfolobales ?
Proximité écologique > Proximité phylogénétique
Matte et al. TIG 2002
Comparaison des protéomes des Thermoplasmatales et Sulfolobales
D’après Fütterer et al. PNAS 2004
Pyrobaculum aerophilum Aeropyrum pernix
Sulfolobus solfataricus 2981 ORFPyrococcus furiosus 2125 ORFPyrococcus abyssiPyrococcus horikoshii
Methanococcus jannaschii Methanobacterium thermoautotrophicum
Halobacterium sp.Haloarcula marismortui
Methanosarcina barkeri Archaeoglobus fulgidus
Thermoplasma acidophilum 1553 ORFPicrophilus torridus 1535 ORF
100
100100100
98
51
86
10
42
100100
10066%
60%
35%Échanges de gènes importants entre microorganismes vivants dans un même milieu
=> Adaptation secondaire des Thermoplasmatales au milieu acide ?
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-protéinesLa congruence observée peut refléter
un fort biais dans le sens des HGTÉtude d’autres systèmes indépendants de la traduction
Analyse d’autres systèmes: la transcription
• Transcription chez les Archaea
• RNA polymerase– RNA polymerase
• 12 sous-unités
– Facteurs de transcription• NusA et NusG
• Paralogues multiples: TBP, TFB
• Distribution taxonomique trop restreinte: TFE, TFIIH, TIP49
Positions 57 à 83
Analyses individuelles
450,1456
19
15
11
19
47
25
100
8340
99
65
95
100
91
9737
P. aerophilum A. pernix
S. solfataricus
P. furiosus
P. abyssiP. horikoshii
M. jannaschii
H. sp.H. marismortui
M. barkeri
A. fulgidus
T. acidophilum F. acidarmanus
S. tokodaii
M. thermoautotrophicum
T. volcanium
M. maripaludis
M. acetivoransM.mazei
M. kandleri
ARBRE NJ, matrice de distances JJT+
rpoH
1 seul HGT probable entre Thermoplasmatales et Methanopyrus kandleri
rpoM/TFIIS est manquante chez Methanopyrus kandleriBrochier et al. Genome Biology 2004
Brochier et al. Genome Biology 2004
Traduction vs Transcription53 r-protéines, 6373 aaML JTT +
Protéines de la transcription3275 aa, ML JTT +
M.thermautotrophicus
P.horikoshiiP.abyssi
P.furiosus
M.kandleri
M.maripaludisM.jannashii
Halobacterium sp.H.marismortui
M.barkeri
A.fulgidus
F.acidarmanusT.acidophilumT.volcanium
P.aerophilum
S.solfataricus
A.pernixS.tokodaii
100100
10084
100
100100
100
100
10096
98
8985
0.0825 0.0703
100
100100
41
100
62
10079
88
100100
100100
100100
100
1 incongruence majeure !2 incongruences mineures !
CouplesM kandleri - x
Tra
du
ctio
n (
r-p
roté
ines
)
Transcription (RNA pol sub.)
% de divergence observédans les JDD traduction et transcription
Divergence de M. kandleri observéetranscription > traduction
Methanopyrus kandleri
P. aerophilum
M. mazei5710090
28
27
39
49
47
78
100
54
100
100 100
100
9952
0,1480
A. pernix
S. solfataricus
P. furiosus
P. abyssiP. horikoshii
M. jannaschii
H. sp.H. marismortui
M. barkeri
A. fulgidus T. acidophilum
F. acidarmanus
Sulfolobus tokodaii
M. kandleri
M. maripaludisM. thermoautotrophicum
M. acetivorans
T. volcanium
rpoA’’(360 pos, NJ + JJT+)
P. aerophilum A. pernix
S. solfataricus
P. furiosus
P. abyssiP. horikoshii
M. jannaschii
H. sp.H. marismortui
M. barkeri
A. fulgidus T. acidophilum
F. acidarmanus
Sulfolobus tokodaii
M. kandleri
M. maripaludisM. thermoautotrophicum
M. acetivoransM. mazei
T. volcanium
961000,0887
100100
86
93
64
89
87
100
62
100
100
100 100
99
100rpoA’
(812 pos NJ + JJT+)
30% des sites de la fusio
n
Brochier et al. Genome Biology 2004
Methanopyrus kandleri
Brochier et al. Genome Biology 2004
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/TFIISArchaeoglobus fulgidus
