Comparative genomics of Brachyspira pilosicoli strains: genome rearrangements, reductions and correlation of genetic compliment with phenotypic diversity.

Background. The anaerobic spirochaete Brachyspira pilosicoli causes enteric disease in avian, porcine and human hosts, amongst others. To date, the only available genome sequence of B. pilosicoli is that of strain 95/1000, a porcine isolate. In the first intra-species genome comparison within the Brachyspira genus, we report the whole genome sequence of B. pilosicoli B2904, an avian isolate, the incomplete genome sequence of B. pilosicoli WesB, a human isolate, and the comparisons with B. pilosicoli 95/1000. We also draw on incomplete genome sequences from three other Brachyspira species. Finally we report the first application of the high-throughput Biolog phenotype screening tool on the B. pilosicoli strains for detailed comparisons between genotype and phenotype. Results. Feature and sequence genome comparisons revealed a high degree of similarity between the three B. pilosicoli strains, although the genomes of B2904 and WesB were larger than that of 95/1000 (~2,765, 2.890 and 2.596 Mb, respectively). Genome rearrangements were observed which correlated largely with the positions of mobile genetic elements. Through comparison of the B2904 and WesB genomes with the 95/1000 genome, features that we propose are non-essential due to their absence from 95/1000 include a peptidase, glycine reductase complex components and transposases. Novel bacteriophages were detected in the newly-sequenced genomes, which appeared to have involvement in intra- and inter-species horizontal gene transfer. Phenotypic differences predicted from genome analysis, such as the lack of genes for glucuronate catabolism in 95/1000, were confirmed by phenotyping. Conclusions. The availability of multiple B. pilosicoli genome sequences has allowed us to demonstrate the substantial genomic variation that exists between these strains, and provides an insight into genetic events that are shaping the species. In addition, phenotype screening allowed determination of how genotypic differences translated to phenotype. Further application of such comparisons will improve understanding of the metabolic capabilities of Brachyspira species.

Analysis of gene order data supports vertical inheritance of the leukotoxin operon and genome rearrangements in the 5' flanking region in genus Mannheimia

BACKGROUND: The Mannheimia subclades belong to the same bacterial genus, but have taken divergent paths toward their distinct lifestyles. For example, M. haemolytica + M. glucosida are potential pathogens of the respiratory tract in the mammalian suborder Ruminantia, whereas M. ruminalis, the supposed sister group, lives as a commensal in the ovine rumen. We have tested the hypothesis that vertical inheritance of the leukotoxin (lktCABD) operon has occurred from the last common ancestor of genus Mannheimia to any ancestor of the diverging subclades by exploring gene order data. RESULTS: We examined the gene order in the 5' flanking region of the leukotoxin operon and found that the 5' flanking gene strings, hslVU-lapB-artJ-lktC and xylAB-lktC, are peculiar to M. haemolytica + M. glucosida and M. granulomatis, respectively, whereas the gene string hslVU-lapB-lktC is present in M. ruminalis, the supposed sister group of M. haemolytica + M. glucosida, and in the most ancient subclade M. varigena. In M. granulomatis, we found remnants of the gene string hslVU-lapB-lktC in the xylB-lktC intergenic region. CONCLUSION: These observations indicate that the gene string hslVU-lapB-lktC is more ancient than the hslVU-lapB-artJ-lktC and xylAB-lktC gene strings. The presence of (remnants of) the ancient gene string hslVU-lapB-lktC among any subclades within genus Mannheimia supports that it has been vertically inherited from the last common ancestor of genus Mannheimia to any ancestor of the diverging subclades, thus reaffirming the hypothesis of vertical inheritance of the leukotoxin operon. The presence of individual 5' flanking regions in M. haemolytica + M. glucosida and M. granulomatis reflects later genome rearrangements within each subclade. The evolution of the novel 5' flanking region in M. haemolytica + M. glucosida resulted in transcriptional coupling between the divergently arranged artJ and lkt promoters. We propose that the chimeric promoter have led to high level expression of the leukotoxin operon which could explain the increased potential of certain M. haemolytica + M. glucosida strains to cause a particular type of infection.

