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La renaissance : la théorie des symbioses en série

Selon Sapp, 1990, dans son article Symbiosis in evolution: an origin story, les avancées décisives furent d’abord la distinction procaryote / eucaryote, puis la mise en évidence que mitochondries et plastes possédaient leur propre ADN, ainsi que les enzymes nécessaires pour la transcription et les synthèses protéiques.
Ces avancées furent permises par le développement de certaines techniques, telles que :
• la microscopie électronique : visualisation des membranes, de l’ADN, et des ribosomes
• la biochimie : caractérisation des membranes, des ribosomes
• la biologie moléculaire : caractérisation de l’ADN par dénaturation / hybridation
• la génétique : hérédité cytoplasmique
Ainsi, le renouveau des théories symbiotiques eut lieu dans les années 1960.
En 1967, Lynn Margulis (alors Sagan) publia une première théorie générale détaillée On the origin of mitosing cells, puis Origin of eukaryotic cells en 1970. Il s’agit de la théorie des endosymbioses en série (SET : Serial Endosymbiosis Theory), qu’elle appuie sur les nouvelles découvertes que je viens d’évoquer, pour expliquer non seulement l’origine des mitochondries et des plastes, mais aussi comme l’indique les titres, celle des eucaryotes.

État actuel de l’art

Si depuis les années 1960, des théories de filiation directe s’opposent à celles des symbioses, je pense que l’on peut considérer qu’aujourd’hui l’origine symbiotique « globale » des mitochondries et des plastes ne fait plus de doute, même s’il subsiste des points de frictions en ce qui concerne le nombre d’événements symbiotiques, ainsi que les hôtes impliqués. En effet, l’origine de la première cellule eucaryote est loin de faire l’unanimité (Andersson et al., 1998 ; Brown & Doolittle, 1997 ; Gupta, 1999 ; Lake & Rivera, 1994 ; Liaud et al., 2000 ; Lopez-Garcia & Moreira, 1999 ; Martin & Schnarrenberger, 1997 ; Smith, 1999 ; Vellai et al., 1998). La définition même de la cellule eucaryote (littéralement « noyau vrai ») est parfois remise en cause, en cela que pour certains l’acquisition des mitochondries fait partie intégrante de l’établissement des eucaryotes (Vellai et al., 1998).
Dans un but de simplification, je considérerai pour ma part, pour la suite, que le premier hôte impliqué dans l’origine des mitochondries était un eucaryote.
Après ce détour historique, je vais définir plus précisément les endosymbioses qui nous intéressent ici, celles qui sont à l’origine des mitochondries et des plastes.

Les endosymbioses primaires

Une endosymbiose est qualifiée de primaire quand le symbionte est une bactérie.
C’est le cas des mitochondries ainsi que de certains plastes (Figure 1, page 7).
La phagocytose est un phénomène par lequel certaines cellules eucaryotes englobent des particules dans un but nutritif. C’est vraisemblablement ainsi que la bactérie à l’origine des mitochondries s’est trouvée dans une vacuole d’endocytose au sein du cytoplasme d’un eucaryote. Il n’y a pas eu digestion de la bactérie mais mise à profit de ses potentialités que l’eucaryote n’avait pas (Schnepf, 1992).
Le processus de transformation de la bactérie autonome en un organite consiste en des phénomènes morphologiques et physiologiques conduisant à l’interdépendance des deux acteurs. La perte de la paroi bactérienne peut être expliquée par la nouvelle niche écologique occupée, aux conditions homogènes. Les deux membranes entourant l’organite sont très probablement celle de la vacuole de phagocytose de l’hôte, pour la plus externe et celle dérivant du plasmalemme de la bactérie, pour la plus interne. Un équilibre s’établit alors entre les deux organismes qui viennent à en former un seul, chimérique. Les divisions de l’organite sont nécessaires, en nombre suffisant pour fournir l’hôte en énergie, mais trop nombreuses elles pourraient lui devenir fatales. Un contrôle de l’organite est donc mis en place très tôt, certaines protéines de l’hôte vont se substituer à celles de la bactérie d’origine, les gènes du génome bactérien correspondant sont perdus, d’autres sont transférés dans le noyau. Les ribosomes persistent dans la matrice, servant toujours à la transcription du génome réduit de l’organite. Des mécanismes sont également mis en place pour assurer sa transmission aux descendants (Taylor, 1979 ; Whatley et al., 1979).

