La structure de trois oxydoréductases (la glutathion peroxydase (Gpx), la thiorédoxine (Trx) et la glutarédoxine (Grx)) de Populus trichocarpa × deltoides (le peuplier) a été caractérisée par diffraction des rayons X. Les Gpxs forment un groupe d’enzymes qui régulent la concentration des espèces réactives de l'oxygène (ROS) dans les cellules, et qui les protègent des effets d’un stress oxydant. Contrairement à leurs homologues d’origine animale, les Gpxs végétales ne dépendent pas du glutathion (GSH) mais des Trx pour leur fonctionnement. Dans cette étude, j'ai résolu les structures des formes réduite et oxydée de la Gpx5 de peuplier et montré que des changements conformationnels drastiques sont nécessaires pour passer d’une forme à l’autre. Les Trxs régulent diverses protéines cibles par la réduction de leur pont disulfure. Mon objectif était de comprendre le mécanisme catalytique d’une nouvelle isoforme, la PtTrxh4, dont la capacité à accepter des électrons de la Grx a été récemment démontrée. Cette PtTrxh4 contient trois cystéines, la première localisée dans une extension en position N-terminale (Cys4) et deux situées dans le site actif classique (WC1GPC2) de la Trx. Les résolutions des structures de l’enzyme sauvage et du mutant C4S m’ont permis de proposer un mécanisme catalytique en quatre étapes en accord avec les études enzymatiques. Les Grxs sont des protéines qui utilisent des électrons du GSH en particulier pour catalyser des réactions d'échange de thiol-disulfure. Ici, je présente la structure de la PtGrxS12 (en complexe avec le GSH), la première structure de la Grx végétale de sous-classe 1 ayant un site actif de motif atypique 28WCSYS32. / Three oxidoreductases (glutathione peroxidase, GPX; thioredoxin, Trx and glutaredoxin, Grx) from Populus trichocarpa × deltoides (poplar tree) were characterized using X-ray crystallography approach. GPXs are a group of enzymes that regulate the levels of oxygen species in cells, and protect them against oxidative damage. In this study, I have determined the crystal structures of the reduced and oxidized form of poplar GPX5 (PtGPX5). Comparison of both redox structures indicates that a drastic conformational change is necessary to bring the two distant cysteine residues together to form an intramolecular disulfide bond. Trxs regulate various protein partners through the thiol-disulfide(s) reduction. The aim of this study is thus to precisely describe the catalytic mechanism of a new isoform of Trx, PtTrxh4, since it has been demonstrated recently to be reduced by Grx. PtTrxh4 contains three cysteines; one localized in an N-terminal extension (Cys4) and two in the usual Trx active site (WC1GPC2). Two crystal structures of PtTrxh4 solved in this study, wild-type and C61S mutant, allow us to propose a four-step disulfide cascade catalytic mechanism in accordance with enzymatic studies. Grxs are highly conserved redox-proteins that utilize electrons from GSH particularly to catalyze thiol-disulfide exchange reactions. Here, I present the structure of glutathionylated PtGrxS12, the first structure of plant Grx of subclass 1 with an atypical 28WCSYS32 active site. Protein structures solved here shed lights to our understanding of the redox mechanism in plant and to the enzyme-substrate interactions.

Le travail présenté dans ce mémoire a pour thème central la synthèse de nouvelles quinones, et plus spécialement des terpénylquinones et des hétéroquinones, composés bien connus pour avoir des propriétés biologiques intéressantes. Dans une première partie, la synthèse d'un podocarpane fonctionnalisé, intermédiaire avancé vers l'accès de terpénylquinones naturelles comme le célaphanol A, est présenté. La seconde partie, qui a été consacrée à la synthèse d'hétéroquinones, s'articule autour de deux axes, la préparation d'hétéroquinones substituées par deux chaînes thioalkyles d'une part et la synthèse d'hétéroquinones possédant une activité antipaludique d'autre part. Les produits obtenus dans le cadre du premier axe ont été testés en tant qu'agents anticancéreux (inhibiteurs de phosphatases CDC25), et l'évaluation de l'activité biologique des hétéroquinones comme agents antipaludiques nous a permis d'identifier le meilleur substrat qui a été couplé avec un dérivé terpénique.