Increased genome instability in Escherichia coli lon mutants: relation to emergence of multiple-antibiotic-resistant (Mar) mutants caused by insertion sequence elements and large tandem genomic amplifications

Thirteen spontaneous multiple-antibiotic-resistant (Mar) mutants of Escherichia coli AG100 were isolated on Luria-Bertani (LB) agar in the presence of tetracycline (4 microg/ml). The phenotype was linked to insertion sequence (IS) insertions in marR or acrR or unstable large tandem genomic amplifications which included acrAB and which were bordered by IS3 or IS5 sequences. Five different lon mutations, not related to the Mar phenotype, were also found in 12 of the 13 mutants. Under specific selective conditions, most drug-resistant mutants appearing late on the selective plates evolved from a subpopulation of AG100 with lon mutations. That the lon locus was involved in the evolution to low levels of multidrug resistance was supported by the following findings: (i) AG100 grown in LB broth had an important spontaneous subpopulation (about 3.7x10(-4)) of lon::IS186 mutants, (ii) new lon mutants appeared during the selection on antibiotic-containing agar plates, (iii) lon mutants could slowly grow in the presence of low amounts (about 2x MIC of the wild type) of chloramphenicol or tetracycline, and (iv) a lon mutation conferred a mutator phenotype which increased IS transposition and genome rearrangements. The association between lon mutations and mutations causing the Mar phenotype was dependent on the medium (LB versus MacConkey medium) and the antibiotic used for the selection. A previously reported unstable amplifiable high-level resistance observed after the prolonged growth of Mar mutants in a low concentration of tetracycline or chloramphenicol can be explained by genomic amplification.

The Oxytricha trifallax macronuclear genome: a complex eukaryotic genome with 16,000 tiny chromosomes.

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.

The Draft Assembly of the Radically Organized Stylonychia lemnae Macronuclear Genome.

Stylonychia lemnae is a classical model single-celled eukaryote, and a quintessential ciliate typified by dimorphic nuclei: A small, germline micronucleus and a massive, vegetative macronucleus. The genome within Stylonychia's macronucleus has a very unusual architecture, comprised variably and highly amplified "nanochromosomes," each usually encoding a single gene with a minimal amount of surrounding noncoding DNA. As only a tiny fraction of the Stylonychia genes has been sequenced, and to promote research using this organism, we sequenced its macronuclear genome. We report the analysis of the 50.2-Mb draft S. lemnae macronuclear genome assembly, containing in excess of 16,000 complete nanochromosomes, assembled as less than 20,000 contigs. We found considerable conservation of fundamental genomic properties between S. lemnae and its close relative, Oxytricha trifallax, including nanochromosomal gene synteny, alternative fragmentation, and copy number. Protein domain searches in Stylonychia revealed two new telomere-binding protein homologs and the presence of linker histones. Among the diverse histone variants of S. lemnae and O. trifallax, we found divergent, coexpressed variants corresponding to four of the five core nucleosomal proteins (H1.2, H2A.6, H2B.4, and H3.7) suggesting that these ciliates may possess specialized nucleosomes involved in genome processing during nuclear differentiation. The assembly of the S. lemnae macronuclear genome demonstrates that largely complete, well-assembled highly fragmented genomes of similar size and complexity may be produced from one library and lane of Illumina HiSeq 2000 shotgun sequencing. The provision of the S. lemnae macronuclear genome sets the stage for future detailed experimental studies of chromatin-mediated, RNA-guided developmental genome rearrangements.

The novel mitochondrial gene arrangement of the cattle tick, Boophilus microplus: Fivefold tandem repetition of a coding region

We sequenced across all of the gene boundaries in the mitochondrial genome of the cattle tick, Boophilus microplus, to determine the arrangement of its genes. The mtDNA of B. microplus has a coding region, composed of tRNA(Glu) and 60 bp of the 3' end of ND1, that is repeated five times. Boophilus microplus is the first coelomate animal known to have more than two copies of a coding sequence. The mitochondrial genome of B, microplus has other unusual features, including (1) reduced T arms in tRNAs, (2) an AT bias in codon use, (3) two control regions that have evolved in concert, (4) three gene rearrangements, and (5) a stem-loop between tRNA(Gln) and tRNA(Phe). The short T arms and small control regions (CRs) of B. microplus and other ticks suggest strong selection for small genomes. Imprecise termination of replication beyond its origin, which can account for the evolution of tandem repeats of coding regions in other mitochondrial genomes, cannot explain the evolution of the fivefold repeated sequence in the mitochondrial genome of B. microplus. Instead, slipped-strand mispairing or recombination are the most plausible explanations for the evolution of these tandem repeats.

