Thèse de doctorat : Procédés biotechnologiques et alimentaires : INPL : 2008. / Titre provenant de l'écran-titre.

Th.--Sci.--Aix-Marseille 2, 1981. / Extr. en partie de Immunogenetics, 2, 1975, 449-463 ; 465-483 ; 3, 1976 ; 29-40 ; 41-51 ; 703, 1981, 1-28 ; de Scandinavian journal of immunology, 6, 1977, 481-484 ; des Comptes rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des sciences de Paris, Série D, 283 , 1976, 663-666 ; de European journal of immunology, 6, 1976, 12, 913-916 ; 9, 1979, 723-730 ; de Tissue antigens, 15, 1980, 297-312 ; 458-466 et de Journal of immunogenetics, 5, 1978, 383-395.

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 plastes primaires proviennent d'une cyanobactérie qui a établi une relationendosymbiotique avec un hôte eucaryote. Cet événement a donné naissance au super-groupeArchaeplastida qui inclut les Viridiplantae (algues vertes et plantes terrestres), les Rhodophyta (alguesrouges) et les Glaucophyta. Suite à l'endosymbiose primaire, les algues rouges et vertes ont étendu lacapacité de photosynthèse à d'autres lignées eucaryotes via des endosymbioses secondaires. Bien quedes progrès considérables aient été réalisés dans la compréhension de l'évolution des eucaryotesphotosynthétiques, d'importantes questions sont restées ouvertes, telles que l’identité de la lignéecyanobactérienne la plus proche des plastes primaires ainsi que le nombre et l'identité des partenairesdans les endosymbioses secondaires.Ma thèse a consisté à étudier l'origine et l'évolution précoce des eucaryotes photosynthétiques enutilisant des approches phylogénétiques et phylogénomiques. Je montre par mon travail que les plastesprimaires ont évolué à partir d'un symbiote phylogénétiquement proche de Gloeomargarita lithophora,une cyanobactérie représentant un clade s’étant diversifié précocement et qui a été détectéeuniquement dans les milieux terrestres. Ce résultat fournit des pistes nouvelles sur le contexteécologique dans lequel l'endosymbiose primaire a probablement eu lieu. En ce qui concerne l'évolutiondes lignées eucaryotes avec des plastes secondaires, je montre que les génomes nucléaires deschlorarachniophytes et des euglénophytes, deux lignées photosynthétiques avec des plastes dérivésd'algues vertes, encodent un grand nombre de gènes acquis par transferts depuis des algues rouges.Enfin, je mets en évidence que SELMA, la machinerie de translocation des protéines à travers laseconde membrane externe des plastes rouges secondaires à quatre membranes, a une histoireétonnamment compliquée aux implications évolutives importantes : les cryptophytes ont recruté unensemble de composants de SELMA différent de ceux des haptophytes, straménopiles et alvéolés.Ainsi, ma thèse a permis d’identifier pour la première fois la lignée cyanobactérienne la plus proche desplastes primaires et apporte de nouvelles pistes pour éclaircir les événements complexes qui ontjalonné l’évolution des eucaryotes photosynthétiques secondaires. / Primary plastids derive from a cyanobacterium that entered into an endosymbioticrelationship with a eukaryotic host. This event gave rise to the supergroup Archaeplastida whichcomprises Viridiplantae (green algae and land plants), Rhodophyta (red algae) and Glaucophyta. Afterprimary endosymbiosis, red and green algae spread the ability to photosynthesize to other eukaryoticlineages via secondary endosymbioses. Although considerable progress has been made in theunderstanding of the evolution of photosynthetic eukaryotes, important questions remained debatedsuch as the present-day closest cyanobacterial lineage to primary plastids as well as the number andidentity of partners in secondary endosymbioses.The main objectives of my PhD were to study the origin and evolution of plastid-bearing eukaryotesusing phylogenetic and phylogenomic approaches to shed some light on how primary and secondaryendosymbioses occurred. In this work, I show that primary plastids evolved from a close relative ofGloeomargarita lithophora, a recently sequenced early-branching cyanobacterium that has been onlydetected in terrestrial environments. This result provide interesting hints on the ecological setting whereprimary endosymbiosis likely took place. Regarding the evolution of eukaryotic lineages with secondaryplastids, I show that the nuclear genomes of chlorarachniophytes and euglenids, two photosyntheticlineages with green alga-derived plastids, encode for a large number of genes acquired by transfersfrom red algae. Finally, I highlight that SELMA, the translocation machinery putatively used to importproteins across the second outermost membrane of secondary red plastids with four membranes, has asurprisingly complex history with strong evolutionary implications: cryptophytes have recruited a set ofSELMA components different from those present in haptophytes, stramenopiles and alveolates.In conclusion, during my PhD I identified for the first time the closest living cyanobacterium to primaryplastids and provided new insights on the complex evolution that have undergone secondary plastid-bearing eukaryotes

