L'explosion des données de séquençage a permis de résoudre la plupart des relations phylogénétiques chez les archées. Néanmoins, de nombreuses questions restent à résoudre à l'échelle du domaine des archées et à l'échelle des trois domaines du vivant. Parmi elles, les relations phylogénétiques au sein du cluster II, notamment la position des archées halophiles extrêmes qui ont été placées à différentes positions dans l'arbre en fonction des marqueurs et des modèles de reconstruction utilisés, ainsi que la position de la racine des archées et la position des eucaryotes à la lumière des lignées d'archées nouvellement séquencées. Au cours de ma thèse, j'ai contribué à (i) affiner la phylogénie du domaine des Archaea en se concentrant sur les relations phylogénétiques au sein du cluster II, en particulier les positions des lignées halophiles extrêmes par rapport aux méthanogènes à travers des analyses dédiées à cette partie spécifique de l'arbre, et (ii) établir une phylogénie globale des archées afin de comprendre leur histoire évolutive ancienne et leur lien avec les eucaryotes à travers une analyse phylogénomique en deux étapes à l'échelle des trois domaines du vivant. D'abord, en utilisant des approches de génomique comparée sur 155 génomes complets appartenant aux Halobacteria, Nanohaloarchaea, méthanogènes de classe II, Archaeoglobales et Diaforarchaea, j'ai identifié 258 protéines portant un signal phylogénétique fiable pour étudier les relations de parente au sein du cluster II. En combinant différentes approches limitant l'impact du signal non phylogénétique sur l'inférence phylogénétique (comme la méthode Slow-Fast et le recodage des acides aminés), j'ai montré que les Nanohaloarchaea branchent avec les Methanocellales et les Halobacteria branchent avec les Methanomicrobiales. Ce jeu de données a ensuite été utilisé pour étudier la position d'une troisième lignée halophile extrême, les Methanonatronarchaeia, qui se positionnent entre les Archaeoglobales et les Diaforarchaea. Ces résultats suggèrent que l'adaptation à la salinité extrême serait apparue au moins trois fois de manière indépendante chez les archées et que les similitudes phénotypiques observées chez les Nanohaloarchaea, Halobacteria et Methanonatronarchaeia résulteraient d'une convergence évolutive, éventuellement accompagnée de transferts de gènes horizontaux. Enfin, ces résultats suggèrent que le groupement basal des Nanohaloarchaea avec d'autres lignées des DPANN serait la conséquence d'un artefact de reconstruction. Pour la deuxième partie de ma thèse, j'ai appliqué une stratégie consistant à analyser séparément les trois domaines du vivant considérés deux à deux, en mettant à jour 72 familles protéiques précédemment identifiées par Raymann et ses collègues (2015) pour inclure toutes les nouvelles lignées d'archées séquencées depuis la publication de cette étude comme les Asgard, les DPANN, les Stygia, les Acherontia, etc. Au total, mon échantillonnage taxonomique comprend 435 archées, 18 eucaryotes et 67 bactéries. Les résultats des analyses par la méthode Slow-Fast soutiennent une racine des Archaea située entre le superphylum basal des DPANN et le reste des archées séparées en deux groupes monophylétiques : les cluster I et cluster II, comme décrits par Raymann et ses collègues (2015), et montrent que la monophylie des Euryarchaeota est liée aux positions évoluant vite. Mes résultats placent les eucaryotes en tant que groupe frère du superphylum des TACK et montrent que leur regroupement avec les Asgard est lié aux positions évoluant vite. Ces résultats ont des implications majeures sur les inférences de la nature du dernier ancêtre commun des archées et sur l'histoire évolutive de ce domaine qui a conduit à l'apparition de la première cellule eucaryote / The burst of sequencing data has helped disentangling most of the phylogenetic relationships in Archaea. Nevertheless, many questions remain to be addressed both at the level of the archaeal domain and at the level of the three domains of life. Among them, the phylogenetic relationships inside the cluster II, in particular the position of extreme halophilic archaeal lineages relatively to the methanogens which have been placed at different positions in the tree based on the different markers and reconstruction models used, as well as the position of the root of the Archaea and the position of the eukaryotes in the light of the newly sequenced archaeal lineages. During my thesis, I have contributed to (i) refine the phylogeny of the archaeal domain by focusing on the phylogenetic relationships among the cluster II Archaea, in particular the positions of the extreme halophilic lineages through dedicated analyses focusing on this specific part of the archaeal tree, and (ii) establish a global phylogeny of the Archaea to understand their early evolutionary history and their link with the eukaryotes through a large-scale two-step phylogenomic analysis at the level of the three domains of life. First, using comparative genomics approaches on 155 complete genomes belonging to the Halobacteria, Nanohaloarchaea, methanogens class II, Archaeoglobales, and Diaforarchaea, I have identified 258 proteins carrying a reliable phylogenetic signal to investigate the position of the extreme halophilic lineages in Archaea. By combining different approaches limiting the impact of non-phylogenetic signal on phylogenetic inference (like the Slow Fast method and the recoding of amino acids), I showed that the Nanohaloarchaea branch with Methanocellales, and Halobacteria branch with Methanomicrobiales. This dataset has been subsequently used to investigate the position of a third extreme halophilic lineage, the