Segmental copy number variation shapes tissue transcriptomes

Abstract : Copy number variation (CNV) of DNA segments has recently gained considerable interest as a source of genetic variation likely to play a role in phenotypic diversity and evolution. Much effort has been put into the identification and mapping of regions that vary in copy number among seemingly normal individuals, both in humans and in a number of model organisms, using both bioinformatic and hybridization-based methods. Synteny studies suggest the existence of CNV hotspots in mammalian genomes, often in connection with regions of segmental duplication. CNV alleles can be in equilibrium within a population, but can also arise de novo between generations, illustrating the highly dynamic nature of these regions. A small number of studies have assessed the effect of CNV on single loci, however, at the genome-wide scale, the functional impact of CNV remains poorly studied. We have explored the influence of CNV on gene expression, first using the Williams-Beuren syndrome (WBS) associated deletion as a model, and second at the genome-wide scale in inbred mouse strains. We found that the WBS deletion influences the expression levels not only of the hemizygous genes, but also affects the euploid genes mapping nearby. Consistently, on a genome wide scale we observe that CNV genes are expressed at more variable levels than genes that do not vary in copy number. Likewise, CNVs influence the relative expression levels of genes that map to the flank of the genome rearrangements, thus globally influencing tissue transcriptomes. Further studies are warranted to complete cataloguing and fine mapping of CNV regions, as well as to elucidate the different mechanisms by which CNVs influence gene expression. Résumé : La variation en nombre de copies (copy number variation ou CNV) de segments d'ADN suscite un intérêt en tant que variation génétique susceptible de jouer un r81e dans la diversité phénotypique et l'évolution. Les régions variables en nombre de copies parmi des individus apparemment normaux ont été cartographiées et cataloguées au moyen de puces à ADN et d'analyse bioinformatique. L'étude de la synténie entre plusieurs espèces de mammifères laisse supposer l'existence de régions à haut taux de variation, souvent liées à des duplications segmentaires. Les allèles CNV peuvent être en équilibre au sein d'une population ou peuvent apparaître de novo. Ces faits illustrent la nature hautement dynamique de ces régions. Quelques études se sont penchées sur l'effet de la variation en nombre de copies de loci isolés, cependant l'impact de ce phénomène n'a pas été étudié à l'échelle génomique. Nous avons examiné l'influence des CNV sur l'expression des gènes. Dans un premier temps nous avons utilisé la délétion associée au syndrome de Williams-Beuren (WBS), puis, dans un second temps, nous avons poursuivi notre étude à l'échelle du génome, dans des lignées consanguines de souris. Nous avons établi que la délétion WBS influence l'expression non seulement des gènes hémizygotes, mais également celle des gènes euploïdes voisins. A l'échelle génomique, nous observons des phénomènes concordants. En effet, l'expression des gènes variant en nombre de copies est plus variable que celles des gènes ne variant pas. De plus, à l'instar de la délétion WBS, les CNV influencent l'expression des gènes adjacents, exerçant ainsi un impact global sur les profils d'expression dans les tissus. Résumé pour un large public : De nombreuses maladies ont pour cause un défaut génétique. Parmi les types de mutations, on compte la disparition (délétion) d'une partie de notre génome ou sa duplication. Bien que l'on connaisse les anomalies associées à certaines maladies, les mécanismes moléculaires par lesquels ces réarrangements de notre matériel génétique induisent les maladies sont encore méconnus. C'est pourquoi nous nous sommes intéressés à la régulation des gènes dans les régions susceptibles à délétion ou duplication. Dans ce travail, nous avons démontré que les délétions et les duplications influencent la régulation des gènes situés à proximité, et que ces changements interviennent dans plusieurs organes.

Relaxation of selective constraints causes independent selenoprotein extinction in insect genomes

