Phylogénie des Archaea

1. Phylogénie des Archaea Céline Brochier EA EGEE (Évolution Génome Environnement) Université de Provence Aix-Marseille I

2. * Halobacteriales Methanomicrobiales Methanomicrobiales * Origine précoce de la Méthanogénèse Thermoplasmatales Methanobacteriales Methanobacteriales Methanosarcinales Methanosarcinales Archaeoglobales Archaeoglobales Methanoccocales Methanoccocales Methanoccocales Thermococcales Thermococcales Methanopyrales Methanopyrales AAG group Korarchaeota Nanoarchaeota Thermoproteales Thermoproteales Ancêtre hyperthermophile anaerobic Desulfurococcales Desulfurococcales * Sulfolobales Sulfolobales Découverte d’un représentant d’un troisième phyla ? Phylogénie des Archaea (ARNr 16S) Euryarchaeota (9 ordres) BACTERIA EUKARYA Methanopyrales Crenarchaeota (3 ordres) 0.05 Adapté de Schleper Nat Rev Microbio 2005

3. Émergence précoce des Halophiles M. kandleri M. jannaschii P. abyssi M. thermautotrophicum P. horikoshii Regroupement Thermoplasmatales + Crenarchaea A. pernix Archaeoglobus fulgidus S. solfataricus T. volcanium Halobacterium sp. T. acidophilum T. maritima R. radiodurans E. coli Phylogénie des Archaea(whole genome tree content) Omelchenko et al. BMC Evolutionary Biology 2005 Slesarev et al. PNAS 2002

4. Phylogénie basée sur le gène 1 Phylogénie basée sur le gène 2 A B A B C F C D D E E F Problème des transferts horizontaux de gènes en phylogénie Phylogénie des espèces A B C D E F

5. ? Doolittle Science (1999) Problématique • Est-il possible de reconstruire une phylogénie des procaryotes dans un contexte de HGT ?

6. Stratégie 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 Les gènes qui ont subi la même histoire évolutive doivent permettre d’inférer (aux fluctuations près) la même phylogénie Test Des gènes congruents doivent soutenir ou rejeter de la même façon les différentes topologies possibles

7. Tester la congruence des marqueurs une approche rapide Topologies 0 0,2 42 13 4 1 R²=0,9 2 0,1 0 37 9 4,7 R²=0,05 3 4,1 3,3 0,3 0 7,8 Gènes ….. 4 0,1 1,7 0,7 3,4 5,4 5 0,6 0,1 0 1,7 0,3 6 0,4 0,4 0,7 2,2 0,1 7 0,3 0,8 3,9 4,7 9,7 Analyse en Composante Principale (ACP) des valeurs de déviation standard de chaque topologie par rapport à la meilleure 2 gènes congruents seront proches sur l ’ACP alors que 2 gènes incongruents seront éloignés

8. 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

9. Gènes individuels Fusions ACP r-protéines (Archaea) P2 Axe 2 ( 11%) P1 RTN+ 44 r-protéines Axe 1 ( 61%) P3 9 r-protéines P1G = 53 prot. (7175 pos) – JTT + loi G P3 = 9 prot. (926 pos) – JTT P2 = 44 prot. (6249 pos) – JTT RTN+G = ARNr 16S et 23S (3933 pos) – TN + loi G Matte et al. MBE 2002

10. L15e,197aa L12e,89aa Ferroplasma acidarinanus 89 Pyrobaculum aerophilum Thermoplasma acidophilum Aeropyrum pernix Aeropyrum pernix 87 Sulfolobus solfataricus Pyrobaculum aerophilum 100 70 Haloarcula marismortui Sulfolobus solfataricus 89 Archaeoglobus fulgidus 25 Pyrococcus abyssi 100 100 Methanosarcina barkeri Pyrococcus horikoshii Halobacterium sp. Pyrococcus furiosus 100 98 Methanococcus jannaschii 100 Methanococcus jannaschii M. thermoautotrophicum Archaeoglobus fulgidus 52 36 Pyrococcus furiosus Methanosarcina barkeri 62 Pyrococcus abyssi M. thermoautotrophicum 51 100 60 Pyrococcus horikoshii Haloarcula marismortui 10 64 61 48 10 Thermoplasma acidophilum Halobacterium halobium 100 Ferroplasma acidarinanus 100 Aeropyrum pernix Sulfolobus solfataricus Pyrococcus abyssi 52 Haloarcula marismortui 57 Halobacterium sp. 100 Hs6,113aa Methanobacterium thermoautotrophicum 100 Methanosarcina barkeri 70 Pyrobaculum aerophilum Thermoplasma acidophilum 33 Methanococcus jannaschii 10 64 Archaeoglobus fulgidus 100 r-protéines détectées comme incongruentes a posteriori Matte et al. MBE 2002

