Tester l'hypothèse du ménage à trois – MATHTEST

Nous avons mené des approches de phylogénie classique et de biochimie qui nous ont permis d’une part de mettre en évidence le transfert au sein même du génome du plaste ancestral d’un cluster de gènes impliqués dans la synthèse de la menaquinone et d’autre part d’analyser le métabolisme du glycogène chez les chlamydias. Afin de réévaluer la contribution bactérienne à l'émergence de lignées issues de l'endosymbiose plastidiale, nous avons mis en place un pipe-line automatique non biaisé pour détecter les LGT bactériens dans les génomes des Archaeplastida. Les génomes receveurs et donneurs étudiés ont été sélectionnés en fonction de la qualité des ressources génomiques et de la diversité couverte, générant ainsi un pipeline dédié à chacun des principaux groupes bactériens couvrant toute la diversité du domaine bactérien. Par ailleurs en ce qui concerne les LGTs chlamydiens nous avons également conçus des pipelines contrôles relatifs aux génomes eucaryotes receveurs de ces LGTs avec un focus sur les amibes et les champignons. Enfin nous avons conçus un système d’annotation visant à détecter chez tous les groupes bactériens les LGTs encodant des transporteurs plastidiaux.

Résultats majeurs du projet
L’endosymbiose plastidiale s’est accompagnée non seulement par le transfert massif de 621 gènes d’origine cyanobactérienne aux génomes nucléaires des lignées qui en sont issues mais aussi par celui de 220 gènes d’origines bactériennes diverses. Parmi ceux-ci, les gènes issus des pathogènes intracellulaires du groupe des chlamydiales totalisent à eux seuls 8% des transferts cyanobactériens et définissent le donneur principal de gènes parmi l’ensemble des groupes bactériens. Les résultats montrent un rôle surprenant des chlamydiales dans l’établissement de la connectivité précoce du plaste

Ces travaux ont confirmé l’existence et la robustesse du signal phylogénomique chlamydien de même que sa prééminence dans l’ensemble des transferts latéraux d’origine bactérienne. Nous avons en outre montré l’existence sélective de transferts de gènes multiples dont les topologies s’accordent particulièrement bien avec l’existence d’interaction biotiques anciennes basées sur des transferts conjugatifs du génome des chlamydias au génome de la cyanobactérie ancêtre du plaste. De plus la réalité de tels transferts conjugatifs a pu être démontrée dans le cas du métabolisme de la menaquinone chez les algues rouges cyanidiales, Le résultat le plus marquant du projet, à nos yeux, consiste en la découverte d’une contribution sélective inattendue des chlamydias dans la connectivité précoce du plaste qui n’est pas retrouvée à partir d’autres groupes bactériens. En effet les chlamydias ont contribué le même nombre de gènes de transporteurs plastidiaux communs aux trois lignées d’Archaeplastida que les cyanobactéries ancêtres du plaste ! Ceci suggère que les premiers échanges métaboliques entre le plaste en évolution et le cytosol, en absence du système d’adressage des protéines au plaste étaient autant sous contrôle de la cyanobactérie ancestrale que sous celui d‘une chlamydiales en interaction avec cette dernière

1. Maeno T, Yamakawa Y, Takiyasu Y, Miyauchi H, Nakamura Y, Ono M, Ozaki N, Utsumi Y, Cenci U, Colleoni C, Ball S, Tsuzuki M, Fujiwara S. One of the isoamylase isoforms, CMI294C, is required for semi-amylopectin synthesis in the rhodophyte Cyanidioschyzon merolae. Front Plant Sci. 2022 Aug 16;13:967165. doi: 10.3389/fpls.2022.967165. PMID: 36051298; PMCID: PMC9424615.
2. Oliver D Caspari, Clotilde Garrido, Chris O Law, Yves Choquet, Francis-André Wollman, et al.. Converting antimicrobial into targeting peptides reveals key features governing protein import into mitochondria and chloroplasts. Plant Communications, 2023, 4 (4), pp.100555. ?10.1016/j.xplc.2023.100555?. ?hal-04234816?
3. Ryoma Kamikawa, Takako Mochizuki, Mika Sakamoto, Yasuhiro Tanizawa, Takuro Nakayama, et al.. Genome evolution of a nonparasitic secondary heterotroph, the diatom Nitzschia putrida. Science Advances , 2022, Science Advances, 8 (17), pp.eabi5075. ?10.1126/sciadv.abi5075?. ?hal-03677948?
4. Lea Fermont, Nicolas Szydlowski, Christophe Colleoni. Determination of Glucan Chain Length Distribution of Glycogen using the Fluorophore-Assisted Carbohydrate Electrophoresis (FACE) Method.. Journal of visualized experiments : JoVE, 2022, Journal of visualized experiments : JoVE, ?10.3791/63392?. ?hal-03678033?
5. Clotilde Garrido, Francis-André Wollman, Ingrid Lafontaine. The Evolutionary History of Peptidases Involved in the Processing of Organelle-Targeting Peptides. Genome Biology and Evolution, 2022, 14 (7), pp.evac101. ?10.1093/gbe/evac101?. ?hal-03766202?
6. Matthieu Colpaert, Derifa Kadouche, Mathieu Ducatez, Trestan Pillonel, Carole Kebbi-Beghdadi, et al.. Conservation of the glycogen metabolism pathway underlines a pivotal function of storage polysaccharides in Chlamydiae. Communications Biology, 2021, 4 (1), ?10.1038/s42003-021-01794-y?. ?hal-03174571?
7. Malika Chabi, Marie Leleu, Lea Fermont, Matthieu Colpaert, Christophe Colleoni, et al.. Retracing Storage Polysaccharide Evolution in Stramenopila. Frontiers in Plant Science, 2021, 12, pp.629045. ?10.3389/fpls.2021.629045?. ?hal-03268608?
8. Clotilde Garrido, Oliver Caspari, Yves Choquet, Francis-André Wollman, Ingrid Lafontaine. Evidence Supporting an Antimicrobial Origin of Targeting Peptides to Endosymbiotic Organelles. Cells, 2020, 9 (8), pp.1795. ?10.3390/cells9081795?. ?hal-03008883?
9. Dana C Price, Ursula W Goodenough, Robyn Roth, Jae-Hyeok Lee, Thamali Kariyawasam, et al.. Analysis of an improved Cyanophora paradoxa genome assembly. DNA Research, 2019, DNA Research, 26 (4), pp.287-299. ?10.1093/dnares/dsz009?. ?hal-03095856?
10. Cenci U, Qiu H, Pillonel T, Cardol P, Remacle C, Colleoni C, Kadouche D, Chabi M, Greub G, Bhattacharya D, Ball S.G. (2018) Host-pathogen biotic interactions shaped vitamin K metabolism in Archaeplastida. Scientific Reports 8:15243

