Thèse soutenue

Translocation des caroténoïdes et évolution des protéines dans la photoprotection des cyanobactéries

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Auteur / Autrice : Fernando Muzzopappa
Direction : Diana Kirilovsky
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Biologie
Date : Soutenance le 02/12/2019
Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences du végétal : du gène à l'écosystème (Orsay, Essonne ; 2015-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de biologie intégrative de la cellule (Gif-Sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
Jury : Président / Présidente : Philippe Minard
Examinateurs / Examinatrices : Diana Kirilovsky, Philippe Minard, Xenie Johnson, Éric Maréchal, Francesca Zito, Jacques-Philippe Colletier
Rapporteurs / Rapporteuses : Xenie Johnson, Éric Maréchal

Résumé

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Les cyanobactéries sont des organismes photosynthétiques capables de convertir le CO₂ en composés organiques et de produire de l’oxygène en utilisant l’énergie lumineuse. Néanmoins, de fortes intensités lumineuses saturent l'appareil photosynthétique, ce qui conduit à la production d'espèces réactives de l'oxygène, dangereuses pour la cellule. Pour y faire face, la photoactive orange carotenoid protein (OCP) induit une dissipation thermique de l’énergie excédentaire récoltée par le complexe d’antennes, le phycobilisome (PBS), afin de diminuer l’énergie arrivant aux centres photochimiques. L'OCP est composé de deux domaines), le domaine C-terminal (CTD) et le domaine N-terminal (NTD), reliés par un domaine de liason flexible (linker). Pendant la photoactivation, le caroténoïde est transféré vers le NTD, les domaines se séparent et le NTD peut interagir avec le PBS. Trois familles d'OCP coexistent (OCPX, OCP1 et OCP2) dans les cyanobactéries modernes. Outre l'OCP, de nombreuses cyanobactéries contiennent également des homologues des domaines OCP, le CTDH et HCP. Les HCP sont une famille de protéines caroténoïdes présentant différents traits photoprotecteurs. La plupart d'entre eux sont de très bons quenchers d'oxygène singulet, et un subclade est capable d'interagir avec le PBS et d'induire une dissipation de l'énergie thermique comme l'OCP. Le rôle de CTDH était inconnu. La présence de ces homologues parallèlement à l'OCP a conforté l'idée générale que l'OCP a une origine évolutive modulaire et que la CTDH et HCP pourraient interagir pour former un complexe OCP-like ayant des caractéristiques et une fonction similaires à celles de l'OCP. Dans cette thèse, je présente la première caractérisation des protéines CTDH. Les CTDH sont des dimères se liant à une molécule de caroténoïde. Le rôle principal de la CTDH est de transférer son caroténoïde au HCP. De plus, les CTDH sont capables de récupérer les caroténoïdes des membranes contrairement aux HCP. Ces résultats suggèrent fortement que les CTDH sont des transporteurs de caroténoïde qui assurent le chargement en caroténoïde sur les HCP. Ce nouveau mécanisme de translocation des caroténoïdes pourrait être multidirectionnel. La résolution de deux structures tridimensionnelles de l'ApoCTDH d'Anabaena a montré que la queue C-terminale du CTDH (CTT) peut adopter différentes conformations. De plus, l'analyse de mutation a démontré que le CTT joue un rôle essentiel dans la translocation des caroténoïdes. Enfin, je rapporte une caractérisation moléculaire du linker reliant les domaines de différents OCP modernes et son rôle au cours de l'évolution de l'OCP. Tout d’abord, j’ai caractérisé les OCP des trois subclades, y compris l’OCPX non caractérisé. OCPX et OCP2 présentent une désactivation rapide par rapport à OCP1. Alors que OCP1 et OCPX peuvent dimériser, OCP2 est stable en tant que monomère. Enfin, j'ai constaté que le linker est essentiel pour la désactivation de l'OCP et qu'il régule la photoactivation. Dans OCP1 et OCPX, le linker ralentit la photoactivation, tandis que dans OCP2, il augmente le taux de photoactivation. L'analyse bioinformatique complète cette caractérisation et fournit une image claire de l'évolution de l'OCP pour répondre efficacement aux conditions de stress.