Interactions entre l’Orange Carotenoid Protein et les phycobilisomes dans un mécanisme de photoprotection chez les cyanobactérie

Interactions between the Orange Carotenoid Protein and the phycobilisomes in cyanobacterial photoprotection

• Auteur / Autrice : Denis Jallet
• Direction : Diana Kirilovsky
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie
• Date : Soutenance le 29/11/2013
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences du Végétal (1992-2015 ; Orsay, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Service de Bioénergétique, Biologie Stucturale, et Mécanismes (Gif-sur-Yvette, Essonne) - Système membranaires, photobiologie, stress et détoxication
• Jury : Président / Présidente : Michel Dron
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Diana Kirilovsky, Michel Dron, Cécile Bernard, Michel Havaux, Ondrej Prasil, Anne-Soisig Steunou
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cécile Bernard, Michel Havaux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photosynthèse

Algues unicellulaires

Biochimie

Mots clés libres

Cyanobactéries

Photoprotection

Orange Carotenoid Protein

Phycobilisomes

Cyanobacteria

Photoprotection

Orange Carotenoid Protein

Phycobilisomes

Résumé

Un excès d’énergie lumineuse peut être délétère pour les organismesphotosynthétiques ; en effet, il en résulte la formation d’espèces réactives de l’oxygène ausein des centres réactionnels. Les cyanobactéries ont adopté divers mécanismes dephotoprotection afin de contrer ce phénomène. L’un d’eux repose sur l’activité de l’OrangeCarotenoid Protein (OCP), protéine soluble qui attache un kéto-caroténoïde (hydroxyechinenone).Subissant de fortes intensités de lumière bleu-verte, l’OCP se convertit d’uneforme inactive/orange vers sa forme active/rouge. L’OCP ainsi photoactivée possède la facultéd’interagir avec les phycobilisomes - principales antennes collectrices de lumière - induisantla dissipation de l’énergie collectée par ces gigantesques complexes sous forme de chaleur. Lapression d’excitation au niveau des centres réactionnels ainsi que la fluorescence du systèmedécroissent alors.L’OCP photoactivée se fixe au coeur des phycobilisomes qui sont majoritairementconstitués de protéines chromophorylées de la famille des allophycocyanines (APC). J’aiconstruit différentes souches mutantes de Synechocystis PCC 6803 en modifiant ousupprimant les sous-unités mineures d’APC (ApcD, ApcF et ApcE). Ces sous-unités jouent lerôle essentiel d’émetteurs terminaux des phycobilisomes, véhiculant l’énergie qu’ellesreçoivent à la Chlorophylle a. J’ai aussi démontré que le mécanisme photoprotectif associé àl’OCP chez ces mutants restait inchangé, aussi bien in vivo que in vitro. Ces résultatssuggèrent qu’aucun émetteur terminal n’est nécessairement requis pour l’attachement del’OCP aux phycobilisomes et sous-entendent que l’OCP interagit probablement avec unesous-unité majeure d’APC.Divers phycobilisomes, contenant 2, 3 ou 5 cylindres d’APC dans leur coeur, ont étéisolés à partir de cyanobactéries variées. Les OCPs de Synechocytis et d’Arthrospira ont étépurifiées à partir de souches mutantes de Synechocystis. J’ai alors mené une étude in vitro desinteractions entre ces OCPs et les phycobilisomes. Le nombre de cylindres d’APC présents ausein des phycobilisomes n’affecte en rien la diminution de fluorescence. De plus, j’ai constatéque l’OCP de Synechocystis est spécifique pour ses propres phycobilisomes alors que l’OCPd’Arthrospira interagit avec tous les phycobilisomes employés ici. Des hypothèses, fondéessur les structures disponibles, ont été formulées pour élucider ces différences.Les domaines N- et C-terminaux de l’OCP d’Arthrospira ont été dissociés parprotéolyse. Le domaine N-terminal isolé conserve le caroténoïde attaché, ayant uneconformation similaire à celle observée lorsque l’OCP est photoactivée. Ce domaine Nterminalest aussi capable d’induire une importante diminution de la fluorescence desphycobilisomes. A l’inverse, le domaine C-terminal isolé est incolore et n’a aucun effet sur lafluorescence des phycobilisomes. Ces résultats suggèrent que seul le domaine N-terminal del’OCP est impliqué dans l’interaction avec les phycobilisomes. Le domaine C-terminal quantà lui module son activité.

Too much light can be lethal for photosynthetic organisms. Under such conditionsharmful reactive oxygen species are generated at the reaction center level. Cyanobacteria havedeveloped photoprotective mechanisms to avoid this. One of them relies on the solubleOrange Carotenoid Protein (OCP) that binds a ketocarotenoid (hydroxyechinenone, hECN).Under strong blue-green illumination, OCP gets photoconverted from an orange inactive form(OCPo) to a red active one (OCPr). OCPr interacts with phycobilisomes, the majorcyanobacterial light harvesting antennae, and triggers heat dissipation of the excess lightenergy collected by these gigantic pigment-protein complexes. Consequently, excitationpressure on reaction centers and fluorescence emission decrease.OCPr binds to phycobilisome cores, containing mainly chromophorylated proteins ofthe allophycocyanin (APC) family. I constructed Synechocystis PCC 6803 mutants affected insome minor APC forms (ApcD, ApcF and ApcE). These special APCs play the role ofterminal emitters, i.e. funnel light energy to Chlorophyll a. Strong-blue green illuminationtriggered normal OCP-related fluorescence quenching in all mutant cells. The fluorescencedecrease induced by Synechocystis OCP in vitro was similar when using phycobilisomesisolated from wild-type or mutant cells. These results demonstrated that the terminal emittersare not needed for interaction with the OCP and they strongly suggested that OCPr interactswith one of the major APC forms of the phycobilisome core.Phycobilisomes containing 2, 3 or 5 APC cylinders per core were isolated fromdifferent cyanobacterial strains. Synechocystis and Arthrospira OCPs were purified from overexpressingSynechocystis mutant strains. I then performed in vitro OCP/phycobilisomeinteraction studies. The number of APC cylinders per core had no clear influence on theamount of fluorescence quenching. Both OCPs behaved very differently, one appearing muchmore species-specific than the other. Structure-based hypotheses were emitted to explain suchdissimilarity.Arthrospira OCP N-terminal and C-terminal domains were separated throughproteolysis. The isolated N-terminal domain retained a bound carotenoid, which displayedsimilar conformation than in OCPr. This isolated N-terminal domain triggered importantphycobilisome fluorescence quenching even under dark conditions. In contrast, the isolated Cterminaldomain attached no pigment and had no visible effect on phycobilisome emission. Itwas then proposed that only the N-terminal domain of OCP is implied in interactions withphycobilisomes. The C-terminal domain modulates its activity.