Le métabolisme de l'oxygène conduit à la formation d'espèces chimiques oxydantes, capables de provoquer l'oxydation de nombreux composants cellulaires, dont les résidus cystéines des protéines. L'oxydation du résidu cystéine est contrôlée par un système de réduction composé de deux branches distinctes, appelées la voie des thioredoxines et la voie du glutathion. Ces deux voies utilisent la chimie redox du soufre de la cystéine pour réduire les cystéines oxydées, avec des électrons fournis par le NADPH. Notre travail a consisté à étudier l'état d'oxydation des résidus cystéines de la cellule et la contribution respective des mécanismes opérant le contrôle de l'état redox des thiols. Pour cela, nous avons exploité les approches génétiques chez S.cerevisiae, et les avons couplés à une approche protéomique d'identification des thiols oxydés.<br />Ce travail nous a permis d'identifier de nombreuses protéines cytoplasmiques portant un ou plusieurs résidus cystéine oxydés et d'établir une différence frappante entre les voies des thioredoxines et du glutathion dans le contrôle de l'état redox des thiols intracellulaires. Au cours de notre travail, nous nous sommes également intéressés à la superoxyde dismutase, une protéine cytoplasmique, que nous avons identifié comme oxydée constitutivement. Nous avons étudié le mécanisme d'oxydation de Sod1, et avons observé que celui-ci semble se dérouler dans l'espace intermembranaire mitochondrial et fait intervenir une oxydase spécifique des thiols

Les thiorédoxines (TRX) sont des protéines ubiquistes à activité d'oxydoréductase de ponts disulfure de protéines dites " cibles ". Le génome d'Arabidopsis thaliana code une vingtaine de TRX canoniques dont 10 (divisées en 5 types : f, m, x, y et z) sont localisées dans les plastes. Les TRX f sont connues depuis plus de trente ans pour être des régulateurs centraux du métabolisme photosynthétique, mais les approches expérimentales récentes (protéomique, génétique inverse.) indiquent que ces protéines interviennent dans des métabolismes non photosynthétiques variés, notamment le cycle oxydatif des pentoses phosphate (COPP). Ce travail a consisté à analyser in vitro la capacité des TRX plastidiales à réguler les déshydrogénases du COPP qui assurent la majorité de la production de pouvoir réducteur (sous forme de NADPH) dans des conditions non-photosynthétiques. Les résultats obtenus ont été validés dans un système ferrédoxine/TRX reconstitué et ont permis de proposer un modèle de régulation stricte par certaines TRX de la glucose-6-phosphate déshydrogénase chloroplastique G6PDH1 où la TRX f assure la coordination des cycles réductif (cycle de Calvin) et oxydatif des pentoses phosphate. Des approches biochimiques et biophysiques ont permis de mettre en évidence plusieurs modifications de propriétés catalytiques et structurales faisant suite à la régulation redox de G6PDH1 et d'aborder les déterminants des spécificités de régulations. Ce travail in vitro a été complété par une caractérisation in vivo (basée sur l'utilisation de mutants perte de fonction) de l'importance des TRX y dans le contrôle de l'activité G6PDH racinaire, et les processus de germination. Les résultats obtenus suggèrent que, dans les graines, ce type de TRX interviendrait dans les processus de levée de dormance et de vieillissement via son interconnexion avec les mécanismes de détoxication des formes actives de l'oxygène.

