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14.2 : Origines eucaryotes - Biologie

14.2 : Origines eucaryotes - Biologie


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Les archives fossiles et les preuves génétiques suggèrent que les cellules procaryotes ont été les premiers organismes sur Terre. Ces cellules sont apparues il y a environ 3,5 milliards d'années, soit environ 1 milliard d'années après la formation de la Terre, et étaient les seules formes de vie sur la planète jusqu'à l'émergence des cellules eucaryotes il y a environ 2,1 milliards d'années. Pendant le règne procaryote, des procaryotes photosynthétiques ont évolué, capables d'appliquer l'énergie de la lumière du soleil pour synthétiser des matières organiques (comme les glucides) à partir de dioxyde de carbone et d'une source d'électrons (comme l'hydrogène, le sulfure d'hydrogène ou l'eau).

La photosynthèse utilisant l'eau comme donneur d'électrons consomme du dioxyde de carbone et libère de l'oxygène moléculaire (O2) en tant que sous-produit. Le fonctionnement des bactéries photosynthétiques pendant des millions d'années a progressivement saturé l'eau de la Terre en oxygène, puis oxygéné l'atmosphère, qui contenait auparavant des concentrations beaucoup plus importantes de dioxyde de carbone et des concentrations beaucoup plus faibles d'oxygène. Les procaryotes anaérobies plus anciens de l'époque ne pouvaient pas fonctionner dans leur nouvel environnement aérobie. Certaines espèces ont péri, tandis que d'autres ont survécu dans les environnements anaérobies restants sur Terre. D'autres premiers procaryotes ont développé des mécanismes, tels que la respiration aérobie, pour exploiter l'atmosphère oxygénée en utilisant l'oxygène pour stocker l'énergie contenue dans les molécules organiques. La respiration aérobie est un moyen plus efficace d'obtenir de l'énergie à partir de molécules organiques, ce qui a contribué au succès de ces espèces (comme en témoigne le nombre et la diversité des organismes aérobies vivant sur Terre aujourd'hui). L'évolution des procaryotes aérobies était une étape importante vers l'évolution du premier eucaryote, mais plusieurs autres caractéristiques distinctives devaient également évoluer.

Endosymbiose

L'origine des cellules eucaryotes était en grande partie un mystère jusqu'à ce qu'une hypothèse révolutionnaire soit examinée en détail dans les années 1960 par Lynn Margulis. La théorie endosymbiotique affirme que les eucaryotes sont le produit d'une cellule procaryote engloutissant une autre, vivant dans une autre et évoluant ensemble au fil du temps jusqu'à ce que les cellules séparées ne soient plus reconnaissables en tant que telles. Cette hypothèse autrefois révolutionnaire a eu une force de persuasion immédiate et est maintenant largement acceptée, les travaux progressant pour découvrir les étapes impliquées dans ce processus évolutif ainsi que les acteurs clés. Il est devenu clair que de nombreux gènes eucaryotes nucléaires et la machinerie moléculaire responsable de la réplication et de l'expression de ces gènes semblent étroitement liés aux archées. D'autre part, les organites métaboliques et les gènes responsables de nombreux processus de récupération d'énergie ont leurs origines dans les bactéries. Il reste beaucoup à clarifier sur la façon dont cette relation s'est produite; cela continue d'être un domaine passionnant de découverte en biologie. Plusieurs événements endosymbiotiques ont probablement contribué à l'origine de la cellule eucaryote.

Mitochondries

Les cellules eucaryotes peuvent contenir de un à plusieurs milliers de mitochondries, selon le niveau de consommation d'énergie de la cellule. Chaque mitochondrie mesure 1 à 10 micromètres de long et existe dans la cellule sous la forme d'un sphéroïde oblong en mouvement, en fusion et en division (Figure 13.2.1). Cependant, les mitochondries ne peuvent pas survivre en dehors de la cellule. Alors que l'atmosphère était oxygénée par photosynthèse et que les procaryotes aérobies réussis évoluaient, des preuves suggèrent qu'une cellule ancestrale a englouti et maintenu en vie un procaryote aérobie vivant en liberté. Cela a donné à la cellule hôte la capacité d'utiliser l'oxygène pour libérer l'énergie stockée dans les nutriments. Plusieurs sources de preuves soutiennent que les mitochondries sont dérivées de cet événement endosymbiotique. Les mitochondries ont la forme d'un groupe spécifique de bactéries et sont entourées de deux membranes, ce qui se produirait lorsqu'un organisme lié à la membrane était englouti par un autre organisme lié à la membrane. La membrane interne mitochondriale comporte des replis importants ou des crêtes qui ressemblent à la surface externe texturée de certaines bactéries.

Les mitochondries se divisent d'elles-mêmes par un processus qui ressemble à une fission binaire chez les procaryotes. Les mitochondries ont leur propre chromosome d'ADN circulaire qui porte des gènes similaires à ceux exprimés par les bactéries. Les mitochondries ont également des ribosomes spéciaux et des ARN de transfert qui ressemblent à ces composants chez les procaryotes. Ces caractéristiques soutiennent toutes que les mitochondries étaient autrefois des procaryotes libres.

Chloroplastes

Les chloroplastes sont un type de plaste, un groupe d'organites apparentés dans les cellules végétales qui sont impliqués dans le stockage des amidons, des graisses, des protéines et des pigments. Les chloroplastes contiennent le pigment vert chlorophylle et jouent un rôle dans la photosynthèse. Des études génétiques et morphologiques suggèrent que les plastes ont évolué à partir de l'endosymbiose d'une cellule ancestrale qui a englouti une cyanobactérie photosynthétique. Les plastes sont de taille et de forme similaires aux cyanobactéries et sont enveloppés par deux membranes ou plus, correspondant aux membranes interne et externe des cyanobactéries. Comme les mitochondries, les plastes contiennent également des génomes circulaires et se divisent par un processus rappelant la division cellulaire procaryote. Les chloroplastes des algues rouges et vertes présentent des séquences d'ADN qui sont étroitement liées aux cyanobactéries photosynthétiques, suggérant que les algues rouges et vertes sont les descendants directs de cet événement endosymbiotique.

Les mitochondries ont probablement évolué avant les plastes car tous les eucaryotes ont soit des mitochondries fonctionnelles, soit des organites de type mitochondrie. En revanche, les plastes ne se trouvent que dans un sous-ensemble d'eucaryotes, tels que les plantes terrestres et les algues. Une hypothèse des étapes évolutives menant au premier eucaryote est résumée à la figure 13.2.2.

Les étapes exactes menant à la première cellule eucaryote ne peuvent qu'être hypothétiques, et il existe une certaine controverse quant aux événements qui ont réellement eu lieu et dans quel ordre. Des bactéries spirochètes ont été supposées avoir donné naissance à des microtubules, et un procaryote flagellé peut avoir contribué aux matières premières des flagelles et des cils eucaryotes. D'autres scientifiques suggèrent que la prolifération et la compartimentation membranaires, et non les événements endosymbiotiques, ont conduit au développement de mitochondries et de plastes. Cependant, la grande majorité des études soutiennent l'hypothèse endosymbiotique de l'évolution eucaryote.

Les premiers eucaryotes étaient unicellulaires comme la plupart des protistes aujourd'hui, mais à mesure que les eucaryotes sont devenus plus complexes, l'évolution de la multicellularité a permis aux cellules de rester petites tout en présentant des fonctions spécialisées. On pense que les ancêtres des eucaryotes multicellulaires d'aujourd'hui ont évolué il y a environ 1,5 milliard d'années.

Résumé de la section

Les premiers eucaryotes ont évolué à partir de procaryotes ancestraux par un processus impliquant la prolifération membranaire, la perte d'une paroi cellulaire, l'évolution d'un cytosquelette et l'acquisition et l'évolution d'organites. Les gènes nucléaires eucaryotes semblent avoir une origine chez les archées, alors que la machinerie énergétique des cellules eucaryotes semble être d'origine bactérienne. Les mitochondries et les plastes proviennent d'événements endosymbiotiques lorsque des cellules ancestrales ont englouti une bactérie aérobie (dans le cas des mitochondries) et une bactérie photosynthétique (dans le cas des chloroplastes). L'évolution des mitochondries a probablement précédé l'évolution des chloroplastes. Il existe des preuves d'événements endosymbiotiques secondaires dans lesquels les plastes semblent être le résultat d'une endosymbiose après un événement endosymbiotique précédent.

Choix multiple

Quel événement aurait contribué à l'évolution des eucaryotes ?

A. le réchauffement climatique
B. glaciation
C. activité volcanique
D. oxygénation de l'atmosphère

Les mitochondries ont très probablement évolué à partir de _____________.

A. une cyanobactérie photosynthétique
B. éléments du cytosquelette
C. bactéries aérobies
D. prolifération membranaire

C

Réponse libre

Décrire les étapes supposées de l'origine des cellules eucaryotes.

Les cellules eucaryotes sont nées d'événements endosymbiotiques qui ont donné naissance à des organites producteurs d'énergie au sein des cellules eucaryotes, telles que les mitochondries et les plastes. Le génome nucléaire des eucaryotes est le plus étroitement lié aux archées, il se peut donc qu'il s'agisse d'un archéen précoce qui a englouti une cellule bactérienne qui a évolué en mitochondrie. Les mitochondries semblent provenir d'une alpha-protéobactérie, tandis que les chloroplastes proviennent d'une cyanobactérie. Il existe également des preuves d'événements endosymbiotiques secondaires. D'autres composants cellulaires peuvent résulter d'événements endosymbiotiques.

Glossaire

endosymbiose
l'engloutissement d'une cellule par une autre de sorte que la cellule engloutie survit et que les deux cellules en bénéficient ; le processus responsable de l'évolution des mitochondries et des chloroplastes chez les eucaryotes

Théories endosymbiotiques pour l'origine eucaryote

Depuis plus de 100 ans, les théories endosymbiotiques ont figuré dans les réflexions sur les différences entre les cellules procaryotes et eucaryotes. Plus de 20 versions différentes de la théorie endosymbiotique ont été présentées dans la littérature pour expliquer l'origine des eucaryotes et de leurs mitochondries. Très peu de ces modèles tiennent compte des anaérobies eucaryotes. Le rôle de l'énergie et les contraintes énergétiques que l'organisation des cellules procaryotes imposait à l'innovation évolutive dans l'histoire cellulaire ont récemment eu une incidence sur la théorie endosymbiotique. Seules les cellules qui possédaient des mitochondries avaient les moyens bioénergétiques pour atteindre la complexité des cellules eucaryotes, c'est pourquoi il n'y a pas de véritables intermédiaires dans la transition procaryote à eucaryote. Les versions actuelles de la théorie endosymbiotique disent que l'hôte était un archéon (une archaebactérie), et non un eucaryote. Par conséquent, l'histoire évolutive et la biologie des archées portent de plus en plus sur les origines eucaryotes, plus que jamais auparavant. Ici, nous avons compilé une étude des théories endosymbiotiques pour l'origine des eucaryotes et des mitochondries, et pour l'origine du noyau eucaryote, résumant l'essentiel de chacun et contrastant certaines de leurs prédictions avec les observations. Un nouvel aspect de l'endosymbiose dans l'évolution des eucaryotes ressort de ces considérations : l'hôte à l'origine des plastes était un anaérobie facultatif.

Mots clés: anaérobies endosymbiose eucaryotes mitochondries noyau plastes.

Les figures

Modèles décrivant l'origine de…

Modèles décrivant l'origine du noyau chez les eucaryotes. ( uneou…

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Modèles décrivant l'origine des mitochondries et/ou des chloroplastes chez les eucaryotes. ( une –…

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Origine mitochondriale chez un hôte procaryote. ( uneh ) Illustrations pour…

Évolution des anaérobies et de la…

Evolution des anaérobies et du plaste. ( une ) Diversification de…


Origines eucaryotes

Les archives fossiles et les preuves génétiques suggèrent que les cellules procaryotes ont été les premiers organismes sur Terre. Ces cellules sont apparues il y a environ 3,5 milliards d'années, soit environ 1 milliard d'années après la formation de la Terre, et étaient les seules formes de vie sur la planète jusqu'à l'émergence des cellules eucaryotes il y a environ 2,1 milliards d'années. Pendant le règne procaryote, les procaryotes photosynthétiques ont évolué, capables d'appliquer l'énergie de la lumière du soleil pour synthétiser des matières organiques (comme les glucides) à partir de dioxyde de carbone et d'une source d'électrons (comme l'hydrogène, le sulfure d'hydrogène ou l'eau).

La photosynthèse utilisant l'eau comme donneur d'électrons consomme du dioxyde de carbone et libère de l'oxygène moléculaire (O2) en tant que sous-produit. Le fonctionnement des bactéries photosynthétiques pendant des millions d'années a progressivement saturé l'eau de la Terre en oxygène, puis oxygéné l'atmosphère, qui contenait auparavant des concentrations beaucoup plus importantes de dioxyde de carbone et des concentrations beaucoup plus faibles d'oxygène. Les procaryotes anaérobies plus anciens de l'époque ne pouvaient pas fonctionner dans leur nouvel environnement aérobie. Certaines espèces ont péri, tandis que d'autres ont survécu dans les environnements anaérobies restants sur Terre. D'autres premiers procaryotes ont développé des mécanismes, tels que la respiration aérobie, pour exploiter l'atmosphère oxygénée en utilisant l'oxygène pour stocker l'énergie contenue dans les molécules organiques. La respiration aérobie est un moyen plus efficace d'obtenir de l'énergie à partir de molécules organiques, ce qui a contribué au succès de ces espèces (comme en témoigne le nombre et la diversité des organismes aérobies vivant sur Terre aujourd'hui). L'évolution des procaryotes aérobies était une étape importante vers l'évolution du premier eucaryote, mais plusieurs autres caractéristiques distinctives devaient également évoluer.