Retracer l'histoire évolutive des eucaryotes est une question majeure en évolution et fait l'objet de nombreux débats. Le développement de techniques à haut débit, en particulier en protéomique et en génomique, a permis d'obtenir de nombreuses données pouvant être exploitées lors d'analyses évolutives. Dans ce contexte, les structures multiprotéiques eucaryotes (SME) constituent des objets d'intérêt. En effet, ces gros complexes protéiques sont impliqués dans de nombreux processus fondamentaux de la cellule eucaryote, et n'ont pas d'homologues chez les procaryotes (même si les fonctions dans lesquelles ils sont impliqués peuvent exister). Ils ont donc certainement joué un rôle prépondérant dans l'eucaryogénèse. L'analyse phylogénomique de deux SME impliquées dans la division cellulaire (le midbody et l'APC/C) montre que ces systèmes ont une origine évolutive ancienne et étaient déjà présents chez le dernier ancêtre commun des eucaryotes (LECA), tout en étant issus d'innovations eucaryotes. Ceci implique que l'émergence de ces deux SME s'est faite après la divergence de la lignée eucaryote et avant la diversification ayant donné naissance aux lignées actuelles. Au-delà de ces considérations évolutives, l'analyse de ces SME ouvre des pistes sur certains aspects de la biologie de ces systèmes. En effet, si ces systèmes ont été globalement bien conservés au cours de la diversification des eucaryotes, leur analyse révèle une grande plasticité de composition dans certaines lignées de protistes. Ceci suggère des changements récents concernant certaines étapes du cycle cellulaire de ces organismes qu'il serait intéressant d'explorerexpérimentalement.En parallèle, ce travail a montré que, bien qu'étant des protéines opérationnelles, lescomposants de ces SME portent un signal phylogénétique exploitable pour inférer les relations de parentés entre lignées eucaryotes. La construction de supermatrices à partir de ces protéines a permis l'inférence de phylogénies de qualité, même si non totalement résolues, dans lesquelles, par exemple, la monophylie des Excavata ou encore le placement des microsporidies au sein des Fungi est bien supporté. La combinaison de ces données avec celles issues d'analyses basées sur des protéines informationnelles montrent des avancées significatives concernant la résolution des arbres inférés. Ces résultats ouvrent le champ des possibles quant à la recherche d'autres marqueurs encore inexploités parmi les protéines opérationnelles. L'intégration de ces nouveaux marqueurs associée à l'augmentation de l'échantillonnage taxonomique représente une piste prometteuse pour l'avenir.Ce travail illustre l'intérêt de généraliser les approches évolutives intégrées des systèmes biologiques pour l'étude de l'évolution et de la phylogénie des eucaryotes. / Tracing back the evolutionary history of eukaryotes is one of the major issues in the field of evolution and is hotly debated. The development of high throughput techniques, especially in proteomics and genomics has yielded extensive data that can be used in evolutionary analyses. In this context, eukaryotic multiprotein structures (EMS) are objects of interest. Indeed, these large protein complexes are involved in many fundamental processes of eukaryotic cells, and have no homologues in prokaryotes (even if the functions in which they are involved may exist) and therefore have certainly played a major role in the eukaryogenesis. The phylogenomic analysis of two EMS involved in cell division (the midbody and the APC/C) shows that these systems have an ancient evolutionary origin and were already present in the last common ancestor of eukaryotes (LECA), while resulting from eukaryotic innovations. This implies that the emergence of these two EMS occurred after the divergence of the eukaryotic lineage and before the diversification that gave rise to the current lineages. Beyond these evolutionary questions, analyses of these EMS uncover some biological aspects of these systems. Indeed, if these systems were generally well conserved during the diversification of eukaryotes, their analysis shows a high plasticity of composition in some protist lineages. This suggests that recent changes regarding certain phases of these organisms cell cycle which would be interesting to explore experimentally. Concomitantly, this work showed that, although being operational protein, components of these EMS carry a phylogenetic signal usable for inferring phylogenetic relationships among eukaryotic lineages. Construction of supermatrixes from these proteins led to the inference of phylogenies of high quality, even if not fully resolved, in which, for example, the monophyly of Excavata or the placement of Microsporidia within Fungi is well supported. Combining these data with those from analyses based on informational proteins show significant progress on the resolution of inferred trees. These results open the field of possibilities to find other markers among the untapped proteins operational. The integration of these new markers associated with increased taxonomic sampling represents a promising approach.This work illustrates the interest of generalizing integrated evolutionary approaches ofbiological systems for studying the evolution and phylogeny of eukaryotes.