M. thermautotrophicum
M. jannaschiiM. kandleri
P. horikoshiiP. abyssi
T. volcanium
T. acidophilumHalobacterium sp.
A. pernix
S. solfataricus
T. maritima
R. radiodurans E. coli
Archaeoglobus fulgidus
M. thermautotrophicumM. jannaschii
M. kandleri
P. horikoshii
P. abyssi
T. volcanium
T. acidophilum
Halobacterium sp.
A. pernix
S. solfataricus
T. maritima
R. radioduransE. coli
Slesarev et al. PNAS 2002
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
Brochier et al. BMC Evolutionary Biology 2005
Analyse de 25 génomesPyrobaculum aerophilum
Methanococcus maripaludisMethanocaldococcus jannashii
Ferroplasma acidarmanusThermoplasma volcanium
Thermoplasma acidophilumArchaeoglobus fulgidus
Haloferax volcaniiHaloarcula marismortui
Halobacterium sp.Methanogenium frigidum
Methanobacteroides burtoniiMethanosarcina barkeri
Methanosarcina acetivoransMethanosarcina mazei
Sulfolobus tokodaiiSulfolobus solfataricusNanoarcheum equitans
Methanobacterium thermautotrophicus
Thermococcus gammatoleransPyrococcus furiosusPyrococcus abyssi
Pyrococus horikoshiiMethanopyrus kandleri
Aeropyrum pernix
0.1
*100*
100
***
100 *
55
31
97
85
**
*86
98
100100
**
77
96
86
**
10079 0.1
* 100*
100
95
**
*
*
82
68
45*
**
1 incongruence majeure !Les deux incongruences mineures ont disparu !r-protéines ML JTT+ transcription ML JTT+
Enzymes impliquées dans la méthanogénèse et dans la synthèse des cofacteurs
Organismsfwd mcrfhc mrt
ARCHAEAEuryarchaeota Methanosarcinales + + + + - + + + Methanomicrobiales + + + + + + + Methanobacteriales + + + + + + + + Methanopyrales + + + + + + + + Methanococcales + + + + + + + + Archaeoglobales + + + + - + - - Thermoplasmatales - - - - - - - - Halobacteriales - - + - - + - - Thermococcales - - - - - - - -Crenarchaeota Sulfolobales - - - - - - - - Thermoproteales - - - - - - - - Desulfurococcales - - - - - - - -BACTERIAAquificae - - - - - - - -Thermotogae - - - - - - - -Deinococcus-Thermus - - - - - - - -Chloroflexi - - - - - + - -Cyanobacteria - - - - - - - -Chlorobi - - - - - - - -Proteobacteria alpha p p p - - - Ph* - beta p p p - - - - - gamma p p p - - - - - delta - - - - - - - - epsilon - - - - - - - -Firmicutes - - - - - - Pa* -Actinobacteria - - - - - P Ph* -Planctomycetes p p p - - - - -Chlamydiae - - - - - - - -Spirochaetes - - - - - - - -Bacteroidetes - - - - - - - -Fusobacteria - - - - - - - -
Methanogenesis
ftr mch mtd hmd mer mtr
+ + + + - + + + + - - - + + + ++ + + + + + + + + + + ++ + + + + + + + + + + + + + + ++ + + + - + + + + + + + + + + -+ + + + + + + + + + + + + + + ++ + + + + + + + + - - - - - + -P - - P - - - - P - P - - - - -- - - + + + + + + - - - - - - -+ + + + P - - - - - - P - - + +
+ + + + - - - - - - - P - - P ++ + + + - - - - + - - - - - - +- - - + - - - - + - - - - - - +
+ + + + - - - - + - - - - - - -+ + + + - - - - - - + - - - + -+ + + + - - - - + - + - - - - ++ + - + - - + - - - - - - - - -+ + - + - - - P P - + - - - - ++ + + + - - - - - - - - - - + -
P P - P - - - - - - - P P P P P+ + P + - - - - - P - P P P P -P P - P - - - - - - P P P P P P- - - - - - - - - - - - - - - -P P P + - - - - - - - - - - - -P P P P - - P - P - P P P P P PP P - P - P P - P - - P - P - P+ + - + - - - - + - + - - - - +- - - - - - P - P - - - - - - -P P - P - - - - - - - - - - - -P P - P - - - - - - P - P P P -- - - - - - - - - - - - - - - -
mptH mptNcomA comB comC comDcofE cofG cofH comEaksE aksF cofC cofD
Coenzyme Biosynthesis
aksA aksD
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 méthanogénèseCes enzymes sont impliquées dans l’oxydation du lactate.
