Évolution de l'(épi)génome des eucaryotes : perspectives offertes par les protistes orphelins

Evolution of the eukaryote (epi)genome : Insights from orphan protists

• Auteur / Autrice : Jazmin Blaz sánchez
• Direction : David Moreira, Laura Eme
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Évolution
• Date : Soutenance le 15/12/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Structure et Dynamique des Systèmes Vivants
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Écologie, systématique et évolution (Orsay, Essonne ; 2002-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Life Sciences and Health (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Mireille Bétermier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anna Karnkowska, Arnau Sebé-Pedrós, Jon Jerlström-Hultqvist
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anna Karnkowska, Arnau Sebé-Pedrós

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écologie microbienne

Évolution moléculaire

Épigénétique

Génomique comparative

Protistes eucaryotes

Mots clés libres

Protistes

Génomique

Modifications épigénétiques

Phylogénétique

Évolution

Génomique comparée

Protists

Genomics

Epigenetic modifications

Phylogenetics

Evolution

Comparative genomics

Résumé

Depuis leur origine, les eucaryotes ont évolué dans une myriade de lignées. A partir de la combinaison de données ultrastructurales et moléculaires, il a été montré que la diversité des eucaryotes peut être divisée en un petit nombre de super-groupes phylogénétiques. Cependant, la monophylie de certains de ces super-groupes, leurs interrelations et le positionnement de la racine de l'arbre des eucaryotes restent controversés, même dans les analyses les plus récentes. Cette incertitude peut s'expliquer par le manque de données sur des lignées clés. En outre, la représentation déséquilibrée des cultures et des données génomiques disponibles pour de nombreux clades de protistes a entravé les recherches sur la diversité des caractéristiques clés des eucaryotes et des questions fondamentales sur la diversité des génomes et le rôle de la régulation épigénétique dans l'évolution des eucaryotes microbiens restent encore ouvertes.Les ancyromonades et les mantamonades sont deux clades de flagellés hétérotrophes avec un mode de vie libre, considérés comme orphelins en raison de leur profonde divergence par rapport à tous les autres super-groupes eucaryotes. Ce projet de thèse avait trois objectifs principaux : i) générer les premières séquences génomiques pour les ancyromonades et les mantamonades ; ii) comprendre les principaux processus qui ont conduit à l'évolution des répertoires génétiques de ces organismes ; et iii) explorer l'évolution des mécanismes épigénétiques et leur relation avec les modèles d'expression génique en réponse aux changements environnementaux chez les ancyromonades.Nous avons obtenu un assemblage très complet du génome de Mantamonas sphyraenae et rapporté ses principales caractéristiques. Parallèlement, nous avons séquencé et analysé les génomes de plusieurs espèces d'ancyromonades. Malgré les similitudes morphologiques entre les ancyromonades, nous avons constaté que les génomes de ces organismes sont différents en termes de taille, de nombre de gènes et de contenu en séquences répétées. Nos analyses phylogénomiques ont confirmé la divergence précoce des ancyromonades dans l'arbre des eucaryotes et la monophylie du genre Mantamonas dans le supergroupe CRuMs. En outre, la reconstruction du contenu génétique ancestral à partir de 371634 familles de gènes réparties sur l'ensemble des eucaryotes a révélé un gain important de gènes chez l'ancêtre des ancyromonades, et beaucoup de remplacements des familles de gènes sur l'ensemble de l'arbre des ancyromonades. La plupart des familles de gènes avec une évolution très dynamique ont des fonctions inconnues mais englobent également de nombreuses protéines liées aux mécanismes de transduction des signauxet le cytosquelette.En utilisant le séquençage du génome entier au bisulfite, nous avons exploré les motifs de méthylation de l'ADN des ancyromonades. Nos analyses ont montré de faibles niveaux globaux de méthylation. Il est intéressant de noter que les ancyromonades présentent une méthylation du corps des gènes similaire à celle d'espèces eucaryotes éloignées, ce qui suggère qu'il s'agit d'une caractéristique ancestrale de la méthylation de l'ADN chez les eucaryotes.Enfin, nous avons caractérisé les profils d'expression génique d'Ancyromonas sigmoides dans des conditions environnementales changeantes, ce qui a permis de mettre en lumière les rôles d'une partie de la fraction non caractérisée du contenu génique et d'améliorer notre connaissance de la biologie de ces organismes.En approfondissant la diversité génomique et épigénomique de ces lignées peu étudiées, ce travail a élargi notre compréhension de l'évolution des eucaryotes et mis en lumière des mécanismes de régulation essentiels régissant l'expression du génome chez les eucaryotes microbiens. Cela ouvre des perspectives prometteuses pour les recherches futures dans ces domaines.

Since their origin, eukaryotes have evolved in a myriad of lineages. Based on the combination of ultrastructural and molecular data, it has been proposed that the diversity of eukaryotes can be divided into a small number of phylogenetic supergroups. However, the monophyly of some of the super-groups, their interrelationships and the placement of the root of the eukaryotic tree remain contentious, even in the most recent analyses. This uncertainty can be explained by the lack of data from key lineages. In addition, the unbalanced representation of cultures and available genomic data for numerous protist clades has hampered our investigation of the true diversity of key eukaryotic features as well as the patterns of genome evolution across this domain of life. In particular, fundamental questions about the genome diversity and the role of the epigenetic regulation on the evolution of microbial eukaryotes still remain open.Ancyromonads and mantamonads are two clades of free-living heterotrophic flagellates considered orphans because of their deep divergence from any eukaryotic supergroup. This project had three main objectives: i) generating the first genomic sequences for ancyromonads and mantamonads; ii) understanding the main processes that have driven the evolution of the genetic repertoires of these organisms; iii) exploring the evolution of epigenetic mechanisms and their relationship to gene expression patterns in response to environmental shifts in ancyromonads. We obtained a highly complete assembly of the genome of Mantamonas sphyraenae and reported its main characteristics. In parallel, we sequenced and analyzed the genomes of several ancyromonas species. Despite the morphological similarities among ancyromonads, we found that the genomes of these organisms are diverse in size, number of genes and repeat content.Our phylogenomic analyses confirmed the early divergence of ancyromonads within the eukaryotic tree of life and the monophyly of the genus Mantamonas within the CRuMs supergroup. Furthermore the ancestral gene content reconstruction over 371,634 gene families distributed across eukaryotes revealed a significant gene gain in the ancestor of ancyromonads and a high turnover of gene families across the ancyromonad tree. Most of the gene families with dynamic evolution have unknown functions but also encompass many proteins related to signal transduction mechanisms and the cytoskeleton.Using Whole Genome Bisulfite Sequencing (WGBS) we explored the DNA methylation landscapes of ancyromonads. Our analyses showed low global levels of methylation. Interestingly, ancyromonads display gene body methylation similarly to distant species of eukaryotes, suggesting this is an ancestral feature of DNA methylation in eukaryotes.Finally, we characterized the gene expression patterns of Ancyromonas sigmoides under shifting environmental conditions, which shed light on the roles of the uncharacterized fraction of the gene content and improve our knowledge of the biology of these enigmatic organisms.By deepening into the genomic and epigenomic diversity of these understudied lineages, this work has expanded our understanding of eukaryotic evolution and shed light on essential regulatory mechanisms governing genome expression in microbial eukaryotes, opening exciting possibilities for future research in these fields.