Les enzymes chimiosensorielles : de nouvelles cibles pour perturber l'olfaction des insectes nuisibles ?

Insect chemosensory enzymes as new targets to disturb insect pestolfaction? A case study in Drosophila.

• Auteur / Autrice : Claudia Steiner
• Direction : Martine Maïbèche-Coisné, Thomas Chertemps
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'environnement
• Date : Soutenance le 17/10/2017
• Etablissement(s) : Paris, Institut agronomique, vétérinaire et forestier de France
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Agriculture, alimentation, biologie, environnement, santé (Paris ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d’écologie et des sciences de l’environnement de Paris (1997-....) - AgroParisTech (France ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Marion-Poll
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Marion-Poll, Valérie Raymond-Delpech, Gaëlle Le Goff, Jean-Marie Heydel, Jean-Marc Devaud
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Valérie Raymond-Delpech, Gaëlle Le Goff

Mots clés

Mots clés contrôlés

Drosophila melanogaster

Physiologie

Insectes

Analyse

Odorat

Insectes nuisibles -- Lutte biologique contre

Mots clés libres

Ravageurs de cultures

Olfaction

Enzyme de biotransformation

Odorant-Degrading enzymes

Insect pests

Olfaction

Biotransformation enzymes

Odorant-Degrading enzymes

Résumé

De nombreux insectes s’avèrent être des ravageurs de culture, pouvant de surcroît transmettre des pathogènes aux plantes et ainsi causer des dégâts d’importance économique notables. Leur contrôle repose essentiellement sur l’utilisation d’insecticides, mais cela pose problème en termes de pollution de l’environnement, d’effets non désirés sur les espèces non-cibles, d’apparition de populations d’insectes résistants aux insecticides, sans parler de leur toxicité pour l’homme. L’olfaction joue un rôle clef dans le développement de nombreux comportements chez les insectes, comme la recherche de la plante nourricière ou du partenaire sexuel, le repérage de sites de ponte ou de prédateurs. Leurs organes olfactifs portent les sensilles sensorielles dans lesquelles se déroulent les étapes de la réception du signal : les molécules odorantes pénètrent par les pores et sont transportées à travers la lymphe sensillaire par des ''odorant binding proteins'' jusqu’aux récepteurs olfactifs (Ors) avec lesquels elles interagissent pour déclencher la cascade de transduction, puis le signal olfactif est inactivé. Si les interactions odeurs/ORs sont largement étudiées et élucidées, il n’en est pas de même pour le transport et l’inactivation du signal. En particulier, les ''odorant-degrading enzymes'' (ODEs) qui seraient impliquées dans cette dernière étape, en dégradant les molécules odorantes en métabolites inactifs, i.e. ne pouvant plus stimuler les récepteurs. Les ODEs appartiennent à diverses familles d’enzymes de biotransformation, comme les cytochromes P450s (CYPs), les carboxylestérases (CCEs), les glutathion-S-transférases (GSTs), ou les UDP-glucosyltransférases (UGTs). La plupart sont exprimées fortement dans les antennes. Peu d’entre-elles ont été caractérisées fonctionnellement, principalement par des approches in vitro, peu d’études ont été réalisées in vivo avec des approches électrophysiologiques ou comportementales. Au cours de ma thèse, nous avons caractérisé deux CCEs antennaires, l’Estérase6 (Est6) et la « Juvenile Hormone Esterase duplication » (JHEdup), chez Drosophila melanogaster, en combinant des approches transcriptomiques et fonctionnelles. Nous avons montré que ces deux estérases étaient exprimées très fortement dans les antennes et capables de métaboliser in vitro certaines odeurs alimentaires émises par les fruits mûrs. Nous avons aussi démontré que ces deux estérases étaient impliquées in vivo dans les réponses physiologiques et comportementales à ces odorants, et qu’elles s’avèrent donc être des ODEs.. Pour deux ODEs candidates, Ugt35b (UGT) et Cyp308a1 (CYPs), nous avons établi leur patron d’expression dans les antennes afin de préciser les types de sensilles impliquées, en préliminaire à des études fonctionnelles plus ciblées. Enfin, pour ugt35b, cyp308a1 et jhedup, nous avons mis en évidence une expression dans différentes structures gustatives, posant la question de leur rôle possible dans le métabolisme de molécules sapides. Les quatre enzymes antennaires présentées ici ne sont que le début d’une longue liste d’ODEs candidates identifiées lors de l’analyse du transcriptome antennaire de D. melanogaster. Ce travail participe à une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires impliqués dans le fonctionnement du système olfactif. Du point de vue appliqué, les ODEs pourraient constituer des cibles d’intérêt (via des inhibiteurs spécifiques par exemple) pour modifier des comportements olfacto-induits, et ce dans un contexte de contrôle de populations d’insectes ravageurs plus respectueux de l’environnement. Par ailleurs, les connaissances acquises sur les ODEs chez cette espèce modèle pourraient contribuer à leur caractérisation chez d’autres espèces, en particulier des ravageurs de cultures.