Un des principaux acteurs impliqués dans la régulation du statut redox intracellulaire, permettant aux plantes de s’adapter aux contraintes environnementales, est une famille multigénique de petites (12-14 kDa) oxydoréductases ubiquistes appelées thiorédoxines (TRX). Le génome d’Arabidopsis code une vingtaine de TRX canoniques dont neuf sont plastidiales (TRX f, m, x et y). Très étudiées dans notre laboratoire par des approches biochimiques, les TRX de types f et m apparaissent réguler majoritairement l’activité d’enzymes impliquées dans le métabolisme primaire tandis que les types x et y servir principalement de substrats réducteurs d’enzymes antioxydantes. Plus récemment, une dixième TRX, proposée plastidiale et nommée TRX z, a été identifiée. Au cours de ma thèse, j’ai caractérisé cette nouvelle TRX chloroplastique montrant des propriétés physico-chimiques inhabituelles, la rendant unique. En effet, la TRX z semble interagir, via des interactions électrostatiques, avec des protéines pour former des complexes de masses moléculaires élevées, potentiellement liés aux acides nucléiques. De plus, la TRX z, dont l’expression est induite à la lumière, principalement dans les tissus photosynthétiques, est la première TRX chloroplastique qui n’est pas réduite par le système FTR à la lumière mais qui peut être réduite par les autres TRX plastidiales, suggérant une interconnexion entre ces différentes TRX. D’autre part, une recherche exhaustive de cibles de la TRX z, par deux approches spécifiques et complémentaires (protéomique et double hybride), ont révélé 90 cibles putatives de la TRX z. La plupart de ces cibles, jamais identifiées comme cibles des TRX, sont impliquées dans la réponse de défense des plantes mise en place lors de stress biotiques. Ces résultats suggèrent que la TRX z pourrait être un élément clé dans la mise en place de ces réponses. L’analyse fonctionnelle préliminaire de la TRX z au cours de la réponse immune innée conforte cette hypothèse. L’ensemble de ces résultats indique que la TRX z pourrait jouer le rôle d’une protéine senseur de l’état d’oxydoréduction de la cellule. / One of the main actors involved in regulation of the cellular redox state, which allow plant adaptation to stress environmental conditions, is a multigenic family of small (12-14 kDa) ubiquitous oxidoreductases named thioredoxins (TRX). Arabidopsis encodes around twenty canonical TRX, including nine plastidial isoforms (TRX f, m, x and y). Extensively studied in our laboratory by biochemical approaches, TRX f and m was found to mainly redox regulate the activity of enzymes involved in the primary metabolism whereas TRX x and y serve as reducing substrates for antioxidant enzymes. More recently, a tenth TRX, predicted plastidial and named TRX z, was identified. During my PhD, I have characterized this new plastidial TRX showing unusual physicochemical properties, making it unique. Indeed, TRX z seems to interact, via electrostatic bonds, with proteins to form high molecular weight complexes, potentially linked to nucleic acids. Moreover, TRX z, which is expressed in green tissues in the light, is the first plastidial TRX which is not reduced by the FTR system but which can be reduced by other plastidial TRX, suggesting an interconnection between these TRX. Furthermore, a large scale inventory of TRX z targets, by two specific and complementary approaches (proteomic and yeast two hybrid), revealed 90 putative TRX z targets. Most of these, which have never been identified as TRX targets before, are implicated in plant defense response to biotic stresses. These results suggest that TRX z might be a key player in these responses. Preliminary functional analysis of TRX z during immune innate response reinforces this hypothesis. Altogether, these results indicate that TRX z appears as an important sensor of the redox status of the cell.

Sinorhizobium meliloti est une bactérie du sol Gram- capable d'induire la formation denodosités fixatrices d'azote lors d'une interaction symbiotique avec les plantes de la familledes légumineuses. L'importance de la balance redox au cours de cette interaction a été miseen évidence. Ainsi, des mutants bactériens déficients dans la production du glutathion (GSH),présentent un phénotype altéré d'infection et de fixation de l'azote atmosphérique.Le premier objectif a donc été de déterminer si les phénotypes observés chez les mutants de lavoie de biosynthèse du GSH étaient liés à l'activité des glutarédoxines (GRX). Une analysebioinformatique a révélé la présence de trois gènes codant des GRX chez S. meliloti. Lesmutants, Smgrx1, Smgrx2 et Smgrx3, déficients pour chacune des GRX, ne produisent pasdes phénotypes similaires à ceux observés avec les mutants GSH. Si Smgrx2 présente unphénotype moins marqué, Smgrx1 est plus sévèrement affecté puisqu'il n'est plus capable dese différencier en bactéroïde. L'implication de SmGrx2 dans la régulation