Blanc SVSE 5 - Sciences de la vie, de la santé et des écosystèmes : Physique, chimie du vivant et innovations biotechnologiques

Régulation moléculaire de la biosynthèse des Galactolipides chloroplastiques – ReGal

Caractérisation de la régulation de la synthèse du lipide le plus abondant de la biosphère.

Le projet combine des approches structurales à l'aide des grands instruments tels que le synchrotron ESRF ou SOLEIL, des reconstitutions en microsystèmes telles que des membranes biomimétiques, et des études sur cellules végétales, pour comprendre comment les plantes maitrisent la production du monogalactosyldiacylglycérol (le MGDG), le lipide le plus abondant sur Terre.

Cristalliser l'enzyme de synthèse du MGDG, reconstituer son environnement dans un système biomimétique, valider les études en systèmes reconstitués par des études sur plante.

Le projet RéGal vise à comprendre les mécanismes intimes qui régissent la production du lipide le plus abondant des membranes photosynthétiques, un processus de ce fait essentiel pour la production agricole. L'enjeu est de combiner des approches structurales, biomimétiques et physiologiques.

Combiner la cristallisation de protéines membranaires, l'étude de protéines modifiées, la reconstitution de membranes biomimétiques à la biologie cellulaire et la génétique pour relier les observations structurales et fonctionnelles à différends niveaux d'organisation du vivant.
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Avancées concrètes dans la compréhension de la structure et de la fonction de l'enzyme de synthèse.


Le projet a permis d'avancer dans notre compréhension de la régulation de la synthèse des galactolipides à chaque échelle. Au niveau moléculaire nous avons développé des inhibiteurs de l'enzyme MGD1, optimisé une référence pour mesurer son activité, obtenu la 1ère structure par cristallographie, reconstitué un système biomimétique dans lequel s'insère MGD1, développé un modèle à l'échelle cellulaire et commencé à l'exploiter pour des simulations mathématiques. Enfin nous avons développé des outils permettant en perspective d'évaluer ces mécanismes moléculaires à l'échelle de la plante entière.

Comprendre comment la synthèse du lipide le plus abondant de la biosphère est régulée depuis le niveau moléculaire jusqu'à l'organisme entier.

Plusieurs articles dans des revues telles que Nature Chemical Biology pour l'un des partenaires, et une première publication rassemblant l'ensemble des partenaires, dans la revue Molecular BioSystem, faisant la couverture du numéro.

Les artic

Le mono- et le digalactosyldiacylglycérol (MGDG et DGDG) sont les lipides les plus abondants des membranes photosynthétiques des algues et des cellules végétales et sont de ce fait les plus abondants sur terre. Leurs teneurs dans les fruits, légumes et céréales en font une source primaire de galactose et d’acides gras pour l'alimentation. Les galactolipides ont longtemps été considérés comme strictement localisés dans les plastes (organite spécifique des plantes) où ils constituent 80% des lipides membranaires, alors que le système endomembranaire et les mitochondries sont riches en phospholipides. Toutefois, le DGDG peut quitter le plaste pour remplacer les phospholipides en réponse à une carence de phosphate (Pi). Les métabolismes des galactolipides et des phospholipides membranaires sont ainsi couplés, bien que leurs voies de synthèse soient respectivement dans l'enveloppe des plastes et le réticulum endoplasmique. Nous désirons comprendre comment la synthèse de MGDG peut être régulée en relation avec le métabolisme phospholipidique. Le projet ReGal entre dans le champ de l'appel SVSE5 (enzymologie, biologie structurale, systèmes membranaires, systèmes biomimétiques). Chez Arabidopsis, une famille multigénique de MGDG synthases (MGD1, 2, 3) peut catalyser la galactosylation de diacylglycérol (DAG). MGD1 est la plus abondante, localisée dans la membrane interne de l’enveloppe chloroplastique et est essentielle pour l'expansion des thylakoïdes. L’expression de MGD2 et 3 est stimulée par la carence de Pi, indiquant que dans ces conditions la réorganisation lipidique impliquant MGD2 et 3 suit une régulation génétique. Les partenaires 1 et 2 ont évalué le rôle possible de l'acide phosphatidique (AP) en tant que régulateur métabolique, car l’AP est un précurseur des phospholipides, un produit de leur hydrolyse et est connu pour agir comme molécule signal. Ces études ont montré que l’AP activait spécifiquement MGD1 et pouvait être un régulateur clé dans le dialogue galactolipides/phospholipides. Les mécanismes possibles pour réguler MGD1 pourraient impliquer la fixation d’effecteurs, des changements de conformation, la modulation de l'association aux membranes, etc. Aucun microsystème n’est actuellement disponible pour permettre une corrélation entre l'activité de MGD1, son association à des lipides et son activation ou inhibition. Le projet ReGal vise à disséquer les mécanismes moléculaires de la régulation de MGD1 par 1) des analyses structurales de l'interaction MGD1-effecteurs, 2) des études mécanistiques de l’activation et inhibition de MGD1 dans une membrane biomimétique et 3) le suivi du substrat (DAG) et de l’AP dans les chloroplastes dans des contextes physiologiques pertinents. Deux modèles d'effecteurs ont été sélectionnés, l’AP comme activateur et une molécule synthétique, la galvestine, comme inhibiteur. La galvestine a été développée par le partenaire 1 suite à un criblage à haut débit et un programme d’optimisation chimique. La galvestine inhibe compétitivement la liaison du DAG à MGD1, 2 et 3, et permet un contrôle du niveau de MGDG in planta. Le partenaire 2 a amélioré la purification de MGD1 de sorte qu'il est désormais possible de tenter une résolution cristallographique et des études en membranes reconstituées. Un système membranaire sera reconstitué par assemblage de lipides, incluant MGDG, DGDG et AP, formant des monocouches de Langmuir, une technologie maîtrisée par le partenaire 3. La dynamique du DAG et de l’AP dans les chloroplastes, suivie par des indicateurs fluorescents, devrait permettre de corréler les informations issues des études structurales et fonctionnelles avec les mesures cellulaires dans divers contextes physiologiques et environnementaux. Les analyses d’Arabidopsis mutés au niveau de phospholipases PLDz et / ou NPC seront réalisées afin d'harmoniser le modèle de régulation métabolique avec les connaissances actuelles sur la régulation génétique, dans le contexte de la carence en Pi.

Coordinateur du projet

Monsieur Eric Marechal (CNRS - DELEGATION REGIONALE RHONE-ALPES SECTEUR ALPES) – eric.marechal@cea.fr

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

PCV CNRS - DELEGATION REGIONALE RHONE-ALPES SECTEUR ALPES
CERMAV CNRS - DELEGATION REGIONALE RHONE-ALPES SECTEUR ALPES
ICBMS UNIVERSITE CLAUDE BERNARD - LYON I

Aide de l'ANR 399 984 euros
Début et durée du projet scientifique : - 36 Mois

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