Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit verschiedenen Aspekten der Assoziation von Saccharose-Synthase (SUS) mit subzellulären Strukturen. Durch cDNA-Durchmusterungen konnten proteinogene Bindepartner von SUS sowie Aktin identifiziert und zum Teil verifiziert werden. Die dritte Isoform SuS3 aus Mais wurde auf molekularer Ebene identifiziert und das rekombinante Protein biochemisch charakterisiert. Trotz signifikanter Sequenzunterschiede zwischen den SUS-Isoformen, wurden ähnliche katalytische Eigenschaften und mögliche posttranslationale Modifikationen der Enzyme nachgewiesen, darunter die Redox-Modifikation der Enzymaktivität und das Potential zur reversiblen Phosphorylierung. Der Einfluss der Phoshorylierung von SUS auf dessen enzymatische und assoziative Aktivität wurde mittels mutagenisiertem Protein untersucht und zeigte kein stark verändertes Verhalten infolge der Mutationen. Eine metabolische Regulation der SUS-Aktin-Wechselwirkung durch Zucker konnte bestätigt und die katalytische Aktivität von SUS in Gegenwart von Aktin gezeigt werden. Assoziationsstudien von Aktin mit synthetischen Peptiden sowie immunologische Untersuchungen lieferten Hinweise für die Aktinbindedomäne in SUS. Co-Pelletierungsexperimente zeigten die Assoziation von SUS mit Mikrotubuli aus Rinderhirn. In vitro konkurriert SUS mit Aldolase um die Bindung an Miktotubuli. Als proteinogene Bindepartner von SUS wurden einige im Kohlenhydratstoffwechsel sowie im 26S-Proteasom-Komplex involvierte Proteine identifiziert. Ebenso wurde eine Glutathion-Peroxidase identifiziert, die ubiquitäre Transkriptakkumulation dokumentiert und die katalytische Aktivität des rekombinanten Proteins gezeigt. Eine weitere cDNA-Durchmusterung führte zur Identifikation verschiedener glykolytischer Enzyme als potentielle Interaktionspartner von Mais-Aktin sowie zu Bindepartnern, die nach Sequenzanalyse Domänen mit Homologien zu bekannten ABPs aus tierischen Organismen zeigten.

L'application commerciale de la culture in vitro est limitée à la propagation massive de certaines espèces végétales en raison des pertes excessives rencontrée lors de la phase de l'acclimatation. On pense que le saccharose ajouté au milieu de culture serait responsable de ce problème. L'objectif de cette thèse était d'approfondir nos connaissances sur les effets du saccharose exogène et des conditions in vitro sur la croissance, la physiologie et la biochimie des plantules de pomme de terre (Solanum tuberosum L.) in vitro et ex vitro. Comme prémisse à la recherche nous nous sommes intéressés à déterminer comment le sucre est absorbé et transporté dans les plantules. Les plantules autotrophes et mixotrophes absorbent et métabolisent le sucre de manière très distincte. Les premières absorbent et transloquent de faibles quantités de saccharose et relâchent même de fortes quantités des sucres dans le milieu. Les plantules mixotrophes accumulent des sucres radioactifs dans la tige et dans les feuilles. Grâce à une approche métabolomique nous avons étudié de manière approfondie la réponse métabolique des plantules in vitro et ex vitro de sucres exogènes. Nos données de métabolomique expliquent certains des problèmes trouvés dans les conditions de culture in vitro et leur impact sur l'acclimatation ex vitro. Par exemple, l'analyse métabolomique révèle que les conditions de culture in vitro ont provoqué des changements très importants des métabolismes de l'azote et du carbone; des niveaux plus élevés d'acides aminés, de metabolites de stress, de polyamines, d'intermédiaires de la photorespiration, de sucres alcools osmotiquement actifs, et des niveaux inférieurs des intermédiaires du cycle de Krebs et de la glycolyse, caractérisent le phénotype métabolique distinct des plantules in vitro mixotrophes. Nous suggérons que ces changements dans les niveaux d'accumulation des metabolites représentent une réponse adaptative de la plantule in vitro à la quantité excessive d'azote dans le milieu de culture MS et aux conditions de stress osmotique causés par la présence de sucre exogène.

