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ARCHIVES OU PALIMPSESTES ?

LES GÉNOMES BACTÉRIENS NOUS PARLENT DEL’ORIGINE DE LA VIE

Cours de Mastère I, Ecole Normale Supérieure

9 janvier 2007

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La Méthode Critique Générative

Autresmodèles

Statuette

Simulation

...

Idées reçues Langue

Axiomes et Définitions

Prédictions Théorème(conjecture)

Postulats

Existentielles Réfutables

interprétation

interprétation

instanciation

abstraction

dém

on

stra

tio

n

Modèle formel

- - - - - T H É O R I E - - - - -

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CE QU’IL FAUT EXPLIQUER DE LA SOUPE À LA SURFACE DES PIERRES LA TRANSFORMATION HOMÉOTOPIQUE DES ACIDES AMINÉS AUX NUCLÉOTIDES LE MONDE DES ARN UNIVERSAUX DANS LES GÉNOMES LE CŒUR DU GÉNOME : CE QUI PERSISTE EXPLORATION DE L’ENVIRONNEMENT : LE CÉNOME VIE ET CALCUL LE PLAN DE LA CELLULE EST DANS LE CHROMOSOME

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Deux entités sont nécessaires à la vie :

Un programme (un “livre de recettes”)1. Transfert d’information => l’objet de la génomique est de déchiffrer leprogramme associé à la cellule et de comprendre sa signification; ce transfertgère la conservation d’une mémoire, et sa mise en œuvre

Forces couplant la structure du génome à celle de la cellule (l’usine cellulaire) :Une machine permettant au programme d’agir

2. Métabolisme (une dynamique)3. Compartimentation (la définition d’un intérieur et d’un extérieur)

La cellule est l’atome de vie, avec deux stratégies decompartimentation : une simple enveloppe (procaryotes), ou lamultiplication des membranes et des peaux (eucaryotes)

Ce qu’est la vie

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FONCTIONS PREMIÈRES

occuper le milieu environnant

vivreéviter de mourir

Du grec κοινος,commun, cf« biocénose »

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Contexte : le “programmegénétique”

Physique : matière, énergie, tempsPhysique statistique : Physique + informationBiologie : Physique + information, codage, contrôle...Arithmétique : suites d’entiers, récursivité, codage…Calcul : Arithmétique + programmes + machine...

La métaphore du « programme génétique » rend expliciteun certain nombre de points communs entre le calcul et lefonctionnement cellulaire : pouvons-nous pousser lamétaphore jusqu’à ses conséquences ultimes ?

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Il N’Y A PAS DE GÉNÉRATION SPONTANÉE

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CE QU’IL FAUT EXPLIQUER DE LA SOUPE À LA SURFACE DES PIERRES LA TRANSFORMATION HOMÉOTOPIQUE DES ACIDES AMINÉS AUX NUCLÉOTIDES LE MONDE DES ARN UNIVERSAUX DANS LES GÉNOMES LE CŒUR DU GÉNOME : CE QUI PERSISTE EXPLORATION DE L’ENVIRONNEMENT : LE CÉNOME VIE ET CALCUL LE PLAN DE LA CELLULE EST DANS LE CHROMOSOME

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LE MODÈLE DE LA SOUPE PRÉBIOTIQUE IMPLIQUE LA PRODUCTION D’UN NOMBRE ÉLEVÉ DEVARIANTS D’UN PETIT ENSEMBLE DE MOLÉCULES. CE FAIT, LOIN D’ÊTRE UN ÉLÉMENTFAVORABLE À LA THÉORIE, VA CONTRE LA GENÈSE D’UN ENSEMBLE COHÉRENT. IL ESTNÉCESSAIRE DE METTRE EN PLACE D’ABORD UN MÉCANISME SÉLECTIF POUR COMPRENDRELES PHÉNOMÈNES À L’ORIGINE DE LA CHIMIE DU VIVANT. MIEUX, LA PRÉSENCE DE TROP DEMOLÉCULES STRUCTURELLEMENT VOISINES AGIT COMME LE FONT LES POISONS, ENINACTIVANT LES PROCESSUS CATALYTIQUES SÉLECTIONNÉS DANS UN PREMIER TEMPS ETEN BLOQUANT L’ÉVOLUTION.

