Etat de l’art sur leur histoire ´ ´ evolutive

Malgr´e leurs rˆoles biologiques primordiaux, seules deux reconstructions phylo-g´en´etiques incompl`etes des PI3K ont ´et´e publi´ees avant mon travail de th`ese. La premi`ere, r´ealis´ee en 2003 par Kawashima et al. [358], concerne les prot´eines cataly-tiques (classes I, II et III) et r´egulatrices (except´ee la classe IB) des Opisthokonta. La seconde, publi´ee par Brown et Auger en 2011 [289], est plus compl`ete au niveau taxonomique puisqu’elle consid`ere l’ensemble des eucaryotes, mais ne porte que sur les prot´eines catalytiques.

Kawashima et al.

Les arbres phylog´en´etiques de Kawashima et al. ont ´et´e construits par la m´ e-thode NJ avec 1000 r´eplications de bootstrap. Le premier jeu de donn´ees, compos´e des homologues de la classe III catalytique, regroupe 19 s´equences issues de cinq esp`eces d’Opisthokonta diff´erentes : C. elegans, Ciona intestinalis, D.

melanogas-ter, H. sapiens et S. pombe. Pour les prot´eines r´egulatrices de la classe IA, l’arbre phylog´en´etique fut inf´er´e `a partir de dix s´equences provenant de six esp`eces. Enfin, seuls cinq homologues issus de cinq esp`eces ont ´et´e utilis´es pour la phylog´enie de de la prot´eine r´egulatrice de la classe III (Figure4.3).

Figure omise pour des

raisons de droits d'auteur.

Figure 4.3 – Phylog´enies des PI3K par Kawashima et al. [358].(A) Phylog´enie des sous-unit´es catalytiques. (B) Phylog´enie des prot´eines r´egula-trices de la classe IA. (C) Phylog´enie de la prot´eine r´egulatrice classe III. CE : C. elegans, CI : C. intestinalis, DM : D. melanogaster, HS : H. sapiens, MM : M. musculus, SC : S. cerevisiae, SP : S. pombe, XL : Xenopus laevis.

Bien qu’ils n’aient pas inf´er´e d’arbre phylog´en´etique pour les prot´eines r´ egulatri-ces de la classe IB, les auteurs indiquent n´eanmoins avoir d´etect´e chez C. intestinalis la premi`ere prot´eine non mammif`ere de cette classe.

Brown et Auger

Plus r´ecente, la phylog´enie construite par Brown et Auger, concerne uniquement les PI3K catalytiques. Une recherche par BLASTp sur la banque de s´equences NR (Non Redundant ) [359] avec un seuil E < 10⁻¹⁰ a permis aux auteurs d’identi-fier 157 s´equences provenant d’Opisthokonta (21 esp`eces), de plantes vertes (A. thaliana, Glycine max et Oryza sativa), d’Excavata (trois esp`eces de Leishmania, deux esp`eces de Trypanosoma et deux esp`eces d’Entamoeba) et d’Apicomplexa (sept esp`eces de Plasmodium). L’alignement a ´et´e r´ealis´e avec CLUSTALW et ses param`etres par d´efaut. Les blocs conserv´es ont ensuite ´et´e identifi´es manuellement (236 sites gard´es). Enfin, les auteurs ont inf´er´e l’arbre phylog´en´etique correspondant par la m´ethode NJ mais ´egalement par une approche bay´esienne. La robustesse de l’arbre NJ a ´et´e estim´ee au moyen d’une proc´edure de bootstrap (1000 r´eplications). Dans le cas de l’approche bay´esienne, le programme utilis´e ´etait MrBayes [360]. Par ailleurs, le mod`ele de m´elange prot´eique par d´efaut de MrBayes et 10⁶ g´en´erations

dont 104 de burn-in ont ´et´e utilis´es. L’arbre phylog´en´etique consensus correspon-dant (Figure4.4) a ´et´e racin´e par des s´equences de PI4K.