Methanonatronarchaeia, which I showed to branch in between the Archaeoglobales and Diaforarchaea. These results suggest that adaption to high salinity emerged at least three times independently in Archaea, and that the phenotypic similarities observed in Nanohaloarchaea, Halobacteria, and Methanonatronarchaeia likely result from convergent evolution, possibly accompanied by horizontal gene transfers. Finally, these results suggest that the basal grouping of Nanohaloarchaea with other DPANN lineages is likely the consequence of a tree reconstruction artefact. For the second part of my thesis, I have applied a strategy consisting in separately analyzing the three domains of life two by two, by updating 72 protein families previously identified by Raymann and colleagues (2015) to include all novel archaeal lineages that were sequenced since the publication of this study like the Asgard, the DPANN, the Stygia, the Acherontia, etc. In total, my taxonomic sampling includes 435 archaea, 18 eukaryotes, and 67 bacteria. The results of the Slow-Fast method supported a root of the Archaea lying between a basal DPANN superphylum and the rest of the Archaea separated into two monophyletic groups: the cluster I and cluster II as described by Raymann and colleagues (2015), and showed that the monophyly of the Euryarchaeota is supported only by the fast-evolving sites. My results also placed the eukaryotes as the sister group to the TACK superphylum and showed that their sister grouping with the Asgard is linked to the fast-evolving sites. These results have major implications on the inferences of the nature of the last common archaeal ancestor and the subsequent evolutionary history of this domain that led to the rise of the first eukaryotic cell

Il est largement accepté qu'il existe une relation évolutive entre Archées et Eucaryotes, mais la nature exacte de cette relation reste vivement débattue. Au cours de cette thèse, je me suis servie de la grande quantité de données génomiques disponibles pour étudier ce problème à travers deux approches phylogénomiques complémentaires : (i) l'analyse d'un système cellulaire archéen particulier possédant une relation évolutive avec les eucaryotes, et (ii) une analyse phylogénomique à large échelle étendue aux trois domaines du vivant. Dans la première étude, j'ai conduit une analyse détaillée d'un système cellulaire possédant un lien entre Archées et Eucaryotes, la réplication de l'ADN. J'ai réalisé une analyse phylogénomique exhaustive des composants de la réplication de l'ADN chez tous les génomes complets d'archées. Cela m'a permis de les classer précisément en terme d'orthologie, de paralogie, de transferts horizontaux de gènes, et de copies issues d'éléments mobiles. Mes résultats fournissent un panorama complet de la diversité de la réplication de l'ADN parmi les différentes lignées, and m'ont permis d'inférer l'existence d'une machinerie de réplication de l'ADN de type moderne chez le dernier ancêtre commun archéen. J'ai ainsi été capable de clarifier l'histoire évolutive qui a forgée cette machinerie cellulaire clef au cours de la diversification des archées. Mon étude m'a permis de mettre en avant un nouveau jeu de marqueurs porteurs d'information sur les relations évolutives, non encore résolues, des différentes archées. De plus, j'ai analysé, pour la première fois, le signal phylogénétique porté pour les composants de la réplication de l'ADN. Ce signal est fortement en accord avec celui porté par deux autres machineries informationnelles clefs, la traduction et la transcription, renforçant ainsi l'existence d'un arbre archéen robuste. Enfin, la plupart des composants inférés comme étant présents chez l'ancêtre archéen sont partagés avec les eucaryotes, permettant de discuter des relations évolutives entre Archées et Eucaryotes... / It is widely accepted that there exist an evolutionary relationship between Archaea and Eukaryotes, but the exact nature of this relationship is hotly debated. In this thesis I have taken advantage of the large available genomic data to investigate the issue through two complementary phylogenomic approaches: (i) the analysis of a specific archaeal cellular system with an evolutionary link to eukaryotes, and (ii) a large-scale phylogenomic analysis at the level of the three domains of life. In the first study, I carried out a detailed analysis of a cellular system with an evolutionary link between Archaea and Eukaryotes, DNA replication. I performed an exhaustive phylogenomic analysis of the components of DNA replication in all complete archaeal genomes. This allowed me to accurately assign them in terms of orthology, paralogy, horizontal gene transfers, and copies originating from mobile elements. My results provide a full picture of the diversity of DNA replication among different lineages, and allowed me to infer the presence of a modern-type DNA replication machinery in the last archaeal common ancestor. I was able to clarify the evolutionary history that shaped this key cellular machinery during archaeal diversification. My study allowed me to highlight a new set of markers that provide information on yet unclear evolutionary relationships within archaea. In addition, I analyzed, for the first time, the phylogenetic signal carried by DNA replication components. This is highly consistent with that harbored by two other key informational machineries, translation and transcription, strengthening the existence of a robust organismal tree for the Archaea. Finally, most of the components inferred to have been present in the archaeal ancestor are shared with eukaryotes, allowing discussion on the evolutionary relationships between Archaea and Eukaryotes...