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)
Phylogénie des protéines impliquées dans la méthanogénèse
Non méthanogènes
Methanopyrus kandleri
M. thermautotrophicus
Methanocaldococcus jannaschii
Methanosarcinales
Methanomicrobiales
Methanogènes Classe I
Methanogènes Classe II
Seuls 3 transferts de protéines impliquées dans la méthanogénèse ou dans la synthèse des coenzymes sont observés entre méthanogènes
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)
Gènes non organisés en opéron
Évolution de la méthanogénèse
Methanogènes (Classe II)
Methanogènes (Classe I)
0.1
100100
100
100
100
1004998
99
82
100100
100100
100100
100100
Crenarchaeota
Nanoarchaeota
Thermococcales
MethanopyralesMethanobacterialesMethanococcales
Thermoplasmatales
ArchaeoglobalesHalobacterialesMethanomicrobiales
Methanosarcinales
EuryarchaeotaAcquisition
de la methanogénèse
Perte des gènes impliqués dans la methanogénèsePerte partielle des gènes impliqués dans la methanogénèse
Pyrobaculum aerophilum
Methanococcus maripaludisMethanocaldococcus jannashii
Ferroplasma acidarmanusThermoplasma volcanium
Thermoplasma acidophilumArchaeoglobus fulgidus
Haloferax volcaniiHaloarcula marismortuiHalobacterium sp.
Methanogenium frigidumMethanobacteroides burtoniiMethanosarcina barkeriMethanosarcina acetivoransMethanosarcina mazei
Sulfolobus tokodaiiSulfolobus solfataricus
Nanoarcheum equitansThermococcus gammatoleransPyrococcus furiosusPyrococcus abyssiPyrococus horikoshii
Methanopyrus kandleri
Aeropyrum pernix
0.1
*100*
100
100**
100 *55
31
97
85
**
*86
98100
100**
r-protéines ML JTT+
Une phylogénie des Archaea totalement résolue ?
• 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
Methanobacterium thermautotrophicus
Brochier et al. BMC Evolutionary Biology 2005
Et pourtant…
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
Waters et al. PNAS 2003
84%
Eukarya
Crenarchaeota
Nanoarchaeota
Eu
ryarchaeota
Brochier et al. Genome Biology 2005
Position de Nanoarchaeum equitans
Basal
7/49 r-protéines supportent un placement
basal de N. equitans(4L/3S)
Groupe frère des SulfolobalesGroupe frère d’Aeropyrum pernixGroupe frère de Pyrobaculum aerophilumAutre mais dans les Crenarchaeota
9/49 r-protéines supportent un placement dans les Crenarchaeota
(6L/3S)
Autre mais dans les Euryarchaeota
Groupe frère des Methanococcales
Groupe frère des ThermococcalesGroupe frère de Methanopyrus kandleri
Groupe frère des Tp ou Ar ou Halo ou MmicrobGroupe frère des Methanobacteria
33/49 r-protéines supportent un placement dans les Euryarchaeota
(16L/17S)
La majorité des protéines ribosomiques soutiennent individuellement une émergence dans les Euryarchaeota
Les protéines ribosomiques sont de petite taille=> Quelle confiance peut-on avoir dans ce placement ?