11. Détection de l’incongruence par les heat maps Bapteste et al. BMC evolutionary biology 2005 Application aux protéines de la traduction d’archaea => détection de marqueurs incongruents: rpl15e, rpl37ae… Double clustering hiérarchique des gènes et des topologies Échelle = p-value calculée pour un gène donné et une topologie donnée variant de 0 (=rejet) à 1 (=acceptation) Marqueurs artificiels Marqueurs réels

12. Comparaison des fusions P1 et ARNr TN+G 53 r-protéines (7175 pos) ML JTT + G ARNr 16S +23S (3933 pos) ML TN + G Pyrobaculum aerophilum Aeropyrum pernix 82 Sulfolobus solfataricus 100 Pyrococcus furiosus Pyrococcus horikoshii 100 100 68 Pyrococcus abyssi 100 Methanococcus jannaschii 30 52 100 100 Methanobacterium thermoautotrophicum Archaeoglobus fulgidus 78 Methanosarcina barkeri 55 100 94 Haloarcula marismortui 100 87 100 100 Halobacterium sp 72 99 Thermoplasma acidophilum 10 10 100 100 Ferroplasma acidarmanus Matte et al. MBE 2002

13. 10 10 Comparaison des fusions P2 et P3 44 r-protéines (6249 pos) ML JTT + G 9 r-protéines (926 pos) ML JTT + G Pyrobaculum aerophilum Aeropyrum pernix Sulfolobus solfataricus 100 100 Pyrococcus furiosus Pyrococcus abyssi 100 100 71 Pyrococcus horikoshii 100 100 Methanococcus jannaschii 100 Methanobacterium thermoautotrophicum Phylogénies congruentes sauf pour la position des Thermoplasmatales HGT préférentiels à partir des Sulfolobales ? Proximité écologique > Proximité phylogénétique 37 86 100 Halobacterium sp. 23 94 100 Haloarcula marismortui 51 100 100 100 Methanosarcina barkeri Archaeoglobus fulgidus 98 Thermoplasma acidophilum 42 Ferroplasma acidarmanus 100 100 Matte et al. TIG 2002

14. 60% 35% 66% 10 Comparaison des protéomes des Thermoplasmatales et Sulfolobales Pyrobaculum aerophilum Aeropyrum pernix Sulfolobus solfataricus 2981 ORF 100 Pyrococcus furiosus 2125 ORF Pyrococcus abyssi 100 Pyrococcus horikoshii 100 Methanococcus jannaschii 100 Methanobacterium thermoautotrophicum Échanges de gènes importants entre microorganismes vivants dans un même milieu => Adaptation secondaire des Thermoplasmatales au milieu acide ? 86 Halobacterium sp. 100 Haloarcula marismortui 51 100 Methanosarcina barkeri Archaeoglobus fulgidus 98 Thermoplasma acidophilum 1553 ORF 42 Picrophilus torridus1535 ORF 100 D’après Fütterer et al. PNAS 2004

15. 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-protéines • La congruence observée peut refléter un fort biais dans le sens des HGT Étude d’autres systèmes indépendants de la traduction

