Etudes structurales et biochimiques de la γ-kétol réductase chloroplastique d'Arabidopsis thaliana : caractérisation d’une nouvelle classe de « Medium chain dehydrogenase/reductase » impliquée dans la détoxification.

par Sarah Mas y Mas

Thèse de doctorat en Biologie structurale et nanobiologie

Sous la direction de David Cobessi.

Soutenue le 30-10-2015

à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble) , en partenariat avec Institut de biologie structurale (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Christelle Breton.

Le jury était composé de Nushin Aghajari, Norbert Rolland.

Les rapporteurs étaient Claudine Mayer, Frédérique Favier.


  • Résumé

    Sous l'effet du stress oxydatif, la production des espèces réactives de l'oxygène (ERO) est accrue. Les ERO peuvent réagir avec différentes molécules biologiques dont les acides gras polyinsaturés libres ou provenant des lipides membranaires engendrant la formation d'hydroperoxydes d'acides gras. Dans le chloroplaste, ces molécules sont sujettes à de nombreuses modifications enzymatiques ou chimiques aboutissant à la formation d'oxylipines. Les oxylipines participent à la signalisation cellulaire (précurseurs de la voie du jasmonate par exemple), à la défense de la plante (activité antimicrobienne par exemple). Certaines de ces molécules très réactives et toxiques doivent être métabolisées en des produits moins réactifs, par des réactions d'oxydoréduction par exemple.La ceQORH (chloroplast envelope Quinone OxydoReductase Homolog) et IEP32 (Inner Envelope Protein 32) d'Arabidopsis thaliana sont des oxydoréductases chloroplastiques impliquées dans la détoxification de la plante. Elles sont transportées au travers de l'enveloppe du chloroplaste sans clivage de leur peptide de transit par une voie d'import alternative à la voie TOC/TIC (Translocon at the Outer envelope membrane of Chloroplasts et Translocon at the Inner envelope membrane of Chloroplasts). Ces particularités ont fait de la ceQORH et d'IEP32 des enzymes intéressantes à étudier.IEP32 a été purifiée et cristallisée. Les structures de la ceQORH sous forme apo, liée au NADPH et liée au NADP+ et à des inhibiteurs ont été déterminées en utilisant la cristallographie aux rayons X. Leur analyse a permis de mettre en évidence que la ceQORH existe sous différents états oligomériques dans les conditions expérimentales utilisées. Ces observations ont été confirmées par des expériences d'ultracentrifugation analytique. La ceQORH est une enzyme monomérique qui lie le NADPH par l'intermédiaire de son domaine de Rossmann . Le site catalytique, large et hydrophobe, permet à la ceQORH d'accommoder et de réduire un grand nombre de substrat dont le motif commun est la présence d'une fonction alcène en α, β d'un groupement carbonyle. Les constantes d'efficacité et d'affinité étant meilleures pour les γ-kétols que pour les quinones, nous proposons que la ceQORH soit renommée « γ-kétol réductase ».Mots clefs : chloroplaste - Medium chain dehydrogenase/reductase - γ-kétol réductase - oxylipines - oligomérisation - inhibition - cristallographie aux rayons X - ultracentrifugation analytique

  • Titre traduit

    Structural and biochemical studies of a chloroplast γ-ketol reductase of Arabidopsis thaliana : characterization of a new class of "Medium chain dehydrogenase/reductase " involved in detoxification


  • Résumé

    Under the influence of the oxidative stress, the production of the Reactive Oxygen Species (ROS) is increased. These compounds can react with various biological molecules like free polyunsaturated fatty acids or derived from lipids producting hydroperoxides of fatty acids. In chloroplast, these molecules are subject to numerous enzymatic or chemical modifications resulting in oxylipins. Oxylipins participate in cell signaling (precursors of the way of the jasmonate for example), or in the defense of the plant (antimicrobial activity). However some of them are very reactive and toxic so they are metabolized in less reactive molecules by oxidoreduction reactions.The ceQORH (chloroplast envelope Quinone OxydoReductase Homolog) and IEP32 (Inner Envelope Protein 32) of Arabidopsis thaliana are chloroplast oxidoreductases involved in the plant detoxification. They are transported through the envelope of the chloroplast without cleavage of their transit peptide by an alternative import pathway of TOC/TIC (Translocon at the Outer envelope membrane of Chloroplasts and Translocon at the Inner envelope membrane of Chloroplasts). In order to better understand their roles, we studied their enzymatic properties and structures.IEP32 was purified and crystallized. The structures apo-ceQORH and bound to the NADPH/ NADP + with inhibitors were determined using X-ray crystallography. The analysis allowed us to show that ceQORH exists under different oligomerization states what was confirmed by results of analytical ultracentrifugation. The NADPH binding to the Rossmann fold induces the monomerization. The catalytic site is large and hydrophobic allowing to ceQORH to reduce many α, β-unsaturated carbonyls of various chain lengths. CeQORH was shown to reduce with high efficiency the reactive double bond of γ-ketols that's why we propose to rename ceQORH by “γ- ketol reductase”.Keywords: chloroplast – Medium chain dehydrogenase/reductase – γ-ketol reductase – oxylipins – oligomerization state – inhibition – X-ray crystallography – analytical ultracentrifugation


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