Les amylosaccharases sont des α-transglucosylases catalysant naturellement la synthèse exclusive d’α-1,4-glucanes à partir du saccharose. Ces enzymes produisent également des composés secondaires et, en particulier, des isomères du saccharose tels que le turanose et le tréhalulose.L’objectif de cette thèse a consisté à utiliser un panel de techniques biophysiques et biochimiques afin d’étudier les amylosaccharases de Deinococcus geothermalis (ASDg) et Neisseria polysaccharea (ASNp) afin de comprendre les relations unissant la structure, la flexibilité et la fonction de ces enzymes.La première étude rapporte la caractérisation structurale et biophysique de l’amylosaccharase la plus thermostable connue à ce jour, l’amylosaccharase de Deinococcus geothermalis. La structure tridimensionnelle révèle une organisation dimérique en solution, jamais rapportée pour une amylosaccharase. Grâce à l’analyse de l’interface dimérique et à des travaux d’analyse de séquences, une séquence signature de dimérisation a été identifiée. En rigidifiant la structure de l’ASDg, la structure quaternaire contribue à l’augmentation de la stabilité thermique de la protéine. La spécificité de production des isomères du saccharose par les amylosaccharases a été étudiée. Les résultats décrivent, pour la première fois, les structures de l’ASDg et de l’ASNp en complexe avec le turanose. Dans l’ASNp, les résidus clefs forcent le résidu fructosyle à adopter une conformation linéaire positionnant idéalement le O3’ pour sa glucosylation expliquant la formation préférentielle de turanose par l’enzyme. Ces résidus sont absents ou placés différemment dans l’ASDg. En conséquence, l’ASDg lie principalement les formes furanoses du fructose avec un faible réseau d’interactions. La topologie du sous-site +1 permet donc différents modes de liaison du fructose en accord avec la capacité de l’ASDg à produire une plus grande quantité de tréhalulose par rapport à l’ASNp.Dans la seconde étude, des techniques de mutagenèse à saturation et combinatoire ciblées sur les acides aminés voisins du site actif ont été utilisées pour modifier la spécificité d'accepteur de l’ASNp. Le criblage de trois bibliothèques semi-rationnelles représentant un total de 20 000 variants a permis d’isoler trois doubles mutants montrant une amélioration spectaculaire de spécificité à la fois vis-à-vis du saccharose, le substrat donneur et de l’accepteur α-allyl-N-acetyl-2-désoxy-α-D-glucopyranoside par rapport au type sauvage de l’ASNp. De tels niveaux d'amélioration d'activité n'ont jamais été signalés auparavant pour cette classe d’enzymes actives sur les sucres. L’analyse par cristallographie des rayons X de la structure des meilleures enzymes mutantes suivie par des simulations de dynamique moléculaire ont montré une rigidité locale du sous-site -1 couplée à une flexibilité des boucles impliquées dans la topologie du site actif. Ces faits pourraient être à l’origine des performances catalytiques accrues de ces enzymes mutantes. L'étude démontre l'importance, lors de la conception des bibliothèques de variants, de tenir compte de la conformation locale des résidus catalytiques ainsi que de la dynamique des protéines au cours du processus catalytique / Amylosucrases are sucrose-utilizing α-transglucosylases that naturally catalyze the synthesis of α-glucans, exclusively linked through α-1,4 linkages. Side-products and in particular sucrose isomers such as turanose and trehalulose are also produced by these enzymes.The objective of this thesis concerned the application of biophysical and biochemical techniques to study amylosucrases from Deinococcus geothermalis (DgAS) and Neisseria polysaccharea (NpAS) in order to investigate relationships between structure, flexibility and function of these enzymes.In the first study, we report the first structural and biophysical characterization of the most thermostable amylosucrase identified so far, the amylosucrase from Deinoccocus geothermalis. The 3D-structure revealed a homodimeric quaternary organization, never reported before for other amylosucrases. A sequence signature of dimerization was identified from the analysis of the dimer interface and sequence alignments. By rigidifying DgAS structure, the quaternary organization is likely to participate in the enhanced thermal stability of the