L’origine des mitochondries

L’événement endosymbiotique à l’origine des mitochondries a certainement impliqué une bactérie proche des-protéobactéries actuelles. Toutes les phylogénies moléculaires montrent en effet que les séquences mitochondriales sont plus proches de celles des-protéobactéries actuelles que des autres bactéries, et en particulier du groupe comprenant les Rickettsias et les Ehrlichias (Figure 2, page 8). Il est intéressant de constater que parmi elles, beaucoup sont soit des parasites, soit des symbiotes intracellulaires, dont les génomes sont souvent réduits par rapport à ceux des bactéries libres (Andersson & Kurland, 1999).
Figure 2 Arbre phylogénétique montrant l’origine -protéobactérienne des mitochondries
Relations phylogénétiques de séquences d’homologues de cpn60. L’arbre a été obtenu par analyse du maximum de probabilité (maximum likelihood, ML) d’un alignement de 513 positions d’acides aminés. Les valeurs de bootstrap supérieures à 50 % sont indiquées au-dessus de chaque branche (Figure reproduite de Roger et al., 1998).
Dans Whatley et al., 1979, les auteurs proposaient déjà une-protéobactérie, Paracoccus, comme ancêtre plausible des mitochondries. Ils le justifiaient en montrant que certains complexes enzymatiques caractéristiques des mitochondries sont également présents dans Paracoccus alors qu’ils sont absents des autres bactéries.
Malgré de grandes différences entre les génomes mitochondriaux des plantes et des animaux, l’idée majoritairement admise aujourd’hui est en faveur d’un événement unique d’endosymbiose (Gray et al., 1999), qui serait survenu il y a 2,4 à 2,8 milliards d’années (Knoll, 1992).

L’origine des plastes verts et rouges

Le cas des plastes est plus complexe. En effet, il en existe plusieurs types, beaucoup plus différents entre eux que ne le sont les mitochondries entre elles. Ces différences furent d’ailleurs à la base de la classification des algues, par « couleur », c’est-à-dire plus précisément par contenu pigmentaire des plastes, ainsi que par leur structure fine, observée en microscopie électronique. Les plastes primaires sont ceux de tous les végétaux verts ainsi que ceux des algues rouges. Leur point commun est d’être entourés d’une enveloppe simple, à deux membranes, comme les mitochondries. Ils contiennent tous de la chlorophylle a, leur différence vient du pigment secondaire, qui est la chlorophylle b chez les végétaux verts alors que les algues rouges contiennent des phycobilisomes. Les glaucocystophytes ont eux aussi des plastes primaires avec les mêmes caractéristiques pigmentaires que les rouges, mais ils ont une paroi de peptidoglycanes. La question se pose encore d’une origine unique de ces trois types de plastes ou de leur origine indépendante à partir de cyanobactéries proches (Bhattacharya et al., 1995 ; Delwiche & Palmer, 1997 ; Helmchen et al., 1995 ; Loiseaux-de Goër, 1994 ; Moreira et al., 2000 ; Stiller & Hall, 1997).

Les endosymbioses secondaires

Une endosymbiose est qualifiée de secondaire quand le symbionte est un eucaryote. Dans les cas des plastes secondaires qui nous intéressent, les symbiontes furent des algues vertes et rouges. Le même type de processus de réduction du symbionte évoqué précédemment intervient alors (Figure 3, page 10). Le plaste qui en résulte est entouré de 3 à 4 membranes, selon le niveau d’évolution de l’endosymbiose. La régression de l’algue phagocytée implique ici également la réduction de son noyau et de ses propres mitochondries. En fonction du stade d’avancement du processus, il peut ou non subsister un noyau vestigial, appelé nucléomorphe. Sa découverte fut l’élément décisif pour légitimer l’hypothèse de l’endosymbiose entre deux eucaryotes à l’origine de certains plastes (Delwiche & Palmer, 1997 ; Douglas et al., 1991 ; Gibbs, 1978 ; Gibbs, 1981 ; Gibbs, 1990). Aucun cas de persistance des mitochondries du symbionte n’a été reporté, à ma connaissance.

Les endosymbioses tertiaires

En suivant la même logique, il s’agit d’endosymbioses dont le symbionte est une algue à plaste secondaire.
C’est le cas de certains dinoflagellés. Pour la plupart d’entre eux, les algues à plastes secondaires sont des haptophytes, pour d’autres, le groupe des Dinophysis, ce sont des cryptophytes, alors que pour les Peridinium, il s’agit de diatomées Tengs et al., 2000.

Le temps de l’établissement des endosymbioses

Des exemples de cas intermédiaires = processus lent ?

