I.2.2 Patrons différenciant les micro-organismes libres des
endo-symbiotes
Chez les endosymbiotes, l’évolution réductive est supposée avoir lieu en plusieurs étapes (McCutcheon et Moran, 2012). Les symbiotes récents comme Serratia symbiotica pré-sentent de nombreux pseudogènes, des éléments ADN mobiles, des grandes et de petites délétions et des réarrangements chromosomiques (McCutcheon et Moran, 2012). Les en-dosymbiotes les plus anciens comme Buchnera ont vraisemblablement atteint un certain équilibre dans l’évolution de l’architecture de leur génome. Étant donné le style de vie restreint à l’hôte et la perte de gènes codant les protéines de recombinaison (Moran et al., 2008), très peu de transferts horizontaux de gènes sont attendus, et observés, dans ces endosymbiotes (van Ham et al., 2003; Toft et Andersson, 2010; Tamas et al., 2002). L’évo-lution des génomes dans les écotypes de Prochlorococcus réduits ressemble à celle des endo-symbiotes récents (Coleman et al., 2006). Comme la plupart des autres organismes marins libres, Prochlorococcus subit beaucoup plus d’échanges génétiques que les endosymbiotes restreints à leur hôte (Coleman et al., 2006; Sullivan et al., 2003, 2005). Leurs génomes incluent quelques portions du chromosome, appelées ilôts génomiques, où de nombreux échanges génétiques et de transferts de gènes peuvent avoir lieu (Coleman et al., 2006; Kettler et al., 2007; Luo et al., 2011) ainsi que des gains et des pertes de gènes. Les caté-gories fonctionnelles des gènes transférés ne sont pas aléatoires (Kettler et al., 2007; Luo et al., 2011), suggérant que la sélection dirige les changements de répertoires géniques chez Prochlorococcus. Ceci contraste avec les endosymbiotes où les répertoires de gènes sont supposés décroitre principalement par dérive génétique, touchant toutes les catégories fonctionnelles.
Une autre divergence apparente entre les génomes de Prochlorococcus et des endosymbiotes
est le ratio Ka/Ks, qui indique l’intensité de la sélection affectant les gènes codant les
protéines dans une lignée. Tandis que Ka/Ks chez les endosymbiotes est plus fort que
chez E. coli (Clark et al., 1999), les souches réduites de Prochlorococcus ont des Ka/Ks
plus faibles que le genre Synechococcus, proche phylogénétiquement (Hu et Blanchard, 2009; Sun et Blanchard, 2014; Luo et al., 2011). Comme détaillé précédemment, il n’est
pas cependant pas évident d’interpréter ces motifs, comme les ratio Ka/Ks peuvent être
difficiles à estimer dans certaines circonstances.
I.3 Hypothèses pour la réduction des génomes
Le syndrome de résidence chez les endosymbiotes est généralement expliqué par le cliquet de Muller (van Ham et al., 2003; Moran, 1996; Wernegreen, 2002; Wernegreen et Moran, 1999). Lors de la reproduction asexuée d’un organisme, son génome entier est copié et transmis à sa descendance, y compris les éventuelles mutations délétères. La qualité géné-tique de la lignée se détériore, comme un cliquet dont les dents n’autorisent le mouvement que dans une seule direction (Muller, 1964). Ce processus dégénératif affecte
cliquet clique quand les génomes les moins chargés (avec n − 1 mutations délétères) sont perdus par dérive, et que tout génome de la population possède au moins n mutations dé-létères. Cette accumulation de mutations délétères est rapide dans les petites populations et irréversible en l’absence de recombinaison (Muller, 1964), car seules des mutations de reversion improbables peuvent restaurer le type sauvage. Les endosymbiotes sont supposés être fortement affectés par le cliquet de Muller car leurs petites populations sont impactées par des goulets d’étranglements fréquents (Mira et Moran, 2002) et manquent souvent de la machinerie mais surtout d’opportunités de recombinaison avec d’autres bactéries. Avec le cliquet de Muller, la sélection naturelle est dépassée par la dérive, principalement dans les gènes non essentiels, qui deviennent des pseudogènes et sont ensuite éliminés via le biais spontané vers les délétions, typique des bactéries (Mira et al., 2001; Kuo et Ochman, 2009). Ces gènes perdus ne peuvent être regagnés par manque de recombinaison. Même les gènes essentiels, pour lesquels la sélection est assez forte pour éviter une dégénérescence complète, peuvent toujours accumuler quelques substitutions non-synonymes délétères. Ainsi, sous l’effet du cliquet de Muller, les séquences d’un génome évoluent rapidement et les motifs mutationnels dominent la sélection, comme observé chez les endosymbiotes (van Ham et al., 2003; Moran, 1996; Tamas et al., 2002; Wernegreen, 2002; Pérez-Brocal et al., 2006; Degnan et al., 2011).