CELA IMPLIQUE :— UNE CONCENTRATION SUFFISANTE DES MOLÉCULES EN CAUSE— L’EXISTENCE D’UNE LIMITE À LA VARIÉTÉ DES MOLÉCULES PRODUITES À UN INSTANTDONNÉ— POUR CHAQUE TYPE, UNE MESURE DE SON ADÉQUATION— QUE LA DESCENDANCE DES TYPES LES PLUS ADÉQUATS S’ACCROISSE AVEC LE TEMPS— QUE TANT QU’UN TYPE N’EST PAS SUR LE POINT DE DISPARAÎTRE IL PRODUISE DESDESCENDANTS DONT CERTAINS SONT LÉGÈREMENT MIEUX ADAPTÉS QUE LEURS PARENTS.

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UNE EXPÉRIENCE DE MILLER

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PREMIÈRE ÉTAPE

MÉTABOLISME DE SURFACE PERMETTANT LA CONCENTRATION LOCALE DEMOLÉCULES À SQUELETTE CARBONÉ, LEUR MODIFICATION ET LEURPOLYMÉRISATION

QUELLES PROPRIÉTÉS CES MOLÉCULES DOIVENT-ELLE AVOIR ?

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QUELQUES RÉFÉRENCES

GRAHAM CAIRNS-SMITH GENETIC TAKEOVER AND THE MINERALORIGIN OF LIFE CAMBRIDGE UNIVERSITY PRESS 1982ANTOINE DANCHIN UNE AURORE DE PIERRES LE SEUIL 1990CHRISTIAN DE DUVE BLUEPRINT FOR A CELL PATTERSON 1990FREEMAN DYSON ORIGINS OF LIFE CAMBRIDGE UNIVERSITYPRESS 1985GUNTER WACHTHERSHAUSER BEFORE ENZYMES AND TEMPLATES:THEORY OF SURFACE METABOLISM. MICROBIOL REV 1988, 52:452-484

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CE QU’IL FAUT EXPLIQUER DE LA SOUPE À LA SURFACE DES PIERRES LA TRANSFORMATION HOMÉOTOPIQUE DES ACIDES AMINÉS AUX NUCLÉOTIDES LE MONDE DES ARN UNIVERSAUX DANS LES GÉNOMES LE CŒUR DU GÉNOME : CE QUI PERSISTE EXPLORATION DE L’ENVIRONNEMENT : LE CÉNOME VIE ET CALCUL LE PLAN DE LA CELLULE EST DANS LE CHROMOSOME

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ANABOLISME ETCATABOLISME

L’ANALYSE DU TABLEAU MÉTABOLIQUE ACTUEL MONTRE UNECHIMIE TRÈS DIFFÉRENTE POUR L’ANABOLISME ET LECATABOLISME. CE DERNIER EST SOUVENT FACILE ÀCOMPRENDRE ALORS QUE L’ANABOLISME MET EN JEU DESGROUPEMENTS CHIMIQUES « INUTILES »

A COURS DE LEUR CONSTRUCTION, LA PLUPART DESMÉTABOLITES QUI SERVENT À LA CONSTRUCTION DESCELLULES (ANABOLISME) SONT CHARGÉS NÉGATIVEMENT,SOUVENT EN APPARENCE « INUTILEMENT »

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SYNTHÈSEDE LASÉRINE

sérine

gâchis apparent !

GLYCOLYSE

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LES MOLÉCULES À TROIS ATOMES DE CARBONE ET LESACIDES AMINÉS SONT TRÈS FACILES À OBTENIR.

ON PEUT DONC IMAGINER LA SYNTHÈSE SYSTÉMATIQUE DEPEPTIDES ET D’ISOPEPTIDES.LE MÉTABOLISME ACTUEL DE LA SYNTHÈSE DESNUCLÉOTIDES ET DES COENZYMES UTILISE DES ACIDESAMINÉS, ET IL S’AGIT DONC PEUT-ÊTRE DE LA TRACE DE CEPASSÉ PRIMITIF.