Les archées sont principalement connues pour leur capacité à croître et survivre dans des conditions extrêmes de température, pression, pH, etc. qui sont hostiles à l’homme. Néanmoins, il est désormais clair que les archées sont aussi présentes de manière ubiquitaire dans divers environnements. L’étude détaillée des différents aspects de la biologie de ces microorganismes a amené à des découvertes pour le moins inattendues comme celle de la virosphère associée aux archées qui est unique. En effet, plusieurs virus infectant les archées ont été isolés et présentent une incroyable diversité tant au niveau morphologique que génomique et ne ressemblent aucunement aux virus connus de bactéries ou d’eucaryotes. Récemment, l’analyse en détails du cycle viral a mis à jour de nouveaux mécanismes d’interactions avec la cellule hôte. Au cours de mes travaux de thèse, nous nous sommes intéressés aux systèmes virus-hôtes présents dans les milieux hyperthermiques et acidophiles en sélectionnant les virus fusiforme et filamenteux SSV1 et SIRV2 en tant que modèles d’étude. Tout d’abord, nous avons défini une nouvelle classification des virus fusiformes en basée sur l’analyse comparative des protéines structurales et des génomes viraux. L’ensemble des virus considérés forme un réseau global malgré le fait qu’ils ont été isolés dans des environnements distincts ; qu’ils infectent des hôtes qui sont distant phylogénétiquement parlant et que certains de leurs virions présentent une certaine pléomorphicité. Ensuite, la caractérisation en détails de l’architecture des virions fusiformes de SSV1 a révélé qu’ils étaient enveloppés, composés de protéines de capside glycosylées et contenaient le complexe nucléoprotéique. Finalement, nous nous sommes concentrés sur la manière dont les virus d’archées interagissent avec la cellule hôte. Alors que les virions de SIRV2 semblent utiliser une stratégie pour l’entrée qui est similaire aux bactériophages dits flagellotrophiques ; on observe que les virions de SSV1 emploient un mécanisme de sortie qui rappelle le bourgeonnement des virus eucaryotes enveloppés. L’ensemble de ces recherches participent à une meilleure compréhension de la biologie des archées ainsi que de leurs virus et permettent de définir des cibles intéressantes pour de futures études. / Although, archaea were initially regarded as exotic microorganisms capable of growing in conditions which are hostile to humans, it became clear that they are ubiquitous and abundant in various environments. Detailed studies focusing on different aspects of archaeal biology have led to many unexpected discoveries, including the unique virosphere associated with archaea. Indeed, highly diverse viruses characterized by uncommon virion shapes and mysterious genomic contents have been isolated that typically do not resemble viruses of either bacteria or eukaryotes. Recent analysis of the sequential events of the viral cycle resulted in major breakthroughs in the field. In the framework of my PhD studies, I have focused on two model hyperthermo-acidophilic virus-host systems, the spindle-shaped SSV1 and rod-shaped SIRV2, both infecting organisms of the genus Sulfolobus. Initially, we defined structure-based lineages for all known spindle-shaped viruses isolated from highly divergent hosts and residing in very different environments. Then, we provided insights into the architecture of spindle-shaped viruses by showing that SSV1 virions are composed of glycosylated structural proteins and contain a lipid envelope. Finally, we focused on virus-host interplay. Whereas SIRV2 virions appear to use a similar entry strategy as flagellotrophic bacteriophages, SSV1 virions employ an exit mechanism reminiscent of the budding of eukaryotic enveloped viruses. Collectively, these studies shed light on the biology of archaeal viruses and help to define interesting targets that should be the focus of intensive research in the next future.

Les bases fondamentales de la biologie suggèrent que tous les organismes actuels partagent un dernier ancêtre commun, le cenancêtre. Dès que la comparaison moléculaire des organismes des trois domaines du vivant (archées, bactéries et eucaryotes) est devenue possible, d'importants débats ont émergé sur l'habitat du cenancêtre, son rapprochement des origines de la vie, sa nature unique ou communautaire et ses relations avec les trois domaines du vivant. Cependant, jusqu'à il y a peu les informations disponibles sur les organismes modernes n'étaient pas suffisantes pour décrire précisément sa biologie. Notamment, la découverte chez les archées de membranes dont les composants principaux, les phospholipides, sont synthétisés par des mécanismes très différents de ceux des bactéries et les eucaryotes a conduit à proposer que chaque mécanisme de synthèse des phospholipides soit apparu indépendamment dans les lignées modernes. Dans ces hypothèses le cenancêtre aurait été dépourvu de phospholipides et, donc, de membranes. Cela met en cause la nature cellulaire du cenancêtre, qui semblait pourtant soutenue par d'autres indices indirects. Ces contradictions posent la question de l'existence de traces dans les organismes modernes d'une synthèse des phospholipides chez le cenancêtre. Dans cette thèse j'ai profité de l'explosion récente des données génomiques pour répondre à cette question. Il avait déjà montré que des membres de deux superfamilles protéiques universelles pouvaient avoir synthétisé de façon non spécifique chez le cenancêtre les énantiomères de glycérol phosphate servant d'ossature aux phospholipides. Les phospholipides archéens sont composés d'isoprénoïdes et les bactériens et eucaryotes d'acides gras. J'ai donc étudié l'évolution des voies de synthèse de ces molécules ainsi que celle de l'assemblage de tous les composants dans des phospholipides. Mes résultats montrent que la voie de synthèse des isoprénoïdes des eucaryotes et une voie hypothétique de synthèse des acides gras chez les archées avaient probablement des ancêtres moins spécifiques chez le cenancêtre. Une partie au moins de la machinerie d'assemblage des phospholipides semble aussi avoir été présente chez le cenancêtre.Ceci suggère que le cenancêtre avait probablement des mécanismes peu spécifiques de synthèse des phospholipides et que les différences entre les membranes actuelles sont dues à la spécialisation de la machinerie ancestrale dans chaque lignée. Mes observations soulignent aussi l'importance d'étudier le cenancêtre à partir des informations issues des organismes actuels pour éviter toute confusion avec les origines de la vie.