protein. Amylosucrase specificity with respect to sucrose isomer formation (turanose or trehalulose) was also investigated. We report the first structures of the DgAS and NpAS in complex with turanose. In NpAS, key residues were found to force the fructosyl moiety to bind in an open state with the O3' ideally positioned to explain the preferential formation of turanose by NpAS. Such residues are either not present or not similarly placed in DgAS. As a consequence, DgAS binds the furanose tautomers of fructose through a weak network of interactions to enable turanose formation. Such topology at subsite +1 is likely favoring other possible fructose binding modes in agreement with the higher amount of trehalulose formed by DgAS.In the second study, iterative saturation mutagenesis and combinatorial active site saturation focused on vicinal amino acids were used to alter the acceptor specificity of NpAS and sort out improved variants. From the screening of three semi-rational sub-libraries accounting in total for 20,000 variants, we report here the isolation of three double-mutants displaying a spectacular specificity enhancement towards both sucrose, the donor substrate, and the α-ally-N-acetyl-2-deoxy-α-D-glucopyranoside acceptor compared to wild-type N. polysaccharea amylosucrase. Such levels of activity improvement have never been reported before for this class of carbohydrate-active enzymes. X-ray structural analysis of the best performing enzymes followed by Molecular Dynamics simulations showed both local rigidity of the -1 subsite and flexibility of loops involved in active site topology which both account for the enhanced catalytic performances of the mutants. The study well illustrates the importance when designing enzyme libraries of taking into account the local conformation of catalytic residues as well as protein dynamics during the catalytic process

A invertase comercial (Bioinvert®) foi imobilizada por adsorção em resinas aniônicas do tipo Dowex® [1x8:50-400, 1x4:50-400 e 1x2:100-400, todos copolímeros estireno-divinilbenzênicos, porém de granulometria (50-400 mesh) e quantidades de ligações cruzadas diferentes (2-8%)] em meio aquoso. A melhor percentagem de adsorção da invertase nas resinas foi observada em pH 5,5 a 32°C, tendo o complexo Dowex®1x4-200/lnvertase apresentado índice de adsorção e coeficiente de imobilização iguais a 100%. Os parâmetros cinéticos e termodinâmicos foram determinados para a invertase solúvel e insolúvel de Bioinvert® e também para a invertase purificada (Fluka®). O complexo Dowex®1 x4-200/Bioinvert® apresentou-se estável durante as reações sem desprendimento da enzima do suporte. Os parâmetros termodinâmicos da forma solúvel e insolúvel da Fluka® foram idênticos aos do Bioinvert®, no entanto, após a imobilização apresentou uma redução de 28% na sua atividade. O estudo da atividade transferásica de ambas as formas de Bioinvert® em diferentes concentrações de sacarose foram analisadas através da cromatografia de camada delgada. A estabilidade operacional e de estocagem foi também determinada para o complexo Dowex®1x4-200/Bioinvert®. / The invertase (trademarked as Bioinvert®) solubilized in deionized water was immobilized by adsorption on anion exchange resins, collectively named Dowex®, [1x8:50-400, 1x4:50-400 and 1x2:100-400, styrene-divinylbenzene copolymers, with different granulometry (50-400mesh) and different degrees of cross-linking (2-8%)]. The best percentage of adsorption of invertase on resins was observed in pH 5.5 at 32°C and the complex Dowex®1x4-200/invertase has shown a coupling yield and an immobilization coefficient equal to 100%. The thermodynamic and kinetic parameters for sucrosehydrolysis for both soluble and insoluble enzyme were evaluated to Bioinvert® and purified invertase purchased from Fluka®. The complex Dowex®/Bioinvert® was stable without any desorption of enzyme from the support during the reaction and having the thermodynamic parameters equal to the soluble formo However, the loss of activity for immobilized Fluka® was found to be 28% when compared to the soluble one. The transfructosylating activity of Bioinvert® in both forms in different concentrations of sucrose was investigated through TLC. In regard to insoluble Bioinvert® its storage and operational stability were also determined.

