On the origins and diversification of respiratory quinone biosynthetic pathways
Etude de l'origine et de la diversification des voies de biosynthèse des quinones respiratoires
Résumé
About 2.4 billion years ago, the Earth became irreversibly oxygenated, making a major shift for the organisms living on its surface, which then had to adapt. It is currently believed that this event had a significant impact on the evolution of bioenergetics on Earth. Among the key components of organisms’ energy metabolism are isoprenoid quinones. This family of molecules plays a crucial role in transferring electrons within respiratory and photosynthetic chains. The redox potential of quinones varies according to their chemical structure and notably affects the type of respiration an organism can perform (aerobic or anaerobic). The most widespread quinones are menaquinone, found in many bacteria and some archaea, ubiquinone, present in eukaryotes and a large bacterial group (Pseudomonadota), and plastoquinone, found in cyanobacteria and the green lineage. Although these molecules are central to cellular bioenergetics, their origin and the evolutionary history of their biosynthetic pathways remain poorly understood. Regarding ubiquinone, while the classical pathway involves oxygen-dependent steps, our team’s discovery of an oxygen-independent pathway has challenged some hypotheses about the geochemical context (presence or absence of O2) of the emergence of this quinone, which is crucial for aerobic respiration. In this thesis, I used phylogenetic and comparative genomic methods to annotate and trace the evolution of quinone biosynthetic pathways. First, I studied the Pseudomonadota, a successful bacterial group known for its diverse quinone content. I demonstrated that the two biosynthetic pathways for ubiquinone emerged in their common ancestor, and I proposed that the oxygen-independent pathway was initially constitutive, evolving into an accessory "anaerobic module", which was later on differentially lost. I also showed that the ability to synthesize menaquinone, which facilitates non-oxygenic respiration, was acquired by more recent Pseudomonadota lineages via horizontal gene transfer. This ability to adjust their energy metabolism by modulating their quinone repertoire could explain the evolutionary success of Pseudomonadota. Ubiquinone and menaquinone belong to two major quinone families : benzoquinones and naphthoquinones, defined by the structure of their ring. Benzoquinones are primarily involved in aerobic processes. A “new” benzoquinone, methyl-plastoquinone, was recently discovered in the Nitrospirota, by a collaborator Felix Elling. We were able to partially characterize its biosynthetic pathway based on evolutionary connections between the different benzoquinones’ biosynthetic pathways and experimental validations. Furthermore, by incorporating a broader diversity of genomes in my analyses, I discovered the presence of the oxygen-independent ubiquinone pathway outside the Pseudomonadota, within a class of Desulfobacterota. These findings prompt us to reconsider the question of the origin and timing of evolution of benzoquinones, particularly in relation to Earth’s oxygenation. Finally, to create an inventory of experimentally described quinones, I used text-mining techniques on abstracts of publications describing new bacterial strains. The most significant contribution of this approach is the compilation of data on the length and degree of saturation of quinone side chains. This large-scale perspective, available for the first time, paves the way for a better understanding of the causes of variability in quinone side chains, an aspect that is difficult to predict using bioinformatics approaches.
Il y a environ 2,4 milliards d’années la Terre s’est oxygénée de manière irréversible, ce qui a constitué un changement majeur pour les organismes vivant à sa surface ayant eu alors besoin de s’adapter. Nous considérons actuellement que cet événement a eu un impact important quant à l’évolution de la bioénergétique sur Terre. Les quinones isoprénoïdes jouent un rôle majeur dans le métabolisme énergétique des organismes. Le rôle principal de cette famille de molécules est de transférer les électrons au sein des chaînes respiratoires et photosynthétiques. Le potentiel d’oxydo-réduction des quinones varie selon leur structure chimique et impacte notamment le type de respiration que pourra effectuer l’organisme (aérobie ou anaérobie). Les quinones les plus répandues sont la ménaquinone, présente chez de nombreuses bactéries et des archées, l’ubiquinone, présente chez les eucaryotes et un large groupe bactérien (les Pseudomonadota) et la plastoquinone, présente chez les Cyanobactéries et la lignée verte. Bien que ces molécules soient centrales à la bioénergétique cellulaire, leur origine et l’histoire évolutive de leurs voies de biosynthèse restent encore méconnues. Concernant l’ubiquinone, alors que la voie classique implique des étapes dépendantes du dioxygène, la découverte par notre équipe d’une voie indépendante de l’O2 a remis en question certaines hypothèses sur le contexte géochimique d’apparition (présence ou absence d’O2) de cette quinone cruciale pour la respiration aérobie (basée sur l’O2). Dans le cadre de cette thèse, j’ai utilisé des méthodes de phylogénétique et de génomique comparative pour annoter les voies de biosynthèse des quinones et retracer leur évolution. J’ai d’abord étudié les Pseudomonadota, un groupe bactérien largement diversifié dont le contenu en quinones était connu pour être divers. J’ai pu démontrer que les deux voies de biosynthèse de l’ubiquinone sont apparues chez l’ancêtre commun des Pseudomonadota et j’ai proposé que la voie O2-indépendante était initialement constitutive, avant de devenir un “module anaérobie”, expliquant sa faible conservation actuelle. J’ai également montré que la capacité de synthétiser la ménaquinone, favorisant la respiration anaérobie, a été plus récemment acquise par des lignées de Pseudomonadota via transfert horizontal. Cette capacité à ajuster leur métabolisme énergétique en modulant leur répertoire en quinones pourrait expliquer le succès écologique de ce groupe. De par la structure de leur noyau, l’ubiquinone et la plastoquinone appartiennent à la famille des benzoquinones, et sont principalement impliquées dans des processus aérobies. Une nouvelle benzoquinone, la méthyl-plastoquinone, a récemment été découverte chez les Nitrospirota par Félix Elling, un collaborateur allemand. Nous avons pu caractériser partiellement la voie de biosynthèse de la méthyl-plastoquinone, grâce aux liens d’homologie existant entre les enzymes synthétisant les différentes benzoquinones et grâce à des approches expérimentales. De plus, en intégrant des génomes plus divers dans mes analyses, j’ai découvert la présence de la voie O2-indépendante de l’ubiquinone au-delà des Pseudomonadota, dans une classe de Desulfobacterota. L’ensemble de ces découvertes nous impose de reconsidérer la question de l’origine et de l’évolution des benzoquinones, notamment au regard de l’oxygénation de la Terre. Enfin, afin de constituer un inventaire des quinones expérimentalement décrites, j’ai utilisé des techniques de text-mining sur des résumés de publications décrivant de nouvelles souches bactériennes. L’apport le plus significatif de cette approche est la compilation des données sur la longueur et le degré de saturation des chaînes latérales des quinones. Cette vision à grande échelle, disponible pour la première fois, ouvre la voie à une meilleure compréhension des causes de la variabilité des chaînes latérales des quinones, un aspect difficile à prédire par des approches bio-informatiques.