DANS DE NOMBREUX CAS ON TROUVE UNE « VARIATIONSUR UN THÈME » C’EST À DIRE QU’UN SOCLE COMMUNRECOIT DES ACCEPTEURS DIVERS : IL S’AGIT LÀ DE« TRANSFORMATION HOMÉOTOPIQUE. »

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PREMIÈRE ÉTAPE

ON ATTEND PAR CONSÉQUENT UN MÉTABOLISME DE SURFACE UTILISANTDES MOLÉCULES À SQUELETTE CARBONÉ ET PORTEUSES DEGROUPEMENTS CHARGÉS NÉGATIVEMENT

CES MOLÉCULES COMPRENNENT UN CERTAIN NOMBRE D’ACIDES AMINÉS« SIMPLES » (GLYCINE, ALANINE, SÉRINE, CYSTÉINE, ASPARTATE,GLUTAMATE...) ET LE CŒUR DE CE QUI CONSTITUE AUJOURD’HUI LAGLYCOLYSE

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CE QU’IL FAUT EXPLIQUER DE LA SOUPE À LA SURFACE DES PIERRES LA TRANSFORMATION HOMÉOTOPIQUE DES ACIDES AMINÉS AUX NUCLÉOTIDES LE MONDE DES ARN UNIVERSAUX DANS LES GÉNOMES LE CŒUR DU GÉNOME : CE QUI PERSISTE EXPLORATION DE L’ENVIRONNEMENT : LE CÉNOME VIE ET CALCUL LE PLAN DE LA CELLULE EST DANS LE CHROMOSOME

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(ISO)PEPTIDE

(ISO)PEPTIDE

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LA SYNTHÈSE DES ACIDES GRAS ET DES PEPTIDES (NECOMPRENANT PAS NÉCESSAIREMENT DES ACIDES AMINÉS L)SE DÉROULE EN PARALLÈLE AVEC LA SYNTHÈSE DES ACIDESGRAS.

IL EN RÉSULTE LA SYNTHÈSE DE MEMBRANES LIPIDIQUES, DECOENZYMES ET DE NUCLÉOTIDES. LA POLYMÉRISATION DECES DERNIERS, EN PRÉSENCE DE PEPTIDES, CONDUIT À DESARN (ENCHAÎNEMENT 5’-3’) ET AU MONDE ARN OU L’ANCÊTREDE L’ARN DE TRANSFERT SE SUBSTITUE AUX SURFACESSOLIDES, EN PARTICULIER VIA LA PRÉSENCE D’ATOMES DESOUFRE.

LA DÉCOUVERTE DU RÔLE POSSIBLE DE MATRICE VADONNER LIEU À L’INVENTION DU CODE GÉNÉTIQUE.

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DANS TOUS LES CAS SE POSE LA QUESTION DE L’ORIGINEDES NUCLÉOTIDES, CAR CES MOLÉCULES À BASE DE RIBOSESONT TRÈS INSTABLES, CE QUI SUPPOSE UNE PRODUCTIONCONTINUE.UN COENZYME SOUFRÉ (QUI SE LIE DONC FACILEMENT À DESSURFACES FER-SOUFRE), LA MOLYBOPTÉRINE, POURRAITDONNER UNE IDÉE D’UN SCÉNARIO D’ORIGINE, EN INVERSANTLE MÉTABOLISME ACTUEL QUI À PARTIR DU GTP DONNE LESPTÉRIDINES.L’IDÉE EST ALORS QUE LES PTÉRIDINES ÉTAIENT OBTENUESAU COURS D’UN PROCESSUS PRIMITIF DE FIXATION DEL’AZOTE, ET QUE LA CYCLISATION SOUS FORME DE GMPÉTAIT UNE « FUITE » ACCIDENTELLE DE CE PROCESSUS.

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CE QU’IL FAUT EXPLIQUER DE LA SOUPE À LA SURFACE DES PIERRES LA TRANSFORMATION HOMÉOTOPIQUE DES ACIDES AMINÉS AUX NUCLÉOTIDES LE MONDE DES ARN UNIVERSAUX DANS LES GÉNOMES LE CŒUR DU GÉNOME : CE QUI PERSISTE EXPLORATION DE L’ENVIRONNEMENT : LE CÉNOME VIE ET CALCUL LE PLAN DE LA CELLULE EST DANS LE CHROMOSOME

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LES ARN PEUVENT AVOIR UNE ACTIVITÉ ENZYMATIQUEAUTONOME, ILS PEUVENT AUSSI LIER SPÉCIFIQUEMENT DESPETITES MOLÉCULES (APTAMÈRES), ILS PEUVENT ENFINJOUER LE RÔLE DE MATRICE POUR L’ADAPTATION D’ARNCOMPLÉMENTAIRES.