Endosymbiose

L'origine des cellules eucaryotes était en grande partie un mystère jusqu'à ce qu'une hypothèse révolutionnaire soit examinée en détail dans les années 1960 par Lynn Margulis. Les théorie endosymbiotique déclare que les eucaryotes sont le produit d'une cellule procaryote engloutissant une autre, vivant dans une autre et évoluant ensemble au fil du temps jusqu'à ce que les cellules séparées ne soient plus reconnaissables en tant que telles. Cette hypothèse autrefois révolutionnaire a eu une force de persuasion immédiate et est maintenant largement acceptée, les travaux progressant pour découvrir les étapes impliquées dans ce processus évolutif ainsi que les acteurs clés. Il est devenu clair que de nombreux gènes eucaryotes nucléaires et la machinerie moléculaire responsable de la réplication et de l'expression de ces gènes semblent étroitement liés aux archées. D'autre part, les organites métaboliques et les gènes responsables de nombreux processus de récupération d'énergie ont leurs origines dans les bactéries. Il reste beaucoup à clarifier sur la façon dont cette relation s'est produite, cela continue d'être un domaine passionnant de découverte en biologie. Plusieurs événements endosymbiotiques ont probablement contribué à l'origine de la cellule eucaryote.

Mitochondries

Les cellules eucaryotes peuvent contenir de un à plusieurs milliers de mitochondries, selon le niveau de consommation d'énergie de la cellule. Chaque mitochondrie mesure 1 à 10 micromètres de longueur et existe dans la cellule sous la forme d'un sphéroïde oblong en mouvement, en fusion et en division ([link]). Cependant, les mitochondries ne peuvent pas survivre en dehors de la cellule. Alors que l'atmosphère était oxygénée par photosynthèse et que les procaryotes aérobies réussis évoluaient, des preuves suggèrent qu'une cellule ancestrale a englouti et maintenu en vie un procaryote aérobie vivant en liberté. Cela a donné à la cellule hôte la capacité d'utiliser l'oxygène pour libérer l'énergie stockée dans les nutriments. Plusieurs sources de preuves soutiennent que les mitochondries sont dérivées de cet événement endosymbiotique. La plupart des mitochondries ont la forme d'un groupe spécifique de bactéries et sont entourées de deux membranes. La membrane interne mitochondriale comporte des replis importants ou des crêtes qui ressemblent à la surface externe texturée de certaines bactéries.

Les mitochondries se divisent d'elles-mêmes par un processus qui ressemble à une fission binaire chez les procaryotes. Les mitochondries ont leur propre chromosome d'ADN circulaire qui porte des gènes similaires à ceux exprimés par les bactéries. Les mitochondries ont également des ribosomes spéciaux et des ARN de transfert qui ressemblent à ces composants chez les procaryotes. Ces caractéristiques soutiennent toutes que les mitochondries étaient autrefois des procaryotes libres.

Chloroplastes

Les chloroplastes sont un type de plaste, un groupe d'organites apparentés dans les cellules végétales qui sont impliqués dans le stockage des amidons, des graisses, des protéines et des pigments. Les chloroplastes contiennent le pigment vert chlorophylle et jouent un rôle dans la photosynthèse. Des études génétiques et morphologiques suggèrent que les plastes ont évolué à partir de l'endosymbiose d'une cellule ancestrale qui a englouti une cyanobactérie photosynthétique. Les plastes sont de taille et de forme similaires aux cyanobactéries et sont enveloppés par deux membranes ou plus, correspondant aux membranes interne et externe des cyanobactéries. Comme les mitochondries, les plastes contiennent également des génomes circulaires et se divisent par un processus rappelant la division cellulaire procaryote. Les chloroplastes des algues rouges et vertes présentent des séquences d'ADN qui sont étroitement liées aux cyanobactéries photosynthétiques, suggérant que les algues rouges et vertes sont les descendants directs de cet événement endosymbiotique.

Les mitochondries ont probablement évolué avant les plastes car tous les eucaryotes ont soit des mitochondries fonctionnelles, soit des organites de type mitochondrie. En revanche, les plastes ne se trouvent que dans un sous-ensemble d'eucaryotes, tels que les plantes terrestres et les algues. Une hypothèse des étapes évolutives menant au premier eucaryote est résumée dans [link].

Les étapes exactes menant à la première cellule eucaryote ne peuvent qu'être hypothétiques, et une certaine controverse existe quant aux événements qui se sont réellement produits et dans quel ordre. Les bactéries spirochètes ont émis l'hypothèse d'avoir donné naissance à des microtubules, et un procaryote flagellé peut avoir contribué aux matières premières des flagelles et des cils eucaryotes. D'autres scientifiques suggèrent que la prolifération et la compartimentation membranaires, et non les événements endosymbiotiques, ont conduit au développement de mitochondries et de plastes. Cependant, la grande majorité des études soutiennent l'hypothèse endosymbiotique de l'évolution eucaryote.

Les premiers eucaryotes étaient unicellulaires comme la plupart des protistes aujourd'hui, mais à mesure que les eucaryotes sont devenus plus complexes, l'évolution de la multicellularité a permis aux cellules de rester petites tout en présentant des fonctions spécialisées. On pense que les ancêtres des eucaryotes multicellulaires d'aujourd'hui ont évolué il y a environ 1,5 milliard d'années.

Résumé de la section

Les premiers eucaryotes ont évolué à partir de procaryotes ancestraux par un processus impliquant la prolifération membranaire, la perte d'une paroi cellulaire, l'évolution d'un cytosquelette et l'acquisition et l'évolution d'organites. Les gènes nucléaires eucaryotes semblent avoir une origine chez les archées, alors que la machinerie énergétique des cellules eucaryotes semble être d'origine bactérienne. Les mitochondries et les plastes proviennent d'événements endosymbiotiques lorsque des cellules ancestrales ont englouti une bactérie aérobie (dans le cas des mitochondries) et une bactérie photosynthétique (dans le cas des chloroplastes). L'évolution des mitochondries a probablement précédé l'évolution des chloroplastes. Il existe des preuves d'événements endosymbiotiques secondaires dans lesquels les plastes semblent être le résultat d'une endosymbiose après un événement endosymbiotique précédent.

Choix multiple

Quel événement aurait contribué à l'évolution des eucaryotes ?


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Changer les idées sur les origines eucaryotes

L'origine des cellules eucaryotes est l'un des défis les plus fascinants de la biologie et a inspiré des décennies de controverse et de débat. Des travaux récents ont conduit à des bouleversements majeurs dans notre compréhension des origines eucaryotes et ont catalysé de nouveaux débats sur les rôles de l'endosymbiose et du flux génétique à travers l'arbre de vie.Des méthodes améliorées d'analyse phylogénétique prennent en charge les scénarios dans lesquels la cellule hôte de l'endosymbionte mitochondrial était membre des Archaea, et les nouvelles technologies d'échantillonnage des génomes des procaryotes environnementaux ont permis aux chercheurs de se concentrer sur des parents plus proches des partenaires symbiotiques fondateurs. L'inférence et l'interprétation des arbres phylogénétiques à partir des données génomiques restent au centre de bon nombre de ces débats, et il est de plus en plus reconnu que les arbres construits à l'aide de méthodes inadéquates peuvent s'avérer trompeurs, qu'il s'agisse de décrire la relation des eucaryotes avec d'autres cellules ou la racine de l'universel. arbre. De nouvelles approches statistiques sont prometteuses pour répondre à ces questions, mais elles comportent leurs propres défis informatiques. Les articles de ce numéro thématique discutent des progrès récents sur l'origine des cellules et des génomes eucaryotes, mettent en lumière certains des débats en cours et suggèrent des voies possibles vers des progrès futurs.

1. À quoi pensions-nous avant ?

Dans l'arbre enraciné des «trois domaines» [1], la lignée nucléaire eucaryote est un groupe frère à ramification profonde des Archaea, ce qui implique que les eucaryotes sont aussi vieux que ce groupe de procaryotes (figure 1). Les espèces à la base des eucaryotes dans l'arbre des trois domaines sont des parasites comme Giardia et Microsporidies qui manquent de mitochondries classiques, en accord avec l'hypothèse qu'elles descendent de lignées (souvent appelées Archézoaires—[2]) qui ont divergé d'autres eucaryotes avant l'endosymbiose mitochondriale. Dans l'arbre des trois domaines, les eucaryotes, cellules à noyau, existaient avant l'endosymbiose mitochondriale. L'accord apparent entre la phylogénie et la biologie cellulaire a rendu cette version de l'évolution précoce convaincante. Ainsi, bien que des hypothèses concurrentes circulaient à l'époque [3-7], et que de nombreux gènes sur les génomes eucaryotes étaient déjà connus pour entrer en conflit avec l'arbre des trois domaines [8,9], c'est celui qui est apparu dans les manuels et ouvrages standard. de la science populaire. Un diagramme en arbre est la figure unique dans « l'Origine des espèces » [10, pp. 160-161] et il était donc naturel qu'il n'y ait qu'une seule figure dans une version mise à jour de la science populaire [11] du classique de Darwin. L'arbre choisi était une version non enracinée de l'arbre à trois domaines, représentant les archées et les eucaryotes comme des groupes séparés et avec les archézoaires clairement étiquetés à la base des eucaryotes.

Figure 1. Hypothèses concurrentes sur l'origine des eucaryotes. (une) Dans l'arbre des « trois domaines » du manuel, les eucaryotes et les archées sont des groupes frères monophylétiques, chaque lignée étant aussi vieille que l'autre. (b) Le point de vue des « deux domaines », soutenu par des méthodes phylogénétiques améliorées et un échantillonnage taxonomique. Dans ce scénario, les bactéries et les archées comprennent les deux lignées cellulaires primaires, avec des eucaryotes formés en symbiose entre eux. Les deux arbres sont représentés enracinés sur la branche menant aux Bactéries bien que, comme discuté au §5, les analyses sur lesquelles se fonde cette position des racines doivent être interprétées avec prudence.

Les articles de ce numéro thématique décrivent et discutent de la façon dont cette vision de l'évolution eucaryote a radicalement changé au cours des dernières années, et identifient les principales controverses et défis en cours. Les contributeurs offrent parfois des points de vue très différents sur ces questions, il existe donc un désaccord de principe ainsi qu'un consensus. Cela reflète en partie non seulement les progrès rapides et passionnants réalisés, mais aussi la difficulté inhérente à déduire des événements anciens à partir de petites quantités de données incomplètes en utilisant des méthodes imparfaites, ainsi que l'ambition et l'ampleur des questions scientifiques qui sont posées. Certains des changements les plus marqués dans la pensée concernent la nature de l'hôte de l'endosymbionte mitochondrial et la reconnaissance du fait que les organites liés aux mitochondries sont omniprésents chez les eucaryotes, y compris les anciens archézoaires. Ces changements ont supprimé une preuve majeure de l'opinion selon laquelle l'hôte mitochondrial était déjà un eucaryote et, à son tour, ont conduit à un examen plus sérieux des hypothèses dans lesquelles un archéon était l'hôte de l'endosymbiose mitochondriale dans la fondation de la lignée eucaryote. . Les débats sur le rôle de l'endosymbionte mitochondrial dans l'évolution du génome eucaryote, et l'évolution et la diversité des homologues mitochondriaux contemporains, y compris les hydrogénosomes et les mitosomes, sont désormais des sujets d'investigation majeurs. Les origines des gènes et l'étendue des transferts de gènes latéraux non endosymbiotiques dans l'évolution des eucaryotes sont encore controversées, mais il est maintenant clair que les eucaryotes ont une dette génomique majeure envers les archées et les bactéries, ainsi qu'un talent auparavant sous-estimé pour l'invention de gènes. et innovation. La question de savoir si les virus ont également joué un rôle dans les origines et l'évolution eucaryotes est vivement débattue, alimentée dans une certaine mesure par les découvertes récentes de virus à ADN étonnamment grands et riches en gènes.

Les écologistes microbiens savent depuis longtemps que les microbes cultivés et étudiés ne représentent qu'une petite fraction de la vie unicellulaire existante, il faut donc s'attendre à ce que notre compréhension de l'évolution cellulaire ait été limitée par un échantillonnage incomplet et biaisé de la diversité microbienne naturelle. De nouvelles méthodes de séquençage du génome métagénomique et unicellulaire sont très prometteuses pour échantillonner la majorité jusqu'ici non étudiée de la vie microbienne. Comme discuté dans ce numéro, ces méthodes ont déjà identifié de nouvelles lignées d'archées qui sont plus étroitement liées aux eucaryotes que celles déjà échantillonnées, et qui partagent des gènes que l'on croyait auparavant définir des aspects importants de la biologie des cellules eucaryotes. Les préoccupations concernant l'exactitude des arbres pour déduire des relations eucaryotes profondes ou des origines génétiques, qui sont souvent formulées à l'aide de modèles statistiques trop simples et de séquences courtes, occupent un certain nombre de nos contributeurs. La nécessité de tenir compte de l'adéquation entre le modèle et les données, et de reconnaître que des modèles médiocres produiront généralement des arbres médiocres, est un message d'avertissement souvent répété et important. Les arbres et les réseaux de toutes sortes continueront à jouer un rôle majeur dans les études visant à étudier l'évolution eucaryote et à démêler la descente verticale et horizontale, mais les méthodes existantes sont semées de problèmes et la recherche de congruence entre des sources de preuves indépendantes sera toujours importante.