16. 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

17. 0,1456 Positions 57 à 83 Analyses individuelles rpoH A. pernix P. aerophilum S. solfataricus 37 S.tokodaii 97 A. fulgidus M. thermoautotrophicum P. abyssi 91 19 P. horikoshii 1 seul HGT probable entre Thermoplasmatales et Methanopyrus kandleri P. furiosus 100 11 H. sp. H. marismortui 100 M. kandleri 15 25 F. acidarmanus 83 T. acidophilum 40 T. volcanium 95 19 M. jannaschii M.maripaludis 47 65 M. barkeri 45 M.mazei 99 M.acetivorans ARBRE NJ, matrice de distances JJT+G rpoM/TFIIS est manquante chez Methanopyrus kandleri Brochier et al. Genome Biology 2004

18. 100 100 100 100 0.0825 0.0703 Traduction vs Transcription 53 r-protéines, 6373 aa ML JTT +G Protéines de la transcription 3275 aa, ML JTT +G P.aerophilum A.pernix S.tokodaii 84 100 100 S.solfataricus 100 P.furiosus P.horikoshii P.abyssi 100 M.kandleri 100 M.thermautotrophicus 85 M.jannashii 88 89 M.maripaludis 100 100 79 F.acidarmanus T.acidophilum 98 100 62 100 T.volcanium 100 41 100 A.fulgidus 96 Halobacterium sp. 100 100 H.marismortui 100 100 100 100 M.barkeri 2 incongruences mineures ! 1 incongruence majeure ! Brochier et al. Genome Biology 2004

19. P. aerophilum A. pernix 62 Sulfolobus tokodaii S. solfataricus 100 M. kandleri P. abyssi rpoA’ (812 pos NJ + JJT+G) 99 P. horikoshii P. furiosus 100 100 M. jannaschii M.maripaludis 87 100 M. thermoautotrophicum 89 F. acidarmanus T.volcanium 64 100 T. acidophilum 100 A. fulgidus 93 H. sp. H. marismortui 100 86 0,0887 M. barkeri 100 100 M.acetivorans 96 M.mazei P. aerophilum A. pernix 78 Sulfolobus tokodaii S. solfataricus 100 M. kandleri P. abyssi 54 P. horikoshii 100 P. furiosus 47 M. jannaschii M.maripaludis 99 49 M. thermoautotrophicum 52 F. acidarmanus 39 T.volcanium 100 100 T. acidophilum 27 A. fulgidus H. sp. H. marismortui 28 100 rpoA’’ (360 pos, NJ + JJT+G) M. barkeri 100 90 M.acetivorans 0,1480 57 M.mazei Methanopyrus kandleri % de divergence observé dans les JDD traduction et transcription 30% des sites de la fusion Traduction (r-protéines) Couples M kandleri - x Divergence de M. kandleri observée transcription > traduction Transcription (RNA pol sub.) Brochier et al. Genome Biology 2004

20. Methanopyrus kandleri Brochier et al. Genome Biology 2004

21. M. kandleri S. solfataricus T. acidophilum M. jannaschii R. radiodurans P. abyssi T. volcanium E. coli M. thermautotrophicum P. horikoshii A. pernix T. maritima A. pernix Archaeoglobus fulgidus Archaeoglobus fulgidus S. solfataricus M. kandleri T. volcanium Halobacterium sp. Halobacterium sp. M. jannaschii T. acidophilum P. horikoshii T. maritima M. thermautotrophicum P. abyssi R. radiodurans E. coli 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/TFIIS Slesarev et al. PNAS 2002

22. 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

23. Analyse de 25 génomes Pyrobaculum aerophilum Aeropyrum pernix * * Sulfolobus tokodaii 100 100 Sulfolobus solfataricus * * Nanoarcheum equitans Thermococcus gammatolerans Pyrococcus furiosus * Pyrococcus abyssi * * Pyrococus horikoshii * 100 * Methanopyrus kandleri 100 * Methanobacterium thermautotrophicus 55 95 Methanococcus maripaludis 68 * 100 Methanocaldococcus jannashii * Ferroplasma acidarmanus Thermoplasma volcanium 31 82 * * Thermoplasma acidophilum * * Archaeoglobus fulgidus 97 77 Haloferax volcanii Haloarcula marismortui * 85 * 96 Halobacterium sp. 86 45 Methanogenium frigidum 98 86 Methanobacteroides burtonii 100 79 0.1 Methanosarcina barkeri 0.1 100 100 Methanosarcina acetivorans * * Methanosarcina mazei transcription ML JTT+G * r-protéines ML JTT+G * Les deux incongruences mineures ont disparu ! 1 incongruence majeure ! Brochier et al. BMC Evolutionary Biology 2005