LES « INTRONS » ILLUSTRENT, AUJOURD’HUI ENCORE, LACAPACITÉ DES ARN À CATALYSER LEUR PROPRE EXCISION,AVEC L’ÉPISSAGE DE FRAGMENTS ADJACENTS

LE MONDE DES ARN

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REPROGRAMMER

Le virus de l’hépatite C comporte unARN à brin unique de 9600 nucléotides,codant directement une protéinemultifonctionnelle de 3010 acides aminésqui est secondairement scindée en aumoins 10 protéines tardives dematuration virale. Fragile, il se répliquemalPar génie génétique Liang et collèguesont construit un ADN autoréplicatifcodant l’ARN du virus, entouré de deuxrégions capables sous forme d’ARN dese cliver spontanément en libérant l’ARNviral. Cette protection/déprotection,entièrement artificielle, donne lieu à laproduction continue de virusnormalement infectieux

Heller T et al An in vitro model of hepatitis C virion production.Proc Natl Acad Sci U S A.2005 102:2579-2583.

Pr. Amine SLIM Laboratoirede Microbiologie - CHUCharles Nicolle Tunis

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LES ARN SONT TRÈS INSTABLES, EN RAISON EN PARTICULIER DELA NATURE FRAGILE DU RIBOSE.

LA POSITION 2’OH DU RIBOSE REND DIFFICILE LAPOLYMÉRISATION CORRECTE (5’-3’) DES ARN (EN FAIT IL FAUTL’ÉCRANTAGE DE PROTÉINES POUR QUE CE SOIT POSSIBLE).

LA DÉCOUVERTE DE LA RÉDUCTION DE CETTE POSITION, SOUSLA FORME DE DÉSOXYRIBONUCLÉOTIDES, A PERMIS DE FIGER LAMÉMOIRE HÉRÉDITAIRE. LES ENZYMES CORRESPONDANTES (3CLASSES, D’UNE MÊME ORIGINE) SUPPOSENT L’ABSENCED’OXYGÈNE ET LA PRÉSENCE INITIALE D’UN NOYAU FER-SOUFRE.

L’INVENTION DE L’ADN

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UN SCENARIO DE L’ORIGINE DE LA VIE

LA SURFACE DE SOLIDES CHARGÉS COMME LA PYRITE DE FER (FE-S)PERMET LA SÉLECTION ET UNE COMPARTIMENTATION PRIMITIVE DEMOLÉCULES CHARGÉES ; LA POLYMÉRISATION AVEC ÉLIMINATION D’EAUEST FAVORISÉE PAR EFFET ENTROPIQUE; CETTE PREMIÈRE ÉTAPEFORME CERTAINS ACIDES AMINÉS, LES PRINCIPAUX COENZYMES, LESACIDES GRAS ET LES RIBONUCLÉOTIDES

UNE FOIS COMPARTIMENTÉ, LE MÉTABOLISME CRÉE DES SUBSTITUTSDES SURFACES (LE MONDE ARN) PAR POLYMÉRISATION DESRIBONUCLÉOTIDES EN PRÉSENCE DE PEPTIDES ; LES ARN DÉCOUVRENTLA LOI DE COMPLÉMENTARITÉ, ET LE CODE GÉNÉTIQUE EST INVENTÉ

LES ACIDES NUCLÉIQUES SONT STABILISÉS PAR L’INVENTION DESDÉSOXYRIBONUCLÉOTIDES, AU MOMENT OU S’ÉTABLIT L’ENSEMBLE DESRÈGLES DES TRANSFERTS D’INFORMATION, D’ABORD AU SEIN D’UNMONDE ARN OU DES VÉSICULES PORTEUSES DES ANCÊTRES DES GÈNESSE SCINDENT ET FUSIONNENT TOUR À TOUR, AVANT QUE SE FORMENTLES PREMIERS GÉNOMES

causeries/causeries.html

A Danchin_Une Aurore de Pierres. Aux origines de la vie, Le Seuil 1990

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CE QU’IL FAUT EXPLIQUER DE LA SOUPE À LA SURFACE DES PIERRES LA TRANSFORMATION HOMÉOTOPIQUE DES ACIDES AMINÉS AUX NUCLÉOTIDES LE MONDE DES ARN UNIVERSAUX DANS LES GÉNOMES LE CŒUR DU GÉNOME : CE QUI PERSISTE EXPLORATION DE L’ENVIRONNEMENT : LE CÉNOME VIE ET CALCUL LE PLAN DE LA CELLULE EST DANS LE CHROMOSOME