2. Un nouvel hôte pour l'endosymbionte mitochondrial

L'arbre à trois domaines décrit les eucaryotes et les archées comme des groupes séparés et a une cellule eucaryote entièrement formée comme hôte de l'endosymbionte mitochondrial [1]. Cependant, en même temps que certaines analyses récupéraient l'arbre à trois domaines, d'autres analyses (revues dans [12]) des mêmes données mais utilisant souvent de meilleures méthodes soutenaient une autre hypothèse appelée « arbre à éocytes » [3]. Dans «l'arbre à éocytes», les eucaryotes proviennent des archées en tant que groupe frère d'espèces telles que Sulfolobe— que James Lake [13] a classé dans un royaume séparé appelé Eocyta ou « cellules de l'aube » [3], et que Woese et al. plus tard nommé le Crenarchaeota [1]. Le soutien à l'arbre à éocytes a continué de s'accumuler ces dernières années avec des modèles évolutifs améliorés et un échantillonnage plus large d'archées environnementales [12,14,15]. Ainsi, les analyses des gènes centraux universels utilisant des modèles mieux adaptés placent les eucaryotes dans la diversité des Archaea, se ramifiant avec un groupe appelé le superphylum «TACK» qui contient les lignées Thaumarchaeota, Aigarchaeota, Crenarchaeota et Korarchaeota [16-19]. Comme les éocytes étaient à l'origine définis phylogénétiquement comme le groupe frère des eucaryotes [3], ces nouveaux arbres sont cohérents avec l'hypothèse des éocytes. Notre numéro spécial s'ouvre sur une perspective personnelle de James Lake [13] décrivant la genèse et le développement de l'hypothèse de l'éocyte et d'autres contributions séminales, y compris son hypothèse très originale de « l'anneau de vie » qui invoque les grands flux de gènes comme principaux moteurs de l'évolution eucaryote. Cet « anneau de vie » est également au centre de l'article de McInerney et al. [20], qui soutiennent que c'est l'hypothèse la mieux étayée et la plus générale pour expliquer les différents types de données qui parlent d'origines eucaryotes.

Si les arbres qui placent l'origine de la lignée nucléaire eucaryote au sein des Archaea sont corrects, alors nous devrions nous attendre à trouver de nouvelles espèces plus similaires aux eucaryotes au niveau des gènes et des protéines. Eugene Koonin [21] discute des données récentes qui sont cohérentes avec cette hypothèse et démontre à quel point la compréhension de l'évolution du génome archéen est importante pour comprendre l'évolution précoce des eucaryotes. Conformément aux prédictions des analyses phylogénomiques récentes, les homologues procaryotes des composants eucaryotes clés, y compris les gènes impliqués dans le cytosquelette et la dégradation des protéines médiée par l'ubiquitine, ne se trouvent que parmi les archées TACK. Mais Koonin [21] montre également que les homologues d'autres gènes eucaryotes de signature, y compris les composants de la division cellulaire, le remodelage membranaire et les machines d'interférence ARN, ont une distribution inégale à travers la diversité séquencée d'archées, suggérant une histoire complexe de perte de gènes et potentiellement transfert horizontal tout au long de l'évolution des archées. Comme mentionné au §1, un échantillonnage limité et potentiellement biaisé de la diversité microbienne naturelle peut limiter nos inférences sur l'évolution précoce. La rareté des génomes est particulièrement aiguë pour les archées car l'exploration de ce domaine a traditionnellement pris du retard sur les bactéries et les eucaryotes. Cette situation évolue rapidement en raison des avancées dans les approches unicellulaires et métagénomiques qui permettent désormais de séquencer les génomes de microbes non cultivés directement à partir de l'environnement [22]. La découverte la plus spectaculaire à ce jour a été celle des Lokiarchaeota, une lignée archée qui semble contenir les plus proches parents des eucaryotes découverts jusqu'à présent [23,24]. Conformément à sa relation de groupe frère avec les eucaryotes, Lokiarchaeota a plus de gènes de signature eucaryotes que tout autre Archaea encore décrit [23]. Vu et al. [25] décrivent les méthodes utilisées pour séquencer et assembler le génome de Lokiarchaeum et d'autres membres non cultivés du groupe TACK, et les implications des répertoires de gènes Lokiarchaeota pour les origines de caractéristiques eucaryotes clés telles que le cytosquelette, le remodelage membranaire et la phagocytose. Ce dernier trait a souvent été avancé [26] comme une capacité clé de la cellule hôte ancestrale qui a acquis l'endosymbionte mitochondrial. Curieusement pour les théories de l'eucaryogenèse, la machinerie ESCRT - trouvée chez les eucaryotes ainsi que chez Lokiarchaeota et quelques autres TACK Archaea - a récemment été montrée pour réguler la reformation de l'enveloppe nucléaire après la mitose [27].

3. Endosymbiose, homologues mitochondriaux et origines des gènes bactériens sur les génomes eucaryotes

Le rejet de l'hypothèse d'Archezoa et la découverte d'homologues mitochondriaux chez les parasites et les anaérobies dont on pensait auparavant qu'ils en manquaient primitivement [28], a stimulé l'intérêt pour les idées qui proposent que l'endosymbiose mitochondriale était un événement ancestral dans l'évolution eucaryote. Il a également attiré l'attention sur l'endosymbionte mitochondrial en tant que source de certains, peut-être de nombreux gènes bactériens sur les génomes eucaryotes. Deux contributions à notre numéro présentent des perspectives différentes sur certaines de ces questions. Martin et al. [29] fournissent une discussion détaillée et magnifiquement illustrée des hypothèses endosymbiotiques pour les origines eucaryotes, arguant que celles impliquant un archéon autotrophe et l'endosymbionte mitochondrial correspondent mieux aux données actuelles que les hypothèses alternatives. Escaliers et al. [30] se concentrent sur les origines de la diversité métabolique parmi les homologues mitochondriaux - des organites partageant une ascendance commune avec les mitochondries, y compris les hydrogénosomes et les mitosomes - qui ont été découvertes chez des protistes anaérobies et parasites de l'ensemble de l'arbre eucaryote. Ils suggèrent que le transfert horizontal de gènes (HGT) en dehors de l'endosymbiose peut être une source importante de gènes pour ces divers métabolismes et que la convergence entraînée par le HGT et l'écologie commune est une caractéristique récurrente de l'évolution mitochondriale.

Une partie de ce débat reflète les difficultés à parvenir à des conclusions solides à partir d'arbres génétiques faiblement soutenus, aggravées par un échantillonnage inégal, et les différences d'opinion sur le contenu des gènes ancestraux et le degré auquel le génome de l'endosymbionte mitochondrial était lui-même chimérique [31]. HGT semble être une force puissante façonnant l'évolution du génome des bactéries modernes et il n'y a aucune raison particulière de supposer que les anciennes bactéries étaient différentes.

L'impact du transfert horizontal sur les génomes eucaryotes est très pertinent car une forte proportion de gènes sur les génomes eucaryotes semblent provenir de bactéries [8,9,32-34]. Certains ont suggéré que la plupart de ces gènes sont dérivés d'anciens endosymbiotes [32], tandis que d'autres ont préconisé un flux génétique continu de divers donneurs au fil du temps [33]. Il existe de bonnes preuves pour les deux sources (examinées dans [32,35-37]), mais un désaccord sur leur importance relative [38,39]. Katz [40] présente une analyse des modèles de présence et d'absence de gènes dans le contexte d'un échantillonnage extrêmement large de la diversité eucaryote afin d'identifier les candidats HGT procaryotes à eucaryotes. Ses analyses identifient plus d'un millier de transferts dans les eucaryotes, mais la plupart sont limités à un ou quelques génomes étroitement liés. Ceci est interprété comme la preuve que l'HGT est un processus continu, mais que la plupart des événements détectables sont récents et, à l'exception des gènes provenant des endosymbiontes mitochondriaux et plastes, que relativement peu de gènes transférés ont persisté depuis la première période de l'évolution eucaryote. Ces données suggèrent un parallèle intéressant entre la HGT et d'autres processus d'évolution du génome tels que la mutation ponctuelle, la duplication du gène et du génome entier, dans lesquels la plupart du nouveau matériel génétique est rapidement perdu à moins d'être maintenu par sélection positive [41,42].

Bien que le transfert horizontal soit généralement considéré comme plus fréquent chez les procaryotes que chez les eucaryotes [35], peu de comparaisons directes ont été réalisées. La contribution de Szöllősi et al. [43] aborde cette question. Les auteurs présentent une étude de cas de la dynamique de transfert de gènes chez les champignons et les cyanobactéries, exemplaires de groupes eucaryotes et procaryotes pour lesquels des données génomiques abondantes sont disponibles. Leurs analyses utilisent des profils phylogénétiques ainsi que des méthodes de réconciliation d'arbres de gènes et d'arbres d'espèces pour détecter et cartographier les événements de transfert tout au long de l'histoire évolutive des deux groupes. Les résultats suggèrent que les taux de transfert de gènes dans ces groupes sont globalement similaires, fournissant un certain soutien à l'idée que l'importance et la dynamique de HGT peuvent être qualitativement similaires chez les procaryotes et les eucaryotes. Ce résultat, s'il se confirme de manière plus générale, suggérerait un flux continu de gènes bactériens dans les génomes eucaryotes à partir d'une variété de sources en plus des gains à grande échelle associés aux endosymbioses ancestrales.

4. Évolution du génome eucaryote de l'intérieur

Les génomes eucaryotes codent pour une fraction significative - jusqu'à 63 % selon des analyses récentes du génome de levure [44] - de gènes spécifiques aux eucaryotes qui sous-tendent des aspects clés de la biologie eucaryote. Les modèles traditionnels pour les origines des gènes eucaryotes ont souligné la duplication et la divergence fonctionnelle des gènes préexistants [45], mais il existe de plus en plus de preuves que l'origine de novo de nouveaux gènes à partir d'une séquence non codante est également importante. McLysaght & Guerzoni [46] donnent un aperçu de ces données et fournissent des exemples intéressants de l'ensemble de l'arbre eucaryote, dont certains sont fonctionnellement importants et soumis à une sélection positive. Les preuves de l'origine généralisée de gènes de novo chez les eucaryotes modernes fournissent un mécanisme plausible par lequel des gènes spécifiques aux eucaryotes pourraient avoir évolué dans la lignée souche eucaryote naissante au cours de l'origine des eucaryotes.

L'une des caractéristiques les plus distinctives des génomes eucaryotes par rapport aux procaryotes est la prépondérance de la séquence non codante, qui, dans de nombreuses lignées, dépasse voire éclipse la quantité d'ADN codant. Alors qu'une grande partie de ce matériel excédentaire est probablement égoïste ou non fonctionnel [47], un débat très médiatisé fait actuellement rage sur la mesure dans laquelle les éléments non codants contribuent à la complexité phénotypique eucaryote en régulant l'expression des séquences codantes [48-52]. Elliott & Gregory [53] contribuent à ce débat en fournissant de nouvelles informations sur les relations entre la taille du génome, la capacité de codage, le contenu répétitif et d'autres paramètres génomiques de la plus grande enquête sur la diversité du génome eucaryote à ce jour. Leurs données soulignent des différences frappantes entre les génomes rationalisés et riches en gènes des procaryotes et les génomes volumineux et hautement répétitifs de nombreux eucaryotes. Ces différences peuvent provenir des changements fondamentaux dans l'environnement génétique de la population qui ont accompagné l'origine des eucaryotes, allant de l'augmentation de la taille des cellules (et de la réduction concomitante des densités de population) à l'évolution de la méiose et du sexe. Les contributions relatives de la dérive génétique [54], de la mutation [55] et de la sélection [56,57]—peut-être à plusieurs niveaux [58]—à l'origine et à l'évolution des eucaryotes et de leurs génomes restent un domaine de débat fascinant et de larges comparaisons. les données du type présenté par Elliott & Gregory [53] continueront à jouer un rôle important en contrastant les prédictions des hypothèses principales.