24. 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 ? Seuls les méthanogènes possèdent la quasi totalité des protéines impliquées dans la méthanogénèse et la synthèse des coenzymes 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) A. fulgidus possède des enzymes impliquées dans la méthanogénèse. Absence des enzymes réalisant les deux dernières étapes => pas de méthanogénèse Ces enzymes sont impliquées dans l’oxydation du lactate. Enzymes impliquées dans la méthanogénèse et dans la synthèse des cofacteurs

25. Phylogénie des protéines impliquées dans la méthanogénèse Non méthanogènes Methanopyrus kandleri M. thermautotrophicus Methanogènes Classe I Methanocaldococcus jannaschii Methanosarcinales Methanogènes Classe II Methanomicrobiales Seuls 3 transferts de protéines impliquées dans la méthanogénèse ou dans la synthèse des coenzymes sont observés entre méthanogènes Gènes non organisés en opéron 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)

26. Acquisition de la methanogénèse Évolution de la méthanogénèse Nanoarchaeota Crenarchaeota 100 100 100 100 Thermococcales 100 Methanopyrales Methanobacteriales 98 Methanococcales 49 100 Euryarchaeota Thermoplasmatales 100 100 Archaeoglobales 99 Halobacteriales 100 82 Methanomicrobiales 100 100 Methanosarcinales 100 100 100 0.1 Methanogènes (Classe I) Perte des gènes impliqués dans la methanogénèse Methanogènes (Classe II) Perte partielle des gènes impliqués dans la methanogénèse

27. Une phylogénie des Archaea totalement résolue ? Pyrobaculum aerophilum Aeropyrum pernix • 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 * Sulfolobus tokodaii 100 Sulfolobus solfataricus * Nanoarcheum equitans Thermococcus gammatolerans Pyrococcus furiosus 100 Pyrococcus abyssi * Pyrococus horikoshii * Methanopyrus kandleri Et pourtant… 100 Methanobacterium thermautotrophicus 55 Methanococcus maripaludis 100 Methanocaldococcus jannashii * Ferroplasma acidarmanus Thermoplasma volcanium 31 * Thermoplasma acidophilum * Archaeoglobus fulgidus 97 Haloferax volcanii Haloarcula marismortui * 85 Halobacterium sp. 86 Methanogenium frigidum 98 Methanobacteroides burtonii 100 0.1 Methanosarcina barkeri 100 Methanosarcina acetivorans * Methanosarcina mazei * Brochier et al. BMC Evolutionary Biology 2005 r-protéines ML JTT+G

28. Eukarya Nanoarchaeota Crenarchaeota 84% Euryarchaeota 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

29. 7/49 r-protéines supportent un placement basal de N. equitans (4L/3S) 9/49 r-protéines supportent un placement dans les Crenarchaeota (6L/3S) 33/49 r-protéines supportent un placement dans les Euryarchaeota (16L/17S) Basal Groupe frère des Sulfolobales Groupe frère d’Aeropyrum pernix Groupe frère de Pyrobaculum aerophilum Autre mais dans les Crenarchaeota Groupe frère des Thermococcales Groupe frère de Methanopyrus kandleri Groupe frère des Methanococcales Groupe frère des Methanobacteria Groupe frère des Tp ou Ar ou Halo ou Mmicrob Autre mais dans les Euryarchaeota Position de Nanoarchaeum equitans Brochier et al. Genome Biology 2005 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 ?