Chez les Archaea, tous les processus informationnels, transcription incluse, sont effectués par des protéines proches de celles des Eukarya. Alors que la machinerie transcriptionnelle des archées a été bien caractérisée structurellement et fonctionnellement, très peu d'informations sont disponibles sur la régulation de son activité. En travaillant à la fois avec des modèles cellulaires (crénarchée hyperthermophile Sulfolobus islandicus) et viraux, nous avons pu réaliser une étude approfondie de trois régulateurs transcriptionnels et mieux comprendre les mécanismes de régulation transcriptionnelle chez les archées. Au cours de cette thèse, deux régulateurs viraux, SvtR et AFV1p06, et un régulateur cellulaire, Sta1, ont été étudiés. Concernant SvtR, codé par le virus SIRV1 qui infecte S. islandicus, nous avons poursuivi la recherche précédente, qui avait permis de déterminer sa structure et sa fonction, en nous focalisant sur la caractérisation de l'ensemble de ses cibles dans le génome viral et sur l'étude de son mécanisme d'action. Pour cela, la séquence du site consensus reconnu par SvtR a été établie à l'aide de la mutagénèse systématique d'un de ses sites déjà caractérisés. Ce site est présent dans les promoteurs de dix gènes de SIRV1 montrant que SvtR pourrait réguler l'activité de plus de 20% des gènes viraux. Ses cibles incluent tous les gènes codant pour les protéines de la capside virale. L'analyse fonctionnelle réalisée sur une partie des sites de liaison de SvtR a permis de démontrer qu'il s'agit d'un régulateur polyvalent agissant, selon la cible, en tant que activateur ou répresseur transcriptionnel. En prenant comme modèle le promoteur du gène gp30, nous avons pu démontrer par plusieurs approches que la régulation de ce promoteur inclut la polymérisation de la protéine depuis son site de liaison principal jusqu’à la TATA-box du promoteur. Il s’agit d’un mécanisme de régulation de transcription à distance original et inédit chez les archées. La structure de l’autre régulateur viral étudié, AFV1p06, codé par le virus AFV1 qui infecte Acidianus hospitalis, révèle la présence au sein de cette protéine d’un domaine en doigt de zinc C2H2, considéré jusqu’à présent comme spécifique des eucaryotes. Nous avons démontré la capacité d’AFV1p06 à se lier à l’ADN avec une préférence pour les régions riches en GC. AFV1p06 est la première DNA binding protéine d’archées de ce type caractérisée in vitro. Le troisième régulateur transcriptionnel, Sta1, est codé par le génome des Sulfolobales. Il est capable d’activer la transcription de gènes viraux, ainsi que du gène chromosomique radA en réponse à un dommage à l’ADN. Pour comprendre son rôle dans la cellule, nous avons tenté de réaliser, sans succès, un mutant knock-out du gène sta1 de S. islandicus RYE15A, ce qui indique que le gène sta1 serait un gène essentiel. L’étude de l’interaction hôte-virus sur le modèle S. islandicus LAL14/1 est un des sujets principaux de notre laboratoire. Le séquençage du génome de cette souche a ouvert la voie pour établir un système génétique. Plusieurs mutants KO de LAL14/1 (pyrEF-; ΔCRISPR1) ont été construits. L’impossibilité d’inactiver un autre gène candidat, topR2, codant pour une réverse gyrase, indique qu’il s’agit d’un gène essentiel. La construction du mutant ΔCRISPR1 est la première étape pour obtenir un dérivé de LAL14/1 dépourvu de système CRISPR, un mutant très utile pour mieux comprendre l’implication des CRISPRs dans le phénotype de résistance de LA14/1 au virus SIRV1 et leur rôle chez les archées en général. L’ensemble des résultats de cette thèse contribue à la meilleure compréhension du fonctionnement moléculaire chez les archées et leurs virus. / In Archaea cells all information processes, including transcription, are performed by the Eukarya-like proteins. While the transcriptional machinery of archaea has been well characterized structurally and functionally, very few information concerning the regulation of its activity is available. By working with both cell (crenarchaeota Sulfolobus islandicus) and viral models, we have performed an in-depth study of three transcriptional regulators: two viral regulators, SvtR and AFV1p06, and a cell regulator Sta1. The obtained results allow to better understand the mechanisms of transcriptional regulation in archaea. Concerning the protein SvtR encoded by the virus SIRV1 that infects S. islandicus, we continued the research project that had identified its structure and function. We were focused on identification and characterization of all of SvtR targets in the viral genome and on the study of the mechanisms of regulation. For this purpose, we established the sequence of consensus site recognized by SvtR using systematic mutagenesis of one of its previously characterized binding sites. This site is present in the promoters of 10 genes meaning that SvtR may regulate the activity of more than 20% of SIRV1 genes. Its targets include all known genes encoding proteins of the viral capsid. Functional analysis of SvtR has demonstrated that, according to the target, this protein is a versatile regulator acting as transcriptional activator or repressor. Taking as a model the gp30 gene promoter, we demonstrated by several approaches that regulation of this promoter includes the polymerization of the protein from its primary binding site towards the TATA-box. Such a mechanism of transcriptional regulation is new in archaea. Second, we performed a structural analysis of the protein AFV1p06 encoded by the virus AFV1 which infects Acidianus hospitalis. The structural analysis of AFV1p06 revealed the presence of a C2H2 zinc finger domain regarded hitherto as specific to eukaryotes. We demonstrated that AFV1p06 has ability to bind specifically to DNA sequences rich in GC. AFV1p06 is the first archaeal DNA binding protein with zinc finger domain characterized in vitro. The third transcriptional regulator, Sta1 is encoded by the genome of Sulfolobales. The protein RadA is able to activate the transcription of viral as well as chromosomal genes in response to DNA damage. To understand its role in the cell, we attempted, without success, to knockout the sta1 gene in S. islandicus RYE15A. This result indicates that the sta1 gene is probably essential. The strain S. islandicus LAL14 /1 is a model strain to study host-virus interaction in archaea. The sequencing of the genome of this strain opened the way to establish a genetic system for this model and allowed us to construct knockout mutants for several LAL14/1 genes (pyrEF-; ΔCRISPR1). Our unsuccessful attempts to inactivate topR2, another candidate gene encoding reverse gyrase indicate that topR2 function could be essential. The construction of the ΔCRISPR1 mutant opens the way to obtain a derivative of LAL14/1 entirely lacking the CRISPR system. Such a mutant will be very useful for the future studies of function and role of CRISPRs in archaea in general but also will allow to verify the hypothesis of involvement of CRISPRs in the phenotype of resistance of LA14/1 to SIRV1. All the results of this thesis contribute to an improved understanding of molecular mechanisms in archaeal cells and their viruses.