5. Quelle est la qualité de nos méthodes pour déduire le passé ?

Une grande partie des progrès discutés dans ce volume a été facilitée par la facilité croissante avec laquelle des génomes et transcriptomes entiers peuvent être séquencés, même pour des organismes non cultivés. En principe, l'obtention d'un échantillonnage représentatif n'est plus un obstacle majeur, mais le taux croissant de génération de données a largement dépassé la puissance de calcul nécessaire pour l'analyser. Cela a créé une situation où des compromis indésirables sont faits entre la taille de l'ensemble de données et l'adéquation du modèle, ce qui entrave les progrès. De meilleurs modèles phylogénétiques sont déjà disponibles qui reconnaissent que le processus évolutif est complexe et peut changer au fil du temps et entre les espèces, mais ils ont un coût d'analyse plus long et ne peuvent donc pas être utilisés pour un grand nombre d'espèces. Comme l'amélioration de l'échantillonnage taxonomique est déjà connue pour affecter la précision des reconstructions phylogénétiques [59], l'amélioration de l'évolutivité des méthodes complexes pour traiter plus de données est hautement souhaitable. Nicolas Lartillot [60] donne un aperçu de ces problèmes et met en évidence des solutions potentielles à certains des problèmes en suspens. Les approches bayésiennes fournissent un cadre naturel pour adapter des modèles plus complexes et biologiquement motivés aux données du génome, mais Lartillot [60] soutient que les progrès futurs pourraient dépendre du développement d'alternatives aux algorithmes standard de Markov Chain Monte Carlo (MCMC).MCMC a soutenu les succès de la phylogénétique bayésienne à ce jour, mais la technique a maintenant 50 ans et peut avoir du mal à atteindre la convergence sur des ensembles de données génomiques à grande échelle, même avec les progrès continus de la puissance de calcul.

Les superarbres probabilistes [61] synthétisent les informations à partir d'un ensemble d'arbres génétiques d'entrée pour déduire un arbre d'espèces global tout en permettant un certain désaccord entre les histoires des gènes individuels, qu'ils soient dus à un transfert horizontal ou à des sources plus prosaïques d'erreur phylogénétique. Ils représentent donc un « terme intermédiaire » intéressant et potentiellement très précieux entre les modèles complexes et hiérarchiques d'évolution des gènes et du génome décrits par Szöllősi. et al. [43] et Lartillot [60] et les approches plus simples de « supermatrice » ou de concaténation qui ont fréquemment été utilisées pour étudier l'histoire évolutive des génomes et des espèces. Les premières méthodes de supertree basées sur la parcimonie sont connues pour avoir des problèmes, donc Akanni et al. [62] ont utilisé une méthode bayésienne de super-arbre probabiliste récemment développée dans leur contribution. Leur analyse évalue les preuves de flux de gènes à grande échelle des bactéries vers les génomes archéens. Des travaux récemment publiés ont soutenu que les grands flux de gènes ont été un facteur important dans l'évolution et l'écologie des archées [63,64]. Alors que le superarbre qu'ils récupèrent pour Archaea suggère un fort signal vertical, les arbres composites comprenant Archaea et Bacteria étaient mal résolus pour les nœuds plus profonds, ce qu'Akanni et al. [62] suggèrent des résultats à partir d'un mélange de signaux verticaux et horizontaux, cohérents avec les travaux publiés revendiquant un transfert inter-domaine épisodique. Ce sont des résultats intrigants qui soulèvent des questions intéressantes sur les différents effets de l'HGT sur les bactéries et les archées, et pourquoi ces deux groupes procaryotes devraient se comporter différemment. Cela suggère également que la lignée hôte archée qui a fusionné avec l'endosymbionte mitochondrial pourrait avoir été de la même manière chimérique en termes de contenu génomique.

La fiabilité limitée des arbres monogéniques déduits à l'aide de méthodes trop simples est au cœur d'un certain nombre de contributions à cette question. Moreira & López-García [65] discutent de la façon dont de meilleurs arbres ont été utilisés pour évaluer les propositions selon lesquelles les virus ont joué un rôle clé dans les origines eucaryotes. Ces idées ont été initialement suscitées par la découverte des Megaviridae, des virus géants infectant les amibes dont les génomes étonnamment grands (1 à 2,5 Mbp, comparables en taille à de nombreux génomes cellulaires) codent pour des homologues des composants centraux des machines de réplication et de traduction de l'ADN eucaryote [66 –68]. Des homologues viraux se sont ramifiés en dehors du clade eucaryote dans les premiers arbres, suggérant qu'un ancien mégavirus, faisant peut-être partie d'un «quatrième domaine» de la vie, aurait pu faire don de ces gènes à l'eucaryote ancestral [67]. Moreira & López-García [65] notent que placer des virus dans des arbres phylogénétiques est exceptionnellement difficile en raison de leurs taux élevés d'évolution des séquences, qui, un peu comme les profondes divergences entre les domaines cellulaires, peuvent induire des artefacts tels que l'attraction des longues branches, la groupement fallacieux de séquences à évolution rapide en raison de convergences fortuites dans le processus de substitution. Leurs nouvelles analyses, combinées à une revue de travaux récents, les amènent à suggérer que la présence de gènes eucaryotes sur les génomes viraux s'explique mieux par l'acquisition horizontale à partir de leurs hôtes eucaryotes. Ils concluent qu'il n'y a pas de support convaincant pour une contribution virale à l'origine des eucaryotes ou pour l'hypothèse que les virus représentent un quatrième domaine de la vie primitive.

De nombreuses contributions du volume favorisent les hypothèses selon lesquelles les procaryotes sont d'abord et les eucaryotes en tant que groupe dérivé formé par une fusion impliquant des archées et des bactéries. Cette polarisation procaryote à eucaryote de l'évolution cellulaire est cohérente avec les données publiées utilisant des paralogues anciens et des réseaux phylogénétiques pour enraciner l'arbre universel sur la tige bactérienne [1,69–72]. Il est également cohérent avec, quoique inégal et incomplet, les preuves fossiles des procaryotes et du métabolisme procaryote plus d'un milliard d'années avant les premiers fossiles eucaryotes [12,73,74], et avec l'observation que tous les eucaryotes connus ont un homologue mitochondrial, ce qui implique que l'origine des alpha-protéobactéries est survenue avant l'irradiation des eucaryotes connus [28]. Néanmoins, les arbres utilisés pour l'enracinement des paralogues ont été déduits à l'aide de méthodes phylogénétiques trop simples qui sont connues pour être peu fiables pour reconstruire des événements anciens [5,75], laissant place à la critique et au débat. En conséquence, les hypothèses selon lesquelles les eucaryotes, ou au moins les cellules portant une grande partie de la complexité que nous associons aux eucaryotes, pourraient être antérieures aux procaryotes ont persisté dans la littérature [6,7]. Dans ces scénarios « eucaryotes d'abord » ou « eucaryotes précoces », les trois groupes de vie cellulaire sont soit considérés comme étant apparus simultanément, soit les procaryotes sont censés provenir de la simplification d'un ancêtre complexe qui possédait de nombreuses caractéristiques qui persistent dans les eucaryotes [76-78]. Mariscal & Doolittle [79] fournissent un aperçu historique lucide des scénarios « eucaryotes d'abord », en examinant leurs motivations originales et en discutant de la manière dont ils se sont comportés au fur et à mesure que de nouvelles données se sont accumulées. Leur contribution apporte de la clarté à une littérature confuse et parfois contradictoire et, surtout, elle tente de clarifier ce que l'on entend par « eucaryotes » dans « eucaryotes d'abord » et d'identifier comment ces idées pourraient être testées.

Gouy et al. [80] abordent la question de ce qui est venu en premier d'un point de vue méthodologique, en se demandant si les alternatives à la racine bactérienne représentée dans les arbres universels (figure 1) peuvent vraiment être rejetées, compte tenu des limites des modèles utilisés pour la récupérer [69-71] . Ils suggèrent que l'utilisation de meilleurs modèles et une plus grande attention aux propriétés des données sont nécessaires pour réévaluer la position de la racine, et nous sommes fermement d'accord pour dire que cela est nécessaire de toute urgence. En particulier, l'inférence que les eucaryotes se ramifient au sein des archées suppose une racine en dehors de ces deux groupes - une hypothèse ténue, selon Gouy et al. [80]. Ils soutiennent également que la préférence pour la racine bactérienne est influencée par un biais persistant qui favorise des scénarios évolutifs simples à complexes, une attitude progressiste inutile qui est également critiquée par Mariscal & amp Doolittle [79].

La question de savoir comment enraciner au mieux les arbres phylogénétiques est une question importante à tous les niveaux de la hiérarchie taxonomique, la récente controverse sur la racine de l'arbre eucaryote fournissant un autre exemple important [81-83]. La plupart des méthodes arborescentes publiées pour l'enracinement reposent sur l'enracinement des groupes externes. Cela pose des problèmes bien connus, car l'exogroupe est souvent très divergent de l'endogroupe, ce qui rend les analyses sensibles à l'artefact bien connu à longue branche qui a entravé les travaux sur l'évolution précoce, comme discuté par un certain nombre de nos contributeurs. Comme alternative à l'enracinement externe, Williams et al. [84] évaluent le potentiel des modèles de substitution non réversibles et non stationnaires, qui déduisent la racine de l'arbre comme partie intégrante de l'analyse. Ce sont des modèles dans lesquels la probabilité de l'arbre dépend du point de départ du processus substitutionnel, de sorte que les arbres inférés sont enracinés. Ces méthodes se sont déjà révélées prometteuses [85, 86], mais n'ont pas été appliquées de manière plus générale en raison de la charge de calcul supplémentaire de l'ajustement du modèle par rapport aux modèles standard. Deux modèles récemment décrits ont été appliqués pour déduire la racine de l'arbre universel et ont obtenu une racine soit dans le domaine bactérien, soit sur la branche séparant les bactéries et les archées, fournissant un certain support pour les premières hypothèses procaryotes et suggérant que les séquences de gènes contiennent un signal d'enracinement qui peut être extrait. Cependant, comme pour les méthodes discutées par Lartillot [60] et Gouy et al. [80], les implémentations actuelles sont lentes, limitant la taille des ensembles de données pouvant être analysés - une difficulté sérieuse étant donné l'importance établie d'un large échantillonnage taxonomique pour déduire les arbres phylogénétiques [59] et les modèles, bien que prometteurs, ne sont en aucun cas consommés. .

6. Quelques remarques de conclusion

Déduire des événements anciens à partir de petites quantités de données en utilisant des méthodes qui ne sont pas tout à fait à la hauteur est peu susceptible d'être sans erreur, et certaines vues changeront sans aucun doute à nouveau. Néanmoins, les articles de ce numéro thématique – et ceux d'une autre collection récente [87] – témoignent d'une époque d'effervescence remarquable dans le domaine des origines eucaryotes. Le débat sur l'importance relative du transfert de gènes non endosymbiotiques, et les hypothèses de transfert en vrac par rapport au transfert continu en tant que source(s) de gènes procaryotes sur les génomes eucaryotes et archéens est particulièrement vif. Une partie de la discussion est alimentée par les difficultés inhérentes à essayer de déduire des événements à partir d'arbres qui sont mal résolus, en raison de la saturation et d'autres complexités de l'évolution des gènes, et aussi en raison de l'échantillonnage encore limité de la diversité microbienne. Néanmoins, il est très clair, et cela depuis un certain temps [8,9,88], que le HGT répandu signifie qu'aucun arbre ne peut décrire l'histoire de tous les gènes sur les génomes procaryotes ou eucaryotes. Les arbres et les méthodes non basées sur les arbres comme les réseaux continueront d'être des approches complémentaires et synergiques pour analyser l'évolution des génomes.

Un domaine particulièrement passionnant est l'exploration de la diversité microbienne non cultivée, qui a le potentiel de se concentrer sur les plus proches parents existants de l'endosymbionte mitochondrial [89] et de la lignée hôte archée proposée [23] et de fournir un cadre expérimental pour les tests. hypothèses actuellement privilégiées. Ces partenaires de l'évolution eucaryote précoce, comme tous les ancêtres, sont éteints depuis longtemps, mais un meilleur échantillonnage de leurs parents modernes peut aider à améliorer les arbres et à affiner les inférences sur le contenu génétique et les caractéristiques cellulaires de nos ancêtres procaryotes. La découverte des Lokiarchaeota, avec leur contenu accru de gènes que l'on croyait auparavant spécifiques aux eucaryotes, est une découverte particulièrement excitante et fournit la preuve que les méthodes phylogénétiques, même imparfaites, peuvent être utilisées pour déduire des relations anciennes [24]. Mais les données sur les séquences ne peuvent nous mener que jusqu'à présent et un défi majeur consiste maintenant à isoler Lokiarchaeota et d'autres lignées environnementales pertinentes en culture afin que la manifestation cellulaire de leur contenu génomique - leur biologie et leur physiologie - puisse réellement être étudiée en laboratoire.


Fond

L'émergence de la cellule eucaryote avec son noyau, son système endomembranaire et ses organites liés à la membrane a représenté un saut quantique de complexité au-delà de tout ce qui est observé chez les procaryotes [1]-[3]. On pense que la compartimentation cellulaire sophistiquée et l'association symbiotique avec les mitochondries ont permis aux eucaryotes d'adopter de nouveaux rôles écologiques et ont fourni un précurseur à de nombreuses origines réussies de multicellularité. Néanmoins, bien qu'elles soient reconnues comme la transition évolutive la plus profonde dans l'organisation cellulaire, les origines de la cellule eucaryote restent mal comprises.