Saccharosetransporter sind Membranproteine, die von der SUT-Genfamilie kodiert werden. In Solanaceen wurden Subfamilien: SUT1, SUT2, und SUT4 identifiziert. Die Funktion von SUT4 wurde bisher nur fragmentarisch geklärt. Mittels real time PCR wurde eine Organ- und Entwicklungs-spezifische SUT4-Expression in Wildtyp Kartoffeln (Solanum tuberosum ssp. tuberosum) der Varietät Désirée gezeigt. Die Expression von SUT4, SUT2 und SUT1 zeigt eine Tagesrhythmik. Mit Hilfe der RNA Interferenz-Technik wurden transgene Pflanzen mit einer reduzierten SUT4-Expression hergestellt. StSUT4-RNAi Kartoffeln zeigten: reduzierte Stängelelongation, frühere Blühinduktion, frühzeitige Knollenbildung, Veränderungen des Kohlenhydratprofils in den Source- und Sink-Organen, sowie in den Phloemexudaten. Eine vermehrte Zuckertranslokation von Source-zu–Sink wurde postuliert. Bestimmte Aspekte des StSUT4-RNAi Phänotyps wurden früher bereits für Pflanzen mit Veränderungen der Gibberellin-Antwort, sowie für Pflanzen mit deregulierter photoperiodischen Signaltransduktion beschrieben. In den StSUT4-RNAi Blättern wurden verringerte Transkriptmengen eines GA-Biosynthese-Enzyms (GA20ox1) und eine erhöhte PhyB-mRNA-Akkumulation festgestellt. Der Versuch der Komplementation des StSUT4-RNAi Phänotyps durch GA3-Behandlung war nicht erfolgreich. Es wurde gezeigt, dass es unter Beschattung zu einer erhöhten SUT4-mRNA-Akkumulation kommt. In den StSUT4-RNAi Pflanzen wurden Veränderungen der Expression photoperiodisch regulierter Gene beobachtet. Eine Rolle des SUT4 als ein Integrator der pflanzlichen Antwort auf Licht, Hormone und Zucker wurde postuliert. / Sucrose transporters are membrane proteins, which are encoded by the SUT gene family. In Solanaceen the SUT1, SUT2, and SUT4 subfamily have been identified. So far, the function of the sucrose transporters belonging to the SUT4 subfamily is only poorly understood. The expression of SUT4 in wild type of potato, Solanum tuberosum ssp. tuberosum var. Désirée analyzed via real time PCR shows to be sink and development specific. The expression of SUT4, SUT2 und SUT1 follow a diurnal rhythm. An RNA interference approach was used for the generation of transgenic plants with reduced SUT4 expression. The transgenic potato plants show a reduced internode elongation, early flowering, early tuberization, changes of the carbohydrate content in source as well as in sink organs of these plants, together with changes in phloem efflux from leaves. Increased translocation rate of soluble sugars was postulated. Particular aspects of the StSUT4-RNAi phenotype were already described for plants with changes in the gibberellin response or changes in the photoperiodic signaling pathway. In the StSUT4-RNAi leaves was observed a reduction of the transcript level of the GA biosynthetic enzyme GA20ox1 and increased accumulation of PhyB transcripts. However, the complementation of the StSUT4-RNAi phenotype by GA3 treatment was not successful. Under shade conditions (or under far red light enrichement), the StSUT4 transcripts accumulated to higher levels. In the StSUT4-RNAi plants were observed changes in the expression of genes involved in the photoperiodic pathway. An integrative function of SUT4 in the coordination of the light signalling, the hormone signalling and the sugar signalling pathways of higher plants was postulated.