Position des Sulfolobales et Halobactériales
BasalGroupe frère d’Aeropyrum pernixGroupe frère de Pyrobaculum aerophilumAutre mais dans les CrenarchaeotaDans les EuryarchaeotaAutre
Sulfolobales position
10%
48%17%
16%
0%9%
BasalAutreGroupe frère des MethanococcalesGroupe frère d’Archaeoglobus fulgidusGroupe frère des ThermoplasmatalesGroupe frère des MethanomicrobiaAutre mais dans les EuryarchaeotaGroupe frère de Methanopyrus kandleri
Halobacteriales position2% 5%
4%4%
4%
56%
20%
5%
56%
Malgré leur petite taille la position correcte de ces deux groupes est majoritairement retrouvée
Marqueurs alternatifs
0.1
Pyrobaculum aerophilumAeropyrum pernix
Desulfurococcus mobilisSulfolobus solfataricus
Sulfolobus tokodaiiSulfolobus acidocaldarius
Archaeoglobus fulgidusMethanocaldococcus jannaschii
Methanococcus vannieliiMethanococcus maripaludis
Methanopyrus kandleriM. thermautotrophicus
Ferroplasma acidarmanusThermoplasma volcanium
Thermoplasma acidophilumMethanococcoides burtonii
Methanosarcina barkeriMethanosarcina mazei
Methanosarcina acetivoransHaloferax volcaniiHaloferax volcanii
Haloarcula marismortuiHalobacterium sp.Halobacterium salinarum
1.00/1001.00/97
0.98/94
1.0099
1.00/100
1.00/1001.00/100
0.8835
1.0094
-/39
0.86/34
0.86/49
1.00/98
1.00/1001.00/98
1.00100
1.00/1000.85/54
1.00/ 100
1.00/100
1.00/ 93
1.00/79
Nanoarchaeum equitansThermococcus celerPyrococcus abyssiPyrococcus horikoshii
Pyrococcus furiosusPyrococcus woesei
1.0079
1.00/100
1.00/92
1.00100
1.00/100
0.1
Uncultured crenarchaeotePyrobaculum aerophilum
Aeropyrum pernixDesulfurococcus mobilis
Sulfolobus solfataricusSulfolobus acidocaldarius
Sulfolobus tokodaiiNanoarchaeum equitans
Pyrococcus furiosusPyrococcus horikoshiiPyrococcus abyssi
Methanopyrus kandleriM. thermautotrophicus
Methanocaldococcus jannaschiiMethanococcus vannielii
Methanococcus maripaludisPicrophilus torridus
Ferroplasma acidarmanusThermoplasma volcanium
Thermoplasma acidophilum
Archaeoglobus fulgidusHaloferax volcanii
Haloarcula marismortuiHalobacterium salinarumHalobacterium sp.
Methanococcoides methylutensMethanococcoides burtonii
Methanosarcina thermophilaMethanosarcina barkeriMethanosarcina mazeiMethanosarcina acetivorans
1.00/991.00/100
-/64-/74
-/1001.00/100
1.0064
1.00/1001.00/100
1.00/1001.00/100
1.00/70
93/35
1.00/100
1.00100
1.00/100
0.88/31
0.78/27
-/44
1.00/100
1.00/1000.63/100
1.00100
1.00/100
1.00/1001.00/97
1.00/56
-/90
0.1
Nanoarchaeum equitans
Thermococcus gammatolerans
Pyrococcus furiosus
Pyrococcus abyssi
Pyrococcus horikoshii1.00/40
0.95/70
1.00/100
1.0098
Bdellovibriobacteriovorus
Methanocaldococcus jannaschii
Methanococcus maripaludis1.00/97
1.0057
MethanothermobacterthermautotrophicusMethanopyrus kandleri
1.00100
Haloarcula marismortui
Halobacterium sp.