La frontière entre les relations alimentaires strictes (consommation d’algue) et l’établissement d’une relation endosymbiotique « intégrative » n’est pas toujours très nette, montrant par la même que ces processus sont en cours, encore de nos jours.
Ainsi, je citerai le cas des kleptoplastes. Il s’agit de plastes d’algues qui sont gardés dans un état fonctionnel de façon transitoire avant d’être digérés (Schnepf, 1992). Un autre exemple est celui des foraminifères : ils se nourrissent de certaines diatomées, alors que d’autres sont des endosymbiontes, qui perdent leur enveloppe cellulaire dans le cytoplasme de leur hôte (leur frustule) et qui sont transmissibles à leurs descendants. D’autres algues peuvent être des endosymbiontes de foraminifères, des algues rouges unicellulaires, des chlorophytes ou des dinoflagellés. Certains auteurs refusent le terme d’organite pour les décrire, car les cas étudiés jusqu’ici ont montré que ces algues régénèrent leur enveloppe cellulaire, quand elles sont extraites de leur hôte. Par contre, ceux-ci ne survivent pas longtemps ou ne peuvent pas se reproduire sans leurs algues endosymbiotes (Lee, 1995).
Il existe de nombreux autres exemples d’animaux et de champignons vivant avec des plastes provenant d’algues endosymbiontes (ou de cyanobactéries) qui peuvent être conservés dans un état fonctionnel pendant plusieurs mois avant d’être digérés complètement. Plusieurs articles traitant d’exemples différents se trouvent dans le livre Algae and symbioses. Plants, animals, fungi, viruses, interactions explored édité par W. Reisser
en 1992.

Un exemple d’endosymbiose obligatoire établie rapidement

Alors qu’il était couramment admis que le processus faisant d’un organisme libre un organite ne devait être réalisable qu’à une échelle de temps géologique, un cas d’école à permis de se rendre compte que le phénomène pouvait être rapide. Une culture d’amibe, Amoeba proteus , maintenue et étudiée en laboratoire depuis près de 20 ans a été infectée en 1966 par une bactérie inconnue (« X ») (Jeon, 1987). Cette infection, qui a pu être suivie de près, a conduit à une endosymbiose obligatoire. Des expériences ont montré qu’une amibe nouvellement infectée devenait dépendante de ses symbiontes en 18 mois, soit en 200 générations (Jeon & Ahn, 1978). Il a été montré qu’une protéine bactérienne était localisée dans le noyau des amibes, où une enzyme vitale n’était plus transcrite. Cette enzyme doit alors être fournie par le symbionte, illustrant l’établissement d’une dépendance (Choi et al., 1997 ; Pak & Jeon, 1997).
Ce cas montre aussi l’alternative à l’hypothèse phagotrophique, dans le sens nutritif, des théories endosymbiotiques. Des bactéries provoquant une infection, d’abord mortelle pour de nombreuses cellules, peuvent, une fois maîtrisées par quelques-unes seulement d’entre elles, moins sensibles, devenir indispensables et faire partie intégrante des générations suivantes.
Après cette présentation du processus des endosymbioses, nous allons revenir plus en détail d’abord sur les algues brunes, puis sur les mitochondries.

Les algues brunes

De la définition des algues

Comme cela vient d’être montré, il existe plusieurs types d’algues, selon l’origine de leurs plastes. Ce terme « algue » regroupe donc un ensemble d’organismes très différents. Il ne correspond pas à un groupe naturel d’organismes. En reprenant différentes classifications du vivant qui ont eu cours, une définition peut être approchée par restrictions successives (Van den Hoek et al., 1995a). D’abord, le terme de cryptogame, reproduction cachée, a été utilisé. Il regroupe les algues, les champignons, les mousses et les fougères.
Celui de thallophyte, appareil végétatif non différentié en tissus, est restreint aux seules algues et champignons.
Si on considère la capacité de photosynthèse, on parle bien uniquement des algues, sachant pourtant que certaines l’ont justement perdue.
Les algues sont donc des organismes qui n’ont ni racine, ni feuille, ni système de vascularisation, mais un thalle, photosynthétique (le plus souvent).
Cette définition regroupe bien toutes les algues, qu’elles soient à plastes primaires ou non. La mise en culture peut être nécessaire pour différencier ces secondes des cas où les plastes des algues sont consommés après avoir été maintenus fonctionnels plus ou moins longtemps (Schnepf, 1992).
Au niveau phylogénétique, les algues sont polyphylétiques, car il faut considérer l’histoire de l’hôte, du noyau. Par contre, si l’on considère les plastes, selon le nombre d’endosymbioses primaires, seulement un à trois phylums seraient définis, le phylum des plastes verts étant alors à la base du phylum des plantes.
Remarque : alors que le mot « algue » fait a priori penser à l’eau, et surtout à la mer, cet élément n’entre pas dans la définition du terme.