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PÉRIODICITÉ DANS LES GÉNOMES

motifs

ON OBSERVE UNECORRÉLATION ENTRE LESPAIRES DE BASESRÉPARTIES SELON UNEPÉRIODE DE TROIS.

SI L’ON DÉCONVOLUECETTE PÉRIODE, DUE AUXCONTRAINTES DU CODEGÉNÉTIQUE (MAIS MALIDENTIFIÉES DE FACONEXPLICITE) IL RESTE UNEPÉRIODE FLOUE DE 10 À11,5 PAIRES DE BASES

Eskesen et coll. BMC Molecular Biology Volume 5, 12, 2004

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Un caractère universel du texte du programme : la période 10-11,5

motifs

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100bp

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100bp

ffss(G(G--))-0.01

0

0.01

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100bp

réel

modèle

différence

Helicobacter pylori

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Motifs flexibles de type A

methods

1- 1-xxAAxxxxxxxxTTxxxxxxxxAAxxxxxxxxTTTTxxxxxxxxxxAAxxxxxxxxTTxxxxxxxxAAxxxxxx: : Tous rTous rèègnesgnes 2-2-xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxGGxxxxxxxxTTTTxxxxxxCCxxxxxxxxxxTTxxxxxxxxxxxxxxxxxx:: ProteobacteriaProteobacteria 4- 4-xxxxxxxxxxxxTTxxxxxxxxAGAGxxxxxxTTTTxxxxxxxxxxxxxxxxTTxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx:: ArchaeaArchaea 55''--xxxxxx-10xxxxxxxxx0xxxxxxxx10xxxxxx-10xxxxxxxxx0xxxxxxxx10xxxxxxbp-3bp-3''

TTTTxxxxxxGGxxxxxxTTxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxTTTT

Les nucleotides composant cette classede motifs sont pleinement accessiblesde ce côté mais les dinucléotides setrouvent dans le petit sillon

Les nucleotides composant cette classede motifs sont pleinement accessiblesde ce côté et les dinucléotides setrouvent dans le grand sillonTTTT

GG TT TTTT

AAAACC

AA AAAA

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Une règle universelle : lesmotifs flexibles de type A

La flexiblilité de ces motifs permet à l’ADN de prendreen compte les supertours et les courbures locales

Larsabal E, Danchin A.Genomes are covered with ubiquitous 11 bp periodic patterns, the "class A flexible patterns »BMC Bioinformatics. 2005 6:206

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EXISTE-T-IL DES BIAIS DUS À LA RÉPLICATION ?

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Les gènes ont tendance à préférer lebrin précoce de la réplication chez lesBactéries. On observe cependant unetrès grande variation, qui dépend del’organisme : les bactéries à colorationde Gram positive et dont l’ADN estriche en A+T ont un biaisparticulièrement important

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180

90

0

27055% leading

Escherichia coli

Ori

Ter

90270 65% leadingTreponema pallidum

Ori

Ter

180

90270 75% leadingBacillus subtilis

Ori

Ter

9027087% leading

Thermoanaerobactertengcongensis

Ori

Ter

densité des gènesdensité des gènesdans le brin direct(précoce)

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Tôt ou tard...

Est-il possible de voir s’il y a une différencedans la composition en nucléotides, entre lebrin précoce et le brin retardé ? Est-ce que celainfluence le biais d’usage du code ? Est-ce quecela a une influence sur la composition enacides aminés des protéines ?

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Prenant une originearbitraire pour laréplication et unepropriété du brin(composition enbases, en codons,composition enacides aminés de laprotéine codée…)l’analysediscriminante linéairepermet de découvrirs’il y a une origine, ets’il y a un biais entreles brins

Tôt ou tard ...