Haloferax volcanii0.9054
1.00100
Archaeoglobus fulgidus
Methanogenium frigidum
Methanococcoides burtonii
Methanosarcina barkeri
Methanosarcina mazei
Methanosarcina acetivorans0.38/49
1.00/100
1.00/100
0.99/78
0.67/94
1.00/100
1.00/80
1.00/100
1.00/100
Pyrobaculum aerophilum
Aeropyrum pernix
Sulfolobus tokodaii
Sulfolobus shibatae
Sulfolobus solfataricus1.00/100
1.00/100
1.00/100
Nanoarchaeum equitans
Thermococcus celer
Pyrococcus abyssi
Pyrococcus horikoshii
Pyrococcus furiosus
Pyrococcus woesei
1.0079
1.00/100
1.00/92
1.00100
1.00/100
1.00/100
1.0064
N. equitans
Pyrococcus furiosus
Pyrococcus horikoshii
Pyrococcus abyssi1.00/100
EF-1 (ML et MB, JTT + ) EF-2 (ML et MB, JTT + ) TOPOVI A (ML et MB, JTT + )
Nanoarchaeum equitansThermococcus gammatoleransPyrococcus furiosusPyrococcus abyssiPyrococcus horikoshii
1.00/400.95/70
1.00/100
1.0098
Position de N. equitans
1 - Pyrococcus furiosus2 - Pyrococcus abyssi3 - Pyrococcus horikoshii4 - Thermococcus gammatolerans
Methanomicrobiales
0.1
Ferroplasma acidarmanus
Thermoplasma volcanium
Thermoplasma acidophilum
Archaeoglobusfulgidus
Haloferaxvolcanii
Halobacterium sp
Haloarculamarismortui
Methanogeniumfrigidum
Methanococcoides burtoniiMethanosarcina barkeri
Methanosarcina mazei Methanosarcina acetivorans
Methanothermobacterthermautotrophicus
Methanocaldococcusjannaschii
Methanococcusmaripaludis
Methanopyruskandleri
Nanoarchaeum equitans
Pyrobaculumaerophilum
Aeropyrum pernix Sulfolobus solfataricus
Sulfolobus tokodaii
63
100
100100
968272
75
60
1 2 3
100
100
100
4
Thermoproteales
Sulfolobales
Desulfurococcales
Methanosarcinales
Archaeoglobales
Halobacteriales
Thermococcales
Methanococcales
Methanopyrales
Methanobacteriales
Thermoplasmatales
Nanoarchaeota
100 100100
100
100
100100
100
100
100
r-protéines ML JTT + Brochier et al. Genome Biology 2005
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…
Aérobie
Apparition unique secondaire de la méthanogénèse chez les Euryotes
Ancêtre hyperthermophile
Pyrobaculum aerophilumHyperthermus butylicusAeropyrum pernixSulfolobus solfataricusSulfolobus tokodaiiSulfolobus acidocaldariusNanoarchaeum equitansThermococcus kodakarensisThermococcus gammatoleransPyrococcus furiosusPyrococcus horikoshiiPyrococcus abyssiMethanopyrus kandleriM. thermautotrophicusMethanocaldococcus jannaschiiMethanococcus maripaludisPicrophilus torridusFerroplasma acidarmanusThermoplasma acidophilumThermoplasma volcaniumArchaeoglobus fulgidusHaloarcula marismortuiHalobacterium salinarumHaloferax volcaniiMethanogenium frigidumMethanococcoides burtoniiMethanosarcina barkeriMethanosarcina mazeiMethanosarcina acetivorans
Thermoproteales
Desulfurococcales
Sulfolobales
Nanoarchaeota
Thermococcales
MethanopyralesMethanobacteriales
Methanococcales
Thermoplasmatales
Archaeoglobales
Halobacteriales
Methanomicrobiales
Methanosarcinales
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…)
Phylogénie des Archaea (RNRr 16S)
0.05
Crenarchaeota
(3 ordres)
Euryarchaeota
(9 ordres)
Korarchaeota
Methanopyrales
AAG group BACTERIAEUKARYA
Methanomicrobiales
Methanobacteriales
Archaeoglobales
Methanoccocales
Thermococcales
Halobacteriales
Thermoplasmatales
Methanosarcinales
Thermoproteales
Sulfolobales
Desulfurococcales
Nanoarchaeota
Adapté de Schleper Nat Rev Microbio 2005
Analyse des protéines de la traduction
Tropd’espèces
nonreprésentées
(10)
Séquences paralogues (8)+
ARNt synthétases (20)
Séquences non paralogues(orthologues ou xénologues )
(57)
Calcul des valeurs de vraisemblance pour un échantillonnage représentatif de topologies
