Les formats d’´echange

Afin de partager ou faciliter les analyses des donn´ees m´etaboliques par di-vers outils, il est important de disposer de formats d’´echange communs. Pour les r´eseaux m´etaboliques, principalement deux formats sont disponibles : Biopax et SBML (Str¨omb¨ack & Lambrix, 2005; Finney A, 2003), tous deux bas´es sur le format XML.

Le format BioPax est le plus complet puisqu’il est capable de g´erer des liens hi´erarchiques entre objets et que toutes les informations, des g`enes aux compos´es, peuvent ˆetre stock´es dans un seul fichier. Cependant, il semble aujourd’hui que sa complexit´e rend son utilisation rare dans les outils d´edi´es aux r´eseaux m´etabo-liques. Notons tout de mˆeme que BioCyc permet d’exporter les voies m´etaboliques sous format BioPax.

D’un autre cˆot´e, le format SBML est beaucoup plus simple. Il est compos´e essentiellement d’une liste de r´eactions avec la liste des substrats et des produits. Des informations `a propos de la concentration des compos´es et les propri´et´es cin´etiques des r´eactions peuvent ˆetre ajout´ees pour permettre les simulations num´eriques du fonctionnement du r´eseau. SBML est maintenant utilis´e par de nombreux outils (www.sbml.org). BioCyc permet notamment d’exporter ses don-n´ees sous format SBML. Par ailleurs, les reconstructions m´etaboliques de qua-lit´e effectu´ees par l’´equipe de Palsson (Duarte et al., 2007; Feist et al., 2007; Reed et al., 2003) sont ´egalement disponibles en SBML sur la page du groupe (http ://gcrg.ucsd.edu/).

Deuxi`eme partie

Chapitre 3

SymBioCyc : une base de

donn´ees pour la comparaison de

r´eseaux m´etaboliques bact´eriens

SymbioCyc est une base de donn´ees d´edi´ee aux r´eseaux m´etaboliques de bac-t´eries. Elle est particuli`erement destin´ee aux personnes voulant entreprendre la mod´elisation de ces r´eseaux. En effet, SymbioCyc met `a disposition des filtres sur les donn´ees qui peuvent ˆetre export´ees ensuite sous forme de graphes ou de fichiers SBML. De plus, SymbioCyc propose des statistiques ´el´ementaires permet-tant d’identifier les grandes caract´eristiques de chaque r´eseau. Enfin, SymbioCyc dispose d’un outil de comparaison original permettant de comparer les donn´ees m´etaboliques entre organismes ou par groupe d’organismes. Ces fonctionnalit´es en font le premier site internet permettant `a la fois l’exploration, le filtrage, la comparaison et la mod´elisation sous formes de graphes des r´eseaux m´etaboliques de plusieurs bact´eries et en particulier de bact´eries endosymbiotes. Le chercheur dispose ainsi d’un mat´eriel prˆet `a l’emploi qu’il peut utiliser imm´ediatement pour l’analyse.

3.1 Les organismes de SymbioCyc

Au moment de la r´edaction de ce manuscrit, SymbioCyc contient les informa-tions m´etaboliques de 50 bact´eries. Celles-ci se r´epartissent phylog´en´etiquement en quatre grandes classes de bact´eries : les Prot´eobact´eries (41), les Firmicutes (6), les Actinobact´eries (2) et les Flavobact´eries (1) (Figure 3.1).

Les Prot´eobact´eries sont de loin les plus repr´esent´ees, particuli`erement les gamma-prot´eobact´eries (15) et les α-prot´eobact´eries (21). Les β-prot´eobact´eries et les δ-prot´eobact´eries ne comptent qu’un repr´esentant et les ǫ-prot´eobact´eries n’en comptent que trois.

Les bact´eries de SymbioCyc ont surtout ´et´e choisies pour l’´eventail de leur style de vie. Elles peuvent ainsi ˆetre class´ees selon trois crit`eres :

– la relation entrenue avec l’hˆote, si elle existe,

– l’existence d’un stade de vie intracellulaire prolong´e,

– le mode de transmission principal vers d’autres hˆotes : horizontal ou vertical. Selon ces crit`eres, les bact´eries de SymbioCyc peuvent ˆetre divis´ees en sept grands groupes de style de vie (Figure 3.1).

– 12 mutualistes intracellulaires `a transmission verticale (MIV),

– 8 parasites `a stade de vie intracellulaire `a transmission verticale (PIV), – 9 parasites `a stade de vie intracellulaire `a transmission horizontale (PIH), – 7 parasites extracellulaires `a transmission horizontale (PEH),

– 8 mutualistes extracellulaires `a transmission horizontale (MEH), – 3 commensalistes extracellulaires `a transmission horizontale (CEH), – 3 libres (L).