Les événements clés de l'évolution des eucaryotes ont été l'acquisition du noyau, du système endomembranaire et des mitochondries. Il est maintenant établi au-delà de tout doute raisonnable que les mitochondries sont dérivées de -protéobactéries endosymbiotiques [4]-[6]. Les modèles existants pour l'origine des eucaryotes s'accordent généralement sur le fait que les proto-mitochondries sont entrées dans la cellule par phagocytose. De même, les modèles les plus largement privilégiés pour les origines du noyau supposent qu'il s'est formé au sein d'une cellule procaryote à la suite d'invaginations de la membrane plasmique - que ce soit par phagocytose d'un endosymbiote correspondant au compartiment nucléaire ou par internalisation de membranes. qui s'est organisé autour de la chromatine (revue dans [7] et discutée plus loin). Ainsi, les théories existantes sur l'origine des eucaryotes partagent l'hypothèse que le noyau est une nouvelle structure formée dans les limites d'une membrane plasmique existante et largement inchangée [8] - ce sont des modèles extérieur-intérieur.

Ici, nous avons entrepris de défier la perspective de l'extérieur vers l'intérieur. Les archées génèrent souvent des protubérances extracellulaires [9]-[14], mais ne sont pas connues pour subir des processus apparentés à l'endocytose ou à la phagocytose. Par conséquent, nous suggérons que l'architecture des cellules eucaryotes résulte de l'extrusion de la membrane. En bref, nous proposons que les eucaryotes ont évolué à partir d'une cellule procaryote avec une seule membrane limitante qui étendait des protubérances extracellulaires qui fusionnaient pour donner naissance au cytoplasme et au système endomembranaire. Dans ce modèle inversé, le compartiment nucléaire, équivalent du corps cellulaire procaryote ancestral, est la partie la plus ancienne de la cellule et est resté structurellement intact pendant la transition de l'organisation cellulaire procaryote à eucaryote.

Le modèle inside-out fournit un chemin simple par étapes pour l'évolution des eucaryotes, qui, selon nous, correspond aux données existantes au moins aussi bien qu'à toute théorie actuelle. En outre, il jette un nouvel éclairage sur des caractéristiques auparavant énigmatiques de la biologie cellulaire eucaryote, y compris celles qui ont conduit d'autres à suggérer la nécessité de réviser la théorie cellulaire actuelle [15]. Compte tenu du grand nombre de prédictions testables faites par notre modèle et de son potentiel à stimuler de nouvelles recherches empiriques, nous soutenons que le modèle inside-out mérite d'être considéré comme une nouvelle théorie de l'origine des eucaryotes.

Aperçu des modèles existants d'évolution des cellules eucaryotes

Les modèles endosymbiotiques extérieurs à l'intérieur expliquent l'origine du noyau et des mitochondries comme étant le résultat de cycles séquentiels de phagocytose et d'endosymbiose. Ces modèles invoquent trois partenaires - l'hôte, le noyau et les mitochondries - et envisagent le compartiment nucléaire dérivé d'un endosymbiote qui a été englouti par une cellule hôte. Les auteurs ont suggéré que l'hôte (c'est-à-dire le cytoplasme) pourrait être un archéon [16]-[18], une protéobactérie [19]-[21] ou une bactérie du superphylum Planctomycetes, Verrucomicrobia, Chlamydiae (PVC) [22 ]. L'endosymbionte (c'est-à-dire le noyau) a été proposé comme étant un archéon [19]-[22], un spirochète [16] ou un virus membranaire [17],[18]. En général, les modèles endosymbiotiques sont agnostiques quant à savoir si les mitochondries ont été acquises avant ou après le noyau. Une exception à cela est le modèle de consortium syntrophique, qui envisage la fusion simultanée d'une communauté symbiotique composée des trois partenaires : cytoplasme, noyau et mitochondries [23], [24]. Un modèle « endosymbiotique » plus divergent est le modèle endospore [25]. Cela soutient que le noyau a évolué lorsqu'une cellule a enfermé sa sœur après la division cellulaire, de la même manière que les endospores sont formées dans certaines bactéries Gram-positives. Cependant, il n'y a aucune preuve de formation d'endospores ou d'autres processus d'engloutissement chez Archaea, ce qui rend cette hypothèse improbable.

Des analyses phylogénomiques récentes ont révélé que le génome eucaryote représente probablement une combinaison de deux génomes, un archéen [26],[27] et un protéobactérien [28],[29]. Il n'y a aucune preuve pour soutenir un donneur de génome majeur supplémentaire comme prévu dans les modèles endosymbiotiques nucléaires [30]. De plus, les modèles endosymbiotiques (y compris le modèle endospore) nécessitent des théories supplémentaires pour expliquer l'origine du système endomembranaire, la continuité physique des membranes nucléaires internes et externes et la formation de pores nucléaires. À la lumière de ces faits, nous ne pensons pas que l'endosymbiose fournisse une explication convaincante de l'origine du compartiment nucléaire [2],[7],[31]-[33].

Compte tenu des problèmes avec les modèles endosymbiotiques, nous pensons que les modèles actuels les plus convaincants pour l'origine des eucaryotes sont ceux qui invoquent une origine autogène du noyau. Ceux-ci suggèrent généralement qu'un ancêtre procaryote a développé la capacité d'invaginer les membranes pour générer des compartiments internes liés à la membrane, qui se sont organisés autour de la chromatine pour générer un noyau [32], [34]-[36]. Dans certains modèles, les replis de la membrane plasmique ont été pincés pour former des compartiments internes de type réticulum endoplasmique (RE) qui se sont ensuite organisés autour de la chromatine pour former l'enveloppe nucléaire interne et externe [35],[37]-[39]. Alternativement, les membranes nucléaires pourraient être considérées comme résultant d'invaginations de la membrane plasmique, de sorte que la première cellule eucaryote avait un RE et une enveloppe nucléaire qui étaient en continuité avec la membrane cellulaire externe [40]. Dans les deux cas, dans ces modèles, la membrane nucléaire est finalement dérivée de la membrane plasmique internalisée.

Des modèles autogènes extérieurs-intérieurs plus anciens proposaient généralement que les mitochondries étaient acquises par une cellule qui avait déjà un noyau [32],[34],[35] - conformément aux résultats des premières études phylogénétiques [41]. Des données phylogénétiques plus récentes ont suggéré que des mitochondries étaient présentes chez le dernier ancêtre commun eucaryote [42],[43]. Cela a conduit à la formulation de nouveaux modèles autogènes dans lesquels l'acquisition de mitochondries est antérieure à la formation du compartiment nucléaire [1],[23],[44]-[46].

Aperçu du modèle inversé

Dans les sections suivantes, nous décrivons une série d'étapes évolutives simples d'une structure cellulaire procaryote à une structure cellulaire entièrement eucaryote, principalement motivées par la sélection d'une association mutualiste de plus en plus intime entre une cellule hôte archéenne et des -protéobactéries (proto-mitochondries), qui vivaient initialement sur la surface de la cellule hôte (Figure 1). Dans l'hypothèse de l'intérieur vers l'extérieur, la membrane nucléaire externe, la membrane plasmique et le cytoplasme étaient dérivés de protubérances extracellulaires (bulles), tandis que le RE représente les espaces entre les bulles (tableau 1). Les mitochondries ont d'abord été piégées dans le RE, mais ont ensuite pénétré la membrane du RE pour entrer dans le cytoplasme proprement dit. Dans le modèle inside-out, la dernière étape de l'eucaryogenèse était la formation d'une membrane plasmique continue, qui fermait le RE de l'extérieur.

Modèle inversé pour l'évolution de l'organisation des cellules eucaryotes. Modèle montrant l'évolution progressive de l'organisation des cellules eucaryotes à partir de (UNE) un ancêtre éocytaire avec une seule membrane de délimitation et une paroi cellulaire riche en glycoprotéines (couche S) interagissant avec des -protéobactéries épibiotiques (proto-mitochondries). (B) Nous envisageons la formation de protubérances par les cellules de l'éocyte, aidées par les interactions protéine-membrane au niveau du col de la protrusion. Ces protubérances facilitaient les échanges matériels avec les proto-mitochondries. (C) La sélection d'une plus grande surface de contact entre les symbiotes aurait conduit à l'élargissement de la bulle et à la perte éventuelle de la couche S des protubérances. (RÉ) Les bulles auraient ensuite été stabilisées davantage par le développement d'un complexe d'anneau externe de pores nucléaires symétriques (figure 2) et par l'établissement de complexes LINC qui, suite à la perte progressive de la couche S, ont physiquement connecté le corps cellulaire d'origine (le compartiment nucléaire) aux membranes internes de la bulle. (E) Avec l'expansion des bulles pour enfermer les proto-mitochondries, processus qui aurait facilité l'acquisition de la machinerie bactérienne de biosynthèse lipidique par l'hôte, le site de croissance cellulaire se serait progressivement déplacé vers le cytoplasme, facilité par le développement d'un trafic régulé à travers le pore nucléaire. Dans le même temps, les espaces entre les bulles auraient permis la maturation progressive des protéines sécrétées dans l'environnement via l'espace périnucléaire par glycosylation et clivage protéolytique. (F) Enfin, la fusion des bulles aurait relié les compartiments cytoplasmiques et entraîné la formation d'une membrane plasmique intacte, peut-être par un processus apparenté à la phagocytose par lequel une bulle enveloppait l'ensemble. Cette simple transition topologique aurait isolé le réticulum endoplasmique du monde extérieur, entraîné le développement complet d'un système de trafic vésiculaire et établi une transmission verticale stricte des mitochondries, conduisant à une cellule avec une organisation cellulaire eucaryote moderne.

Un seul autre article dont nous avons connaissance a proposé que le compartiment nucléaire corresponde aux limites d'une cellule ancestrale. L'hypothèse exomembranaire de de Roos [47] est cependant bien distincte du modèle proposé ici. De Roos a postulé que le point de départ était un proto-eucaryote avec une double membrane qui sécrète des vésicules extracellulaires membraneuses qui fusionnent pour former une membrane plasmique enveloppante. De plus, son modèle repose sur une vision non conventionnelle de l'histoire de l'évolution, y compris une origine indépendante des cellules eucaryotes et procaryotes. Ainsi, nous ne discuterons pas davantage l'hypothèse de l'exomembrane.

Dans les sections suivantes, nous décrivons en détail le modèle inside-out. Nous discutons des processus cellulaires impliqués dans la génération du compartiment cytoplasmique, du système de trafic des vésicules et de la membrane plasmique, et des cils et flagelles. Dans chaque section, nous soulignons les moteurs sélectifs pertinents et les preuves à l'appui. Enfin, nous examinons certaines des implications et des prédictions testables du modèle et concluons en réfléchissant aux perspectives de déterminer lequel des modèles, inside-out ou outside-in, est le plus susceptible d'être correct.


Sur l'origine des cellules miteuses

Une théorie de l'origine des cellules eucaryotes (cellules "supérieures" qui se divisent par mitose classique) est présentée. Par hypothèse, trois organites fondamentaux : les mitochondries, les plastes photosynthétiques et les corps basaux (9+2) des flagelles étaient eux-mêmes autrefois des cellules libres (procaryotes). L'évolution de la photosynthèse dans les conditions anaérobies de l'atmosphère primitive pour former des bactéries anaérobies, des bactéries photosynthétiques et éventuellement des algues bleu-vert (et des protoplastides) est décrite. L'évolution ultérieure du métabolisme aérobie chez les procaryotes pour former des bactéries aérobies (protoflagelles et protomitochondries) s'est probablement produite pendant la transition vers l'atmosphère oxydante. La mitose classique a évolué dans les cellules de type protozoaire des millions d'années après l'évolution de la photosynthèse. Un schéma plausible de l'origine de la mitose classique chez les amiboflagellés primitifs est présenté. Au cours de l'évolution de la mitose, des plastes photosynthétiques (eux-mêmes dérivés de procaryotes) ont été acquis en symbiose par certains de ces protozoaires pour former les algues eucaryotes et les plantes vertes. Les preuves cytologiques, biochimiques et paléontologiques de cette théorie sont présentées, ainsi que des suggestions pour d'autres vérifications expérimentales possibles. Les implications de ce schéma pour la systématique des organismes inférieurs sont discutées.


Contenu

Les gènes peuvent se chevaucher de diverses manières et peuvent être classés en fonction de leur position les uns par rapport aux autres. [2] [6] [7] [8] [9]

  • Unidirectionnel ou tandem chevauchement : l'extrémité 3' d'un gène chevauche l'extrémité 5' d'un autre gène sur le même brin. Cette disposition peut être symbolisée par la notation → → où les flèches indiquent le cadre de lecture du début à la fin.
  • Convergent ou fin sur chevauchement : les extrémités 3' des deux gènes se chevauchent sur des brins opposés. Cela peut être écrit comme → ←.
  • Divergent ou queue sur chevauchement : les extrémités 5' des deux gènes se chevauchent sur des brins opposés. Cela peut être écrit comme ← →.

Les gènes qui se chevauchent peuvent également être classés par phases, qui décrivent leurs cadres de lecture relatifs : [2] [6] [7] [8] [9]

  • Chevauchement en phase se produit lorsque les séquences partagées utilisent le même cadre de lecture. Ceci est également connu sous le nom de "phase 0". Les gènes unidirectionnels avec chevauchement de phase 0 ne sont pas considérés comme des gènes distincts, mais plutôt comme des sites de départ alternatifs du même gène.
  • Chevauchements déphasés se produit lorsque les séquences partagées utilisent des cadres de lecture différents. Cela peut se produire en "phase 1" ou en "phase 2", selon que les cadres de lecture sont décalés de 1 ou 2 nucléotides. Parce qu'un codon est long de trois nucléotides, un décalage de trois nucléotides est une trame en phase 0.