Insects can be hazardous crop pests that do not only feed on crops but also transmit plant pathogens, causing yearly a great economical damage. Pest control relies mainly on insecticides but an extensive use bears problems such as the pollution of environment, unpredictable effects on non-target species, an increase of insecticide resistant populations and toxicity for humans. Olfaction is fundamental for the implementation of many insect behaviours like host plant and mating partner foraging, identification of suitable oviposition sites and predator avoidance. Insects smell with hairshaped olfactory sensilla, which are located on their antennae and palps. These sensilla are the showplace of early olfactory processing involving several steps: the odor uptake through the sensillar pores and their transport through the sensillar lymph mediated by odorant binding proteins, the detection of odors by olfactory receptors (ORs) and eventually the inactivation of the olfactory signal. Odor/OR interactions have been intensely studied, contrary to odor transport and inactivation that remain not well understood. Odorant-degrading enzymes (ODEs) have been suggested to be responsible for odor inactivation by degrading odorants into inactive metabolites which no longer activate ORs. The ODEs identified to date belong to various biotransformation enzyme families, including cytochrome P450s (CYPs), carboxylesterases (CCEs), glutathione-S-transferases (GSTs), UDP-glucosyltransferases (UGTs). Most of them are highly expressed in insect antennae. To date, only some ODEs have been functionally characterized, most of them in vitro using recombinant protein and showing their ability to efficiently metabolize various odorant molecules. Only a very few studies were investigating ODE function in vivo using electrophysiological and behavioural approaches. In this thesis we functionally characterize two antennal CCEs, Esterase6 (Est6) and Juvenile Hormone Esterase duplication (JHEdup), in the insect model Drosophila melanogaster combining transcriptomic, in vitro and in vivo approaches. We found that both CCEs are highly expressed in antennae and are able to efficiently metabolize certain odors emitted by rotting fruits in vitro. Furthermore, we showed that both are involved in physiological and behavioural responses to these odors. Therefore we propose Est6 and JHEdup as sensillar candidate ODEs. Moreover, we investigated the precise antennal gene expression pattern in toto for two antennal biotransformation enzymes belonging to other classes, Ugt35b (UGT) and Cyp308a1 (CYPs), which will be helpful for further investigations in order to clarify their potential role in olfaction. In case of three ODE candidate genes (ugt35b, cyp308a1 and jhedup) we discovered an interesting expression pattern in various gustatory organs posing new questions about additional functions of these antennal enzymes in taste processing. The antennal enzymes discussed in this thesis are only four of many candidate ODEs that we identified in the antennal transcriptome of the fruit fly. These candidates comprise also enzymes that belong to other classes such as GSTs, aldehyde oxidases, alcohol dehydrogenases or lipases. This work contributes to a deeper understanding of the insect olfactory system including its molecular actors. From an applied point of view ODEs are interesting targets to modify odorant-driven insect behaviours. The identification of specific ODE inhibitors that could interfere with insect ability to respond to environmental olfactory cues, emitted by mating partners or host plants, would contribute to a broader variety of “eco-friendly” olfactory-based insect pest control strategies. In the future the obtained knowledge in the insect model Drosophila will contribute to the characterization of ODEs in different hazardous insect pests which will be the next step to develop new inhibitor-based strategies.