Evolution d’une enzyme de la voie de synthèse de la mélatonine : Adaptations fonctionnelles et structurelles de l’arylalkylamine N-acétyltransférase des Agnathes aux Téléostéens

Evolutionary insights into an enzyme of the melatonin biosynthesis pathway : functional and structural adaptations of arylalkylamine N-acetyltransferases from Agnatha to Teleosts

• Auteur / Autrice : Damien Cazaméa-Catalan
• Direction : Jack Falcon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physiologie et physiopathologie
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Paris 6 en cotutelle avec Laboratoire Arago

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cinétique enzymatique

Mélatonine

Résumé

Chez les Vertébrés, la mélatonine synchronise les principales fonctions physiologiques avec les changements de l’environnement (photopériode, température). Les variations journalières de production de mélatonine reposent sur l’activité rythmique de l’arylalkylamine N-acétyltransférase (AANAT). Le rythme de sécrétion de cette enzyme est régulé par la photopériode et, chez les ectothermes, la température. Alors que les tétrapodes possèdent une seule AANAT, les vertébrés non-tétrapodes présentent plusieurs paralogues. Deux ou trois sous-types existent chez les Téléostéens, AANAT1 (chez les téléostéens les plus distants, 1a et 1b) préférentiellement exprimés dans la rétine, et AANAT2 plus spécifique de la glande pinéale. Nous avons exploré ici le polymorphisme structural et fonctionnel des AANAT de Vertébrés non-tétrapodes. Nous montrons qu’une seule forme d’AANAT de type vertébré est présente chez les Agnathes et les Chondrichtyens, confortant l’idée que la synthèse de mélatonine est active chez ces taxons et que l’existence de plusieurs formes chez les Téléostéens est une propriété unique de cette classe de Vertébrés. Agnathes et Chondrichtyens possèdent également une forme d’AANAT jusque-là détectée uniquement chez les invertébrés. Cette enzyme dite de type invertébré présente des différences structurales et fonctionnelles avec les AANAT de type Vertébré ; elle acétyle préférentiellement les diamines comparativement aux monoamines. Elle pourrait jouer un rôle de détoxification. Un intérêt particulier a été porté à l’évolution de l’enzyme de type vertébré et à l’effet de la température. Au sein des Téléostéens la diversité des AANAT s’est révélée encore plus importante qu’initialement estimé peut-être suite à de l’épissage alternatif ou à la co-expression de variants. A l’inverse, certains Téléostéens (D. Labrax) pourraient avoir secondairement perdu l’AANAT2, les fonctions de cette dernière restant assurées par les AANAT1a et 1b. Une comparaison de l’activité et des constantes cinétiques (KM, kcat, and kcat/KM) des AANAT de Téléostéens a permis (1) de confirmer la différence de sélectivité vis-à-vis du substrat existant entre AANAT1 et 2 d’une part et entre AANAT1a et 1b d’autre part (sous-tendant une spécialisation de chacune des formes) ; (2) de révéler des différences de stabilité à la température parmi les AANAT2 ; (3) d’observer différentes réponses cinétiques des AANAT2 en fonction de la température et en lien avec l’habitat des espèces testées. Avec les analyses phylogénétiques, ces résultats ont permis de montrer que bien que ces propriétés catalytiques soient sous l’influence de l’habitat des espèces, l’évolution de l’AANAT2 a principalement été guidée par la phylogénie. Finalement, les structures primaire et en 3D modélisées des AANAT2 ont été comparées. Les résultats montrent que si certaines région de l’enzyme reste très conservées, comme le site catalytique, la mutation d’un seul acide-aminé peut entrainer des modifications dans la structure 3D impactant les propriétés catalytiques. L’ensemble de ces travaux contribue à donner une vision cohérente de l’évolution et des adaptations moléculaires d’une famille d’enzyme importante pour la synthèse rythmique d’une hormone donneuse de temps. Ils ouvrent des perspectives de recherches dans des domaines variés ayant trait, par exemple, à la biochimie structurale des enzymes ou encore aux mécanismes d’adaptations aux fluctuations naturelles ou induites de l’environnement.

Melatonin synchronizes vertebrate main physiological functions to changes in the environment (photoperiod, temperature). The daily variations in melatonin production rely mainly on the rhythmic activity of arylalkylamine-N-acetyltransferase (AANAT). Photoperiod, and temperature in ectotherms, regulates the rhythmic production of this enzyme. While tetrapods only present a single AANAT, non-tetrapod vertebrates possess different enzyme paralogs. Two to three subtypes exist in Teleosts, AANAT1 (or in distant Teleosts, AANAT1a and AANAT1b) preferentially expressed in retina and AANAT2 in pineal gland. We explored here AANAT structural and functional polymorphism among non-tetrapod Vertebrates. We demonstrate a single Vertebrate type AANAT is present in Agnatha and Chondrichtyes, reinforcing the idea that melatonin synthesis is functional in these taxa and that the existence of several forms in Teleosts is unique among Vertebrates. Agnatha and Chondrichtyes also possess another AANAT type only detected in invertebrates since now. This invertebrate type enzyme exhibits structural and functional differences compare to the vertebrate form; it preferentially acetylates diamines instead of monoamines, suggesting a role in detoxification processes. A particular interest was put in the study of the vertebrate type evolution and the effect of temperature. In Teleosts, AANAT diversity turns out to be higher than initially estimated possibly because of alternative splicing or variants co-expression. In contrast, some Teleosts (D. Labrax) could have secondarily lost the AANAT2, its function being ensured by the AANAT1a and 1b. The comparison of Teleost AANAT activity and kinetic constants (KM, kcat, and kcat/KM) allowed (1) to confirm the difference in substrate selectivity existing between AANAT1 and 2 on one hand and between AANAT1a and 1b on the other hand (underlying specialization of each form); (2) to highlight differences in thermal stability among AANAT2; (3) to observe different kinetics responses of AANAT2 to temperature in relation with the species habitat. Together with a phylogenetic analysis these results showed AANAT2 evolution was mainly driven by species phylogenetic relationship although it also appeared that catalytic properties are under the influence of habitat temperature. Finally, primary and 3D modeled structures of AANAT2 were compared. As revealed by the analysis, if certain regions are highly conserved as the enzyme catalytic site, a single amino-acid mutation can entrain 3D structure modifications impacting catalytic properties. Put together these results tend to give a consistent vision of the molecular evolution and adaptations of a family of enzymes crucial for the rhythmic synthesis of a time keeping hormone. They open new research perspectives in various fields, including enzyme structural biochemistry and mechanisms of adaptation to natural or induced changes in the environment.