995 resultados para EUKARYOTIC EVOLUTION
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Bien que les champignons soient régulièrement utilisés comme modèle d'étude des systèmes eucaryotes, leurs relations phylogénétiques soulèvent encore des questions controversées. Parmi celles-ci, la classification des zygomycètes reste inconsistante. Ils sont potentiellement paraphylétiques, i.e. regroupent de lignées fongiques non directement affiliées. La position phylogénétique du genre Schizosaccharomyces est aussi controversée: appartient-il aux Taphrinomycotina (précédemment connus comme archiascomycetes) comme prédit par l'analyse de gènes nucléaires, ou est-il plutôt relié aux Saccharomycotina (levures bourgeonnantes) tel que le suggère la phylogénie mitochondriale? Une autre question concerne la position phylogénétique des nucléariides, un groupe d'eucaryotes amiboïdes que l'on suppose étroitement relié aux champignons. Des analyses multi-gènes réalisées antérieurement n'ont pu conclure, étant donné le choix d'un nombre réduit de taxons et l'utilisation de six gènes nucléaires seulement. Nous avons abordé ces questions par le biais d'inférences phylogénétiques et tests statistiques appliqués à des assemblages de données phylogénomiques nucléaires et mitochondriales. D'après nos résultats, les zygomycètes sont paraphylétiques (Chapitre 2) bien que le signal phylogénétique issu du jeu de données mitochondriales disponibles est insuffisant pour résoudre l'ordre de cet embranchement avec une confiance statistique significative. Dans le Chapitre 3, nous montrons à l'aide d'un jeu de données nucléaires important (plus de cent protéines) et avec supports statistiques concluants, que le genre Schizosaccharomyces appartient aux Taphrinomycotina. De plus, nous démontrons que le regroupement conflictuel des Schizosaccharomyces avec les Saccharomycotina, venant des données mitochondriales, est le résultat d'un type d'erreur phylogénétique connu: l'attraction des longues branches (ALB), un artéfact menant au regroupement d'espèces dont le taux d'évolution rapide n'est pas représentatif de leur véritable position dans l'arbre phylogénétique. Dans le Chapitre 4, en utilisant encore un important jeu de données nucléaires, nous démontrons avec support statistique significatif que les nucleariides constituent le groupe lié de plus près aux champignons. Nous confirmons aussi la paraphylie des zygomycètes traditionnels tel que suggéré précédemment, avec support statistique significatif, bien que ne pouvant placer tous les membres du groupe avec confiance. Nos résultats remettent en cause des aspects d'une récente reclassification taxonomique des zygomycètes et de leurs voisins, les chytridiomycètes. Contrer ou minimiser les artéfacts phylogénétiques telle l'attraction des longues branches (ALB) constitue une question récurrente majeure. Dans ce sens, nous avons développé une nouvelle méthode (Chapitre 5) qui identifie et élimine dans une séquence les sites présentant une grande variation du taux d'évolution (sites fortement hétérotaches - sites HH); ces sites sont connus comme contribuant significativement au phénomène d'ALB. Notre méthode est basée sur un test de rapport de vraisemblance (likelihood ratio test, LRT). Deux jeux de données publiés précédemment sont utilisés pour démontrer que le retrait graduel des sites HH chez les espèces à évolution accélérée (sensibles à l'ALB) augmente significativement le support pour la topologie « vraie » attendue, et ce, de façon plus efficace comparée à d'autres méthodes publiées de retrait de sites de séquences. Néanmoins, et de façon générale, la manipulation de données préalable à l'analyse est loin d’être idéale. Les développements futurs devront viser l'intégration de l'identification et la pondération des sites HH au processus d'inférence phylogénétique lui-même.