Les ARN de transfert, éléments centraux de la traduction, présentent une grande variété de nucléosides modifiés dérivés des nucléosides canoniques (A, U, G et C), qui modulent la stabilité, la capacité de décodage et l’identité de ces molécules. t6A (thréonylcarbamoyl-N6-Adénosine) est un nucléoside hypermodifié retrouvé en position 37 (adjacent à l’anticodon) au niveau de tous les ARNt qui s’apparient aux codons de la forme ANN. Il joue un rôle essentiel dans la fidélité de traduction à travers deux fonctions principales : (i) il intervient dans le maintien de la bonne conformation de la boucle anticodon ; (ii) il facilite l’appariement codon/anticodon afin d’éviter le décalage de cadre de lecture durant la synthèse protéique. Ce nucléoside modifié est universel, présent chez les Archées, les Bactéries, les Eucaryotes, mais également chez les organites (mitochondries et chloroplastes), ce qui suggère que son apparition représente une acquisition évolutive importante et très ancienne, probablement antérieure au dernier ancêtre commun universel (LUCA). Pourtant, la voie de biosynthèse de t6A est restée inconnue pendant près de quarante ans.Récemment, des études de génétique ont montré que deux protéines universelles, Sua5/YrdC et Kae1/YgjD, sont nécessaires à sa synthèse chez Saccharomyces cerevisiae et Escherichia coli. Chez les Bactéries, la synthèse in vitro de t6A requiert la présence de deux autres protéines spécifiques à ce domaine du vivant : YeaZ et YjeE. Chez les Archées et les Eucaryotes, Kae1 (l’orthologue de YgjD) fait partie d’un complexe protéique conservé appelé KEOPS (pour Kinase Endopeptidase and Other Proteins of Small size), aux côtés de trois autres protéines : Bud32, Cgi121 et Pcc1, qui n’ont pas d’homologues chez les Bactéries. Depuis sa découverte en 2006 chez S.cerevisiae, ce complexe a été impliqué dans plusieurs processus cellulaires (homéostasie des télomères, maintien du génome, régulation de la transcription), sans que sa fonction ne soit clairement élucidée.Nous avons entrepris de caractériser et de comparer par une approche biochimique in vitro les machineries de biosynthèse de t6A issues des trois domaines du vivants, en utilisant comme organismes modèles l’Archée Pyrococcus abyssi, l’Eucaryote Saccharomyces cerevisiae et la Bactérie Escherichia coli. (i) Nous avons montré pour la première fois que le complexe KEOPS et la protéine Sua5 catalysent ensemble la synthèse de t6A chez les Archées et les Eucaryotes. Nos résultats nous ont permis d’élaborer un modèle de mécanisme catalytique, et nous avons montré par des expériences de complémentation in vitro que ce mécanisme est universel : les différents orthologues Sua5/YrdC sont interchangeables, et le complexe KEOPS est l’analogue fonctionnel du trio de protéines YgjD/YeaZ/YjeE Bactérien. (ii) Nous avons alors étudié le rôle de chacune des sous-unités du complexe KEOPS de Pyrococcus abyssi dans la synthèse de t6A. Ainsi, nous avons montré que Kae1 est le seul composant catalytique stricto sensus et que les trois autres partenaires ont des fonctions distinctes dans la régulation de l’activité catalytique. (iii) Enfin, nous avons étudié la synthèse de t6A chez la mitochondrie de S.cerevisiae, et avons montré que Sua5 et la protéine Qri7, l’orthologue mitochondrial de Kae1/YgjD, catalysent ensemble la synthèse de t6A et constituent ainsi un système minimaliste à deux composants.Ces résultats ouvrent la voie à une compréhension détaillée du mécanisme de biosynthèse de t6A dans les trois domaines du vivant, et permettent de proposer des scénarii évolutifs concernant l’histoire de la machinerie de synthèse de ce nucléoside modifié universel. / Transfer RNA are central elements of the translational system and carry a large diversity of modified nucleosides (derived from canonical nucleosides A, U, G, and C), which tune the stability, the decoding capacity and the identity of these oligonucleotides. t6A (threonylcarbamoyl-N6- adenosine) is a hypermodified nucleoside found at the position 37 (next to the anticodon) in all tRNA decoding ANN codons. It plays an essential role in the fidelity of translation through two main functions: (i) it ensures a correct conformation of the anticodon loop; (ii) it enhances codon/anticodon pairing to prevent frameshifting during translation. This nucleoside is universal, found in Archaea, Bacteria, Eukarya and also in organites such as mitochondria, which suggests that it appeared early in the evolution, probably before the last universal common ancestor (LUCA). Despite the importance of t6A and its distribution, its biosynthetic pathway has remained unknown for almost 40 years.Recently, genetic studies have shown that two universal proteins, Sua5/YrdC and Kae1/YgjD, are both necessary for synthesis of t6A in Saccharomyces cerevisiae and Escherichia coli. In Bacteria, the in vitro synthesis of t6A requires two other bacterial specific proteins called YeaZ and YjeE. In Archaea and Eukarya, Kae1 (the YgjD orthologue) is a part of a conserved protein complex called KEOPS (for Kinase Endopeptidase and Other Proteins of Small size), with three other proteins Bud32, Cgi121 and Pcc1, that have no bacterial homologues. Since its discovery in 2006 in yeast, this complex has been involved in several cellular processes (telomere homeostasis, genome maintenance, transcription regulation), but its real function remained unclear.Using an in vitro biochemical approach we aimed to characterize and compare the t6A biosynthesis systems from the three domains of life, using as model organisms Pyrococcus abyssi (Archaea) Saccharomyces cerevisiae (Eukarya), and Escherichia coli (Bacteria). We have reconstituted for the first time an in vitro system for t6A modification in Archaea and Eukarya, using