E. Rocha, A. Danchin & A. Viari Universal replication biases in bacteria. Mol. Microbiol. (1999) 32: 11-16

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C’est la question…

.

0,450,5

0,550,6

0,650,7

0,750,8

0,85

0 20 40 60 80 100

Bacillussubtilis

accu

racy

Borreliaburgdorferi

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 20 40 60 80 100 0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1Chlamydiatrachomatis

0 20 40 60 80 100

0,45

0,5

0,55

0,6

0,65

0,7

0,75

0 20 40 60 80 100

Escherichiacoli

accu

racy

0,45

0,5

0,55

0,6

0,65

0,7

0,75

0 20 40 60 80 100

Haemophilusinfluenzae

0 20 40 60 80 100

Helicobacterpylori

0,4

0,45

0,5

0,55

0,6

0,65

0,7

0,40,45

0,50,55

0,60,65

0,70,75

0,8

0 20 40 60 80 100

Methanobacteriumthermoautotrophicum

position (%) position (%) position (%)

accu

racy

0,45

0,5

0,55

0,6

0,65

0,7

0,75

0 20 40 60 80 100

Mycobacteriumtuberculosis

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 20 40 60 80 100

Treponemapallidum

Nucléotides

Acides aminés

Codons

Dinucléotides

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Visible dans lesprotéines…

GT dans le brin précoce, CA dans le brin retardé...

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Les gènes essentielssont dans le brin précoce

hi ghlyexpressed

0%

25%

50%

75%

100%

non-highlyexpressed

gènes essentiels gènes non-essentiels

retardé

précoce

non-highlyexpressed

highlyexpressed

Rocha EP, Danchin A.Essentiality, not expressiveness, drives gene-strand bias in bacteriaNature Genetique. 2003 34:377-378.

25

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Collision despolymérases

DNAPdécélération

Fin de latranscription

Arrêt de la ARNP & ADNP

Transcriptionabortive

Co-orientées FrontaleConséquences:1. Ralentissement de la

réplication

2. Perte des transcrits

Conséquences:1. Transcrits

interrompus

2. Protéines essentiellestronquées

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CE QU’IL FAUT EXPLIQUER DE LA SOUPE À LA SURFACE DES PIERRES LA TRANSFORMATION HOMÉOTOPIQUE DES ACIDES AMINÉS AUX NUCLÉOTIDES LE MONDE DES ARN UNIVERSAUX DANS LES GÉNOMES LE CŒUR DU GÉNOME : CE QUI PERSISTE EXPLORATION DE L’ENVIRONNEMENT : LE CÉNOME VIE ET CALCUL LE PLAN DE LA CELLULE EST DANS LE CHROMOSOME

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VARIATION / SÉLECTION / AMPLIFICATION STABILISATION

ÉVOLUTION CRÉE

FONCTION CAPTURE (RECRUTE)

STRUCTURE CODE

SÉQUENCE

UNE CONTRAINTEUNIVERSELLE, L’ÉVOLUTION

5

LE LIVRE « PRESSE-PAPIERS » cf A DANCHIN La Barque de Delphes, Odile Jacob 1998

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FONCTIONS POUR LA VIE

SONT- ELLESVISIBLESDANS LESGÉNOMES ?

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GÈNES PERSISTANTS

Les gènes essentiels en laboratoire sont situés dans lebrin précoce. Ils sont aussi conservés dans unemajorité de génomes. A l’inverse les gènes qui sontconservés et se trouvent dans le brin précoce formentune catégorie supplémentaire, qui double pratiquementcelle des gènes essentiels

Ces gènes forment des universaux ; 400-500 gènespersistent dans un grand nombre de génomes ; ils sontimpliqués non seulement dans les trois processusnécessaires à la vie, mais dans la maintenance et dansl’adaptation aux phénomènes transitoires ; une fractiongère l’évolution de l’organisme

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Persistance des gènes

Transfert de l’Information Compartimentation Métabolisme intermédiaire Stress, Maintenance et Réparation

30

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Phylogénie de lapersistance

Quelques uns des gènes essentiels absents de la liste ontévolué particulièrement rapidement

Pour mesurer la contribution de cet effet, on la met enparallèle avec l’évolution de l’ARN ribosomique 16S

Deux scénarios distincts apparaissent : dans 85% des casune évolution linéaire, et dans 15% des cas une évolutionerratique

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Par exemple (A), 38% (resp. 48%) des gènespersistants de B. subtilis (resp. E. coli) ont uncoefficient de corrélation >0.9 entre la similitude deséquence des paires d’orthologues et l’ARN 16S.