du métabolisme dufer et la mise en place des centres Fe-S a, par ailleurs, été mise en évidence.Le second objectif a été de définir s'il existait, chez S. meliloti, une redondance fonctionnelleentre les GRX et les thiorédoxines (TRX). Ainsi, le mutant SmtrxB, dépourvu de thiorédoxineréductase, présente la particularité d'induire la formation d'un plus grand nombre de nodulesque la souche sauvage. Le système TRX de S. meliloti apparaît donc comme un régulateurnégatif de la nodulation. D'autre part, les nodosités formées par ce mutant SmtrxB, ont uneactivité fixatrice d'azote significativement diminuée. Les rôles des TRX et des GRXapparaissent donc, au moins partiellement, distincts.Les résultats obtenus ici apportent des éléments nouveaux sur l'implication du GSH, des GRXet des TRX dans la mise en place d'une nodosité fonctionnelle, et ouvrent de nouvellesperspectives d'études sur les rôles de ces molécules dans le processus de fixation d'azote. / Sinorhizobium meliloti is a soil bacterium Gram- able to induce the formation of nitrogenfixingnodules during a symbiotic interaction with plants of the legume family. Theimportance of redox balance during this interaction has been demonstrated. In this way,bacterial mutants deficient in the production of glutathione (GSH), exhibit an alteredphenotype of infection and fixation of atmospheric nitrogen.The first objective was therefore to determine whether the phenotypes observed in mutants ofthe GSH biosynthesis pathway were related to the activity of glutaredoxins (GRX). Abioinformatic analysis revealed the presence of three genes encoding GRX in S. meliloti. Themutants, Smgrx1, Smgrx2 and Smgrx3, deficient for each of the GRX, do not producephenotypes similar to those observed with the GSH mutants. If Smgrx2 presents a less severephenotype, Smgrx1 is more severely affected since it is incapable of differentiating intobacteroïd. The involvement of SmGrx2 in the regulation of iron metabolism and theestablishment of Fe-S cluster has also been demonstrated.The second objective was to determine if there was, in S. meliloti, a functional redundancybetween GRX and thioredoxin (TRX). Thus, the SmtrxB mutant, devoid of thioredoxinreductase, has the distinctive feature of inducing the formation of more nodules than the wildtype strain. The TRX system of S. meliloti appears to be a negative regulator of nodulation.On the other hand, the nodules formed by this SmtrxB mutant have a significantly decreasednitrogen-fixing activity. Hence, the roles of TRX and GRX appear to be at least partiallydistinct.The results obtained here provide new evidence on the involvement of GSH, the GRX andTRX in the establishment of a functional nodule, and open new perspectives for studying onthe roles of these molecules in the process of nitrogen fixation.

La mort cellulaire programmée, ou MCP, est un processus dynamique où les cellules ont la capacité de déclencher et de contrôler leur propre mort. Elle est essentielle et présente chez tous les organismes multicellulaires. Chez les plantes, la MCP permet le développement optimal (ex : formation du xylème, morphologie des feuilles, etc.) de la plante tout en protégeant contre divers stress biotiques et abiotiques (ex : la sécheresse, la chaleur, les UV, etc.). Malgré les avancées de ces dernières années, peu de gènes impliqués dans la mise en place de la MCP induite par les UV-C ont été identifiés chez les plantes. L'objectif était donc de caractériser ces gènes chez Arabidopsis thaliana. L'un des candidats est le gène BI-1, pour Bax Inhibitor-1. Il code pour un facteur anti-apoptotique de la MCP animale également retrouvé chez Arabidopsis thaliana. BI-1 régule aussi le taux de calcium du réticulum endoplasmique, ainsi que la formation des espèces réactives de l'oxygène (ROS), permettant l'activation de la réponse de la cellule au stress. L'expression de ce gène suite à une exposition aux UV-C est augmentée, faisant de lui un candidat pour la réponse aux UV-C. Une fusion du promoteur du gène AtBI-1 au gène rapporteur de la luciférase (pAtBI-1::luciférase) a été insérée dans le génome d'Arabidopsis. Une plante homozygote pour l'insertion de l'ADN-T, 5PL20E, a été isolée. Cette lignée parentale a été ensuite mutagénéisée, et un crible effectué sur la descendance exposée aux UV-C a permis d'identifier un mutant, 2017, dont l'expression de la luciférase était modifiée. Le premier objectif de ce projet était de caractériser ce mutant et de déterminer le lien potentiel avec la régulation de BI-1. Dans une deuxième partie, nous nous sommes intéressés aux rôles des thiorédoxines (TRX) dans la MCP végétale. Ces protéines sont présentes chez tous les organismes vivants. Elles régulent les activités de beaucoup d'enzymes en réduisant leurs ponts disulfures. Peu représentées chez l'homme (deux gènes), elles ont néanmoins un rôle de protection dans la voie de signalisation de l'apoptose. Par