Par la suite, nous discutons si le cliquet de Muller et d’autres hypothèses peuvent expliquer l’évolution des génomes chez Prochlorococcus.
I.3.1 Cliquet de Muller
Les dynamiques de populations de Prochlorococcus sont probablement drastiquement dif-férentes de celles des endosymbiotes bactériens. L’abondance globale moyenne annuelle
de Prochlorococcus est estimée à 2.9 · 1027 cellules (Flombaum et al., 2013) et la taille
efficace de population a été estimée à 1011 (Baumdicker et al., 2012). Cette estimation
est nettement supérieure à celle de 5 · 107 d’E. coli (Charlesworth et Eyre-Walker, 2006).
Bien que l’estimation de Ne chez Prochlorococcus puisse être remise en cause à cause des
hypothèses simplificatrices sur lesquelles elle repose (tailles de populations constantes le long de la phylogénie, taux constants de gains et pertes de gènes,...), il semble difficile
d’affirmer que les populations deProchlorococcus ont de petits Ne. De plus, les souches de
Prochlorococcus avec les génomes réduits sont supposées être plus abondantes et avoir un plus fort taux de croissance que les souches non réduites (Johnson et al., 2006; Malmstrom et al., 2010), ce qui semble en contradiction avec une hypothèse où une taille réduite de population aurait entrainé une réduction des génomes. En utilisant une approche standard
d’estimation du niveau de polymorphisme neutre au niveau des sites synonymes, Ne d’un
écotype réduit (MIT9312) a été récemment estimé à environ 109 (Kashtan et al., 2014).
Prochlorococcus n’est donc pas un très bon candidat pour le cliquet de Muller. En outre, contrairement à de nombreux endosymbiotes, Prochlorococcus a conservé la plupart de sa machinerie de recombinaison. Des évènements de transferts horizontaux de gènes ont été documentés dans les souches de Prochlorococcus adaptées aux fortes lumières (Kettler
I.3. Hypothèses pour la réduction des génomes 35 et al., 2007), mais dans une proportion plus faible que ceux trouvés dans les environ-nements pauvres en lumière (Zhaxybayeva et al., 2009). Il est donc peu probable que Prochlorococcus puisse être sujet au cliquet de Muller, mais des tentatives plus
approfon-dies de mesures des paramètres clés de génétique des populations comme Ne et le taux
de recombinaison des différents écotypes, à de grandes échelles évolutives1 sont
néces-saires pour éliminer définitivement cette hypothèse comme explication de la réduction des génomes chez Prochlorococcus.