Analyse en Composante Principaledes valeurs de déviation standard de chaque topologie par rapport à la meilleure
Fusion P1
Protéines de la traduction
Fusion P4
P1(~9000 pos)
P4(~11000 pos)
ARNr(~3500 pos)
Gènes a priori orthologues
Fusions
Gènes a priori non orthologues
Rps14
EF-G
Ala
Axe 2 (7%)
Axe 1 (83%)
Résultats de l’ACP
Spirochetes
Chlamydiales
Cytophagales
Green Sulfur
High G+CGram positives
Thermotogales
Aquificales
D. radiodurans
Cyanobacteria
Low GCGram positives
Mycoplasmas(Low GC
Gram positives)
ARNr
Protéines ~9000 positions
~3500 positions
Chlamydiales
Cyanobacteria
ThermotogalesCytophagales
D. radiodurans
Aquificales
Green Sulfur
Spirochetes
High GCGram positives
Low GCGram positives
Mycoplasmas
Valeurs de bootstrapinférieures à 90%
Protéines traduction vs ARNr 16S + 23S
Fusion P1
CampylobacterHelicobacter
ThiobacillusVibrio
ShewanellaPseudomonas aeruginosaPseudomonas fluorescens
Xylella
Neisseria
NitrosomonasThiomonas
BurkholderiaBordetellaRalstoniaBordetellaBurkholderia
Ralstonia
Pseudomonas aeruginosa
Phylogénie du facteur d’élongation EF-G
EF-G
Neisseria
Bordetella
Nitrosomonas
Pseudomonas
Shewanella
Vibrio
Haemophilus
EscherichiaPasteurella
Yersinia
CampylobacterHelicobacterThiobacillus
Buchnera
EscherichiaSalmonellaPasteurellaHaemophilus
Yersinia
EscherichiaPasteurellaHaemophilus
Yersinia
Cyanobactéries
Bactéries gram positivesà haut taux de GC
ThermotogalesSpirochètes
Deinococcales
CytophagalesBactéries vertes sulfureuses
Aquificales
Chlamydiales
Bactéries gram positivesà bas taux GC
-protéobactéries
-protéobactéries
-protéobactéries
-protéobactéries
Phylogénie de l’alanine ARNt synthétase
Comparaison du contenu de génomes proches20% 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 BLAST24% 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 composition18% du génome d’Escherichia coli K-12 aurait été acquis par transfert depuis la divergence avec Salmonella.(Lawrence et al. 1998)
Quantification des transferts horizontaux
Estimations très variables et contradictoires (Ragan 2001).
Hypothèse de complexité
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)
Gènes du métabolisme,Gènes de l’informationEuryarcheota
Dans les 2 cas, l’estimation des taux de transferts est probablement biaisée par des échantillonnages taxonomiques trop faibles (4 ou 6
taxons)
Gènes du métabolisme Gènes de l’information>Procaryotes
Fréquencedes
transferts
Les gènes de l’information (réplication, transcription, traduction) formeraient un « noyau » de gènes peu transférés
Phylogénie des protéines impliquées dans la méthanogénèse
1
Non méthanogènes
Methanopyrus kandleri
M. thermautotrophicus
Methanocaldococcus jannaschii
Methanosarcina acetivorans
Methanosarcina mazeii
88100
100
Methanogènes Classe I
Methanogènes Classe II
ML phylogenie de 7 protéines impliquées dans la synthèse des coenzymes (aksD, aksE, aksF, cofD, cofG, cofH, comD)
ML phylogenie de 9 protéines impliquées dans la méthanogénèse (ftr, fwdA, mcrA, mer, mtd, mtrB, mtrC, mtrD, mtrE)
10
Methanocaldococcus jannaschii
Methanosarcina barkeri Methanosarcina acetivorans Methanosarcina mazeii
Methanomicrobiales
M. thermautotrophicus
Methanopyrus kandleri
65
10070
100
Methanogens Class IMethanogens Class II
Seuls 3 transferts de protéines impliquées dans la méthanogénèse ou dans la synthèse des coenzymes sont observés entre méthanogènes
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)
Gènes non organisés en opéron
GEMethanopyrus kandleri12345678
GE12345678Methanopyrus kandleri