contre, chez Arabidopsis, une vingtaine de gènes codant pour les thiorédoxines sont connus. Suite à un autre crible aux UV-C d'une banque de mutants d'insertion, un nouveau mutant pour lequel l'insertion de l'ADN-T était dans le promoteur du gène codant pour la thiorédoxine f1 (AtTRX f1) a été identifié. Chez Arabidopsis, deux gènes codent pour les TRX f. Ces protéines ont d’abord été étudiées en tant que régulateur d’enzymes du cycle de Calvin. Plus récemment, d’autres fonctions ont été attribuées, surtout à la TRX f1. Nous avons obtenu de simples mutants pour les deux gènes et produit par croisement des doubles mutants, pour étudier l'implication des TRX f dans la MCP végétale induite par les UV-C (ultraviolets de type C), le MV (methyl viologen) et l'ABA (acide abscissique). En parallèle, des surexpresseurs de la TRX f1 ont été analysés pour ces mêmes stress abiotiques. L'objectif était de déterminer s'il y a une redondance de fonction entre les deux gènes, puisque ces deux protéines, de la même sous-famille, sont localisées au niveau des chloroplastes. Suite à une induction de la MCP par l'un des stress abiotiques, les réponses observées chez les simples mutants sont similaires à celles des plantes sauvages. Par contre, les doubles mutants paraissent plus résistants aux divers stress, alors que les surexpresseurs semblent nettement plus sensibles que les plantes sauvages. Enfin, un dernier axe a été développé sur le rôle des TRX f dans le contrôle des voies de synthèse et de dégradation de l'amidon pour l'ensemble des plantes de notre essai. Il s'avère que les surexpresseurs produisent une plus grande quantité d'amidon que les plantes sauvages. À l'opposé, les simples mutants ont moins d'amidon au niveau des différents tissus étudiés que les plantes sauvages, et les doubles mutants n'en présentent quasiment pas. La présence d'une quantité plus importante d'amidon chez les surexpresseurs de TRX f influence la sensibilité de ces plantes aux stress abiotiques. À l'inverse, les doubles mutants sont plus résitants à ces mêmes stress, où cette quantité d'amidon est fortement diminuée pour ces plantes.

Une meilleure compréhension de la physiologie de la semence des céréales constitue certainement un moyen pour améliorer et développer de nouvelles variétés capables de correspondre aux besoins économiques et écologiques du moment. Les rédoxines constituent des marqueurs intéressants pour appréhender la qualité technologique et germinative du grain de blé en particulier. Le criblage des banques de données a permis d’isoler des isoformes de ces rédoxines. Cette étude a confirmé l’implication des thiorédoxines dans la réduction des protéines de réserve du blé et de maïs. Elle a permis de mettre en évidence un autre rôle de certains isoformes de thiorédoxines h dans la formation de polymères de hauts poids moléculaires. L'inhibition de l’expression de gènes par interférence ADN montre que les thiorédoxines et les glutarédoxines sont impliquées dans la protection contre le stress oxydatif chez le blé. De même, l'application d’un stress biotique simulé par la laminarine a permis de discriminer l'implication de différents marqueurs du stress, et de montrer en particulier que la 1-Cys-Prx peut être considérée comme un indicateur de l'état redox du grain pendant la germination. La mise en place d’une méthode simple et efficace de transformation des céréales via Agrobacterium, constitue un moyen pour comprendre davantage le rôle de ces rédoxines dans la gestion des stress, et les éventuelles conséquences sur la qualité technologique du grain. / A better understanding of the physiology of seed cereal constitutes certainly a means to improve and develop new varieties capable of corresponding to the actual economic and ecological needs. Redoxins are interesting markers to apprehend the technological and germinative quality of wheat seed in particular. The screening of data banks allowed isolating isoforms of these redoxins. This study confirmed the implication of thioredoxins in the reduction of storage proteins in wheat and corn seeds. It allowed to bring to light another role of some thioredoxins h isoforms in the formation of high molecular weights polymers. The inhibition of the expression of genes by DNA interference shows that thioredoxins and glutaredoxins are involved in the protection against oxidative stress in wheat. Also, the application of a biotic stress simulated by laminarin allowed to discriminate the implication of various stress markers, and to highlight in particular that the 1-Cys-Prx can be considered as an indicator of the redox state of the grain during germination and seedling. The implementation of a simple and effective method of transformation of cereal via Agrobacterium constitutes a means to understand more on the role of these redoxins in the management of the stress, and the possible consequences on the technological quality of the seed.