Les gènes qui se chevauchent sont particulièrement fréquents dans les génomes à évolution rapide, tels que ceux des virus, des bactéries et des mitochondries. Ils peuvent provenir de trois manières : [10]

  1. Par extension d'un cadre de lecture ouvert (ORF) existant en aval dans un gène contigu en raison de la perte d'un codon d'arrêt
  2. Par extension d'un ORF existant en amont dans un gène contigu en raison de la perte d'un codon d'initiation
  3. Par génération d'un nouvel ORF au sein d'un ORF existant en raison d'une mutation ponctuelle.

L'utilisation de la même séquence nucléotidique pour coder plusieurs gènes peut offrir un avantage évolutif en raison de la réduction de la taille du génome et en raison de la possibilité de corégulation transcriptionnelle et traductionnelle des gènes qui se chevauchent. [7] [11] [12] [13] Les chevauchements de gènes introduisent de nouvelles contraintes évolutives sur les séquences des régions de chevauchement. [9] [14]

Origines de nouveaux gènes Modifier

En 1977, Pierre-Paul Grassé a proposé que l'un des gènes de la paire pourrait provenir de novo par des mutations pour introduire de nouveaux ORF dans des cadres de lecture alternatifs, il a décrit le mécanisme comme surimpression. [15] : 231 Il a été corroboré plus tard par Susumu Ohno, qui a identifié un gène candidat qui pourrait avoir surgi par ce mécanisme. [16] Certains gènes de novo provenant de cette manière peuvent ne pas rester en chevauchement, mais se subfonctionnaliser suite à la duplication de gènes, [3] contribuant à la prévalence de gènes orphelins. Le membre le plus jeune d'une paire de gènes chevauchants peut être identifié de manière bioinformatique soit par une distribution phylogénétique plus restreinte, soit par une utilisation de codons moins optimisée. [4] [17] [18] Les membres plus jeunes de la paire ont tendance à avoir un désordre structurel intrinsèque plus élevé que les membres plus âgés, mais les membres plus âgés sont également plus désordonnés que les autres protéines, vraisemblablement comme un moyen d'atténuer les contraintes évolutives accrues posées par le chevauchement . [17] Les chevauchements sont plus susceptibles de provenir de protéines qui présentent déjà un trouble élevé. [17]

Des gènes qui se chevauchent se produisent dans tous les domaines de la vie, bien qu'avec des fréquences variables. Ils sont particulièrement fréquents dans les génomes viraux.

Virus Modifier

L'existence de gènes chevauchants a été identifiée pour la première fois dans des virus dont le premier génome à ADN jamais séquencé, du bactériophage ΦX174, en contenait plusieurs exemples. [19] Un autre exemple est le ORF3d gène du virus SARS-CoV 2. [1] [21] Les gènes qui se chevauchent sont particulièrement fréquents dans les génomes viraux. [4] Certaines études attribuent cette observation à une pression sélective vers de petites tailles de génome médiée par les contraintes physiques de l'emballage du génome dans une capside virale, en particulier une de géométrie icosaédrique. [22] Cependant, d'autres études contestent cette conclusion et soutiennent que la distribution des chevauchements dans les génomes viraux est plus susceptible de refléter la surimpression comme l'origine évolutive des gènes viraux qui se chevauchent. [23] La surimpression est une source courante de de novo gènes dans les virus. [18]

Des études de gènes viraux surimprimés suggèrent que leurs produits protéiques ont tendance à être des protéines accessoires qui ne sont pas essentielles à la prolifération virale, mais contribuent à la pathogénicité. Les protéines surimprimées ont souvent des distributions d'acides aminés inhabituelles et des niveaux élevés de désordre intrinsèque. [24] Dans certains cas, les protéines surimprimées ont des structures tridimensionnelles bien définies, mais nouvelles [25] un exemple est le suppresseur de silençage d'ARN p19 trouvé dans les Tombusvirus, qui a à la fois un nouveau repli protéique et un nouveau mode de liaison dans la reconnaissance siARN. [18] [20] [26]

Procaryotes Modifier

Les estimations du chevauchement des gènes dans les génomes bactériens révèlent généralement qu'environ un tiers des gènes bactériens se chevauchent, bien que généralement seulement par quelques paires de bases. [7] [27] [28] La plupart des études de chevauchement dans les génomes bactériens trouvent des preuves que le chevauchement sert une fonction dans la régulation des gènes, permettant aux gènes chevauchés d'être co-régulés transcriptionnellement et traductionnellement. [7] [13] Dans les génomes procaryotes, les chevauchements unidirectionnels sont les plus courants, probablement en raison de la tendance des gènes procaryotes adjacents à partager l'orientation. [7] [9] [6] Parmi les chevauchements unidirectionnels, les chevauchements longs sont plus couramment lus avec un décalage d'un nucléotide dans le cadre de lecture (c'est-à-dire la phase 1) et les chevauchements courts sont plus couramment lus dans la phase 2. [28] [29 ] Les chevauchements longs de plus de 60 paires de bases sont plus fréquents pour les gènes convergents, cependant, les chevauchements longs putatifs ont des taux très élevés de mauvaise annotation. [30] Les exemples solidement validés de longs chevauchements dans les génomes bactériens sont rares dans l'organisme modèle bien étudié Escherichia coli, seules quatre paires de gènes sont bien validées comme ayant de longs chevauchements surimprimés. [31]

Eucaryotes Modifier

Par rapport aux génomes procaryotes, les génomes eucaryotes sont souvent mal annotés et donc l'identification de véritables chevauchements est relativement difficile. [18] Cependant, des exemples de chevauchements de gènes validés ont été documentés dans une variété d'organismes eucaryotes, y compris des mammifères tels que des souris et des humains. [32] [33] [34] [35] Les eucaryotes diffèrent des procaryotes par la distribution des types de chevauchement : alors que les chevauchements unidirectionnels (c'est-à-dire de même brin) sont les plus courants chez les procaryotes, les chevauchements à brins opposés ou antiparallèles sont plus fréquents chez les eucaryotes. Parmi les chevauchements de brins opposés, l'orientation convergente est la plus courante. [33] La plupart des études sur le chevauchement des gènes eucaryotes ont constaté que les gènes qui se chevauchent sont largement sujets à la réorganisation génomique même chez les espèces étroitement apparentées, et donc la présence d'un chevauchement n'est pas toujours bien conservée. [34] [36] Le chevauchement avec des gènes plus anciens ou moins restreints taxonomiquement est également une caractéristique commune des gènes susceptibles d'être originaires de novo dans une lignée eucaryote donnée. [34] [37] [38]

Les fonctions précises des gènes qui se chevauchent semblent varier selon les domaines de la vie, mais plusieurs expériences ont montré qu'elles sont importantes pour les cycles de vie des virus grâce à une expression et une stoechiométrie appropriées des protéines [39], ainsi qu'à un rôle dans le repliement approprié des protéines. [40] Une version du bactériophage ΦX174 a également été créée où tous les chevauchements de gènes ont été supprimés [41] prouvant qu'ils n'étaient pas nécessaires à la réplication.


Contenu

Dans la seconde moitié du 19e siècle, les travaux pionniers de Gregor Mendel sur l'hérédité des traits chez les plantes de pois suggèrent que des « facteurs » spécifiques (aujourd'hui établis sous forme de gènes) sont responsables du transfert des traits d'organismes entre les générations. [4] Bien que les protéines aient été initialement supposées servir de matériel héréditaire, Avery, MacLeod et McCarty ont établi un siècle plus tard l'ADN, qui avait été découvert par Friedrich Miescher, comme porteur de l'information génétique. [5] Ces découvertes ont ouvert la voie à des recherches découvrant la nature chimique de l'ADN et les règles de codage de l'information génétique, et ont finalement conduit à la proposition de la structure en double hélice de l'ADN par Watson et Crick. [6] Ce modèle tridimensionnel de l'ADN a éclairé les mécanismes potentiels par lesquels l'information génétique pourrait être copiée de manière semi-conservatrice avant la division cellulaire, une hypothèse qui a ensuite été soutenue expérimentalement par Meselson et Stahl en utilisant l'incorporation d'isotopes pour distinguer les parents des nouveaux synthétisés. ADN. [7] [8] L'isolement ultérieur des ADN polymérases, les enzymes qui catalysent la synthèse de nouveaux brins d'ADN, par Kornberg et ses collègues ont été les premiers à identifier de nombreux composants différents de la machinerie biologique de réplication de l'ADN, d'abord dans l'organisme modèle bactérien. E. coli, mais plus tard aussi dans les formes de vie eucaryotes. [2] [9]

Une condition préalable clé pour la réplication de l'ADN est qu'elle doit se produire avec une fidélité et une efficacité extrêmement élevées exactement une fois par cycle cellulaire pour empêcher l'accumulation d'altérations génétiques avec des conséquences potentiellement délétères pour la survie cellulaire et la viabilité des organismes. [10] Des événements de réplication de l'ADN incomplets, erronés ou intempestifs peuvent entraîner des mutations, une polyploïdie ou une aneuploïdie chromosomique et des variations du nombre de copies de gènes, chacune pouvant à son tour entraîner des maladies, notamment le cancer. [11] [12] Pour assurer une duplication complète et précise de l'ensemble du génome et le bon flux d'informations génétiques vers les cellules de la descendance, tous les événements de réplication de l'ADN sont non seulement étroitement régulés par les signaux du cycle cellulaire, mais sont également coordonnés avec d'autres événements cellulaires tels que transcription et réparation de l'ADN. [2] [13] [14] [15] De plus, les séquences d'origine ont généralement une teneur élevée en AT dans tous les règnes, car les répétitions de l'adénine et de la thymine sont plus faciles à séparer car leurs interactions d'empilement de bases ne sont pas aussi fortes que celles de la guanine et cytosine. [16]

La réplication de l'ADN est divisée en différentes étapes. Au cours de l'initiation, les machineries de réplication - appelées réplisomes - sont assemblées sur l'ADN de manière bidirectionnelle. Ces loci d'assemblage constituent les sites de départ de la réplication de l'ADN ou des origines de réplication. Dans la phase d'élongation, les réplisomes se déplacent dans des directions opposées avec les fourches de réplication, déroulant l'hélice d'ADN et synthétisant des brins d'ADN filles complémentaires en utilisant les deux brins parentaux comme matrices. Une fois la réplication terminée, des événements de terminaison spécifiques conduisent au désassemblage des réplisomes. Tant que le génome entier est dupliqué avant la division cellulaire, on pourrait supposer que l'emplacement des sites de démarrage de la réplication n'a pas encore d'importance, il a été démontré que de nombreux organismes utilisent des régions génomiques préférées comme origines. [17] [18] La nécessité de réguler l'emplacement de l'origine découle probablement de la nécessité de coordonner la réplication de l'ADN avec d'autres processus qui agissent sur la matrice de chromatine partagée pour éviter les ruptures de brins d'ADN et les dommages à l'ADN. [2] [12] [15] [19] [20] [21] [22] [23]

Il y a plus de cinq décennies, Jacob, Brenner et Cuzin ont proposé l'hypothèse du réplicon pour expliquer la régulation de la synthèse de l'ADN chromosomique dans E. coli. [24] Le modèle postule qu'un trans-le facteur agissant, un soi-disant initiateur, interagit avec un cis-élément d'ADN agissant, le réplicateur, pour favoriser l'apparition de la réplication à une origine proche. Une fois liés aux réplicateurs, les initiateurs (souvent à l'aide de protéines co-chargeuses) déposent des hélicases réplicatives sur l'ADN, qui entraînent ensuite le recrutement de composants réplisomes supplémentaires et l'assemblage de l'ensemble de la machinerie de réplication. Le réplicateur spécifie ainsi l'emplacement des événements d'initiation de la réplication, et la région chromosomique qui est répliquée à partir d'une origine ou d'un événement d'initiation unique est définie comme le réplicon. [2]

Une caractéristique fondamentale de l'hypothèse du réplicon est qu'elle repose sur une régulation positive pour contrôler l'apparition de la réplication de l'ADN, ce qui peut expliquer de nombreuses observations expérimentales dans les systèmes bactériens et phagiques. [24] Par exemple, cela explique l'échec des ADN extrachromosomiques sans origines à se répliquer lorsqu'ils sont introduits dans des cellules hôtes. Il rationalise davantage les incompatibilités plasmidiques dans E. coli, où certains plasmides se déstabilisent mutuellement en raison de la compétition pour la même machinerie d'initiation moléculaire. [25] En revanche, un modèle de régulation négative (analogue au modèle de réplicon-opérateur pour la transcription) ne parvient pas à expliquer les résultats ci-dessus. [24] Néanmoins, la recherche postérieure à la proposition de Jacob, Brenner et Cuzin du modèle de réplicon a découvert de nombreuses couches supplémentaires de contrôle de la réplication chez les bactéries et les eucaryotes qui comprennent à la fois des éléments régulateurs positifs et négatifs, soulignant à la fois la complexité et l'importance de restreindre la réplication de l'ADN. temporellement et spatialement. [2] [26] [27] [28]