Nous avons récemment proposé que le plaste ait été intégré au sein de son hôte eucaryote grâce à l’assisance d’un pathogène intracellulaire de type chlamydia désormais disparu (1). L’hypothèse du ménage à trois (MATH) aborde spécifiquement la question centrale de la synchronisation de l'offre et de la demande du carbone photosynthétique au moment de l'endosymbiose plastidiale [2]. Les Chlamydia ont fournis de nombreux gènes essentiels à cette connexion, tels que la transferase polymérisant ce carbone dans les réserves de l’hôte et les transporteurs de glucides nécessaire à l’exportation du carbone depuis l’inclusion commune au pathogène et l’ancêtre du plaste. L'hypothèse MATH prédit que les gènes d'origine chlamydienne ont été transférés au génome du symbionte cyanobactérien par conjugaison dans cet environnement. Cela a permis l’initiation des flux métaboliques de la symbiose par l'expression et la localisation efficace d'un ensemble de transporteurs clés absents des cyanobactéries, à un moment où le système de ciblage des protéines à l’organite n’était pas encore apparu. De plus, des opérons codant des voies métaboliques entières d'origine chlamydienne ont été transférés dans le but d’amplifier ou modifier des flux clés dans la cyanobactérie (3,4). Si cette idée est correcte, alors le génome plastidial serait devenu significativement chimérique aux premiers stades de l'endosymbiose. Pouvons-nous trouver des preuves «fossiles» de ce chimérisme supposé qui appuient la présence ancestrale de gènes chlamydiens dans les plastomes? Les génomes de plastes ont subi une réduction significative du génome (de nombreuses fonctions ayant été transférés au noyau par EGT) et conservent principalement les gènes codant pour les sous-unités de la chaîne de transport d'électrons photosynthétiques et le système de traduction de protéines nécessaire pour les exprimer. Ces gènes conservés sont d'origine cyanobactérienne et n’ont bien sûr pas été ciblés par les LGT chlamydiens. Nous avons donc examiné les plastomes les plus riches en gènes actuellement disponibles susceptibles, de ce fait, de contenir le plus de fonctions métaboliques diverses. Ceux-ci sont trouvés chez les algues rouges unicellulaires les plus ancestrales telles que les Cyanidiophytina, qui codent 250 gènes, comparativement à la moitié de ce nombre pour la plupart des autres Archaeplastida (glaucophytes, algues vertes et rouges et plantes terrestres). Nous avons récemment découvert chez ces organismes un cluster plastidial composé de 7 gènes d'origine chlamydienne avérée, codant toutes les enzymes de la synthèse de la vitamine K à partir du chorismate.
Dans le projet MATHTEST, nous éluciderons l'histoire évolutive du métabolisme de la vitamine K chez les cyanobactéries et les algues eucaryotes. Nous proposons également étudier la nature mono ou polyphylétique du signal phylogénique chlamydien chez les eucaryotes photosynthétiques.
Parce que Gloeomargarita (5) est actuellement défini comme la cyanobactérie la plus proche de l'ancêtre du plaste, ces expériences nous permettront de préciser le moment exact du transfert du cluster de gènes chlamydiens. Si cet événement s'est produit post-endosymbiose mais avant diversification des Archaeplastida, cela fournira à la fois une forte confirmation cladistique sur l'origine Gloeobacterales du plaste et une preuve de concept de l'hypothèse MATH.
En plus de cela, nous avons établi une collaboration avec un groupe de reconstruction phylogénétique profonde pour sonder la nature du signal phylogénétique chlamydien. Nous visons à mettre à l'épreuve la nature monophylétique attendue de la composante partagée de ce signal, soutenant ou rejetant l'hypothèse MATH.
1. Ball SG et al. (2016) Science (351: 659-660
2. Ball SG, et al. (2013) Plant Cell 25: 7-21,
3. Cenci U., et al. (2016) Front. Cell. Infect. Microbiol 6: 67
4. Cenci U, et al. (2017) Trends in Plant Science 22(4):316-328.
5. Ponce-Toledo RI et al. (2017) Curr. Biol. 27, 386–391