I.3.2 Adaptation à l’environnement pauvre en nutriments
La plupart des écotypes de Prochlorococcus réduits se trouvent dans les eaux de surface des mers tropicales et subtropicales, qui sont connues pour être pauvres en nutriments tout au long de l’année. Peu après la découverte de ces cyanobactéries à petits génomes, il a été proposé que leur taille de génome soit une adaptation à la vie dans un environnement pauvre en nutriments (Rocap et al., 2003; Dufresne et al., 2005). Un plus petit génome signifie moins d’ADN dans la cellule et donc moins de besoins en azote et phosphore, deux éléments très rares dans les eaux de surface. De plus, avoir un petit génome permet un petit volume cellulaire, qui augmente le ratio surface-volume et améliore l’assimilation des nutriments (Giovannoni et al., 2005; Dufresne et al., 2005). En outre, l’environnement de Prochlorococcus, en plus d’être pauvre en nutriments, est très stable toute l’année. Les conditions dans les eaux tropicales et subtropicales ne changent pas significativement, au contraire des eaux tempérées, et les concentrations en nutriments dans les eaux de surface sont constamment faibles. Dans un tel environnement stable, une machinerie de régulation sophistiquée n’est pas indispensable. Ainsi, un certain nombre de gènes de régulation ont été perdus (Kettler et al., 2007). Généralement, tout gène non essentiel peut être perdu tant que le bénéfice de sa perte est plus fort que son coût. Les gènes
perdus chez Prochlorococcus ont tendance à avoir un Ka/Ks plus faible, c’est-à-dire une
efficacité de sélection plus faible, que ceux conservés chez Synechococcus ou les souches non réduites de Prochlorococcus (Sun et Blanchard, 2014). Cependant, d’autres hypothèses comme le cliquet de Muller et l’hypothèse de forts taux de mutation (expliquée dans la suite) prédisent aussi que les gènes non essentiels sont préférentiellement perdus.
Cependant, un certain nombre de pertes de gènes ne coïncident pas bien avec le schéma d’adaptation à un environnement pauvre en nutriments. En particulier, pour les souches de Prochlorococcus avec des génomes très réduits, la perte de nombreux gènes de réparation est déroutante car le bénéfice adaptatif de telles pertes n’est pas évident (Marais et al., 2008). Curieusement, cette tendance est partagée avec Pelagibacter ubique où de nombreux gènes de réparation de l’ADN ont été perdus par rapport à d’autres alpha-protéobactéries (Viklund et al., 2012). L’ATP étant le nucléotide le moins coûteux à produire (Rocha et Danchin, 2002), il a été suggéré que la perte de gènes réparant les mutations GC vers AT pourrait être favorisée par la sélection pour un génome moins coûteux dans un environnement pauvre en nutriments (Giovannoni et al., 2005, 2014). Ceci pourrait
1
La plupart de la réduction des génomes semble avoir eu lieu dans l’évolution primitive de Prochloro-coccus
expliquer la perte des gènes impliqués dans la réparation des mutations GC vers AT dans certains génomes de Prochlorococcus (Partensky et Garczarek, 2010). Cependant, chez P. ubique, un des seuls gènes de réparations retenus est impliqué dans la réparation des mésappariements G :U, et plus généralement chez les alpha-protéobactéries, la corrélation est faible entre les gènes réparant les mutations GC vers AT et le contenu en GC génomique (Viklund et al., 2012).
L’hypothèse adaptative pour la réduction des génomes prédit aussi une corrélation entre la réduction des génomes et les niches écologiques, c’est-à-dire, dans le cas de Prochlo-rococcus, la profondeur à laquelle les bactéries croissent. Prochlorococcus se trouve dans deux écotypes principaux (Figure I.2) : un écotype riche en lumière (high-light ou HL) principalement situé dans la partie haute de la colonne d’eau (0 à -100 mètres) où les nutriments sont rares, et un écotype pauvre en lumière (low-light ou LL) plus profond (-100 à -200 mètres) où les nutriments sont plus abondants. La plupart des sous-écotypes correspondent à l’hypothèse adaptative : les génomes non réduits sont des écotypes LL et les génomes réduits principalement HL (Figure I.2). Cependant, les lignées de Prochloro-coccus LLII/LLIII ont des génomes réduits alors qu’ils se trouvent dans un environnement pauvre en lumière, riche en nutriments à la même profondeur que LLIV. En fait, la po-sition phylogénétique des lignées LLII/LLIII suggère que le processus de réduction des génomes a démarré dans un environnement pauvre en lumière et antidate la colonisation de l’environnement riche en lumière. Dans ce cadre, l’hypothèse adaptative peut seule-ment expliquer une amplification de la réduction des génomes, mais les facteurs ayant initié le processus restent mystérieux.