0.1 * * * * * * * _* * * * * * * ^* * * * ^* * * * * * * * * * * * *^* * * * * * ^{* *} * * *^* * * * * * * * * ^* * * * * ^* * * * ^* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * ^* * * ^* * ^** * * * * ^* * * * * * * * _* ^* * * *

Homo sapiens (human) Rattus norvegicus (rat)

Tetraodon nigroviridis (pufferfish)

Mus musculus (mouse)

Danio rerio (zebrafish)

Homo sapiens (human)^{Rattus norvegicus (rat)}

Tetraodon nigroviridis (pufferfish)

Mus musculus (mouse)

Danio rerio (zebrafish)

PIK3CB PIK3CD

Tribolium castaneum (beetle) Drosophila melanogaster (fruitfly) Anopheles gambiae (mosquito) Apis mellifera (honey bee)

Strongylocentrotus purpuratus (sea urchin)^{Trichoplax adhaerens (placozoan)} Branchiostoma floridae (Florida lancelet)

Homo sapiens (human) Rattus norvegicus (rat) Mus musculus (mouse)

PIK3CA PIK3CG Tetraodon nigroviridis (pufferfish)

Danio rerio (zebrafish)

Strongylocentrotus purpuratus (sea urchin) Branchiostoma floridae (Florida lancelet)

Homo sapiens (human)^{Rattus norvegicus (rat)} Mus musculus (mouse)

Danio rerio (zebrafish) Xenopus laevis (frog)

Caenorhabditis briggsae (nematode) Caenorhabditis elegans (nematode)

Homo sapiens (human) Mus musculus (mouse) Rattus norvegicus (rat)

PIK3C2A PIK3C2B

PIK3C2G

Caenorhabditis briggsae (nematode)^{Caenorhabditis elegans (nematode)}

Entamoeba histolytica

Trypanosoma cruzi (kinetoplastid) Leishmania infantum (kinetoplastid)

Entamoeba histolytica Entamoeba dispar

Entamoeba histolytica

Ciona intestinalis (tunicate) Ciona intestinalis (tunicate)

Danio rerio (zebrafish) Tetraodon nigroviridis (pufferfish)

Homo sapiens (human) Rattus norvegicus (rat) Mus musculus (mouse)

Homo sapiens (human) Rattus norvegicus (rat) Mus musculus (mouse) Homo sapiens (human)^{Rattus norvegicus (rat)} Mus musculus (mouse)

Ciona intestinalis (tunicate) Danio rerio (zebrafish)^{Tetraodon nigroviridis (pufferfish)}

Strongylocentrotus purpuratus (sea urchin) Branchiostoma floridae (Florida lancelet)

Drosophila melanogaster (fruitfly) Apis mellifera (honey bee)

Tetraodon nigroviridis (pufferfish)

PIK3C3 Danio rerio (zebrafish)

Tetraodon nigroviridis (pufferfish)^{Xenopus laevis (frog)} Ciona intestinalis (tunicate) Branchiostoma floridae (Florida lancelet)

Drosophila melanogaster (fruitfly)

Dictyostelium discoideum (slime mold)

Drosophila pseudoobscura (fruitfly)

Glycine max (soybean)^{Arabidopsis thaliana (thale crest)}

Oryza sativa (rice) _{Plasmodium chabaudi (malaria)} Plasmodium yoelii (malaria) Plasmodium berghei (malaria)

Plasmodium vivax (malaria) Plasmodium knowlesi (malaria) Plasmodium falciparum 3D7 (malaria)

Ashbya gossypii Saccharomyces cerevisiae (yeast)

Candida albicans Neurospora crassa ^{Gibberella zeae} Magnaporthe grisea Schizosaccharomyces pombe

Ustilago maydis

Leishmania braziliensis

Anopheles gambiae (mosquito)

Caenorhabditis briggsae (nematode) Caenorhabditis elegans (nematode)

Leishmania major

Trypanosoma cruzi^{Trypanosoma brucei} Leishmania infantum

PIK4B

Caenorhabditis briggsae (nematode) Caenorhabditis elegans (nematode) Homo sapiens (human)

Rattus norvegicus (rat)^{Mus musculus (mouse)}

Strongylocentrotus purpuratus (sea urchin)

Apis mellifera (honey bee)

Danio rerio (zebrafish) Tetraodon nigroviridis (pufferfish)

Xenopus laevis (frog)

Ciona intestinalis (tunicate) Branchiostoma floridae (Florida lancelet)

Drosophila melanogaster (fruitfly)

Arabidopsis thaliana (thale crest) Oryza sativa (rice)

