L'étude structurale et fonctionnelle des protéines ESV1 et LESV d'Arabidopsis thaliana révéle un nouveau module de liaison à l'amidon

Structural and Functional Study of ESV1 and LESV Proteins from Arabidopsis thaliana reveals a Novel Starch-Binding Module

• Auteur / Autrice : Rayan Osman
• Direction : Coralie Bompard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Aspects moléculaires et cellulaires de la biologie
• Date : Soutenance le 07/07/2023
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École graduée Biologie-Santé (Lille ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité de glycobiologie structurale et fondamentale (UGSF)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Louis Hilbert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérôme Pelloux, Christophe D' Hulst
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Mirjam Czjzek, Véronique Receveur-Bréchot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dichroïsme circulaire

Cristallographie

Rayons X -- Diffusion centrale

Protéines -- Conformation

Arabidopsis

Protéines végétales

Métabolisme

Amidons

Mots clés libres

Protéine Early Starvation 1

Protéine Like Early Starvation 1

Amylopectine

Early Starvation 1

Like Early Starvation 1

Protein biochemistry

Starch metabolism

Structual biology

Résumé

Le métabolisme de l'amidon est un processus critique pour la croissance et le développement des plantes, régulé par divers mécanismes enzymatiques et non enzymatiques. L'amidon s'accumule dans les plantes sous forme de grains semi-cristallins composés de deux polymères de glucane : l'amylose et l'amylopectine. Les propriétés physicochimiques de l'amidon dépendent de l'organisation de ces polymères à l'intérieur des grains. On suppose généralement que les chaînes d'amylopectine assemblées en doubles hélices sont capables de s'auto-organiser par des processus physiques pour former la matrice du grain d'amidon. Des études récentes ont identifié deux protéines non enzymatiques conservées, Early Starvation 1 (ESV1) et Like Early Starvation 1 (LESV), dont on a proposé qu'elles soient impliquées dans l'organisation des polysaccharides à l'intérieur du grain. Les études de génétique inverse de ces protéines soulignent leur importance dans l'influence de la structure et de l'organisation des grains ainsi que du métabolisme de l'amidon chez les plantes. Les mécanismes par lesquels ESV1 et LESV fonctionnent ne sont pas encore compris, mais ils semblent avoir des rôles différents. ESV1 pourrait favoriser un niveau élevé d'organisation des glucanes dans la matrice des granules, tandis que LESV pourrait réduire ce niveau d'organisation, car sa surexpression dans les plantes augmente la susceptibilité de l'amidon à la dégradation au cours de la journée.Chez Arabidopsis, ESV1 (49 kDa) et LESV (66 kDa) sont des protéines dépourvues de régions précédemment annotées, telles que des domaines catalytiques ou des domaines de liaison aux hydrates de carbone. D'autre part, bien que leurs régions N-terminales diffèrent, elles partagent un domaine C-terminal riche en tryptophane contenant des motifs conservés, qui a été proposé pour constituer un nouveau module spécifique de liaison à l'amidon.Dans cette étude, nous avons procédé à la caractérisation structurelle des deux protéines en utilisant la modélisation et la diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS). Nos résultats indiquent que le domaine C-terminal conservé adopte un pliage β-sheet inhabituel dans lequel les résidus conservés forment des lignes parallèles dont les positions sont cohérentes avec les interactions avec les molécules d'amidon. Nous avons montré que ESV1 et LESV interagissent différemment et ont des affinités différentes pour les polymères d'amidon, expliquant leurs fonctions distinctes au sein de la plante.

Starch metabolism is a critical process for plant growth and development, regulated by various enzymatic and non-enzymatic machinery. Starch accumulates in plants as semicrystalline granules composed of two glucan polymers: amylose and amylopectin. The physicochemical properties of starch depend on the organization of these polymers within the granule. It has been widely assumed that the amylopectin chains assembled into double helices are able to self-organize by physical processes to form the starch granule matrix. Recent studies have identified two conserved non-enzymatic proteins, Early Starvation 1 (ESV1) and Like Early Starvation 1 (LESV), which have been proposed to be involved in the organization of the polysaccharides within the granule. Inverse genetics studies of these proteins highlight their importance in influencing the structure and organization of starch granules as well as starch metabolism in plants. The mechanisms by which ESV1 and LESV function are not yet understood, but they appear to have different roles. ESV1 may promote a high level of organization of glucans in the granule matrix, whereas LESV may reduce this level of organization, as its overexpression in plants increases the susceptibility of starch to degradation during the day.In Arabidopsis, ESV1 (49 kDa) and LESV (66 kDa) are proteins with no previously annotated regions, such as catalytic domains or carbohydrate-binding domains. On the other hand, although their N-terminal regions differ, they share a common C-terminal tryptophan-rich domain containing conserved motifs, which has been proposed to constitute a novel and specific starch-binding module.In this study, we have carried out structural characterization of both proteins using model modeling and small-angle X-ray scattering (SAXS). Our results indicate that the conserved C-terminal domain adopts an unusual β-sheet fold in which conserved residues form parallel lines whose positions are consistent with interactions with starch molecules. We have shown that ESV1 and LESV interact differently and have different affinities for starch polymers, explaining their distinct functions.