Global evolutionary analysis of CIII peroxidases in green lineage

Analyse globale de l'évolution des peroxydases III classe en ligne verte

• Auteur / Autrice : Qiang Li
• Direction : Christophe Dunand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Écologie, biodiversité et évolution
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

ADN -- Réplication

Peroxydases

Mots clés libres

Ros

Peroxydase

PeroxiBase

CIII peroxydase

La duplication de gènes

Le gain de l'intron-perte

Résumé

Les peroxydases qui appartiennent au réseau de gênes associés aux espèces actives de l'oxygène (ROS), sont des enzymes capables de catalyser des réactions d'oxydo-réduction. Elles utilisent le peroxyde d'hydrogène comme accepteur d'électrons. Les peroxydases de classe III (CE 1. 11. 1. 7, CIII Prxs) qui appartiennent à la superfamille des peroxydases ''non-animal'' jouent un rôle important dans la lignée des plantes vertes dans les réactions d'oxydo-réduction. Avec l'avènement des projets de séquençage génomique couvrant l'ensemble de plantes de la lignée verte et l'expansion des bases de données d'ESTs, l'annotation d'experts des gènes de la peroxydase est devenu possible. Les données d'annotation disponible dans cette étude sont disponibles sur la PeroxiBase, qui est une base de données dédiée aux superfamilles de peroxydases. Cette base est dynamique et inclut des outils utiles pour l'analyse. Dans cette recherche, l'évolution et l'expression des CIII Prxs ont été étudiés suivant trois stratégies. Tout d'abord, les CIII Prxs ont été analysées de façon exhaustive dans un organisme spécifique. E. Grandis a été choisi pour cet aspect de ma recherche. Dans cette étude, un nombre important de duplications en tandem et segmentale de CIII Prxs ont été détectés. Ces événements de duplications de gènes spécifiques d'une espèce avaient déjà été observés pour la CIII Prx mais sans atteindre des niveaux aussi élevés. La deuxième stratégie concerne l'analyse comparative entre la famille CIII Prxs et d'autres familles peroxydases. 1CysPrx, 2CysPrx, APx, APX-R, de CIII Prx, Diox, GPx, Kat, PrxII, PrxQ et les RBOH ont été annotés de la manière experte et exhaustive. L'analyse comparative a été menée et montre les différentes fonctions de conservation, d'expression et la duplication des 11 familles de gènes ROS ainsi que les caractères sur la taille des familles, le gain ou la perte de la gêne, des profils d'expression et les dates de divergence des quatre espèces d'eucalyptus. Dans l'ensemble, l'analyse comparative peut être un bon critère pour évaluer l'adaptation des différentes espèces suivant leurs environnements. Et il est également un bon indicateur pour explorer le processus évolutif. La troisième stratégie correspond à l'analyse globale des CIII Prxs dans une série d'organismes incluant des plantes ayant divergées précocement ou plus tardivement. L'étude a été effectuée au niveau de l'ADN et des protéines. Parce que les données de plantes ayant divergées précocement proviennent principalement de banques d'EST, le nombre de gènes obtenus sous-estime le nombre réel de gènes présents dans les génomes, un séquençage génomique a été réalisé sur une plante ayant divergée précocement pour obtenir l'ensemble des gènes CIII Prx. Le dosage de l'activité CIII Prx pour les plantes ayant divergées précocement ou celles plus tardivement, montre que les activités CIII Prx sont beaucoup plus faibles dans les plantes ayant divergées précocement. EDans les autres caractéristiques de l'évolution structurelle, une hypothèse d'augmentation du nombre de résidus cystéine est proposée. En résumé, notre recherche ouvre de nouvelles perspectives pour la compréhension de l'évolution des CIII Prxs et devrait fournir des gènes candidats pour des études fonctionnelles complémentaires.

Peroxidases, which belong to the reactive oxygen species (ROS) gene network, are enzymes able to catalyze oxidation-reduction reactions with hydrogen peroxide as the acceptor of electrons. Class III Peroxidases (EC 1. 11. 1. 7, CIII Prxs) which belong to the so-called 'non-animal' peroxidase superfamily, have been detected in both later diverged and some green algae. They play important roles in the oxido-reduction reactions. Along with the availability of genomic sequencing projects of some green lineages from earlier diverged to later diverged and the expansion of EST databases, the expert annotation of peroxidase genes has become possible. The data of this study were included in PeroxiBase which is a database with useful tools and increasing data for large-scale evolutionary analysis of peroxidases. In this research, the evolution and expression of CIII Prxs in green lineage were studied following three strategies. Firstly, the properties of CIII Prxs in one organism were analyzed. E. Grandis was taken as the object in this research. From the study, explosive tandem and segmental duplications of CIII Prxs have been detected. Species specific gene duplications have previously been characterized for CIII Prx. The second strategy is the comparison between CIII Prxs and other peroxidase families in plants. 1CysPrx, 2CysPrx, APx, APx-R, CIII Prx, Diox, GPx, Kat, PrxII, PrxQ and the ROS producer gene family Rboh were annotated in an expert and exhaustive manner from the genomic data available. In addition, a specific sequencing strategy was performed in order to determine if the missed sequences in at least one Eucalyptus species are the results of gain/loss events or of only sequencing gaps. Overall, the comparative analysis should be a good criterion to evaluate the adaptation of different species with different characters. And it is also a good indicator to explore the evolutionary process. The third strategy is the global analysis of CIII Prxs in series of organisms from basal plants to the later diverged. The study was performed on DNA level and protein level. The CIII Prx activity assay in various plants shows that the activities of CIII in basal plants are much lower than CIII in later diverged. We also propose a novel model for the intron gain and loss mechanisms which indicate that the classical gene structure with 3 introns is well conserved through the green lineage evolution. Marginal intron-loss/gain process can be observed. About other features of the structural evolution, a hypothesis of increase of cystein residue number mechanism and emergence of speciifc motifs are proposed. In sum our research raises novel insights into the evolution of CIII Prxs which should provide instruction or candidate genes for the further functional study.