A invertase comercial (Bioinvert®) foi imobilizada por adsorção em resinas aniônicas do tipo Dowex® [1x8:50-400, 1x4:50-400 e 1x2:100-400, todos copolímeros estireno-divinilbenzênicos, porém de granulometria (50-400 mesh) e quantidades de ligações cruzadas diferentes (2-8%)] em meio aquoso. A melhor percentagem de adsorção da invertase nas resinas foi observada em pH 5,5 a 32°C, tendo o complexo Dowex®1x4-200/lnvertase apresentado índice de adsorção e coeficiente de imobilização iguais a 100%. Os parâmetros cinéticos e termodinâmicos foram determinados para a invertase solúvel e insolúvel de Bioinvert® e também para a invertase purificada (Fluka®). O complexo Dowex®1 x4-200/Bioinvert® apresentou-se estável durante as reações sem desprendimento da enzima do suporte. Os parâmetros termodinâmicos da forma solúvel e insolúvel da Fluka® foram idênticos aos do Bioinvert®, no entanto, após a imobilização apresentou uma redução de 28% na sua atividade. O estudo da atividade transferásica de ambas as formas de Bioinvert® em diferentes concentrações de sacarose foram analisadas através da cromatografia de camada delgada. A estabilidade operacional e de estocagem foi também determinada para o complexo Dowex®1x4-200/Bioinvert®. / The invertase (trademarked as Bioinvert®) solubilized in deionized water was immobilized by adsorption on anion exchange resins, collectively named Dowex®, [1x8:50-400, 1x4:50-400 and 1x2:100-400, styrene-divinylbenzene copolymers, with different granulometry (50-400mesh) and different degrees of cross-linking (2-8%)]. The best percentage of adsorption of invertase on resins was observed in pH 5.5 at 32°C and the complex Dowex®1x4-200/invertase has shown a coupling yield and an immobilization coefficient equal to 100%. The thermodynamic and kinetic parameters for sucrosehydrolysis for both soluble and insoluble enzyme were evaluated to Bioinvert® and purified invertase purchased from Fluka®. The complex Dowex®/Bioinvert® was stable without any desorption of enzyme from the support during the reaction and having the thermodynamic parameters equal to the soluble formo However, the loss of activity for immobilized Fluka® was found to be 28% when compared to the soluble one. The transfructosylating activity of Bioinvert® in both forms in different concentrations of sucrose was investigated through TLC. In regard to insoluble Bioinvert® its storage and operational stability were also determined.

La qualité esthétique d'une plante ornementale est conditionnée par de nombreux critères, et notamment la forme globale de la plante. Celle-ci est le résultat du fonctionnement des bourgeons le long des tiges et de la croissance des rameaux produits. Chez un certain nombre de végétaux, les facteurs environnementaux ont un impact fort sur la construction architecturale de la plante, qui génère cette forme. Ainsi, parmi ces facteurs, la lumière tant en quantité que qualité, peut moduler la capacité des bourgeons à débourrer. Au delà de cette constatation rapportée chez plusieurs espèces, très peu de travaux ont cherché à identifier les mécanismes par lesquels la lumière régule le processus de débourrement. Pour aborder cette question, nous avons lancé des recherches chez plusieurs variétés de rosier-buisson (Rosa sp. L.), en couplant des approches morphologiques, histologiques, biochimiques et moléculaires. Les études ont été menées sur des plantes expérimentales, défeuillées et décapitées au-dessus des trois bourgeons basaux de la tige principale, afin de limiter l'impact des inhibitions corrélatives entre organes, pouvant masquer ou interagir avec les mécanismes du photocontrôle. Nos résultats démontrent un besoin absolu de lumière pour le débourrement chez le rosier. En effet, aucun débourrement n'est observé à l'obscurité chez les six variétés de rosiers étudiées, ce qui n'est pas le cas chez les espèces modèles telles qu'Arabidopsis thaliana, la tomate ou le peuplier. Des expériences de masquage ont permis de montrer que le bourgeon percevait directement le signal lumineux requis pour le débourrement, soulignant ainsi une signalisation courte entre les organes récepteurs (écailles) et les sites de croissance (méristème apical, jeunes feuilles préformées). La lumière, aussi bien en termes d'intensité que de qualité, module le débourrement des bourgeons. Ainsi, de faibles intensités lumineuses (2 +mol.m-2.s-1) sont suffisantes pour permettre la croissance des jeunes feuilles préformées mais pas l'activité organogénique du méristème apical caulinaire. De même, les raies spectrales bleue et rouge clair permettent, contrairement à la lumière rouge sombre, l'induction de ces deux processus. On peut alors s'interroger sur le photocontrôle des processus physiologiques-clés du débourrement. Deux de ces processus ont fait l'objet d'une étude plus approfondie : le métabolisme glucidique et l'expansion cellulaire. Nos travaux montrent que le débourrement obtenu à la lumière est associé à un afflux d'eau et de sucres dans le bourgeon, ainsi qu'à une métabolisation du saccharose en sucres simples : glucose et fructose. La lumière agit en favorisant la transcription de gènes et/ou les activités d'enzymes de dégradation du saccharose que sont l'invertase acide vacuolaire et la saccharose synthase. L'élongation cellulaire est aussi stimulée à la lumière comme le montrent nos mesures en microscopie électronique à balayage. A l'obscurité, ces processus sont réduits ou inhibés n'offrant ainsi pas les conditions de croissance nécessaires au débourrement. L'expression génique d'une expansine, protéine intervenant dans le relâchement de la paroi au cours de l'élongation cellulaire, est ainsi fortement réprimée. En réponse au stress provoqué par l'obscurité permanente, la stimulation de la transcription d'une sorbitol déshydrogénase pourrait prendre le relais du métabolisme glucidique pour contribuer à la survie cellulaire. Nos travaux démontrent ainsi que le photocontrôle du débourrement du bourgeon s'exerce au travers d'au moins deux processus physiologiques: le métabolisme glucidique et l'élongation cellulaire. Au regard de nos résultats et de ceux de la bibliographie, nous proposons un modèle du contrôle par la lumière du débourrement.