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Les champignons mycorhiziens arbusculaires (CMA) sont très répandus dans le sol où ils forment des associations symbiotiques avec la majorité des plantes appelées mycorhizes arbusculaires. Le développement des CMA dépend fortement de la plante hôte, de telle sorte qu'ils ne peuvent vivre à l'état saprotrophique, par conséquent ils sont considérés comme des biotrophes obligatoires. Les CMA forment une lignée évolutive basale des champignons et ils appartiennent au phylum Glomeromycota. Leurs mycélia sont formés d’un réseau d’hyphes cénocytiques dans lesquelles les noyaux et les organites cellulaires peuvent se déplacer librement d’un compartiment à l’autre. Les CMA permettent à la plante hôte de bénéficier d'une meilleure nutrition minérale, grâce au réseau d'hyphes extraradiculaires, qui s'étend au-delà de la zone du sol explorée par les racines. Ces hyphes possèdent une grande capacité d'absorption d’éléments nutritifs qui vont être transportés par ceux-ci jusqu’aux racines. De ce fait, les CMA améliorent la croissance des plantes tout en les protégeant des stresses biotiques et abiotiques. Malgré l’importance des CMA, leurs génétique et évolution demeurent peu connues. Leurs études sont ardues à cause de leur mode de vie qui empêche leur culture en absence des plantes hôtes. En plus leur diversité génétique intra-isolat des génomes nucléaires, complique d’avantage ces études, en particulier le développement des marqueurs moléculaires pour des études biologiques, écologiques ainsi que les fonctions des CMA. C’est pour ces raisons que les génomes mitochondriaux offrent des opportunités et alternatives intéressantes pour étudier les CMA. En effet, les génomes mitochondriaux (mt) publiés à date, ne montrent pas de polymorphismes génétique intra-isolats. Cependant, des exceptions peuvent exister. Pour aller de l’avant avec la génomique mitochondriale, nous avons besoin de générer beaucoup de données de séquençages de l’ADN mitochondrial (ADNmt) afin d’étudier les méchanismes évolutifs, la génétique des population, l’écologie des communautés et la fonction des CMA. Dans ce contexte, l’objectif de mon projet de doctorat consiste à: 1) étudier l’évolution des génomes mt en utilisant l’approche de la génomique comparative au niveau des espèces proches, des isolats ainsi que des espèces phylogénétiquement éloignées chez les CMA; 2) étudier l’hérédité génétique des génomes mt au sein des isolats de l’espèce modèle Rhizophagus irregularis par le biais des anastomoses ; 3) étudier l’organisation des ADNmt et les gènes mt pour le développement des marqueurs moléculaires pour des études phylogénétiques. Nous avons utilisé l’approche dite ‘whole genome shotgun’ en pyroséquençage 454 et Illumina HiSeq pour séquencer plusieurs taxons de CMA sélectionnés selon leur importance et leur disponibilité. Les assemblages de novo, le séquençage conventionnel Sanger, l’annotation et la génomique comparative ont été réalisés pour caractériser des ADNmt complets. Nous avons découvert plusieurs mécanismes évolutifs intéressant chez l’espèce Gigaspora rosea dans laquelle le génome mt est complètement remanié en comparaison avec Rhizophagus irregularis isolat DAOM 197198. En plus nous avons mis en évidence que deux gènes cox1 et rns sont fragmentés en deux morceaux. Nous avons démontré que les ARN transcrits les deux fragments de cox1 se relient entre eux par épissage en trans ‘Trans-splicing’ à l’aide de l’ARN du gene nad5 I3 qui met ensemble les deux ARN cox1.1 et cox1.2 en formant un ARN complet et fonctionnel. Nous avons aussi trouvé une organisation de l’ADNmt très particulière chez l’espèce Rhizophagus sp. Isolat DAOM 213198 dont le génome mt est constitué par deux chromosomes circulaires. En plus nous avons trouvé une quantité considérable des séquences apparentées aux plasmides ‘plasmid-related sequences’ chez les Glomeraceae par rapport aux Gigasporaceae, contribuant ainsi à une évolution rapide des ADNmt chez les Glomeromycota. Nous avons aussi séquencé plusieurs isolats de l’espèces R. irregularis et Rhizophagus sp. pour décortiquer leur position phylogénéque et inférer des relations évolutives entre celles-ci. La comparaison génomique mt nous montré l’existence de plusieurs éléments mobiles comme : des cadres de lecture ‘open reading frames (mORFs)’, des séquences courtes inversées ‘short inverted repeats (SIRs)’, et des séquences apparentées aux plasimdes ‘plasmid-related sequences (dpo)’ qui impactent l’ordre des gènes mt et permettent le remaniement chromosomiques des ADNmt. Tous ces divers mécanismes évolutifs observés au niveau des isolats, nous permettent de développer des marqueurs moléculaires spécifiques à chaque isolat ou espèce de CMA. Les données générées dans mon projet de doctorat ont permis d’avancer les connaissances fondamentales des génomes mitochondriaux non seulement chez les Glomeromycètes, mais aussi de chez le règne des Fungi et les eucaryotes en général. Les trousses moléculaires développées dans ce projet peuvent servir à des études de la génétique des populations, des échanges génétiques et l’écologie des CMA ce qui va contribuer à la compréhension du rôle primorial des CMA en agriculture et environnement.
