Van tree of life naar web of life Peter Roels & Bert De Groef

I. TREE OF LIFE -“The time will come I believe,…, when we shall have fairly true genealogical trees of each great kingdom of nature” – Darwin (brief, 1887) -consensus onder onderzoekers rond 1990: LUCA leefde 3,5 tot 3,8 miljard jaar geleden

-vóór 1965: verwantschappen gebaseerd op vergelijkende anatomie en fysiologie  aanvaardbare resultaten voor dier en plant, maar problematisch voor micro- organismen -Pauling & Zuckerkandl (1965): moleculaire fylogenie gebaseerd op kenmerken van proteïnen en genen -Woese: SSU rRNA = universele moleculaire chronometer -1970: bevestiging prokaryoten vs. eukaryoten + endosymbiosetheorie -1980: 3 domeinen! Carl Woese (University of Illinois)

-drie domeinen: Bacteria, Archaea, Eukarya Woese, 1987

BacteriaArchaeaEukarya Kernmembraan--+ Chromosomen1 circulair meerdere lineair Peptidoglycaan in celwand+-- Membraanlipidenesterbindingenetherbindingenesterbindingen Ribosomen70S 80S Initiator-tRNAformyl-MetMet Intronenzeldensomsvaak Operons++- Capping en polyadenylatie--+ Plasmiden++zelden Gevoeligheid van ribosomen voor difterietoxine -++ RNA-polymerasen1 (4 SU)meerdere (8-12 SU) 3 (12-14 SU) Gevoeligheid voor chloramfenicol, streptomycine, kanamycine +-- Methanogenese-+- Reductie van S 0 tot H 2 S++- Nitrificatie+-- Denitrificatie++- Stikstoffixatie++- Fotosynthese met chlorofyl +-+ Chemolithotrofie (Fe, S, H 2 )++- Gasvesikels++- Reservekorrels van poly-β-hydroxyalkanoaat ++-

-Archaea zijn vaak extremofielen -halofielen: leven in milieus met zeer hoge zoutconcentraties, bvb. Halobacterium -optimale groei: 2-4 M NaCl (12-23%), overleving zelfs bij 5,5 M (32%) -sommige soorten ook basofiel: optimale pH voor Natronobacterium = 9,5 -uniek proteïne: bacteriorhodopsine (lichtgevoelige protonpomp)

-hyperthermofielen: leven bij zeer hoge temperaturen (solfataras, vulkanen, black smokers), bvb. Pyrodictium (groei tussen 82° en 110°C, optimum 105°C), Pyrolobus (113°C)

-methanogenen: 4H 2 + CO 2 → CH 4 + 2H 2 O; obligaat anaëroob -unieke co-enzymen (methanofuran, methanopterine, co-enzym M) -symbiose met herkauwers (bvb. Methanobrevibacter ruminantium) en termieten -impact op klimaat (broeikasgas!) Bron CH 4 -uitstoot (10 12 g/jaar) Biogeen Herkauwers Termieten Rijstvelden Natuurlijke draslanden Storten5-70 Oceanen en meren1-20 Toendra1-5 Abiogeen Steenkoolontginning10-35 Affakkelen van aardgas10-30 Lekken in industrie en pijpleidingen15-45 Verbranding van biomassa10-40 Methaanhydraten2-4 Vulkanen0,5 Verkeer0,5 Totaal Totaal biogeen (81-86%) Totaal abiogeen (13-19%)

Woese et al., 1990 BACTERIA ARCHAEA EUKARYA -“archaea” = “oudste dingen” ↔ rRNA-studies: Archaea en Eukarya zijn zustergroepen

-N.B. gebruik van paraloge genen (bvb. elongatiefactor) als “referentiepunt” (buitengroep in cladistiek)

II. VAN TREE OF LIFE NAAR WEB OF LIFE -primaire endosymbiose: overdracht van genen van endosymbiont naar gastheer → verschillende eukaryote genen betrokken bij celademhaling (mitochondrie) en fotosynthese (plastide) zijn van bacteriële oorsprong -onverwacht nog andere bacteriële genen in aangetroffen in nucleus van Eukarya en in Archaea → genen niet alleen “verticaal” (generatie op generatie) doorgegeven, maar ook horizontaal: horizontale gentransfer (HGT) - tussen Bacteria/Archaea onderling - van Bacteria naar Archaea en vice versa - van Bacteria/Archaea naar Eukarya - tussen Eukarya onderling (bvb. secundaire endosymbiose)

-voorbeeld 1: HGT van prokaryoot naar prokaryoot

Buchnera aphidicola in een bacteriocyt ldcA Acyrthosiphon pisum -voorbeeld 2: HGT van γ-proteobacterie naar eukaryoot

-voorbeeld 3: HGT van eukaryoot naar eukaryoot psbO-expressie Elysia chlorotica Vaucheria litorea

-consequenties van HGT voor stamboom: -HGT genereert fouten in stambomen -genenboom ≠ soortenboom; “dé” soortenboom bestaat niet -LUCA vermoedelijk eerder gemeenschap van primitieve cellen -tree of life ⇒ web of life “The history of life cannot properly be represented as a tree.” “The Tree of Life is not something that exists in nature, it’s a way that humans classify nature.” (Doolittle, 1999)