Les techniques d’électrophysiologie chez les animaux et d’imagerie fonctionnelle chez l’Homme ont permis d’étudier le contrôle hédonique de la prise alimentaire. Ce contrôle hédonique n’a cependant jamais été exploré chez l’Homme par l’étude des potentiels évoqués gustatifs (PEG), de meilleure résolution temporelle que l’imagerie fonctionnelle. Le premier objectif de la thèse a été de mettre au point une technique fiable et reproductible de recueil des PEG, en regard des aires cérébrales gustatives, en réponse à une stimulation sapide. Le deuxième objectif a été d’étudier les variations des PEG en fonction de la valeur hédonique de la prise alimentaire. Le travail de thèse a permis de mettre au point l’enregistrement des PEG, réalisés chez plus de 100 jeunes sujets sains. Les comparaisons effectuées entre les enregistrements cérébraux obtenus en réponse à l’eau seule ou à l’huile de paraffine, solutions non palatables, et après stimulation par une solution sapide ont permis d’apporter des arguments forts en faveur de l’origine gustative des potentiels évoqués enregistrés. L’analyse des PEG a permis de mettre en évidence des modifications de l’activation cérébrale en fonction du plaisir alimentaire, traduites par des changements de latence ou d’amplitude des PEG. Plusieurs situations connues pour faire varier le plaisir alimentaire ont été étudiées : avant/après repas ; stimulation par des solutions sucrées d’intensités différentes ou de valeurs énergétiques différentes ; stimulation par des acides gras. Des PEG en réponse aux acides gras à longue chaine (acides linoléiques) ont été enregistrés par ce biais, renforçant l’hypothèse du «gras» en tant que sixième saveur primaire. / Hedonic control of food intake has been studied using neurophysiological investigations in animals and functional imaging in humans. Gustatory evoked potentials (GEPs), a higher time resolution technique than functional imaging, have never been used for this purpose. The first aim of this thesis was to establish a reliable recording of GEPs in humans, in response to a sapid stimulus. The second aim was to determine the GEPs modifications according to the hedonic value of food intake. GEPs recording was performed in response to an intermittent stimulation of a sapid solution in more than 100 young healthy subjects. The comparisons between cerebral recordings in response to water or paraffin oil, non palatable solutions, and in response to sapid solutions (sucrose, sodium chlorure and fatty acids) allow us to advance strong arguments for the gustative nature of the recorded evoked potentials. GEPs analysis underlined changes in cerebral activation according to the hedonic value of the stimulus. These changes in cerebral activation were highlighted by modifications of GEPs latency or amplitude. Several physiological situations, marked by different pleasantness of food stimulation, were studied: before/after food intake, stimulation by sweet solutions with different concentrations or different caloric contents, stimulation by fatty acids. Moreover, GEPs in response to long chain fatty acids (linoleic acids) were recorded, reinforcing the hypothesis that fatty acids could be the sixth primary flavor.

Résumé confidentiel / Résumé confidentiel

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