Ashbya gossypii^{Saccharomyces cerevisiae (yeast)} Candida albicans

Neurospora crassa

Gibberella zeae Ustilago maydis

Anopheles gambiae (mosquito)^{Trichoplax adhaerens (placozoan)} Tribolium castaneum (beetle)

Plasmodium chabaudi (malaria) Plasmodium yoelii (malaria) Plasmodium berghei (malaria) Plasmodium vivax (malaria)^{Plasmodium knowlesi (malaria)}

Plasmodium falciparum 3D7 (malaria)

Arabidopsis thaliana (thale crest)^{Oryza sativa (rice)}

Plasmodium vivax (malaria) Plasmodium knowlesi (malaria) Plasmodium falciparum 3D7 (malaria) Homo sapiens (human)

Rattus norvegicus (rat) Mus musculus (mouse)

Danio rerio (zebrafish) Tetraodon nigroviridis (pufferfish)

Xenopus laevis (frog) Branchiostoma floridae (Florida lancelet)

Strongylocentrotus purpuratus (sea urchin)^{Apis mellifera (honey bee)}

Drosophila melanogaster (fruitfly) Anopheles gambiae (mosquito)

Caenorhabditis briggsae (nematode)^{Caenorhabditis elegans (nematode)}

Saccharomyces cerevisiae (yeast)^{Candida albicans} Gibberella zeae

Leishmania braziliensis Leishmania major

Trypanosoma cruzi^{Trypanosoma brucei} Leishmania infantum (kinetoplastids)

PIK4A

Leishmania braziliensis (kinetoplastids) Leishmania major (kinetoplastids)

Trypanosoma cruzi (kinetoplastids) Trypanosoma brucei (kinetoplastids)

Leishmania infantum (kinetoplastids) Class I Class II Class III Class IV Ia Ib Ia Mammalia

Vertebrata (Cold-blooded Vertebrates) Deuterostomia / Chordata

Invertebrates (Protosomatia & Pseudocoelomata) Vidiriplantae (Green Plants)

Fungi Apicomplexa Kinetoplasids & Other Protists

Figure 4.4 – Phylog´^{enie des sous-unit´es catalytiques des PI3K, par} Brown et Auger [289].Une ast´erisque (*) symbolise un nœud support´e par un bootstrap > 70% et une probabilit´e post´erieure > 0.95.

Comparaison

Ces deux phylog´enies soutiennent l’hypoth`ese d’une duplication ancienne condui-sant `a la s´eparation de la classe III et des classes I/II catalytiques, suivi d’une dupli-cation plus r´ecente `a l’origine des classes I et II. Aucune duplication n’est d´etect´ee au sein des prot´eines catalytiques de la classe III. Les duplications intra-classe II sont identiques entre les deux analyses, avec les prot´eines PI3K-C2α et PI3K-C2β plus proches l’une de l’autre que de la prot´eine PI3K-C2γ. Concernant les duplica-tions intra-classe I, la phylog´enie de 2003 montre un placement (non soutenu) de la prot´eine p110γ `a la base du groupe p110α-p110δ-p110β tandis que le phylog´enie de 2011 regroupe les prot´eines p110γ et p110α ensemble (groupement soutenu).

L’´emergence de la classe III catalytique semble tr`es ancienne et dat´ee d’avant LECA par Brown et Auger. Les r´esultats de Kawashima et al. montrent, quant `

a eux, que les prot´eines r´egulatrices semblent plus r´ecentes. N´eanmoins, comme expliqu´e ci-dessus, seules des esp`eces opisthocontes ont ´et´e consid´er´ees dans cette derni`ere analyse.

Objectifs de l’analyse

Malgr´e ces deux ´etudes, les connaissances de l’histoire ´evolutive des PI3K n’´etaient que tr`es partielles en 2014. En outre aucune phylog´enie de la classe IB r´egulatrice n’´etait disponible de mˆeme qu’aucune information phylog´en´etique sur les prot´eines r´egulatrices des classes IA et III non Opisthokonta. Profitant de l’accumulation de donn´ees mol´eculaires et du nombre important de g´enomes complets s´equenc´es ces derni`eres ann´ees, j’ai r´ealis´e une analyse phylog´en´etique d´etaill´ee de la famille PI3K. Les r´esultats obtenus ont ´et´e publi´es dans BMC Evolutionary Biology [361] (voir Annexe B) en Octobre 2015.