30. Basal Autre Basal Groupe frère des Methanococcales Groupe frère d’Aeropyrum pernix Groupe frère d’Archaeoglobus fulgidus Groupe frère de Pyrobaculum aerophilum Groupe frère des Thermoplasmatales Autre mais dans les Crenarchaeota Groupe frère des Methanomicrobia Autre mais dans les Euryarchaeota Dans les Euryarchaeota Groupe frère de Methanopyrus kandleri Autre Position des Sulfolobales et Halobactériales Malgré leur petite taille la position correcte de ces deux groupes est majoritairement retrouvée 56%

31. Pyrobaculum aerophilum Uncultured crenarchaeote Pyrobaculum aerophilum Aeropyrum pernix 1.00/100 1.00 99 Aeropyrum pernix Desulfurococcus mobilis -/100 Nanoarchaeum equitans N. equitans Desulfurococcus mobilis Sulfolobus solfataricus -/74 0.98/94 Sulfolobus solfataricus Sulfolobus tokodaii -/64 1.00/100 1.00 100 Sulfolobus acidocaldarius 1.00 79 Sulfolobus acidocaldarius 1.00 64 1.00/97 1.00/100 Thermococcus celer Pyrococcus furiosus Sulfolobus tokodaii Nanoarchaeum equitans 1.00/99 Nanoarchaeum equitans 1.00 100 1.00 79 Thermococcus celer 1.00 64 Pyrococcus furiosus Pyrococcus abyssi Pyrococcus abyssi Pyrococcus horikoshii Pyrococcus horikoshii 1.00/100 Pyrococcus horikoshii 1.00/100 Pyrococcus abyssi 1.00/100 Pyrococcus furiosus 1.00/92 Methanopyrus kandleri 1.00/100 Pyrococcus woesei 1.00/100 1.00/100 93/35 Pyrococcus horikoshii M. thermautotrophicus Pyrococcus abyssi Archaeoglobus fulgidus 1.00/100 Methanocaldococcus jannaschii 1.00/70 0.88 35 Methanocaldococcus jannaschii 1.00/100 Methanococcus vannielii Methanococcus vannielii 1.00/100 1.00/92 Pyrococcus furiosus 1.00/100 Methanococcus maripaludis 1.00/100 Methanococcus maripaludis 1.00/100 Picrophilus torridus 1.00 100 Methanopyrus kandleri 1.00 94 0.88/31 Ferroplasma acidarmanus -/39 M. thermautotrophicus Pyrococcus woesei Thermoplasma volcanium 1.00/100 1.00/100 Ferroplasma acidarmanus 1.00/100 Thermoplasma acidophilum Thermoplasma volcanium 1.00/100 0.86/34 Thermoplasma acidophilum 1.00/98 Archaeoglobus fulgidus 0.78/27 Methanococcoides burtonii Nanoarchaeum equitans 1.00 98 Haloferax volcanii 1.00 100 Methanosarcina barkeri 0.86/49 Haloarcula marismortui 1.00/100 Thermococcus gammatolerans Methanosarcina mazei -/44 Halobacterium salinarum 1.00/100 0.63/100 Methanosarcina acetivorans 0.85/54 Halobacterium sp. 1.00/100 Pyrococcus furiosus 1.00/98 Haloferax volcanii -/90 1.00/100 Methanococcoides methylutens 1.00 100 Haloferax volcanii Methanococcoides burtonii Pyrococcus abyssi 1.00/ 100 Haloarcula marismortui 0.95/70 Methanosarcina thermophila 1.00/100 1.00/ 93 Halobacterium sp. Pyrococcus horikoshii Methanosarcina barkeri 1.00/79 0.1 0.1 1.00/100 Halobacterium salinarum Methanosarcina mazei 1.00/100 1.00/40 1.00/97 Methanosarcina acetivorans 1.00/56 Pyrobaculum aerophilum Aeropyrum pernix Sulfolobus tokodaii 1.00/100 Sulfolobus shibatae 1.00/100 Sulfolobus solfataricus 1.00/100 Nanoarchaeum equitans 1.00 98 Thermococcus gammatolerans Pyrococcus furiosus 1.00/100 Pyrococcus abyssi 0.95/70 1.00/40 Pyrococcus horikoshii Bdellovibrio bacteriovorus 1.00/100 1.00 57 Methanocaldococcus jannaschii 1.00/97 Methanococcus maripaludis Methanothermobacter thermautotrophicus 1.00 100 1.00/100 Methanopyrus kandleri Haloarcula marismortui 1.00 100 1.00/80 Halobacterium sp. 0.90 54 Haloferax volcanii 1.00/100 Archaeoglobus fulgidus Methanogenium frigidum 0.67/94 Methanococcoides burtonii 0.99/78 Methanosarcina barkeri 1.00/100 Methanosarcina mazei 1.00/100 0.1 0.38/49 Methanosarcina acetivorans Marqueurs alternatifs EF-1a (ML et MB, JTT + G) EF-2 (ML et MB, JTT + G) TOPOVI A (ML et MB, JTT + G)