Place phylogénétique des algues brunes

Les algues brunes font parties des hétérocontes, aussi appelés stramenopiles. Ce groupe comprend plusieurs lignées d’hétérotrophes unicellulaires, qui peuvent être libres, par exemple Cafeteria roenbergensis, ou parasites, comme la plupart des oomycètes (Phytophthora infestans ), ainsi que différentes lignées d’organismes photosynthétiques, unicellulaires comme les diatomées, les xanthophycées et les bolidophycées ou pluricellulaires comme les algues brunes ou fucophycées. Le point commun à tous ces organismes, apparemment très différents, est l’existence à un stade au moins de leur vie, de cellules dont les deux flagelles sont de taille différente (hétérocontés), l’un portant des mastigonèmes tripartites (ou retronèmes) qui inversent le sens de la nage, l’autre étant lisse (Figure 5, page 15).
Les hétérocontes font partie de la « couronne des eucaryotes », bien que leur différenciation soit légèrement antérieure à celle des plantes, des champignons et des animaux.
L’analyse d’arbres phylogénétiques, construits à partir de gènes codant l’ARNr 18S cytoplasmique et l’ARNr 16S plastidial, indique que toutes les lignées d’hétérocontes photosynthétiques sont probablement dérivées d’une seule endosymbiose secondaire entre un hétéroconte hétérotrophe unicellulaire et une algue rouge primitive (Figure 6, page 16).
Les algues brunes sont un groupe solide parmi les hétérocontophytes. Elles comprennent des ordres monophylétiques, les Ectocarpales, les Sphacélariales, et les Fucales, par exemple, alors que d’autres sont polyphylétiques, comme les Laminariales (Figure 7, page 18).