BACKGROUND: Selenoproteins are a diverse family of proteins notable for the presence of the 21st amino acid, selenocysteine. Until very recently, all metazoan genomes investigated encoded selenoproteins, and these proteins had therefore been believed to be essential for animal life. Challenging this assumption, recent comparative analyses of insect genomes have revealed that some insect genomes appear to have lost selenoprotein genes. METHODOLOGY/PRINCIPAL FINDINGS: In this paper we investigate in detail the fate of selenoproteins, and that of selenoprotein factors, in all available arthropod genomes. We use a variety of in silico comparative genomics approaches to look for known selenoprotein genes and factors involved in selenoprotein biosynthesis. We have found that five insect species have completely lost the ability to encode selenoproteins and that selenoprotein loss in these species, although so far confined to the Endopterygota infraclass, cannot be attributed to a single evolutionary event, but rather to multiple, independent events. Loss of selenoproteins and selenoprotein factors is usually coupled to the deletion of the entire no-longer functional genomic region, rather than to sequence degradation and consequent pseudogenisation. Such dynamics of gene extinction are consistent with the high rate of genome rearrangements observed in Drosophila. We have also found that, while many selenoprotein factors are concomitantly lost with the selenoproteins, others are present and conserved in all investigated genomes, irrespective of whether they code for selenoproteins or not, suggesting that they are involved in additional, non-selenoprotein related functions. CONCLUSIONS/SIGNIFICANCE: Selenoproteins have been independently lost in several insect species, possibly as a consequence of the relaxation in insects of the selective constraints acting across metazoans to maintain selenoproteins. The dispensability of selenoproteins in insects may be related to the fundamental differences in antioxidant defense between these animals and other metazoans.

Architectural features of bacterial genomes and their applications

Résumé -Caractéristiques architecturales des génomes bactériens et leurs applications Les bactéries possèdent généralement un seul chromosome circulaire. A chaque génération, ce chromosome est répliqué bidirectionnellement, par deux complexes enzymatiques de réplication se déplaçant en sens opposé depuis l'origine de réplication jusqu'au terminus, situé à l'opposé. Ce mode de réplication régit l'architecture du chromosome -l'orientation des gènes par rapport à la réplication, notamment - et est en grande partie à l'origine des pressions qui provoquent la variation de la composition en nucléotides du génome, hors des contraintes liées à la structure et à la fonction des protéines codées sur le chromosome. Le but de cette thèse est de contribuer à quantifier les effets de la réplication sur l'architecture chromosomique, en s'intéressant notamment aux gènes des ARN ribosomiques, cruciaux pour la bactérie. D'un autre côté, cette architecture est spécifique à l'espèce et donne ainsi une «identité génomique » aux gènes. Il est démontré ici qu'il est possible d'utiliser des marqueurs «naïfs » de cette identité pour détecter, notamment dans le génome du staphylocoque doré, des îlots de pathogénicité, qui concentrent un grand nombre de facteurs de virulence de la bactérie. Ces îlots de pathogénicité sont mobiles, et peuvent passer d'une bactérie à une autre, mais conservent durant un certain temps l'identité génomique de leur hôte précédent, ce qui permet de les reconnaître dans leur nouvel hôte. Ces méthodes simples, rapides et fiables seront de la plus haute importance lorsque le séquençage des génomes entiers sera rapide et disponible à très faible coût. Il sera alors possible d'analyser instantanément les déterminants pathogéniques et de résistance aux antibiotiques des agents pathogènes. Summary The bacterial genome is a highly organized structure, which may be referred to as the genome architecture, and is mainly directed by DNA replication. This thesis provides significant insights in the comprehension of the forces that shape bacterial chromosomes, different in each genome and contributing to confer them an identity. First, it shows the importance of the replication in directing the orientation of prokaryotic ribosomal RNAs, and how it shapes their nucleotide composition in a tax on-specific manner. Second, it highlights the pressure acting on the orientation of the genes in general, a majority of which are transcribed in the same direction as replication. Consequently, apparent infra-arm genome rearrangements, involving an exchange of the leading/lagging strands and shown to reduce growth rate, are very likely artifacts due to an incorrect contig assembly. Third, it shows that this genomic identity can be used to detect foreign parts in genomes, by establishing this identity for a given host and identifying the regions that deviate from it. This property is notably illustrated with Staphylococcus aureus: known pathogenicity islands and phages, and putative ancient pathogenicity islands concentrating many known pathogenicity-related genes are highlighted; the analysis also detects, incidentally, proteins responsible for the adhesion of S. aureus to the hosts' cells. In conclusion, the study of nucleotide composition of bacterial genomes provides the opportunity to better understand the genome-level pressures that shape DNA sequences, and to identify genes and regions potentially related to pathogenicity with fast, simple and reliable methods. This will be of crucial importance when whole-genome sequencing will be a rapid, inexpensive and routine tool.