L’écologie de cette cyanobactérie est toujours à l’étude et de nouvelles données pourraient modifier la vision actuelle. De meilleures annotations des génomes et des gènes gagnés et perdus pourraient renforcer l’hypothèse adaptative. Il y aussi d’autres indices soutenant l’adaptation généralisée dans les génomes de Prochlorococcus. Comme discuté précédem-ment, certains gains de gènes ont été rapportés dans les souches réduites de Prochlorococcus par des duplications de gènes et des transferts horizontaux de gènes depuis d’autres cya-nobactéries, évènements médiés par des phages (Kettler et al., 2007; Rocap et al., 2003; Coleman et Chisholm, 2010). De plus, de nombreux changements dans le protéome de Prochlorococcus ne se reflètent pas dans ceux de Buchnera ou d’autres endosymbiotes. La décroissance du contenu en GC n’explique pas tous les remplacements d’acides aminés, et les propriétés physico-chimiques des protéines dans les génomes réduits de Prochloro-coccus suggèrent qu’elles sont plus stables et flexibles que celles des génomes non réduits de Prochlorococcus et non maladaptées (Paul et al., 2010). La surexpression constitutive des protéines chaperonnes, qui sert probablement chez les endosymbiotes de mécanisme de compensation global contre des protéines généralement instables, n’a pas été observée chez Prochlorococcus (Mary et al., 2004). Cependant, la perte de certains gènes, comme les gènes codant pour des protéines impliquées dans la réparation de l’ADN, reste inexpliquée par cette hypothèse.
I.3. Hypothèses pour la réduction des génomes 37
I.3.3 Hypothèse de la Reine Noire
L’hypothèse de la Reine Noire est une hypothèse récente proposée pour expliquer la ré-duction des génomes (Morris et al., 2012). Si des tâches effectuées par certaines bactéries bénéficient à la communauté bactérienne entière, la plupart des bactéries vont perdre la capacité à effectuer ces tâches. Une minorité de bactéries est alors piégée et continue d’effectuer ces tâches, payant le prix de les faire seules. Par exemple, la production de protéines catalase-peroxidase (KatG) est le principal mécanisme de défense contre le per-oxide d’hydrogène (HOOH) externe chez les cyanobactéries (Morris et al., 2012). KatG est présent chez certaines souches de Synechococcus, mais absent de toutes les souches de Pro-chlorococcus séquencées jusqu’à présent. Il a ainsi été suggéré que dans un environnement où plusieurs espèces co-existent, Prochlorococcus peut bénéficier d’une protection contre les dommages oxydatifs fournie par d’autres espèces comme Synechococcus (Morris et al., 2012). Selon l’hypothèse de la Reine Noire, la perte de KatG pourrait être adaptative au niveau individuel tant que la production du bien commun est suffisant pour toute la communauté. Ce mécanisme pourrait expliquer pourquoi certaines bactéries marines sont si difficiles à cultiver en laboratoire, à cause de la forte connectivité nutritionnelle et donc de la dépendance entre les bactéries marines (Giovannoni et al., 2014) et en l’absence des autres bactéries produisant le bien commun. Il est cependant difficile de savoir combien de gènes pourraient être potentiellement sujets à l’hypothèse de la Reine Noire et dans quelle proportion cette hypothèse peut contribuer à la réduction des génomes de Prochlo-rococcus et de Pelagibacter (Giovannoni et al., 2014). Initialement, l’hypothèse de la Reine Noire a été proposée pour expliquer des situations comme celle de Prochlorococcus (Morris et al., 2012). Cependant, elle pourrait aussi jouer un rôle dans l’évolution de consortiums d’endosymbiotes où plusieurs endosymbiotes co-évoluent dans un hôte (McCutcheon et Moran, 2012).