Nous utiliserons dans la suite les abbr´eviations entre parenth`eses pour d´esigner chaque grand groupe de style de vie.

Il est ´evident qu’il existe de nombreux autres crit`eres pour classer les orga-nismes en fonction de leur style de vie. Il n’y a pas `a notre connaissance de consensus `a ce sujet.

Les bact´eries intracellulaires sont au nombre de 29 dans SymbioCyc.

Les bact´eries MIV de SymbioCyc sont quasiment toutes des γ-prot´eobact´eries.

Seule Wolbachia pipientis wBm fait partie des α-prot´eobact´eries. On les retrouve toutes dans des cellules d’insectes `a l’exception encore de Wolbachia pipientis wBm que l’on trouve dans les cellules du filaire de Malaisie (Brugia malayi ) qui est un n´ematode. Le caract`ere mutualiste s’exprime ici par une association nu-tritionelle : la cellule de la bact´erie fait l’objet d’´echanges m´etaboliques intensifs avec la cellule hˆote. Carsonella ruddii, les quatre Buchnera, les deux Blochmannia et Sulcia muelleri interviendraient principalement dans la synth`ese d’acides ami-n´es essentiels, Baumannia cicadellinicola et Wigglesworthia dans la synth`ese de cofacteurs, Wolbachia pipientis wBm dans la synth`ese de cofacteurs mais aussi dans celle du h`eme et de nucl´eotides (Taylor et al., 2005; Foster et al., 2005). C’est dans ce groupe que l’on retrouve les g´enomes et les m´etabolismes les plus r´eduits (voir Section 1.2.3 p.27).

Les bact´eries PIV de SymbioCyc sont toutes des α-prot´eobact´eries et plus

particuli`erement des Rickettsiales. Sept esp`eces de Rickettsia et une esp`ece de Wolbachia sont r´epr´esent´ees.

Les Rickettsia ont pour la plupart comme hˆotes habituels des arthropodes. Dans ce cas, la bact´erie est transmise par voie ovarienne `a la prog´eniture de l’hˆote avec une grande fid´elit´e puisqu’elle est d´etect´ee dans les populations de l’hˆote `a des fr´equences consid´erables (Sakurai et al., 2005). Il a ´et´e reconnu que cer-taines agissent sur la reproduction de leurs hˆotes par un effet “male-killing” : elles

3.1 Les organismes de SymbioCyc

tuent les mˆales infect´es (Hurst & Jiggins, 2000). Mˆeme si leur principal mode de transmission se fait par voie ovarienne, il arrive fr´equemment que les Rickettsia se transmettent horizontalement apr`es que l’hˆote se soit nourrit du sang d’un mammif`ere (Hurst & Jiggins, 2000). Les Wolbachia sont de tr`es proches parentes des Rickettsia. Elles sont surtout connues pour la diversit´e des m´ecanismes de manipulation de la reproduction de leur hˆote : incompatibilit´e cytoplasmique, induction de la parth´enog´en`ese, mort et f´eminisation des mˆales (Werren, 1997).

Les bact´eries PIH de SymbioCyc sont r´eparties dans 3 groupes

phylog´e-n´etiques : les α-prot´eobact´eries, les δ-prot´eobact´eries et les Mycoplasmes. Dans le groupe des α-prot´eobact´eries, les quatre bact´eries PIH ne sont repr´esent´ees que par un seul genre : Bartonella. Celles-ci sont des bact´eries parasites du sang.

Leur cycle de vie est assez complexe. Leur hˆote habituel est un mammif`ere o`u elles

s’installeraient d’abord autour et dans les cellules ´epith´eliales dont elles peuvent causer la prolif´eration chez des hˆotes non habituels ou immunod´eprim´es. Elles

in-fectent ensuite les ´erythrocytes o`u elles se reproduisent. Les arthropodes suceurs

de sang jouent le rˆole de vecteurs. Les Bartonella colonisent l’intestin et persistent `a l’ext´erieur des cellules. L’infection de l’hˆote se ferait par les f´ec`es (Birtles, 2005). La seule repr´esentante des PIH dans la division des δ-prot´eobact´eries est Law-sonnia intracellularis. Cette bact´erie est obligatoirement intracellulaire et envahit

les cellules endoth´eliales principalement du porc o`u elle est fortement pathog`ene.

Enfin, les bact´eries PIH sont repr´esent´ees dans le groupe des Mycoplasmes par quatre bact´eries : trois souches de la mˆeme esp`ece, Mycoplasma hyopneumoniae, et la bact´erie Mycoplasma genitalium. Les Mycoplasmes sont commensaux ou parasites des vert´ebr´es, et peuvent devenir fortement pathog`enes. Chez tous les Mycoplasmes, la facult´e de fabriquer la paroi cellulaire a ´et´e perdue. Elles se fixent sur les cellules des membranes de la trach´ee, des conduits urog´enitaux, des yeux ou des glandes mammaires.