Implication des protéines WHIRLY dans la biogénèse du chloroplaste en association avec la protéine SIG6

Le mode vie autotrophique des plantes repose entièrement sur l’intégrité du chloroplaste et notamment l’étape de la biogénèse. La transcription des gènes chloroplastiques, assurée par une PEP (ARN polymérase encodée par le chloroplaste) et deux NEPs (ARN polymérase encodée par le noyau), est l’une des étapes primordiales dans le développement d’un chloroplaste photosynthétique. On distingue trois classes de gènes chloroplastiques : les gènes de classe I, transcrit par la PEP exclusivement; les gènes de classe II, transcrits par la PEP ou les NEPs; et les gènes de classe III, transcrits exclusivement par les NEPs. Pour assurer sa fonction, la PEP doit être associée à des facteurs sigmas. L’un de ceux-ci, la protéine SIG6, est un facteur sigma général et, associé à la PEP, assure la transcription de l’ensemble des gènes de classe I et II lors du développement du chloroplaste photosynthétique. Ainsi, le mutant sig6 présente un phénotype de cotylédons pâles, associé à un retard de biogénèse chloroplastique, ainsi qu’une diminution de la transcription des gènes de classe I, provoquant la diminution de la quantité de protéines de classe I. Dans le laboratoire, nous étudions les deux protéines WHIRLY chloroplastiques (WHY1 et WHY3) pour leur rôle dans le maintien de la stabilité génomique chloroplastique. Toutefois, peu de choses sont encore connues sur leur rôle potentiel dans la transcription ou la biogénèse chloroplastique. Par exemple, lorsque l’on tente de purifier la PEP, on obtient un gros complexe transcriptionnel nommé PTAC (Plastid Transcriptionally Active Chromosome) dans lequel sont retrouvées les deux protéines WHIRLY, suggérant qu’elles pourraient être impliquées dans la transcription chloroplastique. De plus, un possible rôle dans la biogénèse chloroplastique leur a été prêté, notamment chez le maïs. Dans cette étude, nous avons donc cherché à vérifier l’implication des protéines WHIRLY dans la biogénèse chloroplastique par une approche génétique de croisements entre les mutants sig6 et why1why3. Pour cela, nous avons isolé des doubles mutants sig6why1 et sig6why3, ainsi qu’un triple mutant sig6why1why3. À l’aide d’une caractérisation phénotypique et de la quantification de quelques protéines chloroplastiques, nous avons remarqué que la perte d’un des WHIRLY permet de complémenter le phénotype de cotylédons pâles du mutant sig6 et favorise l’expression normale de protéines en principe sous-exprimées dans le mutant sig6. Toutefois, la perte des deux WHIRLY ne permet pas de compenser le phénotype de cotylédons pâles et provoque l’apparition d’un phénotype persistant associé à une expression anormale des protéines chloroplastiques. Ces résultats ne peuvent être expliqués par le rôle des WHIRLY dans le maintien de la stabilité génomique chloroplastique étant donné que le triple mutant sig6why1why3 présente moins de réarrangements que le double mutant why1why3. Finalement, nous montrons que les effets de la perte d’un WHIRLY sur le mutant sig6 peuvent être mimés par l’utilisation de la rifampicine, une drogue inhibant l’ARN polymérase chloroplastique de type bactérienne (PEP). Ensemble, ces résultats démontrent donc l’implication des protéines WHIRLY chloroplastiques dans la biogénèse chloroplastique en association avec la protéine SIG6. Nous proposons un modèle selon lequel les deux protéines WHIRLY permettraient de favoriser l’activité de l’ARN polymérase de type bactérienne, notamment lors du développement du chloroplaste photosynthétique. En cas d’absence d’une des deux protéines, cette diminution partielle d’activité de la PEP favoriserait la mise en place d’un mécanisme de complémentation par le NEPs, permettant finalement de rétablir la biogénèse chloroplastique dans un mutant sig6. En l’absence des deux WHIRLY, le mécanisme de complémentation par les NEPs serait incapable de compenser la forte inhibition de la PEP, se traduisant par une aggravation du retard de développement du chloroplaste dans le mutant sig6.

