Abstract :
[en] Prokaryotes (i.e., single-celled organisms without a nucleus) are currently divided into two domains: Bacteria and Archaea. One of the major differences between the two domains lies in their cell wall. Indeed, although bacteria have mostly peptidoglycan (also known as murein) in their cell wall, most archaea have a cell wall composed of a protein layer assembled into a crystalline network named S-layer (Surface layer). However, there exist two orders of Euryarchaeota, the Methanopyrales and Methanobacteriales, which possess in their wall a polymer structurally analogous to peptidoglycan. Therefore, this polymer was called pseudomurein.
The objective of this thesis was to study the evolution of different gene families involved in the biosynthesis of peptidoglycan and pseudomurein, in order to determine if these two polymers share common genetic determinants.
To conduct our analyses, we exploited more than 80,000 bacterial genomes and more than 800 archaeal genomes, all collected from the NCBI RefSeq database. However, at the beginning of our work, there were indications that RefSeq, in spite of its extensive curation, presents problems of genomic contamination that could bias the interpretation of phylogenetic results. As a first step, we developed a contamination detection software called Physeter. This software was then used to detect potential genomic contamination in prokaryotic genomes from RefSeq. Through this study, we have shown that about 0.9% of the bacterial genomes in RefSeq have a contamination rate of at least 5%.
Although RefSeq provides a good coverage of prokaryotic diversity, it suffers from sampling biases. In order to design and test bioinformatics strategies to improve the informativeness of phylogenies by reducing redundancies due to the inclusion of many closely related strains, we chose to prototype our methods on the class D beta-lactamase protein family. These are enzymes produced by bacteria to resist beta-lactam antibiotics, a family of antibiotics that target peptidoglycan synthesis and lead to cell lysis. Here, we conducted a comprehensive phylogenetic and bioinformatic study of this protein family. Following these results, we expressed in Escherichia coli ten newly identified protein sequences and thus showed that environmental bacteria (including those never exposed to human-made antibiotics) constitute a large reservoir of resistance genes against antimicrobial agents.
Finally, using a decontaminated version of RefSeq and bioinformatics methods to optimize its exploitation, we identified different gene families potentially involved in archaeal pseudomurein biosynthesis, on which we applied a bioinformatic pipeline similar to the one implemented with class D beta-lactamases. Some of the identified genes are homologous to those involved in peptidoglycan biosynthesis, such as Mur ligases or the transmembrane protein MraY. We have shown that these genes are clustered in two syntenic regions in the genomes of Methanopyrales and Methanobacteriales. Furthermore, our phylogenetic analyses suggest that the archaeal Mur ligases result from horizontal gene transfers from one or more ancient bacterial lineages.
Based on all these results, we proposed that the hypothesis that the acquisition of bacterial genes in a common ancestor of the Methanopyrales and Methanobacteriales has led to the origin of the archaeal pseudomurein.
[fr] Les procaryotes, organismes unicellulaires ne présentant pas de noyau, sont actuellement divisés en deux domaines : Bactéries et Archées. L’une des différences majeures entre les deux domaines réside dans leur paroi cellulaire. En effet, bien que les bactéries ont majoritairement du peptidoglycane (aussi appelé muréine) dans leur paroi, la plupart des archées ont une paroi composée d’une couche protéique assemblée en un réseau cristallin, que l’on nomme couche S. Cependant, il existe deux ordres d’Euryarchaeota, les Methanopyrales et Methanobacteriales, qui possèdent dans leur paroi un polymère structurellement analogue au peptidoglycane. Par conséquent, ce polymère a été nommé pseudomuréine.
L’objectif de cette thèse était d’étudier l’évolution de différentes familles de gènes impliquées dans la synthèse du peptidoglycane et de la pseudomuréine, afin de déterminer si les deux polymères partagent des déterminants génétiques communs.
Pour conduire ces analyses, nous avons exploité plus de 80 000 génomes bactériens et plus de 800 génomes archéens provenant tous de la base de données RefSeq du NCBI. Or, au début de notre travail, un faisceau d’indices laissait penser que RefSeq, en dépit de sa curation extensive, présente des problèmes de contamination des génomes pouvant fausser l’interprétation des résultats phylogénétiques. Dans un premier temps, nous avons donc développé un programme de détection des contaminations baptisé Physeter. Celui-ci a ensuite été utilisé pour détecter les potentielles contaminations génomiques présentes dans les génomes procaryotes. Par cette étude, nous avons montré qu’environ 0.9% des génomes bactériens de RefSeq ont un taux de contamination d’au moins 5%.
Par ailleurs, si RefSeq offre une bonne couverture de la diversité procaryotique, elle souffre de biais d’échantillonnage. Dans le but de concevoir et tester des stratégies bioinformatiques pour améliorer l’informativité des phylogénies en réduisant les redondances dues à l’inclusion de nombreuses souches très apparentées, nous avons choisi de prototyper nos méthodes sur la famille des bêta-lactamases de classe D. Ces dernières sont des enzymes produites par les bactéries pour lutter contre les antibiotiques à noyau bêta-lactame, une famille d'antibiotiques qui ciblent la synthèse du peptidoglycane et provoquent la lyse de la cellule. Nous avons conduit une étude phylogénétique et bioinformatique complète de cette famille. A la suite de ces résultats, nous avons exprimé dans Escherichia coli dix séquences de protéines nouvellement identifiées et montré que les bactéries environnementales (même non-exposées aux antibiotiques d’origine anthropique) constituent un grand réservoir de gènes de résistance contre les agents antimicrobiens.
Enfin, fort d’une version décontaminée de RefSeq et des méthodes bioinformatiques permettant d’en optimiser l’exploitation, nous avons identifié différentes familles de gènes potentiellement impliquées dans la synthèse de la pseudomuréine archéenne. Certains des gènes identifiés sont homologues à ceux impliqués dans la synthèse du peptidoglycane, comme des Mur ligases ou la protéine transmembranaire MraY. Nous avons montré que ces gènes sont regroupés dans deux régions synténiques dans les génomes de Methanopyrales et Methanobacteriales. De plus, nos analyses phylogénétiques suggèrent que les Mur ligases archéennes sont le résultat de transferts de gènes horizontaux depuis une ou plusieurs anciennes lignées bactériennes.
En combinant tous les résultats obtenus, nous avons proposé l’hypothèse à vérifier que c’est l’acquisition de gènes bactériens par un ancêtre commun des Methanopyrales et des Methanobacteriales qui a entraîné l’apparition de la pseudomuréine archéenne.