purified KEOPS and Sua5. This allowed us to propose a model for the catalytic mechanism, and using in vitro complementation experiments we demonstrated that this mechanism is universal: Sua5/YrdC orthologues are interchangeable, and the KEOPS complex is the functional analogue of the bacterial trio YeaZ/YgjD/YjeE. In the second part of this work we have studied the role of each sub unit in the synthesis of t6A. Using KEOPS from P. abyssi as model we demonstrated that Kae1 is the only catalytic component while the three other partners have distinct functions in dimerization, tRNA binding and allosteric regulation. Finally, we have focused on the t6A synthesis in the mitochondria of S.cerevisiae, and shown that Sua5 and Qri7, the mitochondrial orthologue of Kae1/YgjD, catalyze together the synthesis of t6A and so represent a minimal two-component system.Overall these findings shed light on the reaction mechanism of t6A synthesis in the three domains of life, and allowed proposing a scenario concerning the history of the t6A synthesis machinery and its evolution.

Les bases fondamentales de la biologie suggèrent que tous les organismes actuels partagent un dernier ancêtre commun, le cenancêtre. Dès que la comparaison moléculaire des organismes des trois domaines du vivant (archées, bactéries et eucaryotes) est devenue possible, d’importants débats ont émergé sur l’habitat du cenancêtre, son rapprochement des origines de la vie, sa nature unique ou communautaire et ses relations avec les trois domaines du vivant. Cependant, jusqu’à il y a peu les informations disponibles sur les organismes modernes n’étaient pas suffisantes pour décrire précisément sa biologie. Notamment, la découverte chez les archées de membranes dont les composants principaux, les phospholipides, sont synthétisés par des mécanismes très différents de ceux des bactéries et les eucaryotes a conduit à proposer que chaque mécanisme de synthèse des phospholipides soit apparu indépendamment dans les lignées modernes. Dans ces hypothèses le cenancêtre aurait été dépourvu de phospholipides et, donc, de membranes. Cela met en cause la nature cellulaire du cenancêtre, qui semblait pourtant soutenue par d’autres indices indirects. Ces contradictions posent la question de l’existence de traces dans les organismes modernes d’une synthèse des phospholipides chez le cenancêtre. Dans cette thèse j’ai profité de l’explosion récente des données génomiques pour répondre à cette question. Il avait déjà montré que des membres de deux superfamilles protéiques universelles pouvaient avoir synthétisé de façon non spécifique chez le cenancêtre les énantiomères de glycérol phosphate servant d’ossature aux phospholipides. Les phospholipides archéens sont composés d’isoprénoïdes et les bactériens et eucaryotes d’acides gras. J’ai donc étudié l’évolution des voies de synthèse de ces molécules ainsi que celle de l’assemblage de tous les composants dans des phospholipides. Mes résultats montrent que la voie de synthèse des isoprénoïdes des eucaryotes et une voie hypothétique de synthèse des acides gras chez les archées avaient probablement des ancêtres moins spécifiques chez le cenancêtre. Une partie au moins de la machinerie d’assemblage des phospholipides semble aussi avoir été présente chez le cenancêtre.Ceci suggère que le cenancêtre avait probablement des mécanismes peu spécifiques de synthèse des phospholipides et que les différences entre les membranes actuelles sont dues à la spécialisation de la machinerie ancestrale dans chaque lignée. Mes observations soulignent aussi l’importance d’étudier le cenancêtre à partir des informations issues des organismes actuels pour éviter toute confusion avec les origines de la vie. / The main bases of Biology suggest that all extant organisms share a last common ancestor, namely the cenancestor. As soon as the comparison of molecular characters of organisms representative of the whole diversity of life became possible, hot debates emerged about the environmental conditions in which the cenancestor lived, its closeness to the origins of life, its single or community nature and its relationships with the three domains of life (Archaea, Bacteria and Eucarya). However, available information about current organisms was for a long time inadequate to precisely describe the biology of this organism. For instance, the observation that the main archaeal membrane components, called phospholipids, are synthesized by different means than their bacterial/eukaryotic counterparts was proposed to reveal that modern phospholipid biosynthesis pathways emerged late in independent lineages and were, therefore, absent in the cenancestor. This hypothesis argued that the cenancestor had no lipid membranes, so it could not be a cellular organism although other indirect clues indicated the opposite. These contradictions raise the question of the presence in modern organisms of traces that the cenancestor had a phospholipid biosynthesis machinery.In this dissertation, I took advantage from the recent accumulation of genomic data to address this issue. Previous work had shown that the members of two universal protein superfamilies could be present in the cenancestor to carry out the non-specific synthesis of the glycerol phosphate enantiomers that are the backbones of modern phospholipids. Bacterial and eukaryotic phospholipids use fatty acids whereas archaeal phospholipids are made up of isoprenoids. Thus, I studied the evolution of the metabolic pathways that synthesize these molecules and build up the phospholipids from their components. My results show that the eukaryotic isoprenoid biosynthesis pathway and a hypothetical archaeal fatty acid biosynthesis pathway are likely to have had less specific ancestors in the cenancestor. In addition, the phospholipid assembly machinery was also probably present in the cenancestor.These results suggest that the cenancestor was likely able to enzymatically synthesize its phospholipids by means less specific than modern ones. Dissimilarities in modern membrane phospholipids would result from the specialization of each biosynthesis system in each lineage. My work also stresses the fact that the cenancestor should be described on the basis of the comparison of modern organisms to avoid frequent confusions between the cenancestor and the origins of life.