Impacts des réarrangements génomiques chloroplastiques sur l'apparition des phénotypes de variégation chez Arabidopsis thaliana

Contrairement à la plupart des eucaryotes non-photosynthétiques, les végétaux doivent assurer la stabilité d’un génome additionnel contenu dans le plastide, un organite d’origine endosymbiotique. Malgré la taille modeste de ce génome et le faible nombre de gènes qu’il encode, celui-ci est absolument essentiel au processus de photosynthèse. Pourtant, même si ce génome est d’une importance cruciale pour le développement de la plante, les principales menaces à son intégrité, ainsi que les conséquences d’une déstabilisation généralisée de sa séquence d’ADN, demeurent largement inconnues. Dans l’objectif d’élucider les conséquences de l’instabilité génomique chloroplastique, nous avons utilisé le mutant why1why3polIb d’Arabidopsis thaliana, qui présente d’importants niveaux de réarrangements génomiques chloroplastiques, ainsi que la ciprofloxacine, un composé induisant des brisures double-brins dans l’ADN des organites. Ceci nous a permis d’établir qu’une quantité importante de réarrangements génomiques provoque une déstabilisation de la chaîne de transport des électrons photosynthétique et un grave stress oxydatif associé au processus de photosynthèse. Étonnamment, chez why1why3polIb, ces hautes concentrations d’espèces oxygénées réactives ne mènent ni à la perte de fonction des chloroplastes affectés, ni à la mort cellulaire des tissus. Bien au contraire, ce déséquilibre rédox semble être à l’origine d’une reprogrammation génique nucléaire permettant de faire face à ce stress photosynthétique et conférant une tolérance aux stress oxydatifs subséquents. Grâce à une nouvelle méthode d’analyse des données de séquençage de nouvelle génération, nous montrons également qu’un type particulier d’instabilité génomique, demeuré peu caractérisé jusqu’à maintenant, constitue une des principales menaces au maintien de l’intégrité génomique des organites, et ce, tant chez Arabidopsis que chez l’humain. Ce type d’instabilité génomique est dénommé réarrangement de type U-turn et est vraisemblablement associé au processus de réplication. Par une approche génétique, nous démontrons que les protéines chloroplastiques WHY1, WHY3 et RECA1 empêchent la formation de ce type d’instabilité génomique, probablement en favorisant la stabilisation et le redémarrage des fourches de réplication bloquées. Une forte accumulation de réarrangements de type U-turn semble d’ailleurs être à l’origine d’un sévère trouble développemental chez le mutant why1why3reca1. Ceci soulève de nombreuses questions quant à l’implication de ce type d’instabilité génomique dans de nombreux troubles et pathologies possédant une composante mitochondriale.

La génomique évolutive mitochondriale révèle des échanges génétiques et la ségrégation chez les Gloméromycètes