Les thiorédoxines (TRX) sont des protéines ubiquistes à activité d’oxydoréductase de ponts disulfure de protéines dites « cibles ». Le génome d’Arabidopsis thaliana code une vingtaine de TRX canoniques dont 10 (divisées en 5 types : f, m, x, y et z) sont localisées dans les plastes. Les TRX f sont connues depuis plus de trente ans pour être des régulateurs centraux du métabolisme photosynthétique, mais les approches expérimentales récentes (protéomique, génétique inverse.) indiquent que ces protéines interviennent dans des métabolismes non photosynthétiques variés, notamment le cycle oxydatif des pentoses phosphate (COPP). Ce travail a consisté à analyser in vitro la capacité des TRX plastidiales à réguler les déshydrogénases du COPP qui assurent la majorité de la production de pouvoir réducteur (sous forme de NADPH) dans des conditions non-photosynthétiques. Les résultats obtenus ont été validés dans un système ferrédoxine/TRX reconstitué et ont permis de proposer un modèle de régulation stricte par certaines TRX de la glucose-6-phosphate déshydrogénase chloroplastique G6PDH1 où la TRX f assure la coordination des cycles réductif (cycle de Calvin) et oxydatif des pentoses phosphate. Des approches biochimiques et biophysiques ont permis de mettre en évidence plusieurs modifications de propriétés catalytiques et structurales faisant suite à la régulation redox de G6PDH1 et d’aborder les déterminants des spécificités de régulations. Ce travail in vitro a été complété par une caractérisation in vivo (basée sur l’utilisation de mutants perte de fonction) de l’importance des TRX y dans le contrôle de l’activité G6PDH racinaire, et les processus de germination. Les résultats obtenus suggèrent que, dans les graines, ce type de TRX interviendrait dans les processus de levée de dormance et de vieillissement via son interconnexion avec les mécanismes de détoxication des formes actives de l’oxygène. / Thioredoxins are ubiquitous thiol-disulfide oxidoreductases on target proteins. In Arabidopsis, many TRX isoforms are found, especially in plastids where 10 isoforms are found and subdivided into five types (f, m, x, y and z type).The f-type TRX is known for decades as a regulator of photosynthetic metabolism, but proteomics and genetics indicate that these proteins might regulate many non photosynthetic metabolic pathways, such as the oxidative pentose phosphate pathway (OPPP).In this work, I have examined in vitro the redox regulation of OPPP dehydrogenases by plastidial TRX, the OPPP being a major source of reducing power (as NADPH) in non-photosynthesizing conditions. Biochemical studies were reproduced in a reconstituted ferredoxin / TRX system, allowing to propose a new function for f-type TRX isoforms co-ordinating both reductive (Calvin cycle) and oxidative pentose phosphate pathways. Biochemical and biophysical approaches revealed several modifications of catalytic and structural properties accompanying the redox regulation of G6PDH1, the first dehydrogenase of the OPPP.In vivo studies, using reverse genetics were developed, to analyse the possible role of y-type TRX in the control of root G6PDH activity and germination physiology. Seeds of y-type TRX mutants display an altered behaviour in dormancy and aging. The possible role of y-type TRX in the control of seed germination through their antioxidant function is discussed.