The comparative biochemistry of storage polysaccharide metabolism in Chlamydiales and Cyanobacteria : insights into the evolution of glycogen and starch metabolism in Eukaryotes

par Derifa Kadouche

Thèse de doctorat en Aspects moléculaires et cellulaires de la biologie

Sous la direction de Steven Ball.

Soutenue le 23-11-2016

à Lille 1 , dans le cadre de École doctorale Biologie-Santé (Lille) , en partenariat avec Unité de glycobiologie structurale et fondamentale (UGSF) (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Comparaison biochimique du métabolisme des polysaccharides de réserve chez les Chlamydiales et les Cyanobactéries : une vision de l'évolution du métabolisme du glycogène et de l'amidon chez les eucaryotes


  • Résumé

    Le glycogène et l’amidon sont les formes de polysaccharides de réserve les plus répandues. Ils sont tous deux constitués de résidus de glucose liés en α-1,4, et branchés en α-1,6. Bien qu’ils se distinguent fortement par leurs propriétés physico-chimiques, l’amidon a évolué à partir d’un métabolisme du glycogène préexistant. Il est apparu après l’endosymbiose primaire du plaste qui a eu lieu il y a plus d’un milliard d’années entre une cellule eucaryote et une cyanobactérie. Il a été proposé que l’endosymbiose primaire du plaste ait impliqué la manipulation du métabolisme des polysaccharides de réserve par une bactérie intracellulaire obligatoire pathogène qui appartient à l’ordre des Chlamydiales. Afin de comprendre l'histoire évolutive des gènes du métabolisme du glycogène, et enquêter sur l’implication d’une bactérie de l’ordre des Chlamydiales dans l’endosymbiose plastidiale, nous nous sommes intéressés à l’évolution des polysaccharides chez les cyanobactéries et les Chlamydiales. Nous avons donc disséqué le fonctionnement de ce métabolisme chez Cyanobacterium sp. CLg1, une cyanobactérie de l’ordre des Chroococcales qui accumule simultanément de l’amidon et du glycogène. D’autres part, nous avons étudié l’évolution du métabolisme des polysaccharides de réserve chez les Chlamydiales. La plupart des enzymes du métabolisme du glycogène des Chlamydiales ont été caractérisées. Les résultats de la caractérisation renforcent notre théorie de ménage à trois et l’implication des Chlamydiales dans l’établissement de l’endosymbiose primaire du plaste. L’impact du métabolisme du glycogène des Chlamydiales sur l’évolution de celui des plantes et des animaux est discuté.


  • Résumé

    Glycogen and starch are the most commonly found forms of storage polysaccharides. They both consist solely of glucose residues linked and branched respectively through α-1,4 and α-1,6 glycosidic bonds. Although they considerably differ in their physicochemical properties, starch evolved in only a few steps in eukaryotes from the pre-existing eukaryotic glycogen metabolism. It appeared, after primary plastidial endosymbiosis which took place over one billion years ago between an ancestral cyanobacterium and a heterotrophic eukaryotic host. This endosymbiosis has been recently proposed in the “Ménage à Trois Hypothesis” (MATH) to have been triggered and facilitated through manipulation of glycogen metabolism by obligate intracellular bacteria pathogens, belonging to the order Chlamydiales. In order to understand the evolutionary history of glycogen metabolism genes, and to investigate the possible nature of the Chlamydiales involvement in primary plastid endosymbiosis, we probed the evolution of storage polysaccharide metabolism in both extant Chroococcales and Chlamydiales. So we dissected the functioning of the metabolism in Cyanobacterium sp. CLg1, a cyanobacterium of order Chroococcales that simultaneously accumulate starch and glycogen. On the other hand, we investigated the evolution of storage polysaccharide metabolism in Chlamydiales. Several recombinant enzymes of glycogen metabolism were thus characterized. Our characterization strengthens the MATH and the implication of the Chlamydiales in the establishement of primary plastidial endosymbiosis. The importance of our findings with respect to the evolution of glycogen metabolism in animals and plants is discussed.



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