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Motivation: We compare phylogenetic approaches for inferring functional gene links. The approaches detect independent instances of the correlated gain and loss of pairs of genes from species' genomes. We investigate the effect on results of basing evidence of correlations on two phylogenetic approaches, Dollo parsminony and maximum likelihood (ML). We further examine the effect of constraining the ML model by fixing the rate of gene gain at a low value, rather than estimating it from the data. Results: We detect correlated evolution among a test set of pairs of yeast (Saccharomyces cerevisiae) genes, with a case study of 21 eukaryotic genomes and test data derived from known yeast protein complexes. If the rate at which genes are gained is constrained to be low, ML achieves by far the best results at detecting known functional links. The model then has fewer parameters but it is more realistic by preventing genes from being gained more than once. Availability: BayesTraits by M. Pagel and A. Meade, and a script to configure and repeatedly launch it by D. Barker and M. Pagel, are available at http://www.evolution.reading.ac.uk .
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The biosynthesis of quinolinate, the de novo precursor of nicotinamide adenine dinucleotide (NAD), may be performed by two distinct pathways, namely, the bacterial aspartate (aspartate-to-quinolinate) and the eukaryotic kynurenine (tryptophan-to-quinolinate). Even though the separation into eukaryotic and bacterial routes is long established, recent genomic surveys have challenged this view, because certain bacterial species also carry the genes for the kynurenine pathway. In this work, both quinolinate biosynthetic pathways were investigated in the Bacteria clade and with special attention to Xanthomonadales and Bacteroidetes, from an evolutionary viewpoint. Genomic screening has revealed that a small number of bacterial species possess some of the genes for the kynurenine pathway, which is complete in the genus Xanthomonas and in the order Flavobacteriales, where the aspartate pathway is absent. The opposite pattern (presence of the aspartate pathway and absence of the kynurenine pathway) in close relatives (Xylella ssp. and the order Bacteroidales, respectively) points to the idea of a recent acquisition of the kynurenine pathway through lateral gene transfer in these bacterial groups. In fact, sequence similarity comparison and phylogenetic reconstruction both suggest that at least part of the genes of the kynurenine pathway in Xanthomonas and Flavobacteriales is shared by eukaryotes. These results reinforce the idea of the role that lateral gene transfer plays in the configuration of bacterial genomes, thereby providing alternative metabolic pathways, even with the replacement of primary and essential cell functions, as exemplified by NAD biosynthesis.
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Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)
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Telomeres are protective structures at the ends of eukaryotic chromosomes. The loss of telomeres through cell division and oxidative stress is related to cellular aging, organismal growth and disease. In this way, telomeres link molecular and cellular mechanisms with organismal processes, and may explain variation in a number of important life-history traits. Here, we discuss how telomere biology relates to the study of physiological ecology and life history evolution. We emphasize current knowledge on how telomeres may relate to growth, survival and lifespan in natural populations. We finish by examining interesting new connections between telomeres and the glucocorticoid stress response. Glucocorticoids are often employed as indices of physiological condition, and there is evidence that the glucocorticoid stress response is adaptive. We suggest that one way that glucocorticoids impact organismal survival is through elevated oxidative stress and telomere loss. Future work needs to establish and explore the link between the glucocorticoid stress response and telomere shortening in natural populations. If a link is found, it provides an explanatory mechanism by which environmental perturbation impacts life history trajectories.