Notre objectif à travers ce travail a été d'évaluer l'effet de l'exposition d'un organisme vivant à un CEM HF tel qu'il est possible d'en observer en milieu urbain. Ceci a été abordé en irradiant des plants de tomate par un CEM de courte durée (2 à 10 min), de faible amplitude (5 à 40 V.m-1), et dont la fréquence est l'une des plus utilisées par la téléphonie mobile (900 Mhz). Nous avons fait les choix suivants: un traitement electromagnétique bref ; un modèle vivant Eucaryote immobile: Lycopersicum esculentum ; un temps d'analyse court( l'heure suivant le traitement) ; un matériel d'émission conçu pour l'étude des CEM - Chambre Réverbérante à Brassage de Modes (CRBM) - et enfin des paramètres sensibles et précis (abondance d'ARN messagers, statuts énergétiques cellulaires) . Ces conditions nous ont permis de démontrer plusieurs analogies importantes entre la réponse moléculaire des plantes au CEM et leur réponse à des stress abiotiques tels que des brûlures de feuilles.

Les sols pollués par des métaux lourds sont colonisés par des communautés de microorganismes qui ont développé différentes adaptations leur permettant de résister à ces contaminants. Afin d'analyser au niveau moléculaire la diversité de ces adaptations, une approche expérimentale innovante basée sur l'étude du méta transcriptome eucaryote des sols a été utilisée pour comparer les fonctions exprimées au sein d'une communauté de microorganismes eucaryotes colonisant un sol contaminé, anciennement contaminé et non contaminé par des métaux lourds. Les banques d'ADNc eucaryotes construites à partir des ARNm extraits directement de ces sols ont été criblées par séquençage aléatoire de leurs inserts et par complémentation fonctionnelle de mutants de levures sensibles au cadmium.Cette étude a permis d'identifier de nouveaux gènes et de nouveaux mécanismes impliqués dans la résistance au cadmium ainsi qu'un nombre important de nouvelles protéines hypothétiques. Ceci démontre l'intérêt appliqué de cette approche pour la recherche de nouveaux bio catalyseurs et molécules bio actives.En parallèle, la diversité microbienne eucaryote a été révélée et comparée entre les sols par le clonage-séquençage du gène codant la petite sous-unité ribosomique 18S. Cette étude a mis en évidence une diversité inattendue de microorganismes eucaryotes dans ces sols et une analyse phylogénétique a permis de découvrir un nouveau clade de protistes (Rhizaria,Cercozoa).

Ce travail porte sur l'étude de la fidélité de la traduction chez les eucaryotes d'un point de vue mécanistique et génomique. Au cours de ma thèse j'ai développé trois approches :Le premier projet porte sur l'étude du rôle du facteur de l'élongation eEF2 dans le maintien du cadre de lecture. La stratégie associe une mutagénèse aléatoire du gène EFT2 à un criblage phénotypique, elle permet d'isoler des mutants capables d'augmenter ou diminuer l'efficacité de recodage d'une séquence de décalage du cadre de lecture en -1.Le second projet décrit la mise au point d'un système de traduction en molécule unique qui permet d'étudier le ribosome eucaryote. La traduction est initiée grâce à l'IRES CrPV qui a pour caractéristique d'être totalement indépendante des facteurs d'initiation et de l'ARNt initiateur. L'élongation de la traduction est détectée grâce au départ d'un oligonucléotide fluorescent qui est décroché par l'activité hélicase du ribosome. Les résultats de ces expériences constituent une preuve de principe démontrant que l'étude de la traduction eucaryote en molécule unique est possible.Le troisième projet est une étude de génomique comparative qui permet de rechercher des événements de recodage ainsi que d'autres événements non-conventionnels de la traduction dans le génome de la levure Saccharomyces cerevisiae. L'approche est basée sur une recherche d'organisations génomiques conservées au sein de 19 génomes de levures. Les gènes candidats sont testés in vivo grâce à un vecteur double rapporteur. Cette étude a permis de mettre en évidence le gène VOA1 qui a été ensuite caractérisé plus en détails.

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.