32. Position de N. equitans Desulfurococcales Nanoarchaeota Sulfolobus solfataricus Aeropyrum pernix Sulfolobales Nanoarchaeum equitans Sulfolobus tokodaii Thermococcales 2 3 100 1 4 100 100 Methanopyrales Thermoproteales Pyrobaculum aerophilum 100 Methanopyrus kandleri 100 60 100 Methanocaldococcus jannaschii 72 82 Archaeoglobales Archaeoglobus fulgidus 96 100 75 Methanogenium frigidum Methanococcus maripaludis 100 100 Methanomicrobiales 100 Methanococcales Methanothermobacter thermautotrophicus 100 Methanococcoides burtonii Methanobacteriales 100 Methanosarcina barkeri 100 100 Methanosarcina mazei 100 100 Methanosarcinales Thermoplasma volcanium Methanosarcina acetivorans 63 Thermoplasma acidophilum Haloarcula marismortui Halobacterium sp Ferroplasma acidarmanus 1 - Pyrococcus furiosus 2 - Pyrococcus abyssi 3 - Pyrococcus horikoshii 4 - Thermococcus gammatolerans Haloferax volcanii 0.1 Thermoplasmatales Halobacteriales r-protéines ML JTT + G Brochier et al. Genome Biology 2005

33. 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…

34. Pyrobaculum aerophilum Thermoproteales Apparition unique secondaire de la méthanogénèse chez les Euryotes Aérobie Ancêtre hyperthermophile Hyperthermus butylicus Desulfurococcales Aeropyrum pernix Sulfolobus solfataricus Sulfolobus tokodaii Sulfolobales Sulfolobus acidocaldarius Nanoarchaeum equitans Nanoarchaeota Thermococcus kodakarensis Thermococcus gammatolerans Pyrococcus furiosus Thermococcales Pyrococcus horikoshii Pyrococcus abyssi Methanopyrus kandleri Methanopyrales M. thermautotrophicus Methanobacteriales Methanocaldococcus jannaschii Methanococcales Methanococcus maripaludis Picrophilus torridus Ferroplasma acidarmanus Thermoplasmatales Thermoplasma acidophilum Thermoplasma volcanium Archaeoglobus fulgidus Archaeoglobales Haloarcula marismortui Halobacterium salinarum Halobacteriales Haloferax volcanii Methanogenium frigidum Methanomicrobiales Methanococcoides burtonii Methanosarcina barkeri Methanosarcinales Methanosarcina mazei Methanosarcina acetivorans

35. 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…)

36. Phylogénie des Archaea (RNRr 16S) Euryarchaeota (9 ordres) Halobacteriales Methanomicrobiales Thermoplasmatales Methanobacteriales Methanosarcinales Archaeoglobales Methanoccocales Thermococcales BACTERIA EUKARYA Methanopyrales AAG group Korarchaeota Nanoarchaeota Thermoproteales Desulfurococcales Sulfolobales Crenarchaeota (3 ordres) 0.05 Adapté de Schleper Nat Rev Microbio 2005

37. Analyse des protéines de la traduction Protéines de la traduction Trop d’espèces non représentées (10) Séquences paralogues (8) + ARNt synthétases (20) Séquences non paralogues (orthologues ou xénologues ) (57) Fusion P4 Fusion P1 Calcul des valeurs de vraisemblance pour un échantillonnage représentatif de topologies Analyse en Composante Principale des valeurs de déviation standard de chaque topologie par rapport à la meilleure