Le concept du réplicateur en tant qu'entité génétique s'est avéré très utile dans la quête pour identifier les séquences d'ADN du réplicateur et les protéines initiatrices chez les procaryotes, et dans une certaine mesure également chez les eucaryotes, bien que l'organisation et la complexité des réplicateurs diffèrent considérablement entre les domaines de la vie. [29] [30] Alors que les génomes bactériens contiennent généralement un seul réplicateur qui est spécifié par des éléments de séquence d'ADN consensus et qui contrôle la réplication de l'ensemble du chromosome, la plupart des réplicateurs eucaryotes - à l'exception de la levure en herbe - ne sont pas définis au niveau de l'ADN à la place, ils semblent être spécifiés de manière combinatoire par des indices locaux de structure d'ADN et de chromatine. [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] Les chromosomes eucaryotes sont également beaucoup plus gros que leurs homologues bactériens, d'où la nécessité d'initier la synthèse d'ADN à partir de nombreux origines simultanément pour assurer la réplication rapide de l'ensemble du génome. De plus, beaucoup plus d'hélicases réplicatives sont chargées qu'activées pour initier la réplication dans un cycle cellulaire donné. La définition contextuelle des réplicateurs et la sélection des origines suggèrent un modèle de réplicon détendu dans les systèmes eucaryotes qui permet une flexibilité dans le programme de réplication de l'ADN. [29] Bien que les réplicateurs et les origines puissent être physiquement espacés sur les chromosomes, ils se co-localisent souvent ou sont situés à proximité immédiate pour des raisons de simplicité, nous appellerons donc les deux éléments « origines » tout au long de cette revue. Pris ensemble, la découverte et l'isolement des séquences d'origine dans divers organismes représentent une étape importante vers l'acquisition d'une compréhension mécanistique de l'initiation de la réplication. De plus, ces réalisations ont eu de profondes implications biotechnologiques pour le développement de vecteurs navettes qui peuvent être propagés dans des cellules bactériennes, de levure et de mammifère. [2] [41] [42] [43]

La plupart des chromosomes bactériens sont circulaires et contiennent une seule origine de réplication chromosomique (oriC). Bactérien oriC les régions sont étonnamment diverses en taille (allant de 250 pb à 2 kpb), en séquence et en organisation [45] [46] néanmoins, leur capacité à entraîner le déclenchement de la réplication dépend généralement de la lecture spécifique à la séquence des éléments d'ADN consensus par l'initiateur bactérien, une protéine appelée ADNA. [47] [48] [49] [50] Les origines des bactéries sont soit continues, soit bipartites et contiennent trois éléments fonctionnels qui contrôlent l'activité d'origine : des répétitions d'ADN conservées qui sont spécifiquement reconnues par l'ADN (appelées boîtes à ADN), un Élément de déroulement de l'ADN (DUE) et sites de liaison pour les protéines qui aident à réguler l'initiation de la réplication. [17] [51] [52] Les interactions de l'ADN à la fois avec les régions de la boîte à ADN double brin (ds) et avec l'ADN simple brin (ss) dans le DUE sont importantes pour l'activation de l'origine et sont médiées par différents domaines dans le protéine initiatrice : un élément de liaison à l'ADN Helix-turn-helix (HTH) et une ATPase associée à diverses activités cellulaires (AAA+), respectivement. [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] Alors que la séquence, le nombre et l'arrangement des boîtes à ADN associées à l'origine varient dans tout le règne bactérien, leur positionnement et leur espacement spécifiques dans un espèces sont essentielles pour oriC fonction et pour la formation du complexe d'initiation productive. [2] [45] [46] [60] [61] [62] [63] [64]

Parmi les bactéries, E. coli est un système modèle particulièrement puissant pour étudier l'organisation, la reconnaissance et le mécanisme d'activation des origines de réplication. E. coli oriC comprend environ

Région de 260 pb contenant quatre types d'éléments de liaison à l'initiateur qui diffèrent par leurs affinités pour l'ADNA et leurs dépendances vis-à-vis du cofacteur ATP. Les boîtes DnaA R1, R2 et R4 constituent des sites de haute affinité qui sont liés par le domaine HTH de DnaA quel que soit l'état de liaison aux nucléotides de l'initiateur. [47] [65] [66] [67] [68] [69] En revanche, les sites I, et C, qui sont intercalés entre les sites R, sont des boîtes DnaA de faible affinité et s'associent préférentiellement avec l'ADNA lié à l'ATP, bien que l'ADP-DnaA puisse se substituer à l'ATP-DnaA dans certaines conditions. [70] [71] [72] [63] La liaison des domaines HTH aux éléments de reconnaissance DnaA de haute et basse affinité favorise l'oligomérisation d'ordre supérieur dépendante de l'ATP des modules AAA+ de DnaA en un filament droitier qui enveloppe l'ADN duplex autour de sa surface externe, générant ainsi une torsion superhélicoïdale qui facilite la fusion du DUE adjacent riche en AT. [53] [73] [74] [75] La séparation des brins d'ADN est en outre facilitée par les interactions directes du domaine AAA+ ATPase de DnaA avec des répétitions de triplet, appelées DnaA-trios, dans la région DUE proximale. [76] L'engagement des segments trinucléotidiques simple brin par le filament initiateur étire l'ADN et stabilise la bulle d'initiation en empêchant le réannelage. [57] L'élément d'origine DnaA-trio est conservé dans de nombreuses espèces bactériennes, ce qui indique qu'il s'agit d'un élément clé pour la fonction d'origine. [76] Après la fonte, le DUE fournit un site d'entrée pour le E. coli hélicase réplicative DnaB, qui est déposée sur chacun des brins d'ADN par sa protéine de charge DnaC. [2]

Bien que les différentes activités de liaison à l'ADN de DnaA aient été largement étudiées sur le plan biochimique et divers apo, ssDNA-, ou dsDNA-bound structures ont été déterminés, [56] [57] [58] [74] l'architecture exacte de l'ADN d'ordre supérieur-oriC l'assemblage initiatique reste flou. Deux modèles ont été proposés pour expliquer l'organisation des éléments d'origine essentiels et médiée par l'ADNA. oriC fusion. Le modèle à deux états suppose un filament d'ADN continu qui passe d'un mode de liaison ADNdb (le complexe organisateur) à un mode de liaison ADNsb dans le DUE (le complexe de fusion). [74] [77] En revanche, dans le modèle de bouclage, l'ADN est fortement courbé en oriC et se replie sur le filament initiateur de sorte que les protomères d'ADNA engagent simultanément les régions d'ADN double et simple brin. [78] Expliquer comment exactement oriC L'ADN est organisé par l'ADNA reste donc une tâche importante pour les études futures. Un aperçu de l'architecture complexe d'initiation aidera à expliquer non seulement comment l'ADN d'origine est fondu, mais aussi comment une hélicase réplicative est chargée de manière directionnelle sur chacun des brins d'ADN simples exposés dans le DUE déroulé, et comment ces événements sont aidés par les interactions de l'hélicase avec l'initiateur et les protéines chargeuses spécifiques. [2]

Les origines de réplication archéennes partagent certaines mais pas toutes les caractéristiques organisationnelles des bactéries oriC. Contrairement aux bactéries, les archées initient souvent la réplication à partir d'origines multiples par chromosome (une à quatre ont été rapportées) [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [46] pourtant, les archées les origines portent également des régions de séquences spécialisées qui contrôlent la fonction d'origine. [87] [88] [89] Ces éléments comprennent à la fois des boîtes de reconnaissance d'origine spécifiques à la séquence d'ADN (ORB ou miniORB) et un DUE riche en AT qui est flanqué d'une ou plusieurs régions ORB. [85] [90] Les éléments ORB présentent un degré considérable de diversité en termes de nombre, d'arrangement et de séquence, à la fois parmi les différentes espèces d'archées et parmi les différentes origines au sein d'une même espèce. [80] [85] [91] Un degré supplémentaire de complexité est introduit par l'initiateur, Orc1/Cdc6 in archaea, qui se lie aux régions ORB. Les génomes archéens codent généralement pour plusieurs paralogues d'Orc1/Cdc6 qui varient considérablement dans leurs affinités pour des éléments ORB distincts et qui contribuent différemment aux activités d'origine. [85] [92] [93] [94] Dans Sulfolobus solfataricus, par exemple, trois origines chromosomiques ont été cartographiées (oriC1, oriC2 et oriC3), et des études biochimiques ont révélé des modèles de liaison complexes d'initiateurs sur ces sites. [85] [86] [95] [96] L'initiateur apparenté pour oriC1 est Orc1-1, qui s'associe à plusieurs ORB à cette origine. [85] [93] OriC2 et oriC3 sont liés à la fois par Orc1-1 et Orc1-3. [85] [93] [96] À l'inverse, un troisième paralogue, Orc1-2, empreinte de pas à toutes les trois origines mais a été postulé pour réguler négativement l'initiation de réplication. [85] [96] De plus, il a été démontré que la protéine WhiP, un initiateur non lié à Orc1/Cdc6, se lie également à toutes les origines et dirige l'activité d'origine d'oriC3 dans le système étroitement lié. Sulfolobus islandicus. [93] [95] Étant donné que les origines archéennes contiennent souvent plusieurs éléments ORB adjacents, plusieurs paralogues Orc1/Cdc6 peuvent être simultanément recrutés dans une origine et oligomériser dans certains cas [94] [97] cependant, contrairement à l'ADN bactérien, la formation d'un l'assemblage d'initiateurs d'ordre supérieur ne semble pas être une condition préalable générale à la fonction d'origine dans le domaine archéen. [2]

Des études structurelles ont fourni des informations sur la façon dont les archées Orc1/Cdc6 reconnaissent les éléments ORB et remodèlent l'ADN d'origine. [97] [98] Les paralogues Orc1/Cdc6 sont des protéines à deux domaines et sont composés d'un module AAA+ ATPase fusionné à un repliement en hélice ailée C-terminal. [99] [100] [101] Les structures complexes d'ADN d'Orc1/Cdc6 ont révélé que les ORB sont liés par un monomère Orc1/Cdc6 malgré la présence de séquences répétées inversées dans les éléments ORB. [97] [98] Les régions d'ATPase et d'hélice ailée interagissent avec le duplex d'ADN mais entrent en contact asymétriquement avec la séquence de répétition ORB palindromique, ce qui oriente Orc1/Cdc6 dans une direction spécifique sur la répétition. [97] [98] Il est intéressant de noter que les éléments ORB ou miniORB flanquant le DUE ont souvent des polarités opposées, [80] [85] [94] [102] [103] qui prédit que les sous-domaines AAA+ du couvercle et les domaines à hélice ailée de Orc1/Cdc6 sont positionnés de chaque côté du DUE de manière à se faire face. [97] [98] Étant donné que les deux régions d'Orc1/Cdc6 s'associent à une hélicase réplicative de maintenance des minichromosomes (MCM), [104] [105] cet arrangement spécifique des éléments ORB et Orc1/Cdc6 est probablement important pour charger deux complexes MCM symétriquement sur le DUE. [85] Étonnamment, tandis que la séquence d'ADN ORB détermine la directionnalité de la liaison Orc1/Cdc6, l'initiateur fait relativement peu de contacts spécifiques à la séquence avec l'ADN. [97] [98] Cependant, Orc1/Cdc6 sous-tend gravement et plie l'ADN, suggérant qu'il repose sur un mélange de séquence d'ADN et de caractéristiques structurelles d'ADN dépendantes du contexte pour reconnaître les origines. [97] [98] [106] Notamment, l'appariement des bases est maintenu dans le duplex d'ADN déformé lors de la liaison Orc1/Cdc6 dans les structures cristallines, [97] [98] alors que les études biochimiques ont donné des résultats contradictoires quant à savoir si les initiateurs archéens peuvent fondre ADN similaire à l'ADN bactérien. [93] [94] [107] Bien que la parenté évolutive des initiateurs archéens et eucaryotes et des hélicases réplicatives indique que le MCM archéen est probablement chargé sur l'ADN duplex (voir la section suivante), l'ordre temporel de fusion d'origine et de chargement d'hélicase, ainsi que le mécanisme de fusion de l'ADN d'origine, dans les systèmes archéens, reste donc à être clairement établi. De même, la manière exacte dont l'hélicase MCM est chargée sur l'ADN doit être abordée dans les études futures. [2]