La compréhension des organismes vivant a été une quête pendant longtemps. Depuisles premiers progrès des derniers siècles, nous sommes arrivés jusqu’au point où desquantités massives de données et d’information sont constamment générées. Bien que,jusqu’au présent la plupart du travail a été concentré sur la génération d’un catalogued’éléments biologiques, ce n’est pas que récemment qu’un effort coordonné pour découvrirles réseaux de relations entre ces parties a été constaté. Nous nous sommes intéressésà comprendre non pas seulement ces réseaux, mais aussi la façon dont, à partir de sesconnexions, émergent des fonctions biologiques.Ce travail se concentre sur la modélisation et l’exploitation d’un de ces réseaux :le métabolisme. Un réseau métabolique est un ensemble des réactions biochimiquesinterconnectées qui se produisent à l’intérieur, ou dans les proximité d’une cellulevivante. Une nouvelle méthode de découverte, ou de reconstruction des réseaux métaboliquesest proposée dans ce travail, avec une emphase particulière sur les organismeseucaryotes.Cette nouvelle méthode est divisée en deux parties : une nouvelle approche pour lamodélisation de la reconstruction basée sur l’instanciation des éléments d’un modèlesquelette existant, et une nouvelle méthode de réécriture d’association des gènes. Cetteméthode en deux parties permet des reconstructions qui vont au-delà de la capacitédes méthodes de l’état de l’art, permettant la reconstruction de modèles métaboliquesdes organismes eucaryotes, et fournissant une relation détaillée entre ses réactions etses gènes, des connaissances cruciales pour des applications biotechnologiques.Les méthodes de reconstruction développées dans ce travail, ont été complétéespar un workflow itératif d’édition, de vérification et d’amélioration du modèle. Ceworkflow a été implémenté dans un logiciel, appelé Pathtastic.Comme une étude de cas de la méthode développée et implémentée dans le présenttravail, le réseau métabolique de la levure oléagineuse Yarrowia lipolytica, connucomme contaminant alimentaire et utilisé pour la biorestauration et comme usinecellulaire, a été reconstruit. Une version préliminaire du modèle a été générée avecPathtastic, laquelle a été améliorée par curation manuelle, à travers d’un travail avecdes spécialistes dans le domaine de cette espèce. Les données expérimentales, obtenuesà partir de la littérature, ont été utilisées pour évaluer la qualité du modèle produit.La méthode de reconstruction chez les eucaryotes, et le modèle reconstruit deY. lipolytica peuvent être utiles pour les communautés scientifiques respectives, lepremier comme un pas vers une meilleure reconstruction automatique des réseauxmétaboliques, et le deuxième comme un soutien à la recherche, un outil pour desapplications biotechnologiques et comme un étalon-or pour les reconstructions futures. / Understanding living organisms has been a quest for a long time. Since the advancesof the last centuries, we have arrived to a point where massive quantities of data andinformation are constantly generated. Even though most of the work so far has focusedon generating a parts catalog of biological elements, only recently have we seena coordinated effort to discover the networks of relationships between those parts. Notonly are we trying to understand these networks, but also the way in which, from theirconnections, emerge biological functions.This work focuses on the modeling and exploitation of one of those networks:metabolism. A metabolic network is a net of interconnected biochemical reactionsthat occur inside, or in the proximity of, a living cell. A new method of discovery, orreconstruction, of metabolic networks is proposed in this work, with special emphasison eukaryote organisms.This new method is divided in two parts: a novel approach to reconstruct metabolicmodels, based on instantiation of elements of an existing scaffold model, and a novelmethod of assigning gene associations to reactions. This two-parts method allows reconstructionsthat are beyond the capacity of the state-of-the-art methods, enablingthe reconstruction of metabolic models of eukaryotes, and providing a detailed relationshipbetween its reactions and genes, knowledge that is crucial for biotechnologicalapplications.The reconstruction methods developed for the present work were complementedwith an iterative workflow of model edition, verification and improvement. This workflowwas implemented as a software package, called Pathtastic.As a case study of the method developed and implemented in the present work,we reconstructed the metabolic network of the oleaginous yeast Yarrowia lipolytica,known as food contaminant and used for bioremediation and as a cell factory. A draftversion of the model was generated using Pathtastic, and further improved by manualcuration, working closely with specialists in that species. Experimental data, obtainedfrom the literature, were used to assess the quality of the produced model.Both, the method of reconstruction in eukaryotes, and the reconstructed model ofY. lipolytica can be useful for their respective research communities, the former as astep towards better automatic reconstructions of metabolic networks, and the latteras a support for research, a tool in biotechnological applications and a gold standardfor future reconstructions.