Evolution des mécanismes d'accumulation et de transport de l'iode dans les organismes marins : étude de la structure/fonction des protéines du métabolisme iodé chez la bactérie zobellia galactanivorans

by Jean-Baptiste Fournier

Doctoral thesis in Biologie

Under the supervision of Catherine Leblanc.

defended on 16-01-2014

in Paris 6 , under the authority of École doctorale Complexité du vivant (Paris) .

Thesis committee members: À renseigner Pignol, À renseigner Den Auwer, À renseigner Kloaerg, À renseigner Gruez, À renseigner Darrouzet.

  • Alternative Title

    Evolution of mecanisms of accumulation and transportation of iodine in marine organisms : structure/function study of proteins of iodine metabolism in the marine bacterium Zobellia galactanivorans


  • Abstract

    In marine environment, biogenic emissions of iodinated compounds play an essential role in biogeochemical cycle of iodine. Nevertheless, enzymatic process involved in absorption and storage of iodine or in the synthesis of iodinated compounds are unknown marine organisms, especially in bacteria. Several genes, potentially involved in iodine metabolism, have been identified in the genome of a marine bacterium, Zobellia galactanivorans. One of these genes codes for a vanadium iodoperoxydase (VIPO), an enzyme specific of iodide oxidation. The main part of the thesis project was to understand molecular mechanisms controlling the specificity vanadium halopéroxydase (VHPO) for some halide, by studying the VIPO from Z. galactanivorans by directed mutagenesis and structural biology. To lead this project, twelve mutated enzymes were produced and characterized at biochemical level. For some of them, mutations lead to a loss of activity or to modification of catalytic properties or to a slight VBPO activity. The wild type enzyme and three mutants were also analyzed by X ray absorption and diffraction spectroscopy in order to link the structural modifications to their catalytic properties. The results of this study suggest that the main factor modulating the specificity in these enzymes is modification of redox potential of the peroxovanadate. Biochemical analyses lead with two other proteins identified in the genome of Z. galactanivorans. The first protein was characterized as a new VIPO. For the second protein, similar to mammal iodotyrosine deiodinase, the biochemical activity remains to be characterized. Z. galactanivorans seems to have several enzymes which oxidize iodide or split C-I bond. In parallel at this work, the localization and speciation of iodine were analyzed by chemical imaging in Z. galactanivorans and in the kelp L. digitata, known to concentrate highly iodide. All this information allow to a better understanding of molecular mechanisms involved in the specificity for halide in VHPO and the bacterial origin of these proteins. More generally, these studies assess to understand the role of iodine metabolism in some marine bacteria and there role in biogeochemical cycle of this element.


  • Abstract

    Dans le milieu marin, les émissions biogéniques de composés iodées jouent un rôle essentiel dans le cycle biogéochimique de l’iode. Cependant les processus enzymatiques responsables de l'absorption, du stockage ou de la synthèse de métabolites iodés restent mal connus chez les chez les organismes marins, et plus encore chez les bactéries. Plusieurs gènes, potentiellement impliqués dans le métabolisme de l’iode, ont été identifiés dans le génome de la bactérie marine, Zobellia galactanivorans, dont celui codant une iodoperoxydase à vanadium (VIPO), enzyme spécifique de l'oxydation des iodures. La partie principale du projet de thèse a consisté à comprendre les mécanismes moléculaires contrôlant la spécificité pour certains halogénures des haloperoxydases à vanadium, en étudiant la VIPO de Z. galactanivorans par des approches de mutagénèse dirigée et de biologie structurale. Les douze enzymes mutantes produites et caractérisées au niveau biochimique montrent soit une perte d’activité, soit des modifications de leurs propriétés catalytiques, soit encore une faible activité bromoperoxydase. Les enzymes sauvage et mutantes ont également été étudiées par diffraction et absorption des rayons X, afin de relier les modifications structurales à leurs propriétés catalytiques. Les résultats suggèrent que le principal facteur modulant la spécificité chez ces enzymes est le potentiel d’oxydoréduction de l’intermédiaire réactionnel, le peroxovanadate. Des analyses biochimiques ont aussi été entreprises pour deux autres protéines identifiées sur le génome de Z. galactanivorans. La première protéine s’est révélée être une seconde VIPO. Pour la deuxième protéine, similaire à une iodotyrosine déiodinase, l’activité biochimique reste encore à être caractérisée. Z. galactanivorans posséderait plusieurs enzymes pouvant oxyder l’iodure, ainsi qu’une permettant de cliver les liaisons C-I. En parallèle à ce travail, la localisation et la spéciation de l’iode ont été étudiées par imagerie chimique chez Z. galactanivorans et chez l’algue brune, Laminaria digitata, connue pour ses fortes teneurs en iode. Les résultats de ce travail apportent un nouvel éclairage sur les mécanismes contrôlant la spécificité des haloperoxydases à vanadium envers les halogénures, et également sur l’origine bactérienne de cette famille d’enzymes. Plus globalement, ces études permettent de mieux appréhender le rôle du métabolisme de l’iode chez certaines bactéries marines et leurs importances dans le cycle biogéochimique de l’iode.


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