Puisque les premières formes de vie connues à ce jour (> 3 Ga) ont été préservées grâce à la précipitation de silice sur les structures cellulaires (silicification), nous avons mené la fossilisation expérimentale de différentes souches microbiennes (les Archées Methanocaldococcus jannaschii et Pyrococcus abyssi, les Bactéries Chloroflexus aurantiacus et Geobacillus sp.), représentatives des micro-organismes thermophiles, anaérobies et autotrophes qui auraient pu exister dans les conditions environnementales de la Terre primitive ou de Mars. Il s'agit de la première fossilisation expérimentale d'Archées, et l'une des toutes premières concernant des micro-organismes thermophiles.<br />La fossilisation expérimentale a été suivie en microscopie électronique (MEB, MET, Cryo-MEB) pour l'étude morphologique, et par des analyses chimiques (GC, GC-MS, HPLC) pour l'étude de la dégradation ou de la préservation de la matière organique durant la fossilisation.<br />Cette étude a montré que tous les micro-organismes ne pouvaient pas être silicifiés. Les cellules de M. jannaschii ont ainsi lysé rapidement tandis, qu'à l'inverse, celles de P. abyssi, Geobacillus sp. et C. aurantiacus ont été préservées, avec des intensités de la fossilisation variables selon les espèces. Les micro-organismes ont souvent mis en place des mécanismes actifs pour se protéger de la silicification, comme la production d'EPS, ou la répulsion de la silice. Ces résultats suggèrent que les différences entre espèces ont une forte influence sur le potentiel des différents micro-organismes à être préservés par la fossilisation.<br />Cette étude fournit un bon aperçu des processus de silicification et de préservation des types de micro-organismes qui auraient pu exister sur la Terre primitive. La connaissance de ces mécanismes peut être utile pour la recherche et l'identification de microfossiles dans les roches terrestres et extraterrestres, tout particulièrement dans le cas de Mars.

La sécrétion de vésicules membranaires (VMs) constitue un processus physiologique important qui a particulièrement été étudié chez les Bactéries et les Eucaryotes. La récente découverte de la production de VMs chez les Archées souligne cependant que ce phénomène est universel et suggère que le dernier ancêtre commun aux trois domaines, LUCA (Last Universal Common Ancestor), produisait certainement des VMs. Les VMs des Archées n'ayant pour le moment été étudiées que chez certaines Crénarchées (ex : G/ Sulfolobus), nous avons entrepris de caractériser les VMs produites par un groupe d'Euryarchées hyperthermophiles anaérobies, les Thermococcales. Dans la première partie de cette étude, nous avons examiné le mécanisme de production ainsi que la composition en lipides et en protéines des VMs de trois espèces de Thermococcales: Thermococcus kodakaraensis, Thermococcus gammatolerans et Thermocococus sp. 5-4. Nous avons observé que les VMs sont sécrétées par un processus de bourgeonnement à partir de l'enveloppe cellulaire similaire à la formation des ectosomes par les cellules eucaryotes. De plus, les VMs sont fréquemment libérées en groupes, formant de grosses protubérances ou des filaments ressemblant aux nanopodes récemment décrits chez les Bactéries. Des différences de structure et de composition protéique sont observées entre les VMs des trois souches étudiées. Cependant, les VMs et les membranes cellulaires d'une même souche ont des compositions protéique et lipidique très proches, confirmant que les VMs sont produites à partir des membranes des cellules. Les VMs et les membranes cellulaires des trois souches comportent notamment un récepteur de peptides de la famille OppA (Oligopeptide-binding protein A) et des homologues de cette protéine ont été identifiés dans les VMs de certaines souches de Sulfolobus.Les VMs sécrétées par les Thermococcales sont associées à de l'ADN et cette association les protègent contre la thermodégradation. Nous montrons dans notre étude que les cellules de T. kodakaraensis transformées avec le plasmide navette plC70 relâchent des VMs comportant ce plasmide. De façon intéressante, ces VMs peuvent être utilisées pour transférer pLC70 à des cellules dénuées de plasmides, suggérant que les VMs pourraient être impliquées dans le transfert d'ADN entre cellules à haute température.Dans la seconde partie de cette étude, nous nous sommes particulièrement intéressés à la souche Thermococcus nautilus, une Thermococcale produisant des VMs associées de manière sélective à deux plasmides contenus dans la cellule. L'un d'eux correspond notamment à un génome viral défectueux de la lignée d'adenovirus PRD1. Ceci indique que les VMs peuvent être un moyen de transport pour des génomes viraux et suggère que la production de VMs par des cellules ancestrales pourraient avoir joué un rôle dans l'apparition des virus.En plus d'être impliquées dans le transport de plasmides/virus, les VMs produites par T. nautilus exercent un effet toxique sur certaines souches de Thermococcales, probablement dû au convoyage de toxines. Même si ces " thermococcines " nécessitent d'être caractérisées, il s'agit de la première mise en évidence d'une activité toxique liée aux VMs chez les Thermococcales.