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The macronuclear genome of the ciliate Oxytricha trifallax displays an extreme and unique eukaryotic genome architecture with extensive genomic variation. During sexual genome development, the expressed, somatic macronuclear genome is whittled down to the genic portion of a small fraction (∼5%) of its precursor "silent" germline micronuclear genome by a process of "unscrambling" and fragmentation. The tiny macronuclear "nanochromosomes" typically encode single, protein-coding genes (a small portion, 10%, encode 2-8 genes), have minimal noncoding regions, and are differentially amplified to an average of ∼2,000 copies. We report the high-quality genome assembly of ∼16,000 complete nanochromosomes (∼50 Mb haploid genome size) that vary from 469 bp to 66 kb long (mean ∼3.2 kb) and encode ∼18,500 genes. Alternative DNA fragmentation processes ∼10% of the nanochromosomes into multiple isoforms that usually encode complete genes. Nucleotide diversity in the macronucleus is very high (SNP heterozygosity is ∼4.0%), suggesting that Oxytricha trifallax may have one of the largest known effective population sizes of eukaryotes. Comparison to other ciliates with nonscrambled genomes and long macronuclear chromosomes (on the order of 100 kb) suggests several candidate proteins that could be involved in genome rearrangement, including domesticated MULE and IS1595-like DDE transposases. The assembly of the highly fragmented Oxytricha macronuclear genome is the first completed genome with such an unusual architecture. This genome sequence provides tantalizing glimpses into novel molecular biology and evolution. For example, Oxytricha maintains tens of millions of telomeres per cell and has also evolved an intriguing expansion of telomere end-binding proteins. In conjunction with the micronuclear genome in progress, the O. trifallax macronuclear genome will provide an invaluable resource for investigating programmed genome rearrangements, complementing studies of rearrangements arising during evolution and disease.
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Mitochondrial protein import is essential for all eukaryotes and mediated by hetero-oligomeric protein translocases thought to be conserved within all eukaryotes. We have identified and analysed the function and architecture of the non-conventional outer membrane (OM) protein translocase in the early diverging eukaryote Trypanosoma brucei. It consists of six subunits that show no obvious homology to translocase components of other species. Two subunits are import receptors that have a unique topology and unique protein domains and thus evolved independently of the prototype receptors Tom20 and Tom70. Our study suggests that protein import receptors were recruited to the core of the OM translocase after the divergence of the major eukaryotic supergroups. Moreover, it links the evolutionary history of mitochondrial protein import receptors to the origin of the eukaryotic supergroups.
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Biological speciation ultimately results in prezygotic isolation—the inability of incipient species to mate with one another–but little is understood about the selection pressures and genetic changes that generate this outcome. The genus Chlamydomonas comprises numerous species of unicellular green algae, including numerous geographic isolates of the species C. reinhardtii. This diverse collection has allowed us to analyze the evolution of two sex-related genes: the mid gene of C. reinhardtii, which determines whether a gamete is mating-type plus or minus, and the fus1 gene, which dictates a cell surface glycoprotein utilized by C. reinhardtii plus gametes to recognize minus gametes. Low stringency Southern analyses failed to detect any fus1 homologs in other Chlamydomonas species and detected only one mid homolog, documenting that both genes have diverged extensively during the evolution of the lineage. The one mid homolog was found in C. incerta, the species in culture that is most closely related to C. reinhardtii. Its mid gene carries numerous nonsynonymous and synonymous codon changes compared with the C. reinhardtii mid gene. In contrast, very high sequence conservation of both the mid and fus1 sequences is found in natural isolates of C. reinhardtii, indicating that the genes are not free to drift within a species but do diverge dramatically between species. Striking divergence of sex determination and mate recognition genes also has been encountered in a number of other eukaryotic phyla, suggesting that unique, and as yet unidentified, selection pressures act on these classes of genes during the speciation process.
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The P element, originally described in Drosophila melanogaster, is one of the best-studied eukaryotic transposable elements. In an attempt to understand the evolutionary dynamics of the P element family, an extensive phylogenetic analysis of 239 partial P element sequences has been completed. These sequences were obtained from 40 species in the Drosophila subgenus Sophophora. The phylogeny of the P element family is examined in the context of a phylogeny of the species in which these elements are found. An interesting feature of many of the species examined is the coexistence in the same genome of P sequences belonging to two or more divergent subfamilies. In general, P elements in Drosophila have been transmitted vertically from generation to generation over evolutionary time. However, four unequivocal cases of horizontal transfer, in which the element was transferred between species, have been identified. In addition, the P element phylogeny is best explained in numerous instances by horizontal transfer at various times in the past. These observations suggest that, as with some other transposable elements, horizontal transfer may play an important role in the maintenance of P elements in natural populations.