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE I. D’ENDOSYMBIOSES EN ENDOSYMBIOSES
1. LA THEORIE ENDOSYMBIOTIQUE
1.1. Genèse d’une théorie
1.1.1. Les prémisses : « les symbiotes »
1.1.2. La renaissance : la théorie des symbioses en série
1.1.3. État actuel de l’art
1.2. Les endosymbioses primaires
1.2.1. L’origine des mitochondries
1.2.2. L’origine des plastes verts et rouges
1.3. Les endosymbioses secondaires
1.4. Les endosymbioses tertiaires
1.5. Le temps de l’établissement des endosymbioses
1.5.1. Des exemples de cas intermédiaires = processus lent ?
1.5.2. Un exemple d’endosymbiose obligatoire établie rapidement
2. LES ALGUES BRUNES
2.1. De la définition des algues
2.2. Place phylogénétique des algues brunes
2.3. Caractéristiques des algues brunes
2.3.1. Morphologie
2.3.2. Physiologie
2.3.3. Choix des modèles utilisés
3. LES MITOCHONDRIES
3.1. Caractéristiques des mitochondries
3.1.1. Gén éralités
3.1.2. L’enveloppe mitochondriale
3.1.3. La matrice
3.1.4. Les complexes enzymatiques des mitochondries
3.1.4.1. Complexe I : NADH : ubiquinone oxydoréductase ou NADH déshydrogénase
3.1.4.2. Complexe II : Succinate : ubiquinone réductase ou succinate déshydrogénase
3.1.4.3. Complexe III : Cytochrome bc1
3.1.4.4. Complexe IV : Cytochrome oxydase
3.1.4.5. Complexe V : ATP synthase
3.2. Les génomes mitochondriaux
3.2.1. Quelques caractéristiques de génomes de protéobactéries
3.2.2. Caractéristiques générales des génomes mitochondriaux
3.2.2.1. Les génomes mitochondriaux des animaux
3.2.2.2. Les génomes mitochondriaux des plantes supérieures
3.2.2.3. Les génomes mitochondriaux des champignons
3.2.2.4. Autres génomes mitochondriaux
3.3. La transcription et les ARN polymérases
4. OBJECTIF DE LA THESE
5. PUBLICATIONS
CHAPITRE II. MATERIELS ET METHODES
1. MATERIELS
1.1. Pylaiella littoralis de Roscoff
1.2. Laminaria digitata
1.3. Pylaiella littoralis d’Helgoland
1.4. Sphacelaria sp
1.5. Fucus serratus
1.6. La banque d’ADN génomique organitique
2. METHODES EXPERIMENTALES
2.1. Précisions préliminaires
2.1.1. Polysaccharides et composés phénoliques
2.1.2. Isolement des organites
2.2. Les cultures d’algues
2.2.1. Maintien et suivi des cultures
2.2.2. Cultures pour extractions
2.3. Isolement des organites
2.4. Extraction des acides nucléiques des algues brunes
2.4.1. ARNs
2.4.2. ADN
2.5. Extraction de l’ADN plasmidique des bactéries
2.6. Méthodes d’études de l’ADN
2.6.1. Clonage
2.6.2. PCR
2.6.3. Séquençage
2.6.4. Clonage par PCR inverse
2.6.5. Hybridation sur ADNs transférés sur membrane (Southern blot)
2.7. Méthodes d’études des ARNs
2.7.1. Hybridation sur ARNs transférés sur membrane (northern blot)
2.7.2. Amplification d’ADNc (RT-PCR)
2.8. Méthodes d’études des protéines
2.8.1. Extraction des protéines
2.8.2. Migration et transfert des protéines sur membrane
2.8.3. Immunodétection
2.8.3.1. Contrôles positifs
2.8.3.2. Contrôles négatifs
3. TRAITEMENT DES SEQUENCES
CHAPITRE III. RESULTATS COMMENTES
1. LE GENOME MITOCHONDRIAL DE PYLAIELLA LITTORALIS
1.1. Présentation générale
1.2. Contenu du génome mitochondrial
1.2.1. Les gènes d’ARNs ribosomiques
1.2.2. Les gènes d’ARN de transfert
1.2.3. Les gènes codant des protéines
1.2.3.1. Les gènes de protéines ribosomiques
1.2.3.2. Les gènes des autres protéines mitochondriales
1.2.3.3. Les gènes de protéines inconnues
1.2.4. Les introns et leurs ORFs
1.2.5. Motifs particuliers
1.2.5.1. Les régions promotrices
1.2.5.2. Origine de réplication
1.2.6. Organisation des gènes entre eux
1.2.6.1. Chevauchements de gènes
1.2.6.2. Les espaces intergéniques
1.3. La région comprenant une ARN polymérase de type phagique
1.3.1. Le jeu de répétitions
1.3.2. L’ARN polymérase
1.3.3. Les gènes de protéines inconnues
1.3.4. Les espaces intergéniques
1.4. Analyse comparative des différentes régions
1.4.1. Pourcentage en bases (A+T)
1.4.2. Usage des codons et biais de la troisième position
1.5. Les résultats négatifs
1.5.1. Des amplifications
1.5.1.1. Second domaine du gène nad11
1.5.1.2. ARN polymérase de type phagique
1.5.1.3. ARN polymérase de type bactérien
1.5.2. Détection de la protéine COX2
1.6. Conclusion sur le génome mitochondrial de P. littoralis
2. LE GENOME MITOCHONDRIAL DE LAMINARIA DIGITATA
2.1. Présentation générale de l’objectif
2.2. Caractérisation du génome mitochondrial de L. digitata
2.3. Ressemblances entre les génomes mitochondriaux de L. digitata et de P. littoralis
2.3.1. Le nad11
2.3.2. Le cox2
2.3.3. L’ORF127
2.3.4. Les régions promotrices
2.3.5. Les ARNt
2.3.6. Les entre-gènes
2.4. Différences entre les génomes mitochondriaux de L. digitata et de P. littoralis
2.4.1. Autour du gène de l’ARN polymérase
2.4.1.1. Modifications en amont du site d’insertion dans P. littoralis
2.4.1.2. Traces d’un gène codant une ARN polymérase
2.4.2. Les introns
2.4.2.1. Gène de l’ARNr 23S
2.4.2.2. Gène cox1
2.4.3. Les ORFs mitochondriaux 224 et 97-237-261
2.4.4. Trois différences au niveau d’ARNt
2.5. Conclusion sur le génome mitochondrial de L. digitata
3. COMPARAISONS ENTRE DIFFERENTES ESPECES D’ALGUES BRUNES
3.1. Le nad11
3.2. Le cox2
3.3. Le 16S
3.4. Le 23S
3.5. Conclusion sur les comparaisons entre différentes espèces d’algues brunes
CONCLUSION GENERALE
BIBLIOGRAPHIE

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