Les ARN de transfert, éléments centraux de la traduction, présentent une grande variété de nucléosides modifiés dérivés des nucléosides canoniques (A, U, G et C), qui modulent la stabilité, la capacité de décodage et l'identité de ces molécules. t6A (thréonylcarbamoyl-N6-Adénosine) est un nucléoside hypermodifié retrouvé en position 37 (adjacent à l'anticodon) au niveau de tous les ARNt qui s'apparient aux codons de la forme ANN. Il joue un rôle essentiel dans la fidélité de traduction à travers deux fonctions principales : (i) il intervient dans le maintien de la bonne conformation de la boucle anticodon ; (ii) il facilite l'appariement codon/anticodon afin d'éviter le décalage de cadre de lecture durant la synthèse protéique. Ce nucléoside modifié est universel, présent chez les Archées, les Bactéries, les Eucaryotes, mais également chez les organites (mitochondries et chloroplastes), ce qui suggère que son apparition représente une acquisition évolutive importante et très ancienne, probablement antérieure au dernier ancêtre commun universel (LUCA). Pourtant, la voie de biosynthèse de t6A est restée inconnue pendant près de quarante ans.Récemment, des études de génétique ont montré que deux protéines universelles, Sua5/YrdC et Kae1/YgjD, sont nécessaires à sa synthèse chez Saccharomyces cerevisiae et Escherichia coli. Chez les Bactéries, la synthèse in vitro de t6A requiert la présence de deux autres protéines spécifiques à ce domaine du vivant : YeaZ et YjeE. Chez les Archées et les Eucaryotes, Kae1 (l'orthologue de YgjD) fait partie d'un complexe protéique conservé appelé KEOPS (pour Kinase Endopeptidase and Other Proteins of Small size), aux côtés de trois autres protéines : Bud32, Cgi121 et Pcc1, qui n'ont pas d'homologues chez les Bactéries. Depuis sa découverte en 2006 chez S.cerevisiae, ce complexe a été impliqué dans plusieurs processus cellulaires (homéostasie des télomères, maintien du génome, régulation de la transcription), sans que sa fonction ne soit clairement élucidée.Nous avons entrepris de caractériser et de comparer par une approche biochimique in vitro les machineries de biosynthèse de t6A issues des trois domaines du vivants, en utilisant comme organismes modèles l'Archée Pyrococcus abyssi, l'Eucaryote Saccharomyces cerevisiae et la Bactérie Escherichia coli. (i) Nous avons montré pour la première fois que le complexe KEOPS et la protéine Sua5 catalysent ensemble la synthèse de t6A chez les Archées et les Eucaryotes. Nos résultats nous ont permis d'élaborer un modèle de mécanisme catalytique, et nous avons montré par des expériences de complémentation in vitro que ce mécanisme est universel : les différents orthologues Sua5/YrdC sont interchangeables, et le complexe KEOPS est l'analogue fonctionnel du trio de protéines YgjD/YeaZ/YjeE Bactérien. (ii) Nous avons alors étudié le rôle de chacune des sous-unités du complexe KEOPS de Pyrococcus abyssi dans la synthèse de t6A. Ainsi, nous avons montré que Kae1 est le seul composant catalytique stricto sensus et que les trois autres partenaires ont des fonctions distinctes dans la régulation de l'activité catalytique. (iii) Enfin, nous avons étudié la synthèse de t6A chez la mitochondrie de S.cerevisiae, et avons montré que Sua5 et la protéine Qri7, l'orthologue mitochondrial de Kae1/YgjD, catalysent ensemble la synthèse de t6A et constituent ainsi un système minimaliste à deux composants.Ces résultats ouvrent la voie à une compréhension détaillée du mécanisme de biosynthèse de t6A dans les trois domaines du vivant, et permettent de proposer des scénarii évolutifs concernant l'histoire de la machinerie de synthèse de ce nucléoside modifié universel.