I.3.4 Fort taux de mutation
L’adaptation des bactéries aux changements environnementaux peut être accélérée par une augmentation transitoire du taux de mutation (Taddei et al., 1997; Tenaillon et al., 1999). Des isolats bactériens avec des taux élevés de mutation sont ainsi couramment observés dans la nature. Quand un changement d’environnement a lieu, ces mutateurs peuvent acquérir plus rapidement des mutations bénéfiques dans ces nouvelles conditions et se répandre si le bénéfice de ces mutations dépasse le coût des mutations délétères engendrées. Dans ce cas, et en l’absence de recombinaison, le gène mutateur va se fixer dans la population en même temps que la mutation bénéfique.
Curieusement, les organismes mutateurs ont souvent perdu des gènes de réparation de l’ADN et évoluent rapidement, deux caractéristiques présentes dans les souches réduites de Prochlorococcus. Marais et al. (2008) ont proposé que la réduction des génomes chez Prochlorococcus pourrait résulter d’une augmentation des taux de mutation. En utilisant un modèle de "seuil d’erreur" où la fréquence d’équilibre d’un gène dans la population dépend deu/savec u le taux de mutation et s le coefficient de sélection du gène, la sélection
naturelle semble incapable de maintenir les gènes non essentiels quand le taux de muta-tion est augmenté. La perte des gènes de réparamuta-tion de l’ADN pourrait ainsi expliquer la perte importante de gènes, l’enrichissement en bases AT et l’évolution rapide, c’est-à-dire des caractéristiques qui ne sont pas clairement adaptatives. Cependant, ce scénario seul ne peut pas expliquer l’évolution réductive chez Prochlorococcus, car il n’explique pas l’augmentation initiale des taux de mutation. Certains auteurs ont donc combiné l’hypo-thèse de simplification adaptative à l’hypol’hypo-thèse mutatrice pour expliquer la réduction des génomes chez Prochlorococcus (Partensky et Garczarek, 2010).
Une question reste cependant non résolue. Dans la théorie sur les lignées mutatrices, un taux de mutation réduit sera sélectionné après un évènement adaptatif s’il n’y a pas de nouvelle mutation bénéfique à fixer. Dans ce cas, le coût des mutations délétères sé-lectionne clairement un taux de mutation réduit (Denamur et al., 2000). Pourquoi les gènes de réparation de l’ADN n’ont-ils pas été regagnés chez Prochlorococcus après l’évè-nement adaptatif ? La forte proportion de pseudogènes dans les génomes réduits (Paul et al., 2010) suggère que le processus de réduction du génome est toujours en cours. Ceci suggère que les génomes réduits ne sont pas à l’équilibre et que les taux de mutation pourraient être toujours trop élevés pour maintenir une taille de génome stable. Des don-nées supplémentaires sur la fréquence des transferts de gènes vers les génomes réduits de Prochlorococcus sont probablement nécessaires pour évaluer la probabilité de réacquisition par transfert des gènes de réparation. Le taux spontané de mutation a été mesuré dans plusieurs souches de Prochlorococcus (Osburne et al., 2011), et aucune augmentation n’a été trouvée dans les souches réduites de Prochlorococcus. Cependant, il reste donc à com-prendre comment des bactéries différant si drastiquement dans leur répertoire de gènes de réparation peuvent avoir des taux de mutation similaires. Notons cependant que ces taux de mutation ont été estimés en observant des mutants résistant aux antibiotiques dans des cultures liquides de souches de Prochlorococcus préalablement non exposées à la sélection antibiotique (Osburne et al., 2011), ce qui n’est pas idéal pour estimer les taux de mutation (Kissling et al., 2013; Lynch et al., 2011). Des méthodes moins biaisées pour mesurer les mutations (comme des expériences d’accumulation de mutations) sont ainsi nécessaires pour confirmer ce résultat.