38. Résultats de l’ACP P1 (~9000 pos) Ala EF-G Axe 1 (83%) ARNr (~3500 pos) Gènes a priori orthologues Rps14 Gènes a priori non orthologues Fusions Axe 2 (7%) P4 (~11000 pos)

39. Protéines traduction vs ARNr 16S + 23S   Chlamydiales Protéines ~9000 positions Mycoplasmas (Low GC Gram positives)    Spirochetes Chlamydiales Cyanobacteria  Green Sulfur Spirochetes D. radiodurans Cytophagales  High G+C Gram positives Green Sulfur  Cytophagales Low GC Gram positives Thermotogales Thermotogales Aquificales Aquificales Mycoplasmas Cyanobacteria ARNr ~3500 positions Low GC Gram positives D. radiodurans High GC Gram positives Valeurs de bootstrap inférieures à 90%

40. Yersinia Escherichia Pasteurella Haemophilus Buchnera Yersinia Escherichia Salmonella Pasteurella Haemophilus Phylogénie du facteur d’élongation EF-G Campylobacter Campylobacter Helicobacter Helicobacter Thiobacillus Thiobacillus Vibrio Vibrio Yersinia Escherichia Pasteurella Haemophilus Shewanella Shewanella Pseudomonas aeruginosa Pseudomonas fluorescens Pseudomonas aeruginosa Pseudomonas Xylella Nitrosomonas Nitrosomonas Thiomonas Burkholderia Bordetella Ralstonia Bordetella Bordetella Burkholderia Ralstonia Neisseria Neisseria EF-G Fusion P1

41. Phylogénie de l’alanine ARNt synthétase -protéobactéries Chlamydiales -protéobactéries -protéobactéries Aquificales Bactéries vertes sulfureuses -protéobactéries Cytophagales Deinococcales Cyanobactéries Spirochètes Bactéries gram positives à haut taux de GC Thermotogales Bactéries gram positives à bas taux GC

43. Quantification des transferts horizontaux Comparaison du contenu de génomes proches 20% 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 BLAST 24% 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 composition 18% du génome d’Escherichia coli K-12 aurait été acquis par transfert depuis la divergence avec Salmonella. (Lawrence et al. 1998) Estimations très variables et contradictoires (Ragan 2001).

44. Hypothèse de complexité Fréquence des transferts > Gènes du métabolisme Gènes de l’information Procaryotes 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) Les gènes de l’information (réplication, transcription, traduction) formeraient un « noyau » de gènes peu transférés Gènes du métabolisme, Gènes de l’information Euryarcheota Dans les 2 cas, l’estimation des taux de transferts est probablement biaisée par des échantillonnages taxonomiques trop faibles (4 ou 6 taxons)

45. Phylogénie des protéines impliquées dans la méthanogénèse ML phylogenie de7 protéines impliquéesdans la synthèse des coenzymes (aksD, aksE, aksF, cofD, cofG, cofH, comD) Non méthanogènes Methanopyrus kandleri M. thermautotrophicus Methanogènes Classe I 100 Methanocaldococcus jannaschii 88 Methanosarcina acetivorans Seuls 3 transferts de protéines impliquées dans la méthanogénèse ou dans la synthèse des coenzymes sont observés entre méthanogènes Methanogènes Classe II Methanosarcina mazeii 100 1 ML phylogenie de9 protéines impliquéesdans la méthanogénèse (ftr, fwdA, mcrA, mer, mtd, mtrB, mtrC, mtrD, mtrE) Gènes non organisés en opéron M. thermautotrophicus 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) Methanopyruskandleri Methanocaldococcusjannaschii 70 Methanogens Class I 100 Methanogens Class II 100 Methanosarcina barkeri 10 Methanomicrobiales 65 Methanosarcinaacetivorans Methanosarcinamazeii

46. GE 1 2 3 4 5 6 7 8 Methanopyrus kandleri GE Methanopyrus kandleri 1 2 3 4 5 6 7 8