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Knowledge of the origin and evolution of gene families is critical to our understanding of the evolution of protein function. To gain a detailed understanding of the evolution of the small heat shock proteins (sHSPs) in plants, we have examined the evolutionary history of the chloroplast (CP)-localized sHSPs. Previously, these nuclear-encoded CP proteins had been identified only from angiosperms. This study reveals the presence of the CP sHSPs in a moss, Funaria hygrometrica. Two clones for CP sHSPs were isolated from a F. hygrometrica heat shock cDNA library that represent two distinct CP sHSP genes. Our analysis of the CP sHSPs reveals unexpected evolutionary relationships and patterns of sequence conservation. Phylogenetic analysis of the CP sHSPs with other plant CP sHSPs and eukaryotic, archaeal, and bacterial sHSPs shows that the CP sHSPs are not closely related to the cyanobacterial sHSPs. Thus, they most likely evolved via gene duplication from a nuclear-encoded cytosolic sHSP and not via gene transfer from the CP endosymbiont. Previous sequence analysis had shown that all angiosperm CP sHSPs possess a methionine-rich region in the N-terminal domain. The primary sequence of this region is not highly conserved in the F. hygrometrica CP sHSPs. This lack of sequence conservation indicates that sometime in land plant evolution, after the divergence of mosses from the common ancestor of angiosperms but before the monocot–dicot divergence, there was a change in the selective constraints acting on the CP sHSPs.
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The prochlorophytes are oxygenic prokaryotes differing from other cyanobacteria by the presence of a light-harvesting system containing both chlorophylls (Chls) a and b and by the absence of phycobilins. We demonstrate here that the Chl a/b binding proteins from all three known prochlorophyte genera are closely related to IsiA, a cyanobacterial Chl a-binding protein induced by iron starvation, and to CP43, a constitutively expressed Chl a antenna protein of photosystem II. The prochlorophyte Chl a/b protein (pcb) genes do not belong to the extended gene family encoding eukaryotic Chl a/b and Chl a/c light-harvesting proteins. Although higher plants and prochlorophytes share common pigment complements, their light-harvesting systems have evolved independently.
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Sm proteins form the core of small nuclear ribonucleoprotein particles (snRNPs), making them key components of several mRNA-processing assemblies, including the spliceosome. We report the 1.75-Å crystal structure of SmAP, an Sm-like archaeal protein that forms a heptameric ring perforated by a cationic pore. In addition to providing direct evidence for such an assembly in eukaryotic snRNPs, this structure (i) shows that SmAP homodimers are structurally similar to human Sm heterodimers, (ii) supports a gene duplication model of Sm protein evolution, and (iii) offers a model of SmAP bound to single-stranded RNA (ssRNA) that explains Sm binding-site specificity. The pronounced electrostatic asymmetry of the SmAP surface imparts directionality to putative SmAP–RNA interactions.
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Although it is known today that transposons comprise a significant fraction of the genomes of many organisms, they eluded discovery through the first half century of genetic analysis and even once discovered, their ubiquity and abundance were not recognized for some time. This genetic invisibility of transposons focuses attention on the mechanisms that control not only transposition, but illegitimate recombination. The thesis is developed that the mechanisms that control transposition are a reflection of the more general capacity of eukaryotic organisms to detect, mark, and retain duplicated DNA through repressive chromatin structures.
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In the evolution of eukaryotic genes, introns are believed to have played a major role in increasing the probability of favorable duplication events, chance recombinations, and exon shuffling resulting in functional hybrid proteins. As a rule, prokaryotic genes lack introns, and the examples of prokaryotic introns described do not seem to have contributed to gene evolution by exon shuffling. Still, certain protein families in modern bacteria evolve rapidly by recombination of genes, duplication of functional domains, and as shown for protein PAB of the anaerobic bacterial species Peptostreptococcus magnus, by the shuffling of an albumin-binding protein module from group C and G streptococci. Characterization of a protein PAB-related gene in a P. magnus strain with less albumin-binding activity revealed that the shuffled module was missing. Based on this fact and observations made when comparing gene sequences of this family of bacterial surface proteins interacting with albumin and/or immunoglobulin, a model is presented that can explain how this rapid intronless evolution takes place. A new kind of genetic element is introduced: the recer sequence promoting interdomain, in frame recombination and acting as a structure-less flexibility-promoting spacer in the corresponding protein. The data presented also suggest that antibiotics could represent the selective pressure behind the shuffling of protein modules in P. magnus, a member of the indigenous bacterial flora.