Étude de cer1, le gène clé de la biosynthèse des alcanes cuticulaires chez arabidopsis thaliana

Characterisation of cer1, the key of cuticular alkane biosynthesis in arabidopsis thaliana

• Auteur / Autrice : Amélie Bernard
• Direction : Jérôme Joubès
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences, technologie, santé. Biologie végétale
• Date : Soutenance le 09/12/2011
• Etablissement(s) : Bordeaux 2
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Christian Chevalier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric Ruelland, René Lessire
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Beaudoin, Jean-Denis Faure

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cuticules végétales

Biosynthèse

Alcanes

Arabidopsis thaliana

Mots clés libres

Alcane

Cires cuticulaires

Arabidopsis

Interaction protéine/protéine

Stress hydrique

Alkane

Cuticular waxes

Arabidopsis

Protein/protein interaction

Hydric stress

Résumé

Les alcanes sont les composés principaux des cires cuticulaires et de ce fait, jouent un rôle prépondérant dans l’organisation et dans les fonctions protectrices de la cuticule, la couche lipidique recouvrant les parties aériennes des plantes. La caractérisation du mutant cer1 d’Arabidopsis, présentant une réduction drastique des alcanes et des molécules qui en dérivent, a permis de suggérer l’implication de la protéine CER1 dans la formation de ces composés. Au cours de notre étude, la génération de plantes transgéniques exprimant CER1 de manière ectopique a permis de démontrer une corrélation positive entre le niveau d’expression du gène et la quantité d’alcanes présents à la surface des plantes indiquant le rôle crucial de CER1 dans la synthèse de ces molécules. Le jeu de plantes transgéniques obtenues a également permis d’explorer la fonction de CER1 et le rôle des alcanes au cours du développement ainsi que dans la réponse des plantes aux contraintes de l’environnement, révélant leur implication prépondérante pour la résistance au stress hydrique. D’autre part l’absence de complémentation fonctionnelle du mutant cer1 par des formes de CER1 mutées au niveau des clusters d’histidines a montré qu’ils constituent, au moins en partie, le site catalytique de l’enzyme. Afin de caractériser la fonction biochimique de CER1, la recherche de ses partenaires métaboliques a été menée par une approche de double hybride split-ubiquitine chez la levure. Cette étude a révélé l’interaction physique de CER1 avec CER3, une protéine de fonction inconnue impliquée dans le métabolisme des cires. La co-expression des deux protéines dans des cellules de levures manipulées pour produire des acyl-CoAs à très longues chaînes a abouti à la première reconstitution de la voie de synthèse des alcanes à très longues chaînes décrite à ce jour, établissant que CER1 et CER3 forment un complexe enzymatique capable de produire des alcanes à partir des acyl-CoAs. D’autre part, l’étude des autres partenaires protéiques de CER1 a permis de commencer à déchiffrer les mécanismes enzymatiques associés au complexe CER1/CER3 ainsi que de mettre en évidence de nouveaux acteurs potentiels du métabolisme et du transport des cires.

Protective functions of the cuticle, the hydrophobic layer covering aerial parts of terrestrial plants. The characterisation of the Arabidopsis cer1 mutant, showing a dramatic decrease of alkanes and its derivates, suggested that CER1 is involved in alkane formation. In our study, the generation of transgenic plants misexpressing CER1 showed a positive correlation between the gene expression level and the alkane amount, strongly sustaining the presumed role of CER1 as an alkane-forming component. Further analyses of the set of transgenic plants provided information about CER1 and alkanes roles during plant development as well as plant/environment interactions, demonstrating their crucial involvement in the resistance to hydric stress. Moreover, the inability of histidines mutated form of CER1 to functionally complement the cer1 mutant indicated that histidine-clusters are part of the catalytic site of this enzyme. To characterize the biochemical function of CER1, a search for its metabolic protein partners was conducted in the yeast two-hybrid split-ubiquitin system for membrane proteins. This approach revealed a physical interaction of CER1 with CER3, a protein of unknown function involved in wax metabolism. Co-expression of the two proteins in yeast cells manipulated to produce very long chain (VLC) acyl-CoAs allows the first reconstitution of the VLC-alkane synthesis pathway described so far, demonstrating that CER1 and CER3 form an enzymatic complex catalyzing the conversion of VLC-acyl-CoAs to VLC-alkanes. In addition, the characterisation of CER1 partners began to address the enzymatic mechanisms associated to the CER1/CER3 complex activity and revealed new putative actors of wax synthesis and transport.