Evolution de la famille multigénique des globines au sein des annélides

La présence et la position des cystéines impliquées dans les ponts disulfures inter et intra-chaînes des hémoglobines ainsi que les possibilités de dimérisations et trimérisations des globines chez les principaux groupes annélidiens (polychètes, oligochètes, achètes, pogonophores et vestimentifères) permettent de dégager un premier schéma évolutif de la famille multigénique des hémoglobines extracellulaires des annélides (fig. 37).

D'une part, les polychètes et oligochètes ont des hémoglobines présentant des trimères qui associent les globines A2 et B2 par leurs cystéines en position 133 et les globines B2 et B1 par leurs cystéines en position 6 (chapitre 2, fig.31 ; Fushitani et al. 1988 ; Suzuki et al. 1988).

La globine A1 reste toujours monomérique.

D'autre part, les achètes, les pogonophores et les vestimentifères présentent des hémoglobines dimériques. La globine A2 reste toujours monomérique.

Chez les vestimentifères Riftia pachyptila et Lamellibrachia sp et chez le pogonophore Oligobrachia mashikoi les globines B2 et A1 sont associées par leurs cystéines en position 133.

Chez Riftia pachyptila, un autre dimère est réalisé entre les globines B2 et B1, mais associant deux cystéines en des positions différentes, respectivement 133 et 35. La cystéine 35 est le résidu supposé de la globine B1a permettant de réaliser le pont disulfure décelé par spectrométrie de masse.

Chez le pogonophore Oligobrachia mashikoi, il existe un trimère de globines résultant de l'association du dimère B2-A1 et d'une troisième globine. La troisième globine n'est ni A2, B2 ou A1 selon les données de spectrométrie de masse et SDS-page (Yuasa et al. 1996). Il est fort probable que ce soit une globine B1, mais on ne connaît pas la position de la cystéine qui permet le pont disulfure avec celle de la globine B2.

Pour les achètes, seules quatre globines co-existent, deux forment un dimère, et les deux autres sont des monomères (Shishikura et al. 1997). Bien que seules les séquences NH2 terminale soient disponibles (annexe 4), on peut facilement identifier deux lignées A et B ainsi que deux sous-lignées au sein de chaque famille. Aucun indice ne permet de discriminer les sous-famille en A1, A2, B1 ou B2 à cause du micro-séquencage (par définition court, donc ne fournissant pas une séquence protéique assez longue). La seule certitude est qu'une des

deux globines B forme un dimère avec une des deux globines A (Shishikura et al. 1997).

Le scénario le plus parcimonieux, eu égard aux positions conservées des cystéines et à celles perdues, repose sur une émergence de la famille multigénique A1, A2, B1 et B2 avant la séparation du groupe annélidien formant des trimères et du groupe annélidien formant des dimères (fig.37). En effet, la présence simultanée des cystéines en positions 133 chez les trois globines A1, A2 et B2 des annélides actuelles suggère que, chez les globines B1, la cystéine en position 133 a été perdue après la duplication de la globine B ancestrale en B1 et B2 (fig. 37). De plus, le probable résidu cystéine en position 133 au sein des globines ancestrales A et B suggère aussi que celles-ci pouvaient théoriquement réaliser des dimères de globines.

On peut raisonnablement penser que la cystéine 133 était initialement présente chez l'ancêtre annélidien mais qu'elle fut également perdue dans la lignée A2 formant des dimères, ainsi que dans la lignée A1 à trimères. La cystéine 6 a dû apparaître avant la duplication B1 et B2, mais perdue dans le groupe formant des dimères. Il est fortement moins probable que la cystéine en

gain simultané et indépendant à la même position dans la lignée B2 et B1 de ce même groupe.

Les dimérisations impliquant les globines B1 au sein du groupe formant des dimères restent plus difficile à interpréter. Cependant l'exemple de la diversification de la sous-famille B1 de Riftia pachyptila (positions marginales des cystéines 5 et 35), des famille de globines de Lamellibrachia sp (Suzuki et al. 1989) et d'Oligobrachia mashikoi (Yuasa et al. 1996) suggèrent que la radiation des globines B1 est récente et spécifique des vestimentifères et des pogonophores.

Ainsi ces duplications des globines B1 chez les pogonophores et les vestimentifères auraient pu générer des dimérisations originales avec cystéines en positions nouvelles sur des gènes dupliqués de type B1 orphelins (n'ayant pas d'orthologues), permettant même dans le cas de Oligobrachia mashikoi de faire un trimère de type B2-A1-B1 qui n'implique pas la globine A2 monomérique (Yuasa et al. 1996).

Bien que le but de cette thèse ne soit pas de résoudre la phylogénie des annélides, ces résultats préliminaires apportent une vision un peu différente des phylogénies classiques et suggèrent une dichotomie entre le groupe à trimères (polychètes et oligochètes) d'une part, et le groupe à dimères (vestimentifères, pogonophores et achètes) d'autre part. La classification selon Rouse et Fauchald (1997) qui place les vestimentifères et les pogonophores au sein des polychètes, et les oligochètes et les achètes au sein des Clitellata à l'extérieur des polychètes, n'est donc pas soutenue par nos résultats. L'ensemble des phylogénies des annélides montre que les annélides polychètes sont à la base des vestimentifères et les pogonophores (chapitre 2). Donc, si les polychètes sont à la base des annélides comme le suggère également Westheide (1997), on peut imaginer d'après la figure 37 qui allie (1) les duplications de gènes de globines, (2) les capacités de polymérisation spécifiques de ces globines et (3) les évènements de spéciation, qu'une lignée de polychète aurait pu être à l'origine du groupe des vestimentifères, des pogonophores et des achètes (ou hirudinés) formant des dimères n'impliquant pas A2 monomérique. Une autre lignée de polychètes serait à l'origine des oligochètes émergeant cependant dans le groupe à trimères, dont A1 monomérique.

Figure 37. Evolution de la famille multigénique des hémoglobines au sein des Annélides. En orange : les vestimentifères, les pogonophores et les achètes. En vert : les polychètes et les oligochètes. En jaune : ancêtre annélidien avant radiation. Les nombres et chiffres qui apparaissent sur les branches bleues symbolisent la position et le moment (approximatif) de l'acquisition de cystéines. Les flèches rouges symbolisent la perte de

5. Chaîne de structure des hémoglobines vasculaires V1 (HBL-Hb) de Riftia