Les champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) sont des organismes microscopiques du sol qui jouent un rôle crucial dans les écosystèmes naturels et que l’on retrouve dans tous les habitats de la planète. Ils vivent en relation symbiotique avec la vaste majorité des plantes terrestres. Ils sont des biotrophes obligatoires, c'est-à-dire qu'ils ne peuvent croître qu'en présence d'une plante hôte. Cette symbiose permet entre autres à la plante d'acquérir des nutriments supplémentaires, en particulier du phosphore et du nitrate. Malgré le fait que cette symbiose apporte des services importants aux écosystèmes, la richesse des espèces, la structure des communautés, ainsi que la diversité fonctionnelle des CMA sont mal connues et l'approfondissement des connaissances dans ces domaines dépend d’outils de diagnostic moléculaire. Cependant, la présence de polymorphisme nucléaire intra-isolat combiné à un manque de données génomiques dans différents groupes phylogénétique de ces champignons complique le développement de marqueurs moléculaires et la détermination de l'affiliation évolutive à hauts niveaux de résolution (c.a.d. entre espèces génétiquement similaires et/ou isolats de la même espèce). . Pour ces raisons, il semble une bonne alternative d’utiliser un système génétique différent en ciblant le génome mitochondrial, qui a été démontré homogène au sein d'un même isolat de CMA. Cependant, étant donné le mode de vie particulier de ces organismes, une meilleure compréhension des processus évolutifs mitochondriaux est nécessaire afin de valoriser l'utilisation de tels marqueurs dans des études de diversité et en génétique des populations. En ce sens, mon projet de doctorat consistait à investiguerétudier: i) les vecteurs de divergences inter-isolats et -espèces génétiquement rapprochéesphylogénétiquement apparentées, ii) la plasticité des génomes mitochondriaux, iii) l'héritabilité mitochondriale et les mécanismes potentiels de ségrégation, ainsi que iv) la diversité mitochondriale intra-isolat in situ. À l'aide de la génomique mitochondriale comparative, en utilisant le séquençage nouvelle génération, on a démontré la présence de variation génétique substantielle inter-isolats et -espèces, engendrées par l'invasion d'éléments mobiles dans les génomes mitochondriaux des CMA, donnant lieu à une évolution moléculaire rapide des régions intergéniques. Cette variation permettait de développer des marqueurs spécifiques à des isolats de la même espèce. Ensuite, à l'aide d'une approche analytique par réseaux de gènes sur des éléments mobiles, on a été en mesure de démontrer des évènements de recombinaisons homologues entre des haplotypes mitochondriaux distincts, menant à des réarrangements génomiques. Cela a permis d'ouvrir les perspectives sur la dynamique mitochondriale et l'hétéroplasmie dans un même isolatsuggère une coexistence de différents haplotypes mitochondriaux dans les populations naturelles et que les cultures monosporales pourraient induirent une sous-estimation de la diversité allélique mitochondriale. Cette apparente contradiction avec l'homogénéité mitochondriale intra-isolat généralement observée, a amené à investiguer étudier les échanges génétiques à l'aide de croisements d'isolats génétiquement distincts. Malgré l'observation de quelques spores filles hétéroplasmiques, l'homoplasmie était le statut par défaut dans toutes les cultures monosporales, avec un biais en faveur de l'un des haplotypes parentaux. Ces résultats suggèrent que la ségrégation opère durant la formation de la spore et/ou le développement de la coloniedu mycélium. De plus, ils supportent la présence d'une machinerie protéique de ségrégation mitochondriale chez les CMAAMF, où l'ensemble des gènes impliqués dans ce mécanisme ont été retrouvé et sont orthologues aux autres champignons. Finalement, on est revenue aux sources avecon a étudié le polymorphisme mitochondrial intra-isolat à l'aide d'une approche conventionnelle de PCR en utilisant une Taq polymérase de haute fidélité, suivie de clonage et de séquençage Sanger, sur deux isolats de R. irregularis. Cela a permis l'observation d'hétéroplasmie in situ, ainsi que la co-expression de variantes de variantes de protéines'ARNm dans une souche in vitro. Les résultats suggèrent que d'autres études basées sur le séquençage nouvelle génération aurait potentiellement ignorée cette variation, offrant ainsi plusieurs nouveaux arguments permettant de considérer les CMA comme des organismes possédant une population de génomes mitochondriaux et nucléaires distincts.

Evolution of microbial virulence: the benefits of stress

Although genome sequencing of microbial pathogens has shed light on the evolution of virulence, the drivers of the gain and loss of genes and of pathogenicity islands (gene clusters), which contribute to the emergence of new disease outbreaks, are unclear. Recent experiments with the bean pathogen Pseudomonas syringae pv. phaseolicola illustrate how exposure to resistance mechanisms acts as the driving force for genome reorganization. Here we argue that the antimicrobial conditions generated by host defences can accelerate the generation of genome rearrangements that provide selective advantages to the invading microbe. Similar exposure to environmental stress outside the host could also drive the horizontal gene transfer that has led to the evolution of pathogenicity towards both animals and plants.

Pseudomonas genomes: diverse and adaptable

Members of the genus Pseudomonas inhabit a wide variety of environments, which is reflected in their versatile metabolic capacity and broad potential for adaptation to fluctuating environmental conditions. Here, we examine and compare the genomes of a range of Pseudomonas spp. encompassing plant, insect and human pathogens, and environmental saprophytes. In addition to a large number of allelic differences of common genes that confer regulatory and metabolic flexibility, genome analysis suggests that many other factors contribute to the diversity and adaptability of Pseudomonas spp. Horizontal gene transfer has impacted the capability of pathogenic Pseudomonas spp. in terms of disease severity (Pseudomonas aeruginosa) and specificity (Pseudomonas syringae). Genome rearrangements likely contribute to adaptation, and a considerable complement of unique genes undoubtedly contributes to strain- and species-specific activities by as yet unknown mechanisms. Because of the lack of conserved phenotypic differences, the classification of the genus has long been contentious. DNA hybridization and genome-based analyses show close relationships among members of P. aeruginosa, but that isolates within the Pseudomonas fluorescens and P. syringae species are less closely related and may constitute different species. Collectively, genome sequences of Pseudomonas spp. have provided insights into pathogenesis and the genetic basis for diversity and adaptation.