La biochimie comparative et la convergence évolutive : de nouveaux outils de recherche sur la structure et la fonction des voies métaboliques – CONVERGE

Glycogène et amidon sont les formes les plus répandues de polysaccharides de réserves. Ils sont constitués tous deux de chaines de glucose polymérisé par des liaisons alpha-1,4, ramifiées entre elles par des liaisons alpha1,6, appelés points de branchement. Toutefois ils présentent des propriétés physico-chimiques radicalement opposées, respectivement amorphe et hydrosoluble, d’une part, et solide et semicristallin, d’autre part. L’édification de grains d’amidon en agrégats supramoléculaires semicristallins constitue une propriété particulière des eucaryotes photosynthétiques issus de l’endosymbiose primaire du plaste ainsi que deux lignées d’eucaryotes unicellulaires issues d’endosymbioses secondaires : les algues cryptophytes et les alvéolés (incluant ciliés ancestraux, dinoflagellés, chromerides et parasites apicomplexes).
Voici des années, le coordinateur de ce projet a proposé que l'insolubilisation de l'amidon résultait de l'action de l'isoamylase, une enzyme de débranchement directe d'origine procaryote absente du réseau enzymatique du métabolisme du glycogène des eucaryotes. On pense que l'isoamylase agit en débranchant sélectivement les chaînes qui empêchent la cristallisation et l'agrégation en grains solides. En en son absence, la synthèse des polysaccharides conduirait au glycogène. Ce modèle "d’épissage des glucanes" est désormais généralement accepté. Cependant, il est maintenant prouvé que les cryptophytes et les alvéolés ne renfermeraient ni l’isoamylase, ni d'autres formes d'enzyme de débranchement direct, soulevant la question du mécanisme d’insolubilisation et de cristallisation de l’amidon chez ces organismes. C'est pourquoi nous proposons de révéler comment les alvéolés auraient indépendamment convergé, de la synthèse du glycogène vers l'accumulation d'amidon cristallin malgré la présence dans leurs génomes d'une boîte à outils moléculaire complètement différente. Celle-ci se rapproche en effet davantage de celles du métabolisme du glycogène des champignons et des animaux que de celles des plantes. L'originalité de notre approche consiste en la mise en œuvre d’une stratégie nouvelle autorisant la sélection et caractérisation de mutants chez l'algue alvéolée sœur des parasites apicomplexes, Chromera velia, un organisme pourtant jusqu’ici réfractaire à ce type d’approche. En cas de succès, l'analyse de ces mutants ouvrirait la voie à la biochimie comparative chez un grand nombre d’espèces non-modèles au sein de l’arbre de vie des eucaryotes. Ceci permettrait d’éclairer l'évolution de voies biochimiques importantes mais très anciennes en y mettant à jour les convergences évolutives dans les mécanismes biochimiques mis en œuvre. Les connaissances sur le mécanisme de cristallisation de l'amidon chez les alvéolés sont susceptibles d'avoir un impact sur plusieurs domaines d'activités très différents. Ceux-ci incluent l’amélioration des structures d’amidon à des fins alimentaires et non-alimentaires chez les plantes cultivées ou l'utilisation de nouvelles enzymes alvéolées pour la modification post-récolte des produits dérivés d'amidon. Du point de vue de la santé, le projet devrait éclairer les mécanismes de cristallisation pathologique du glycogène dans les tissus de patients souffrant de la maladie de Lafora. Il devrait aussi fournir de nouvelles cibles pour le développement de médicaments antiparasitaires chez les parasites apicomplexes qui accumulent de l’amidon dans leurs formes de résistance. Enfin, l'identification de nouvelles protéines de liaison à l'amidon chez Chromera velia pourrait être utile pour le ciblage d'épitopes vaccinaux protéiques aux grains d'amidon.