Au contraire, certains gènes (B) évoluent de façonerratique. Ce peut être dû au transfert génétiquehorizontal, à des adaptations particulières, ou toutsimplement à des erreurs dans l’attribution del’orthologie. Ce dernier problème est importantdans les grandes familles de gènes apparentés.Cependant les gènes ayant cette propriété sontune minorité (un sixième) des gènes persistants.

Persistance des gènes

G Fang, EPC Rocha, A DanchinHow essential are non-essential genes?Mol Biol Evol (2005) 22: 2147-2156

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QUELLES FONCTIONS POUR LA VIE ?UN SCENARIO DE L’ORIGINE DE LA VIE

LA SURFACE DE SOLIDES CHARGÉS COMME LA PYRITE DE FER(FE-S) PERMET LA SÉLECTION ET UNE COMPARTIMENTATIONPRIMITIVE DE MOLÉCULES CHARGÉES ; LA POLYMÉRISATIONAVEC ÉLIMINATION D’EAU EST FAVORISÉE PAR EFFETENTROPIQUE

UNE FOIS COMPARTIMENTÉ, LE MÉTABOLISME CRÉE DESSUBSTITUTS DES SURFACES (LE MONDE ARN)

LES ACIDES NUCLÉIQUES SONT STABILISÉS PAR L’INVENTION DESDÉSOXYRIBONUCLÉOTIDES, AU MOMENT OU S’ÉTABLIT L’ENSEMBLE DESRÈGLES DES TRANSFERTS D’INFORMATION, D’ABORD AU SEIN D’UNMONDE ARN OU DES VÉSICULES PORTEUSES DES ANCÊTRES DES GÈNESSE SCINDENT ET FUSIONNENT TOUR À TOUR, AVANT QUE SE FORMENTLES PREMIERS GÉNOMES

causeries/causeries.html

A Danchin_Une Aurore de Pierres. Aux origines de la vie, Le Seuil 1990

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Les gènes persistantssont regroupés

Avec l’analyse de 228 génomes codant chacun plus de 1500gènes et des annotations « correctes », on peut identifier lesgènes persistants qui tendent à rester à proximité les unsdes autres ; cette « attraction mutuelle » constitue un réseauremarquable fait de trois cercles concentriques quiregroupent les fonctions identifiées dans ce scénario del’origine de la vie : un métabolisme compartimenté (à lasurface des pierres) suivi de l’invention d’un substitut dessurfaces, l’ARN, puis de l’usage des acides nucléiques pourgérer les interactions avec l’environnement au travers del’information correspondante

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Les gènes persistantsrécapitulent l’origine de la vie

Le réseau externe, fait de gènes dumétabolisme intermédiaire (nucléotides etcoenzymes, lipides), est très fragmenté ; leréseau médian est formé autour des ARNtsynthétases de classe I, et le réseau intérieur,presque continu, est organisé autour duribosome, de la transcription et de laréplication gère les transferts d’information

Ce réseau est compatible avec un scénario oùles coenzymes et les maillons élémentairesdes acides nucléiques et des protéines ontconduit à un métabolisme dont les supportétait l’ancêtre des ARN de transfer, suivi parun monde ARN où apparaît la loi decomplémetarité et le concept de matrice, puisle code génétique G. Fang

35

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« Etre » implique leregroupement

Pourquoi les gènes persistants sont-ils regroupés ? Unmodèle très simple montre que si, pour compenser letransfert horizontal des gènes, les gènes tendent àdisparaître en groupes, alors tout gène contribuant àl’adéquation de l’organisme à son environnement assezfréquemment tendra à se regrouper avec les gènes ayant lamême propriété. Cela explique le regroupement des gènesessentiels, mais peut-être aussi celui des gènes derésistance aux antibiotiques....

En conséquence le regroupement précède et ne résulte pasde la co-transcription ou des interactions protéine-protéine !

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L’existence implique leregroupement