L’absence de paroi rigide pourrait faciliter la fusion des membranes du parasite et des cellules de l’hˆote, rendant possible l’´echange de composants cytoplasmiques. L’interaction avec les cellules hˆotes ´etant tr`es intime, les Mycoplasmes peuvent ˆetre class´ees parmi les bact´eries `a stade de vie intracellulaire mˆeme si strictement parlant, elles sont consid´er´ees comme extracellulaires. Les Mycoplasmes comptent ´egalement parmi les g´enomes bact´eriens les plus r´eduits.

Les bact´eries extracellulaires sont au nombre de 22 dans SymbioCyc.

Les bact´eries MEH comptent huit repr´esentantes dans SymbioCyc. Le

mu-tualisme ici s’exprime uniquement par la fixation d’azote fourni `a une plante hˆote. Six font partie des α-prot´eobact´eries, une des β-prot´eobact´eries et une autre des Actinobact´eries. La symbiose se r´ealise au niveau des racines au sein mˆeme d’ex-croissances de la plante, les nodules, dont la croissance est provoqu´ee par des signaux bact´eriens.

Les bact´eries PEH comptent sept repr´esentantes dans SymbioCyc, et se r´epartissent dans quatre groupes phylog´en´etiques. Agrobacterium tumefasciens est une α-prot´eobact´erie PEH capable de transf´erer une partie de son ADN aux plantes qu’elle parasite. Cet ADN, int´egr´e ensuite au g´enome nucl´eaire de la plante, va produire des hormones de croissance v´eg´etale, entraˆınant ainsi la for-mation de tumeurs et de nutriments utiles aux parasites.

Campylobacter jejuni est une ǫ-prot´eobact´erie qui colonise les intestins de mammif`eres et d’oiseaux et peut envahir la couche ´epith´eliale. Helicobacter pylori, ´egalement une ǫ-prot´eobact´erie, attaque la surface de l’estomac des hommes et peut ˆetre tr`es fortement pathog`ene.

Photorhabdus luminescens est une γ-prot´eobact´erie qui vit dans le corps de n´ematodes entomopathog`enes. Ceux-ci infectent des larves d’insecte et lib`erent Photorhabdus luminescens dans le sang de leur proie. Photorhabdus lumines-cens produit alors des toxines qui contribuent `a acc´el´erer la mort de l’insecte et des enzymes qui d´egradent les constituants de l’insecte en nutriments directe-ment assimilables par le n´ematode. Les bact´eries entrent dans la prog´eniture du n´ematode lorsqu’elles se d´eveloppent. Photorhabdus luminescens s´ecr`ete ´egale-ment des antibiotiques qui prot`egent le n´ematode de l’attaque d’autres bact´eries. Photorhabdus luminescens peut ˆetre consid´er´ee ainsi comme parasite chez l’in-secte et mutualiste chez le n´ematode.

Salmonella enterica Typhi est responsable de la fi`evre typho¨ıde chez l’homme. Une fois ing´er´ee, la bact´erie se multiplie dans l’intestin puis traverse la paroi intestinale et envahit d’autres tissus.

Pseudomonas aeruginosa est une γ-prot´eobact´erie infectant un tr`es large spectre d’hˆotes (plantes, humains, arthropodes, ...). Chez l’homme, c’est une bac-t´erie opportuniste qui cause des septic´emies ou des pneumonies chez les individus immuno-d´eprim´es.

La bacille du charbon, Bacillus anthracis, d´eveloppe des spores tr`es r´esistantes qui lui permettent de survivre des dizaines d’ann´ees dans le sol. Elle contamine surtout les animaux par l’alimentation et provoque une mort rapide par diss´emi-nation sanguine. Lorsqu’elle entre dans l’hˆote, elles produit des cellules v´eg´eta-tives qui se multiplient et produisent des facteurs de virulence qui finissent par tuer l’hˆote. Apr`es la mort de l’hˆote, les bact´eries sont relˆach´ees dans l’environne-ment et sporulent, compl´etant ainsi leur cycle de vie (Rasko et al., 2005).

Les bact´eries commensalistes sont au nombre de trois dans SymbioCyc. La

γ-prot´eobact´erie Escherichia coli K12 est commun´ement trouv´ee dans l’intestin humain.

Wolinella succinogenes est une δ-prot´eobact´erie trouv´ee dans le rumen des vaches. Elle n’est pas pathog`ene alors qu’elle poss`ede des g`enes de virulence. De mˆeme, elle poss`ede des g`enes reli´es `a la fixation d’azote, peut-ˆetre transf´er´es horizontalement par des Rhizobiales.

3.2 Annotation des g´enomes et reconstruction des r´eseaux m´etaboliques par