Phylogénie des Archaea

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


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 +


Comparaison des fusions P2 et P3


Sulfolobus solfataricusPyrococcus furiosusPyrococcus abyssi

Pyrococcus horikoshiiMethanococcus jannaschii

Methanobacterium thermoautotrophicum Halobacterium sp.

Haloarcula marismortui Methanosarcina barkeri

Archaeoglobus fulgidus Thermoplasma acidophilum

Ferroplasma acidarmanus



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


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


M. jannaschii


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


M. jannaschii


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




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


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


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


Thermoplasma acidophilumArchaeoglobus fulgidus

Haloferax volcaniiHaloarcula marismortuiHalobacterium sp.

Methanogenium frigidumMethanobacteroides burtoniiMethanosarcina barkeriMethanosarcina acetivoransMethanosarcina mazei

Sulfolobus tokodaiiSulfolobus solfataricus

Nanoarcheum equitansThermococcus gammatoleransPyrococcus furiosusPyrococcus abyssiPyrococus horikoshii


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


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


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


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


Methanococcus maripaludis1.00/97

1.0057

MethanothermobacterthermautotrophicusMethanopyrus kandleri

1.00100

Haloarcula marismortui

Halobacterium sp.

Haloferax volcanii0.9054

1.00100


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


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


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




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


Methanosarcina barkeri Methanosarcina acetivorans Methanosarcina mazeii

Methanomicrobiales



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

Documents

Phylogénie des Archaea