Caractérisation structurale et biochimique d'enzymes impliquées dans la biosynthèse des acides chlorogéniques

Structural and biochemical characterisation of enzymes involved in chlorogenic acid biosynthesis

• Auteur / Autrice : Laura Amandine Lallemand
• Direction : Sean McSweeney, Andrew McCarthy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie structurale et nanobiologie
• Date : Soutenance le 21/03/2011
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : European synchrotron radiation facility (Grenoble, Isère, France ; 1988-....)
• Jury : Président / Présidente : Anne Imberty
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : James R. McCarthy
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Nushin Aghajari, Catherine Lapierre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chlorogénique, Acide

Mots clés libres

Café

Acide chlorogénique

Voie des phénylpropanoides

Protéine recombinante

Cristallographie des protéines par rayons X

Synthèse enzymatique

Coffee

Chlorogenic acids

Phenylpropanoid pathway

Phenylpropanoid pathway

Protein X-ray crystallography

Enzymatic synthesis

Résumé

Les acides chlorogéniques (CGAs) représentent une famille d'esters formés d'un dérivé de l'acide cinnamique conjugué à l'acide quinique ou shikimique. Ces métabolites secondaires produits par la voie des phénylpropanoides sont largement répandus chez les végétaux terrestres et sont une source majeure d'antioxydants alimentaires. Les esters hydroxycinnamoyl-CoA sont les précurseurs des CGAs et d'autres composés phénoliques tels que les lignines. Ces intermédiaires activés sont synthétisés à partir d'un acide hydroxycinnamique et du coenzyme A par la 4-coumarate CoA ligase (4CL) appartenant à la superfamille des enzymes formant des adénylates. Nicotiana tabacum 4CL2 a été utilisée pour la production d'esters et sa structure a été résolue par remplacement moléculaire. Deux gènes codant pour des hydroxycinnamoyl-CoA shikimate/quinate hydroxycinnamoyltransférases chez Coffea canephora ont été clonés. CcHCT et CcHQT, qui appartiennent à la superfamille des acyltransférases acyl-CoA-dépendantes, ont été surexprimées dans E. coli et purifiées à homogénéité. L'analyse par diffraction aux rayons X de cristaux de CcHCT a permis de déterminer sa structure par remplacement moléculaire. Un modèle a été dérivé par homologie de séquence pour CcHQT afin de proposer les déterminants de la préférence pour l'acide quinique ou shikimique. Des modélisations moléculaires ont été réalisées afin d'identifier les résidus potentiellement impliqués dans les intéractions enzyme-substrat. L'analyse par chromatographie liquide haute performance des réactions enzymatiques ont montré que ces enzymes sont capables de synthétiser l'acide 5-O-caféoylquinique mais aussi le diester 3,5-O-dicaffeoylquinique, qui est un composé majeur du grain de café avant mûrissement. La production de variants par mutagenèse dirigée a permis l'identification de résidus importants pour la catalyse des réactions de mono- et de diacylation. L'approche combinée de la biologie structurale et de l'enzymologie s'avère particulièrement utile pour mieux comprendre le rôle de HCT et HQT.

Chlorogenic acids (CGAs) represent a family of esters formed between a cinnamic acid derivative and quinic or shikimic acid. CGAs are secondary metabolites produced via the phenylpropanoid pathway by higher plants and are a major source of dietary antioxidants. Hydroxycinnamoyl-CoA esters are the precursors for CGAs and other phenolic compounds such as lignins. These activated intermediates are synthesized from a hydroxycinnamic acid and coenzyme A by 4-coumarate CoA ligase (4CL), which belongs to the adenylate-forming enzyme superfamily. Nicotiana tabacum 4CL2 was used to produce hydroxycinnamoyl-CoA esters and its structure was solved by molecular replacement. Two genes encoding hydroxycinnamoyl-CoA shikimate/quinate hydroxycinnamoyltransferases from Coffea canephora were cloned. CcHCT and CcHQT, which belong to the acyl-CoA-dependent acyltransferase superfamily, were overexpressed in E. coli and purified to homogeneity. X-ray diffraction analysis of CcHCT crystals resulted in a structural solution by molecular replacement. A homology model was derived for CcHQT in order to propose some determinants of the preference for quinic or shikimic acid. Docking experiments were carried out in order to identify potential residues involved in enzyme-substrate interactions. High performance liquid chromatography analysis of enzymatic reactions showed that these enzymes are capable of synthesizing 5-O-caffeoylquinic acid but also the diester 3,5-O-dicaffeoylquinic acid, which is a major component of the coffee grain before ripening. The production of variants by site-directed mutagenesis enabled the identification of residues important for catalysis of the mono- and diacyltransfer reactions. The combined approach of structural biology and enzymology provides molecular insights into the role of HCT and HQT in CGA biosynthesis.