L'organisation, la spécification et l'activation de l'origine chez les eucaryotes sont plus complexes que dans les domaines bactériens ou archéens et s'écartent considérablement du paradigme établi pour l'initiation de la réplication procaryote. Les grandes tailles de génome des cellules eucaryotes, qui vont de 12 Mbp dans S. cerevisiae à 3 Gbp chez l'homme, nécessite que la réplication de l'ADN commence à plusieurs centaines (chez la levure en herbe) à des dizaines de milliers (chez l'homme) d'origines pour achever la réplication de l'ADN de tous les chromosomes au cours de chaque cycle cellulaire. [27] [36] A l'exception de S. cerevisiae et liés Saccharomycotine espèces, les origines eucaryotes ne contiennent pas d'éléments de séquence d'ADN consensus, mais leur emplacement est influencé par des indices contextuels tels que la topologie locale de l'ADN, les caractéristiques structurelles de l'ADN et l'environnement de la chromatine. [110] [35] [37] Néanmoins, la fonction d'origine eucaryote repose toujours sur un complexe protéique d'initiateur conservé pour charger des hélicases réplicatives sur l'ADN pendant les phases tardives M et G1 du cycle cellulaire, une étape connue sous le nom de licence d'origine. [111] Contrairement à leurs homologues bactériennes, les hélicases réplicatives chez les eucaryotes sont chargées sur l'ADN duplex d'origine sous une forme inactive à double hexamère et seul un sous-ensemble d'entre elles (10-20% dans les cellules de mammifères) est activé pendant une phase S donnée. , événements appelés déclenchement d'origine. [112] [113] [114] L'emplacement des origines eucaryotes actives est donc déterminé à au moins deux niveaux différents, la licence d'origine pour marquer toutes les origines potentielles, et le tir d'origine pour sélectionner un sous-ensemble qui permet l'assemblage de la machinerie de réplication et l'initiation de synthèse d'ADN. Les origines sous licence supplémentaires servent de sauvegarde et ne sont activées que lors du ralentissement ou du blocage des fourches de réplication à proximité, garantissant que la réplication de l'ADN peut être terminée lorsque les cellules rencontrent un stress de réplication. [115] [116] Ensemble, l'excès d'origines sous licence et le contrôle strict du cycle cellulaire des licences d'origine et de la mise à feu incarnent deux stratégies importantes pour empêcher la sous-réplication et la surréplication et pour maintenir l'intégrité des génomes eucaryotes. [2]

Les premières études en S. cerevisiae ont indiqué que les origines de réplication chez les eucaryotes pourraient être reconnues d'une manière spécifique à la séquence d'ADN de manière analogue à celles des procaryotes. Chez la levure bourgeonnante, la recherche de réplicateurs génétiques conduit à l'identification de séquences à réplication autonome (ARS) qui soutiennent une initiation efficace de la réplication de l'ADN extrachromosomique. [117] [118] [119] Ces régions ARS ont une longueur d'environ 100 à 200 pb et présentent une organisation multipartite, contenant des éléments A, B1, B2 et parfois B3 qui, ensemble, sont essentiels à la fonction d'origine. [120] [121] L'élément A englobe la séquence consensus ARS conservée de 11 pb (ACS), [122] [123] qui, en conjonction avec l'élément B1, constitue le site de liaison primaire pour le complexe de reconnaissance d'origine hétérohexamère (ORC) , l'initiateur de la réplication eucaryote. [124] [125] [126] [127] Au sein de l'ORC, cinq sous-unités sont fondées sur des plis conservés d'AAA+ ATPase et d'hélice ailée et se co-assemblent en un anneau pentamérique qui entoure l'ADN. [127] [128] [129] Dans la levure ORC en herbe, les éléments de liaison à l'ADN dans les domaines ATPase et en hélice ailée, ainsi que les régions de patch basiques adjacentes dans certaines des sous-unités ORC, sont positionnés dans le pore central de l'anneau ORC de telle sorte qu'ils facilitent la reconnaissance spécifique de la séquence d'ADN de l'ACS d'une manière dépendante de l'ATP. [127] [130] En revanche, les rôles des éléments B2 et B3 sont moins clairs. La région B2 est similaire à l'ACS dans sa séquence et il a été suggéré qu'elle fonctionne comme un second site de liaison ORC dans certaines conditions, ou comme un site de liaison pour le noyau d'hélicase réplicatif. [131] [132] [133] [134] [135] A l'inverse, l'élément B3 recrute le facteur de transcription Abf1, bien que B3 ne soit pas retrouvé dans toutes les origines de levures bourgeonnantes et la liaison Abf1 ne semble pas être strictement essentielle pour la fonction d'origine. [2] [120] [136] [137]

Reconnaissance de l'origine chez les eucaryotes autres que S. cerevisiae ou ses proches parents ne sont pas conformes à la lecture spécifique à la séquence des éléments d'ADN d'origine conservés. Les recherches visant à isoler des séquences de réplication chromosomiques spécifiques plus généralement chez les espèces eucaryotes, soit génétiquement, soit par cartographie à l'échelle du génome des sites de liaison à l'initiateur ou de démarrage de la réplication, n'ont pas réussi à identifier des séquences consensus claires aux origines. [138] [139] [140] [141] [142] [143] [144] [145] [146] [147] [148] [149] Ainsi, les interactions ADN-initiateur spécifiques à la séquence chez la levure en herbe signifient un mode spécialisé pour la reconnaissance de l'origine dans ce système plutôt qu'un mode archétypal pour la spécification de l'origine dans le domaine eucaryote. Néanmoins, la réplication de l'ADN s'initie sur des sites discrets qui ne sont pas répartis au hasard dans les génomes eucaryotes, arguant que des moyens alternatifs déterminent l'emplacement chromosomique des origines dans ces systèmes. Ces mécanismes impliquent une interaction complexe entre l'accessibilité de l'ADN, l'asymétrie de la séquence nucléotidique (la richesse en AT et les îles CpG ont été liées aux origines), le positionnement des nucléosomes, les caractéristiques épigénétiques, la topologie de l'ADN et certaines caractéristiques structurelles de l'ADN (par exemple, les motifs G4), ainsi que comme protéines régulatrices et interférence transcriptionnelle. [17] [18] [34] [35] [37] [150] [151] [143] [152] Il est important de noter que les propriétés d'origine varient non seulement entre les différentes origines dans un organisme et entre les espèces, mais certaines peuvent également changer au cours développement et différenciation cellulaire. Le locus du chorion dans Drosophile les cellules folliculaires constituent un exemple bien établi pour le contrôle spatial et développemental des événements d'initiation. Cette région subit une amplification génique dépendante de la réplication de l'ADN à un stade défini au cours de l'ovogenèse et repose sur l'activation ponctuelle et spécifique des origines du chorion, qui à son tour est régulée par des éléments cis spécifiques à l'origine et plusieurs facteurs protéiques, y compris le complexe Myb, E2F1 et E2F2. [153] [154] [155] [156] [157] Cette spécification combinatoire et la régulation multifactorielle des origines des métazoaires ont compliqué l'identification des caractéristiques unificatrices qui déterminent l'emplacement des sites de départ de la réplication à travers les eucaryotes de manière plus générale. [2]

Pour faciliter l'initiation de la réplication et la reconnaissance de l'origine, les assemblages ORC de diverses espèces ont développé des domaines auxiliaires spécialisés qui sont censés aider l'initiateur à cibler les origines chromosomiques ou les chromosomes en général. Par exemple, la sous-unité Orc4 dans S. pombe ORC contient plusieurs AT-hooks qui se lient préférentiellement à l'ADN riche en AT, [158] tandis que dans l'ORC métazoaire, le domaine de type TFIIB d'Orc6 est censé remplir une fonction similaire. [159] Les protéines du métazoaire Orc1 abritent également un domaine d'homologie bromo-adjacent (BAH) qui interagit avec les nucléosomes H4K20me2. [109] En particulier dans les cellules de mammifères, il a été rapporté que la méthylation de H4K20 était nécessaire pour une initiation de réplication efficace, et le domaine Orc1-BAH facilite l'association ORC avec les chromosomes et la réplication dépendante de l'origine du virus d'Epstein-Barr. [160] [161] [162] [163] [164] Par conséquent, il est intéressant de spéculer que les deux observations sont liées mécaniquement au moins dans un sous-ensemble de métazoaires, mais cette possibilité doit être explorée plus avant dans de futures études. En plus de la reconnaissance de certains ADN ou caractéristiques épigénétiques, ORC s'associe également directement ou indirectement à plusieurs protéines partenaires qui pourraient aider au recrutement d'initiateurs, notamment LRWD1, PHIP (ou DCAF14), HMGA1a, entre autres. [33] [165] [166] [167] [168] [169] [170] [171] Fait intéressant, Drosophile L'ORC, comme son homologue de levure en herbe, plie l'ADN et il a été rapporté que le superenroulement négatif améliore la liaison à l'ADN de ce complexe, suggérant que la forme et la malléabilité de l'ADN pourraient influencer l'emplacement des sites de liaison ORC à travers les génomes des métazoaires. [31] [127] [172] [173] [174] Une compréhension moléculaire de la façon dont les régions de liaison à l'ADN de l'ORC pourraient prendre en charge la lecture des propriétés structurelles du duplex d'ADN chez les métazoaires plutôt que des séquences d'ADN spécifiques comme dans S. cerevisiae attend des informations structurelles à haute résolution des assemblages d'initiateurs de métazoaires liés à l'ADN. De même, la question de savoir si et comment différents facteurs épigénétiques contribuent au recrutement d'initiateurs dans les systèmes de métazoaires est mal définie et constitue une question importante qui doit être traitée plus en détail. [2]

Une fois recrutés aux origines, ORC et ses cofacteurs Cdc6 et Cdt1 entraînent le dépôt du complexe de maintenance des minichromosomes 2-7 (Mcm2-7) sur l'ADN. [111] [175] Comme le noyau d'hélicase réplicatif archéen, Mcm2-7 est chargé en tant que double hexamère tête à tête sur l'ADN pour autoriser les origines. [112] [113] [114] En phase S, la kinase dépendante de Dbf4 (DDK) et la kinase dépendante de la cycline (CDK) phosphorylent plusieurs sous-unités Mcm2-7 et des facteurs d'initiation supplémentaires pour favoriser le recrutement des co-activateurs de l'hélicase Cdc45 et GINS, fusion de l'ADN et, finalement, assemblage de réplisomes bidirectionnel dans un sous-ensemble des origines autorisées. [28] [176] Chez la levure et les métazoaires, les origines sont exemptes ou appauvries de nucléosomes, une propriété cruciale pour la charge Mcm2-7, indiquant que l'état de la chromatine aux origines régule non seulement le recrutement de l'initiateur mais aussi la charge de l'hélicase. [144] [177] [178] [179] [180] [181] Un environnement de chromatine permissif est en outre important pour l'activation de l'origine et a été impliqué dans la régulation à la fois de l'efficacité de l'origine et du moment de la mise à feu de l'origine. Les origines euchromatiques contiennent généralement des marques de chromatine actives, se répliquent tôt et sont plus efficaces que les origines hétérochromatiques à réplication tardive, qui à l'inverse sont caractérisées par des marques répressives.[27] [179] [182] Sans surprise, plusieurs remodeleurs de la chromatine et enzymes modifiant la chromatine se sont avérés être associés aux origines et à certains facteurs d'initiation, [183] ​​[184] mais la manière dont leurs activités impactent différents événements d'initiation de la réplication reste largement obscure. . Remarquablement, des «éléments de contrôle de réplication précoce» (ECRE) à action cis ont également été récemment identifiés pour aider à réguler le calendrier de réplication et à influencer l'architecture du génome 3D dans les cellules de mammifères. [185] La compréhension des mécanismes moléculaires et biochimiques qui orchestrent cette interaction complexe entre l'organisation du génome 3D, la structure de la chromatine locale et d'ordre supérieur et l'initiation de la réplication est un sujet passionnant pour des études ultérieures. [2]

Pourquoi les origines de réplication des métazoaires ont-elles divergé du paradigme de reconnaissance spécifique à la séquence d'ADN qui détermine les sites de démarrage de la réplication chez les procaryotes et les levures bourgeonnantes ? Observations que les origines des métazoaires co-localisent souvent avec les régions promotrices dans Drosophile et les cellules de mammifères et que les conflits de réplication-transcription dus aux collisions des machineries moléculaires sous-jacentes peuvent entraîner des dommages à l'ADN suggèrent qu'une bonne coordination de la transcription et de la réplication est importante pour maintenir la stabilité du génome. [139] [141] [143] [146] [186] [20] [187] [188] Des découvertes récentes indiquent également un rôle plus direct de la transcription dans l'influence de la localisation des origines, soit en inhibant la charge Mcm2-7 ou par repositionnement de Mcm2-7 chargés sur les chromosomes. [189] [152] La liaison de l'initiateur indépendant de la séquence (mais pas nécessairement aléatoire) à l'ADN permet en outre une flexibilité dans la spécification des sites de chargement de l'hélicase et, avec l'interférence transcriptionnelle et la variabilité des efficacités d'activation des origines autorisées, détermine probablement l'emplacement de l'origine et contribue à la co-régulation de la réplication de l'ADN et des programmes de transcription au cours du développement et des transitions du destin cellulaire. Modélisation informatique des événements d'initiation dans S. pombe, ainsi que l'identification d'origines spécifiques au type cellulaire et régulées par le développement chez les métazoaires, sont en accord avec cette notion. [140] [148] [190] [191] [192] [193] [194] [152] Cependant, un grand degré de flexibilité dans le choix de l'origine existe également entre différentes cellules au sein d'une même population, [143] [149] [191] même si les mécanismes moléculaires qui conduisent à l'hétérogénéité d'usage des origines restent mal définis. La cartographie des origines dans des cellules individuelles dans les systèmes de métazoaires et la corrélation de ces événements d'initiation avec l'expression des gènes et l'état de la chromatine seront importantes pour élucider si le choix de l'origine est purement stochastique ou contrôlé d'une manière définie. [2]


Voir la vidéo: Cours de Biologie danatomie. Eucaryotes. Biologie, le noyau. (Septembre 2022).


Commentaires:

  1. Aubry

    Pour de vrai?

  2. Wahchinksapa

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  3. Samumuro

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  4. Gardanris

    Et où la logique?

  5. Lathrop

    Quelle belle question

  6. Donny

    Bien sûr, il n'est pas humain



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