III. VAN WEB OF LIFE NAAR RING OF LIFE ? -niet alle genen onderschrijven verwantschap van Archaea met Eukarya -rRNA, genen betrokken bij algemene cellulaire processen zoals transcriptie en translatie → “Archaea dichtst bij Eukarya” -genen betrokken bij cytosolisch- metabole processen → “Bacteria dichtst bij Eukarya” -Rivera & Lake (2004): studie op basis van 10 volledige genomen -gedeelde genen als maat voor genoomsimilariteit tussen taxa -nieuwe analysemethode (“conditioned reconstruction”), laat toe naast divergerentie- ook fusiepatroon te ontdekken

Y 1 : de gist (eukaryoot) Schizosaccharomyces pombe, Y 2 : de gist (eukaryoot) Saccharomyces cerevisiae, Pγ: de γ-proteobacterie (bacterie) Xylella fastidiosa, B: de bacil (bacterie) Staphylococcus aureus MW2, H: de halobacterie (archaeon) Halobacterium sp. NRC-1, M: de methanococ (archaeon) Methanosarcina mazei Goe1, E: de eocyt (archaeon) Sulfolobus tokodaii)

- conclusie: eukaryoot genoom is fusieproduct van proteobacterie met archaeon, waarschijnlijk als gevolg van een endosymbiose

-genoomfusietheorieën: -als gevolg van symbiotische relatie tussen archaeon en bacterie -als gevolg van endosymbiotische relatie tussen archaeon en bacterie -bacteriële endosymbiont levert nucleaire genen aan; mitochondrie ontstaat door nieuwe endosymbiose -bacteriële endosymbiont levert nucleaire genen aan én evolueert zelf tot mitochondrie

IV. DE PLAATS VAN DE VIRUSSEN -2003: “Gram-positieve bacterie Bradfordcoccus” in Acanthamoeba polyphaga blijkt reusachtig virus te zijn: mimivirus (“mimicking microbe”) -grote afmetingen ( nm), groot genoom (1,2 miljoen bp), bevat genen betrokken bij nucleotide- en aminozuurbiosynthese → discussie over “levend” of “niet-levend” weer opgeflakkerd -1928: Ultrabionta vs. Cytobionta -2008: capsid- (CEOs) vs. ribosome-encoding organisms (REOs) mimivirus

- zijn virussen mono- of polyfyletisch? -sommige virale genen (“ORFans”) kennen geen homologen in andere virussen; geen duidelijke gemeenschappelijke afstamming -sommige klassen blijken wel monofyletisch - waar komen virussen vandaan? -primordiale hypothese: aanvankelijk aanzien als voorlopers van cellen, overgangsvorm van niet-levende naar levende materie ↔ virussen zijn intracellulaire parasieten, dus kunnen niet voor cellen ontstaan zijn -celdegeneratiehypothese: gedegenereerde cellen die zich specialiseerden in parasitisme en autonomie verloren -ontsnapte genen-hypothese: stukjes DNA/RNA die ontsnapt zijn uit plasmiden of transposons uit cellen -co-evolutiehypothese: geëvolueerd uit complexe moleculen op moment dat eerste cellen ontstonden -Koonin et al. (2006): genen die coderen voor belangrijke proteïnen voor virusreplicatie en –morfogenese (“virus hallmark genes”) komen voor bij diverse groepen RNA- en DNA-virussen, maar niet in cellen → maakt celdegeneratie en ontsnapte genen onwaarschijnlijk → “oude viruswereld”: flow van virusgenen van vóór precellulair leven (in anorganische compartimenten) tot vandaag - belangrijke rol voor virussen in evolutie: vectoren voor HGT, rol in ontstaan van DNA en kern?

- virussen zijn relicten van de pre-cellulaire evolutie -metagenomics: virussen zijn kwantitatief dominante component van biosfeer (“virosfeer”) -10x meer virussen in zeewater dan cellen -schatting: viruspartikels op aarde -belangrijke rol voor virussen in evolutie: vectoren voor HGT, rol in ontstaan van DNA en kern? -virussen die mariene cyanobacteriën infecteren beschikken fotosynthesegen

Bibliografie Brooker et al., Biology, 1 ste editie, McGraw-Hill, 2008 Campbell & Reece, Biology, 8 ste editie, Pearson, 2008 Raven et al., Biology, 7 de editie, McGraw-Hill, 2005 Doolittle, Science 284: , 1999 Doolittle, Sci. Am. 282: 90-95, 2000 Gregory, Evolution: education and outreach 1: , 2008 Hedges, Nat. Rev. Genet. 3: , 2002 Koonin et al., Biology Direct 1: 29, 2006 Lane & Archibald, Trends Ecol. Evol. 23: , 2008 Lawton, New Scientist 201: 34-39, 2009 Nikoh & Nakabachi, BMC Biol. 7:12, 2009 Rumpho et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 105: , 2008 Rivera & Lake, Nature 431: , 2004 Woese, Microbiol. Rev. 51: , 1987 Woese et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 87: , 1990 Tree of Life: Tree of Life Web Project: