Le cancer épithélial de l’ovaire (CEO) est la forme de cancer gynécologique la plus létale. Ainsi, la compréhension des changements moléculaires associés à ce cancer métastatique ovarien peut mener à l’identification de nouvelles cibles thérapeutiques essentielles. La glycosylation, une modification post-traductionnelle, joue un rôle important dans de nombreuses fonctions cellulaires. Cette glycosylation participe à des événements physiopathologiques majeurs durant la progression tumorale. De plus, il a été prouvé que l’expression aberrante des structures glycanes interfère avec des mécanismes cellulaires comme l’adhésion, la migration et la prolifération des cellules. Dans ce contexte, notre laboratoire a récemment montré que le gène codant pour la protéine N-acétylgalactosaminyltransférase 3 (GALNT3), membre de la famille des GalNAcTransférases (GalNAc-Ts), est hypométhylé et que la protéine GALNT3 est plus fortement exprimée dans les tumeurs CEO dont la sévérité est de grade élevé (“high-grade (HG) serous”), en comparaison avec des tumeurs à potentiel malin faible (“low malignant potential (LMP) ”) et des tissus ovariens normaux. Ces observations indiquent un fort potentiel oncogénique pour le gène GALNT3 dans les stades avancés du CEO. Ces premières constatations suggèrent également que la surexpression de GALNT3 peut jouer un rôle important dans la tumorigenèse du CEO en augmentant sa dissémination via une O-glycosylation de type mucine aberrante. Ces glycosylations anormales peuvent donc être impliquées dans la carcinogenèse ovarienne et nécessitent une étude approfondie. Dans ce projet de recherche, nous proposons d’approfondir les observations déjà obtenues in vitro en utilisant un modèle in vivo chez la souris, afin d’élucider le rôle fonctionnel de la GALNT3 et d’autres membres de cette famille dans la progression du CEO. A partir d’une étude de glycoprotéomique indépendante de la masse, qui a permis d’identifier des glycopeptides intacts ou métaboliquement marqués, ce projet de recherche a rendu possible la définition précise du rôle de GALNT3 dans la O-glycosylation des cibles de type mucine au sein des cellules CEO. Ainsi, via une recherche ciblée dans la base de données « SwissProt » du protéome humain, nous avons trouvé plusieurs centaines de glycoprotéines et glycopeptides uniques, différemment exprimés dans les clones cellulaires dépourvus en iv GALNT3 KD. Par la suite, nous avons identifié les gènes codant pour ces glycoprotéines et glycopeptides. Nous avons notamment trouvé, parmi la liste, un groupe de gènes impliqués dans le métabolisme cellulaire dont les modifications post-traductionnelles sont, de manière intéressante, principalement supprimées dans les clones GALNT3 KD. De plus, nous nous sommes intéressés aux autres membres de la famille des GalNAc-Ts dans le CEO et nous avons montré que de multiples membres et pas uniquement GALNT3 peuvent jouer un rôle important dans la dissémination et la progression du CEO. De plus, une découverte très intéressante fut la redondance possible des rôles joués par certains membres de la famille des GalNAc-Ts dans le CEO. Ainsi, nous avons identifié GALNT6 qui serait, à l’image de GALNT3, impliquée dans la dissémination et la progression du CEO. Cette implication du GALNT6 est supportée par le fait que cette protéine a les mêmes fonctions que GALNT3, suggérant un effet compensatoire de GALNT6 en absence de GALNT3. Pour tester cette hypothèse, nous avons abolie l’expression des deux protéines GALNT3 et GALNT6, in vivo, et nous avons observé une effet significatif sur la formation des tumeurs et la survie des animaux. Pour la suite de ce projet, nous proposons d’analyser la structure glycane des différentes glycoprotéines identifiées dans les cellules cancéreuses, afin de déterminer les altérations des modifications O-glycanes suite à la perte d’expression de GALNT3 et d’autres membres de la famille des GalNAc-Ts. En conclusion, notre étude contribue à comprendre la participation du glycoprotéome dans la tumorigenèse du CEO et à identifier d’autres cibles de type mucine ou des O-glycoprotéines dont l’expression aberrante serait modulée dans le CEO. Ainsi, pris dans son ensemble, ce projet de recherche montre la possibilité de discriminer entre des cellules cancéreuses et des cellules contrôles via les glycosylations de leurs protéines et permet d’entrevoir la glycobiologie comme une voie prometteuse pour l’identifier de nouveaux biomarqueurs pour le diagnostic du CEO. / Epithelial ovarian cancer (EOC) is the most lethal gynecologic malignancy, thus understanding the molecular changes associated with ovarian cancer metastasis could lead to the identification of essential therapeutic targets. Glycosylation is a post-translational modification (PTM) of proteins playing a major role in various cell properties. Glycosylation participates in major pathophysiology events during tumor progressions, and the aberrant expression of glycan structures was shown to interfere with cell properties such as cell adhesion, migration, and proliferation. The lab has previously identified the polypeptide N-acetylgalactosaminyltransferase 3 (GALNT3) gene, a member of the GalNAc-Transferases (GalNAc-Ts) gene family, as hypomethylated and overexpressed in high-grade (HG) serous EOC tumors, compared to low malignant potential (LMP) EOC tumors and normal ovarian tissues. Taken together, the data obtained were indicative of a strong oncogenic potential of the GALNT3 gene in advanced EOC and suggest that GALNT3 overexpression might contribute to EOC dissemination through aberrant mucin O-glycosylation, thus specifying some of the putative mechanisms of abnormal glycosylation implicated in ovarian carcinogenesis, which warrant further investigation. The current research project focused on expanding the in vitro observations obtained by using animal models to investigate in vivo the functional significance of GALNT3 and other close members of the GalNAc-Ts gene family in serous EOC progression. Moreover, by applying a mass-independent chemical glycoproteomics platform to characterize intact, metabolically labeled glycopeptides, this project more profoundly characterized the role of GALNT3 in aberrant O-glycosylation of mucin-like targets in EOC cells. Isotopically recorded ions were searched against the Swiss-Prot human proteome; and data obtained were indicative of hundreds of unique glycoproteins and glycopeptides that were differentially expressed upon GALNT3 KD. Related gene groups were identified, and interestingly, genes implicated in mechanisms of cellular metabolic functions, and PTMs were found to be predominantly suppressed in GALNT3 KD clones. In accordance, we also investigated the role of other members of the GalNAc-T family in EOC and we showed that multiple members and not only GALNT3 can play an important role in EOC cancer dissemination and progression. One very interesting finding was the redundant role some members of the GalNAc-T family members play in EOC. We investigated the compensatory functions of GALNT3 and GALNT6, and we were able to demonstrate these two genes can impose that synthetic backup. Furthermore, we found that and their ablation can affect animal survival and tumor formation as observed both in vivo and in vitro. In continuation of this work, this project will focus on analyzing the glycan structures of those differentially expressed glycoproteins, to further examine the specific O-glycans alterations associated with the GALNT3 and other members of the GalNAc-Ts upon gene knockout (KO). Fully elaborated glycopeptides can reveal structural details of the glycoproteome, thus our results could give important information on the glycome in EOC cells, and the identification of other O-glycoproteins/mucin-like targets whose aberrant expression may be modulated by these in EOC. Taken together, the ability to mark differences in the glycosylation of proteins between cancer cells and control cells can emphasize glycobiology as a promising field for potential biomarker identification.

Phanerochaete chrysosporium est un champignon modèle étudié en particulier pour ses capacités ligninolytiques et son aptitude à dégrader un grand nombre de polymères aromatiques toxiques dérivés notamment des hydrocarbures polycycliques. Durant ces processus de dégradation, une multitude de composés hautement réactifs et toxiques pour les cellules vont dans un premier temps être générés puis dégradés ou excrétés hors de la cellule. Le séquençage complet du génome de P. chrysosporium a permis d'identifier plusieurs superfamilles d'enzymes impliquées dans les mécanismes de tolérance à ces composés toxiques. Parmi elles, les glutathion transférases sont présentes au sein de tous les règnes du vivant et constituent une superfamille multigénique jouant un rôle dans la protection cellulaire, le métabolisme secondaire et la détoxication. Cependant, en dépit de nombreuses études réalisées en particulier chez les vertébrés, le rôle joué par ces enzymes dans la détoxication des dérivés aromatiques toxiques est encore inconnu chez les basidiomycètes. L'analyse comparative des séquences de GST présentes au sein des différents règnes du vivant révèle que les GST fongiques ont évolué différemment de leurs orthologues, notamment via l'extension de sous-classes très peu représentées chez les vertébrés. Parmi elles, les GST à cystéine catalytique représentent 30 % de cette superfamille d'enzymes chez P. chrysosporium. Trois isoformes fongiques ainsi qu'une protéine orthologue exprimée chez une bactérie lignivore ont été caractérisées in vitro tant au niveau biochimique que structural. Ces enzymes sont impliquées dans la déglutathionylation d'une grande variété de molécules électrophiles potentiellement toxiques et issues notamment de la dégradation de polymères aromatiques halogénés. La recherche de substrats a permis d'identifier plusieurs classes fonctionnelles, néanmoins l'activité des quatre isoformes s'effectue via l'attaque directe du conjugué glutathionylé par la cystéine catalytique, qui est dans un deuxième temps régénérée par un réducteur. L'analyse comparée prouve également l'existence d'une nouvelle classe structurale et fonctionnelle appelée glutathionyl hydroquinone réductase absente chez les vertébrés. Ces protéines présentent un mode de dimérisation original ainsi que la capacité tout à fait particulière de déglutathionyler les quinones. Ces résultats suggèrent que les champignons ont développé des mécanismes de résistance en réponse à des contraintes environnementales, notamment via l'évolution de familles multigéniques telles que les GST à cystéine catalytique qui sont impliquées dans le métabolisme et la tolérance vis-à-vis d'une grande variété de composés d'origine exogène ou endogène / Phanerochaete chrysosporium is a model fungus well studied for its lignolytic properties towards wood compounds and various toxic aromatic derivatives such as polycyclic aromatic hydrocarbons. These degradation processes lead first to the formation of highly reactive and toxic compounds, which are then catabolized or excreted outside the cell. Genomic data allowed the identification of genes coding for superfamilies of enzymes putatively involved in these tolerance mechanisms. Among them, glutathione transferases are present in all kingdoms and constitute a multigenic superfamily of enzymes involved in cell protection and detoxification. However, although numerous studies have been performed on vertebrate enzymes, the role of these enzymes in the detoxication of toxic aromatic compounds is still unknown in basidiomycetes. The comparative analysis of GST sequences from various kingdoms of life reveals that fungal GSTs have evolved differently from their orthologs, in particular through the expansion of sub-classes poorly represented in vertebrates. Among them, GSTs with a catalytic cysteine represent 30% of this superfamily of enzymes in P. chrysosporium. Three Cys containing fungal isoforms have been characterized at the biochemical and structural levels, including an orthologue from lignolytic bacteria. All these enzymes are involved in deglutathionylation processes using a wide range of aromatic halogenated electrophilic compounds, including potentially toxic derivatives arising from the degradation of halogenated aromatic polymers. This GSTs family can be organized in various functional groups based on their substrate specificities, but still the catalytic process remains the same with the direct attack of the glutathionylated compound by the catalytic cysteine which is then reduced and regenerated. The comparative analysis of three isoforms revealed a new structural and functional class called glutathionyl hydroquinone reductase absent in vertebrates. These proteins exhibit a new mode of dimerization as well as the ability to deglutathionylate quinones. These results suggest that fungi have developed resistance mechanisms in response to environmental stresses, notably through the evolution of multigenic families such as catalytic cysteine bearing GSTs which are likely involved in the metabolism and tolerance towards a wide range of exogenous or endogenous compounds

La résistance bactérienne aux antibiotiques est un problème majeur de santé publique. Un moyen de la combattre est de viser des cibles non encore exploitées pour retarder l’apparition de la résistance. Dans ce contexte, nous avons entrepris la caractérisation sur les plans biochimique et structural de l’enzyme MraY, une protéine intégrale de membrane, membre d’une famille de transférases membranaires. MraY catalyse la première étape membranaire de la biosynthèse du peptidoglycane bactérien à savoir, le transfert du motif N-acétylmuramoyl-pentapeptide du précurseur cytoplasmique UDP-MurNAc-pentapeptide sur le transporteur membranaire, l’undécaprényl-phosphate aboutissant à la formation du lipide I. Aucune structure 3D de cette enzyme n’est disponible actuellement et aucun antibiotique en utilisation clinique ne la cible. D’une part nous avons entrepris la caractérisation structurale de cette enzyme par des approches de biophysique. Des essais de cristallisation 2D dans des systèmes membranaires ont permis d’observer au microscope électronique des dimères de MraY (taille de 70Å/50Å). Des expériences de diffusion des rayons X (SAXS) montrent un rayon de giration d’environ 42Å. Les résultats issus des expériences de SAXS ont été combinés à des approches de modélisation afin déterminer l’état d’oligomérisation de cette protéine en présence de détergents. Enfin, en vue de faciliter la cristallogenèse 3D, des chimères de MraY en fusion avec des protéines hydrosolubles de structure 3D résolues (mCherry et GFP) ont été construites. Des essais de cristallisation de la protéine seule et des chimères construites ont été effectués.D’autre part, nous avons élucidé le mécanisme catalytique de l’enzyme MraY et de son paralogue WecA. Au cours de ma thèse, j’ai pu montrer que cette famille de transférase membranaire présente un mécanisme catalytique commun qui procède en une seule étape par attaque directe d’un oxyanion du substrat lipidique, préalablement déprotoné par un résidu aspartate invariant, sur le phophate Beta du substrat nucléotidique. Cela conduit à la formation du produit lipidique et libération de l’UMP. / The growing emergence of multiresistance of pathogenic bacteria to currently used antibiotics is a major public health problem that requires the development of new therapeutic compounds and the identification and exploitation of novel targets. In this context, we undertook the biochemical and structural characterization of MraY enzyme, an integral membrane protein, member of the polyprenyl-phosphate N-acetylhexosamine 1-phosphate transferase superfamily. The MraY transferase catalyzes the first membrane step of bacterial cell wall peptidoglycan biosynthesis, namely the transfer of the N-acetylmuramoyl-pentapeptide moiety of the cytoplasmic precursor UDP-MurNAc-pentapeptide to the membrane transporter undecaprenyl phosphate, yielding C55-PP-MurNAc-pentapeptide (lipid I). To date, no crystal structure has been reported for this enzyme. On the one hand we have undertaken the structural characterization of this enzyme by differents biophysical approaches. Electron microscopic images after two-dimensional crystallization of the protein displayed a dimeric organisation of the MraY enzyme (size 70Å/50Å). Small X-ray scattering (SAXS) experiments have shown a radius of gyration of about 42A. The results of SAXS experiments were combined with modeling approaches to determine the oligomerization state of the protein in the presence of detergents. Finally, in order to facilitate 3D crystallisation of MraY, fusion proteins of MraY and mCherry/GFP were constructed. Crystallization trials of MraY alone and the constructed chimeras were made. On the other hand, we have elucidated the catalytic mechanism of the MraY transferase and its paralog WecA. In this study, we have shown that this family of membrane transferases has a common catalytic mechanism that proceeds by a single step displacement. During this “one-step” mechanism, the oxyanion of the poly-prenyl phosphate attacks the β phosphate of the nucleotide substrate, leading to the formation of lipid product and the liberation of UMP.

Les champignons saprophytes sont les acteurs principaux du recyclage de la matière organique morte au sein des écosystèmes forestiers. Ces microorganismes possèdent la capacité unique de dégrader la totalité des polymères constitutifs du bois. L'analyse de la structuration des communautés durant les stades initiaux de la colonisation du bois par séquençage à haut débit a révélé que celui-ci influence la distribution et la dynamique des communautés qui lui sont associées. A l'échelle de l'organisme, les différents groupes écologiques de champignons décomposeurs du bois possèdent des systèmes de dégradation extracellulaires reflétant cette complexité chimique. Le séquençage du génome d'un grand nombre de ces organismes a permis l'identification de superfamilles d'enzymes impliquées dans les mécanismes de résistance et de détoxication des composés toxiques exogènes. Parmi elles, la superfamille des glutathion transférases présente une extension de classes spécifiques au sein des champignons décomposeurs du bois. La détermination des propriétés biochimiques et structurales d'une isoforme, issue d'une de ces classes spécifique (les Etherase-like), présente chez Phanerochaete chrysosporium a révélé des caractéristiques particulières. Cette enzyme possède un mode de dimérisation atypique ainsi que la capacité à séquestrer des composés phénoliques toxiques via une propriété ligandine unique. La comparaison des propriétés de plusieurs isoformes de cette classe d'enzymes appartenant aux champignons C. cinereus et P. chrysosporium a démontré que celle-ci exhibe une grande versatilité intra- et interspécifique, de leurs activités enzymatiques et de leur propriété ligandine / Saprophytic fungi are key players of dead organic matter recycling in forest ecosystems. These microorganisms possess the unique ability to degrade the integrality of wood constitutive polymers by secretion of complex oxydative and hydrolytic enzymatic systems. Communities structuration analysis during the initial stages of wood colonisation by high throughput sequencing revealed that the latter beyond being a source of nutrients, influences the distribution and dynamic of communities by its broad chemical variability. At the organism level, the different ecological groups of wood decomposing fungi possess extracellular degradation systems reflecting this chemical complexity. Genome sequencing of these organisms allowed the identification of enzymes superfamilies involved in resistance and detoxification mechanisms towards exogenous toxic compounds. Among them, the glutathione transferases superfamily exhibit extension of specific classes in wood decaying basidiomycetes. Biochemical and structural properties determination of one isoform belonging to one of these specific classes (the Etherase-like), found in Phanerochaete chrysosporium revealed unusual characteristics. This enzyme possesses an atypical dimerization mode as well as the ability to sequestrate toxic phenolic compounds resulting from wood degradation through a unique ligandin property. Properties comparison of several isoforms from this class belonging to C. cinereus and P.chrysosporium demonstrated a huge intra- and interspecific versatility of their enzymatics activities and ligandin property in response to environmental constraints arising from the great chemical heterogeneity of wood composition

Phanerochaete chrysosporium est un champignon forestier faisant partie des organismes saprophytes capables de recycler la matière organique morte. Grâce à l'excrétion de nombreuses enzymes de dégradation, en particulier des lignine peroxydases, il est capable de décomposer la matière végétale dont la lignine, un polymère complexe de composés phénoliques très résistant. L'élimination de la lignine permet la libération des autres composants du bois tels que la cellulose et l'hémicellulose qui peuvent être utilisés dans l'industrie papetière ou pour la production de bioéthanol de deuxième génération. La structure des intermédiaires et produits de dégradation de la lignine est souvent proche de celle denombreux polluants, d'où l'intérêt biotechnologique de P. chrysosporium dans les processus de bioremédiation. Cependant, les systèmes de dégradation engendrent des composés plus ou moins toxiques pour le champignon et contre lesquels il doit faire face. C'est pourquoi il possède un système de détoxication impliquant des enzymes telles que les cytochrome P450 monooxygénases ou encore les glutathion transférases (GST). Les Ure2p forment une classe de GST étendue chez Phanerochaete et d'autres basidiomycètes saprophytes. Leur étude par des approches phylogénétiques, biochimiques, structurales et transcriptomiques a permis de mieux comprendre les mécanismes d'évolution que peut subir une classe d'enzymes potentiellement soumises à une forte pression de sélection / Phanerochaete chrysosporium is a forest fungus being part of saprophytic organisms able to recycle dead organic matter. Thanks to the excretion of numerous wood decaying enzymes, and especially lignin peroxidases, this fungus is able to break down plant material including lignin, a complex polymer of phenolic compounds. Lignin removal allows the release of other wood components such as cellulose and hemicellulose, which can be further used in paper industry or to produce second generation bioethanol. The structure of intermediates and products from lignin decomposition is close to that of numerous pollutants making P. chrysosporium biotechnologically interesting for bioremediation purposes. Moreover, the fungus has to deal with more or less toxic compounds created by degradation mechanisms. It thus presents a detoxification pathway involving enzymes including cytochrome P450 monooxygenases and glutathione transferases (GST). Ure2p enzymes belong to an extended GST class in Phanerochaete genus as well as in other saprophytic basidiomycetes. Their study based on phylogenetic, biochemical, structural and transcriptomic approaches provides a better understanding of evolution mechanisms of a class of enzymes potentially subject to strong selection selection pressure

Les champignons décomposeurs du bois jouent un rôle important dans le cycle du carbone en participant notamment au recyclage de la matière organique. Outre leur aptitude à minéraliser la biomasse lignocellulosique, ces organismes ont la capacité de dégrader des molécules potentiellement toxiques libérées lors de ce processus. Leur système de détoxication comprend différentes familles multigéniques dont les glutathion transférases. Ces enzymes ubiquitaires, sont regroupées en différentes classes dans le règne fongique, certaines d’entre elles étant étendues chez ces champignons. Dans ce contexte, l’objectif principal de cette thèse consistait à appréhender les fonctions des glutathion transférases de la classe Omega (GSTOs) étendue chez Trametes versicolor, un champignon de pourriture blanche. Une approche biochimique et structurale a été menée sur neuf protéines produites de façon recombinante. Dans un premier temps, une caractérisation enzymatique de ces isoformes a été réalisée à l’aide de substrats synthétiques montrant une similarité des propriétés catalytiques. Puis, à partir d’une banque de molécules pures et de mélanges complexes issus de différentes essences forestières, une méthode de screening à haut débit a permis d’identifier des ligands potentiels de ces enzymes. La résolution de la structure tridimensionnelle de trois isoformes a démontré l’état homodimérique de ces protéines et l’implication de deux sites de fixation dans la reconnaissance de ces ligands : le site H (présent dans chaque monomère) et le site L (à l’interface du dimère). Par exemple, l’isoforme TvGSTO3S est capable de fixer dans son site H plusieurs hydroxybenzophénones, mais également un flavonoïde, la dihydrowogonine. Dans ce dernier cas, cette interaction avec un ligand naturel issu d’extraits de bois de merisier a été démontré par une approche de cristallographie d’affinité. D’autre part, des expériences de co-cristallisation ont permis de détecter deux molécules d’un autre flavonoïde, la naringénine, dans le site L de l’isoforme TvGSTO6S. Enfin, une interaction spécifique impliquant les sites H et L de l’isoforme TvGSTO2S a été démontrée avec l’oxyresvératrol. L’analyse structurale a révélé que les deux configurations du stilbène étaient liées à la protéine : la configuration trans dans le site H et la configuration cis dans le site L. Ainsi, malgré une redondance fonctionnelle partielle, ces recherches ont démontré l’existence d’un spectre d’interactions spécifiques pour chaque isoforme testée. Le caractère étendu de la classe Omega indiquerait que ces enzymes seraient impliquées dans l’adaptation du champignon à son environnement. En effet, les ligands identifiés au cours de ces travaux suggèrent que les propriétés « ligandines » des TvGSTOs joueraient un rôle dans la détoxication des produits issus de dégradation du bois / Wood decaying fungi play an important role in the carbon cycle by participating in the recycling of organic matter. In addition to their ability to mineralize lignocellulosic biomass, these organisms have the ability to degrade potentially toxic molecules released during this process. Their detoxification system involves several multigenic families including glutathione transferases. These ubiquitous enzymes are grouped into several classes in the fungal kingdom, some of them are widespread in these fungi. In this context, the main objective of this thesis was to understand the functions of glutathione transferases of the Omega class (GSTOs) extended in Trametes versicolor, a white rot fungus. A biochemical and structural approach was led using nine recombinant proteins. Firstly, enzymatic characterization of these isoforms was performed using synthetic substrates, the obtained results demonstrating a similarity of catalytic properties. Then, using a library of pure molecules and another one of complex mixtures from different forest species, a high throughput screening method was applied to identify potential ligands for these enzymes. The resolution of the three-dimensional structure of three isoforms demonstrated the homodimeric state of these proteins and the involvement of two binding sites in the recognition of these ligands: the H site (present in each monomer) and the L site (at the dimer interface). For example, the isoform TvGSTO3S is able to bind several hydroxybenzophenones in its H site, but also a flavonoid, dihydrowogonin. In this case, this interaction with a natural ligand derived from wild-cherry tree extract was demonstrated by an affinity crystallography approach. On the other hand, co-crystallization experiments detected two molecules of another flavonoid, naringenin, in the L site of the isoform TvGSTO6S. Finally, a specific interaction involving the H and L sites of the isoform TvGSTO2S was demonstrated with oxyresveratrol. Structural analysis revealed that the presence of both configurations of the stilbene in the protein: the trans configuration in the H site and the cis configuration in the L site. Thus, despite partial functional redundancy, this research demonstrated the existence of a specific pattern of interactions for each tested isoform. The expansion of the Omega class could indicate that these enzymes are involved in the adaptation of the fungus in its environment. Indeed, the ligands identified during this work suggest that the "ligandin" properties of TvGSTOs play a role in detoxifying wood degradation products

Plus de 50 % des handicaps neurodéveloppementaux sont dus à une exposition périnatale à des stress toxiques ou oxydants. Comprendre comment le cerveau est protégé au cours du développement périnatal et pourquoi ses mécanismes de défense sont dépassés lorsque l’enfant est soumis à un stress important est donc crucial. La barrière sang – liquide céphalorachidien (LCR), localisée au niveau des plexus choroïdes, présente une capacité de détoxification élevée et pourrait donc avoir un rôle prépondérant dans la protection du cerveau au stade périnatal. Nous avons étudié la capacité de plusieurs enzymes choroïdiennes à protéger l'environnement liquidien cérébral pendant la période postnatale chez le rat, et évalué si leurs activités pouvaient être induites par la voie du nuclear factor erythroid-2-related factor 2 (Nrf2). Le facteur Nrf2 peut en effet moduler l’expression de différents gènes codant pour des enzymes de détoxification. Nous avons montré que les glutathion transférases (Gst) et les glutathion peroxydases (Gpx), intervenant respectivement dans l’inactivation des molécules toxiques et dans la régulation du stress oxydant, présentaient des activités choroïdiennes élevées pendant la période postnatale, et avons caractérisé fonctionnellement leur capacités de neuroprotection. Le traitement des ratons avec du diméthylfumarate (DMF), inducteur de la voie Nrf2, induit la migration nucléaire de Nrf2, augmente l’activité choroïdienne Gst, et réduit de 40 % le passage cérébral de toxiques substrats des Gst. Ces données montrent la capacité neuroprotectrice précoce des plexus choroïdes, et indique qu’elle peut être induite pharmacologiquement / More than 50 % of intellectual or sensory-motor deficits in children are due to perinatal exposure to oxidative stress or toxicants. Understanding brain protection mechanisms during development is crucial to design therapeutic strategies to address these disabilitating disorders. The choroid plexuses, forming an interface between the blood and the cerebrospinal fluid (CSF), have a high detoxifying capacity, suggesting their involvement in neuroprotection. The nuclear factor erythroid-2-related factor 2 (Nrf2) pathway can modulate the expression of several genes encoding for antioxidant proteins and detoxifying enzymes. We studied the ability of several choroidal enzyme families to protect the brain fluid environment during the postnatal period in rat and explored whether this protection can be enhanced by Nrf2 pathway. We focused on glutathione transferases (Gsts), which conjugate toxic compounds to glutathione, and glutathione peroxidases (Gpxs), which detoxify reactive oxygen species. Gst and Gpx specific activities were high during the postnatal period in choroid plexuses compared to the cerebral cortex, and their neuroprotective functions were efficient. The Nrf2 factor is expressed in choroid plexuses during the perinatal period. Treatment of rat pups with Nrf2 activator dimethylfumarate induced Nrf2 nuclear translocation and increased Gst activities in choroid plexus tissues. The dimethylfumarate treatment resulted in a large decrease of the blood-to-CSF permeability of a prototypical Gst substrate. These data substantiate the early neuroprotective functions of choroid plexuses, which can be enhanced upon treatment with clinically used pharmacological compounds

La détoxication est un processus biochimique présent chez tous les organismes biologiques et qui leur permet d’assurer leur survie face aux xénobiotiques provenant de leur environnement. Les glutathion transférases (GST) représentent une large famille d’enzymes participant à la phase II de détoxication en conjuguant le glutathion au composé à éliminer. Par ailleurs, certaines GST ont un rôle non catalytique et assurent la séquestration ou le transport de molécules d’un compartiment cellulaire à un autre. Alors que l’activité catalytique des GST est étudiée depuis plusieurs décades, l’identification précise des molécules physiologiques ciblées par les GST reste un défi. Chez les organismes fongiques dégradeurs de bois, certaines classes de GST se sont multipliées au niveau génomique. Cette redondance serait le reflet de la diversité des molécules chimiques libérées lors de la dégradation du bois. Dans cette thèse, des approches biochimiques et structurales ont été employées pour caractériser onze isoformes de GST du basidiomycète Trametes versicolor. De plus, une approche utilisant des librairies de molécules a permis d’identifier une famille de ligands reconnus par ces GST : les polyphénols. Les modes d’interaction de ces ligands ont été décrits précisément à partir de la résolution de nombreuses structures cristallographiques. L’identification d’un flavonoïde à partir d’un extrait de bois de merisier (Prunus avium), arbre sur lequel croît T. versicolor, a été permise par une approche de cristallographie d’affinité. Ces données suggèrent que les GST d’organismes fongiques saprotrophes pourraient prendre en charge les polyphénols libérés lors de la décomposition du bois / The ubiquitous biochemical process that enables each organism to cope with xenobiotics from its environment and thus ensures its survival is called detoxification. Glutathione transferases (GSTs) form a large family of enzymes divided into several classes. These enzymes participate in the detoxification phase II by conjugating the tripeptide glutathione to the molecule to be eliminated. Moreover, some GSTs are involved in non-catalytic processes such as sequestration or transport of molecules from one cellular compartment to another. Studies dedicated to the catalytic activity of GSTs have been ongoing for decades, yet precise identification of molecules targeted by GSTs remains challenging. In wood-decaying organisms, some of the GST classes have expanded with an increase of the number of isoforms encoded at the genomic level. This redundancy would reflect the diversity of the small molecules released upon wood enzymatic degradation. Through this thesis work, biochemical and structural approaches were used in order to characterize eleven GST isoforms from the saprotrophic fungus Trametes versicolor. In addition, the use of libraries of molecules helped in identifying polyphenols as a family of ligands that bind these GSTs. The molecular interaction modes were described precisely based on the resolution of numerous crystal structures. The identification of a flavonoid from an extract of the wild-cherry tree (Prunus avium) on which T. versicolor grows, was enabled by using an affinity crystallography approach. These data suggest that fungal GSTs could interact with plant polyphenols released during wood degradation

Les glutathion transférases (GSTs) constituent une superfamille ubiquitaire d’enzymes multifonctionnelles impliquées dans les processus de détoxication cellulaire en métabolisant des substrats exogènes appelés xénobiotiques et dans le métabolisme secondaire. Pour cela, ces enzymes peuvent catalyser la conjugaison d’une molécule de glutathion (GSH) sur les composés ciblés ou simplement les lier au travers d’une fonction ligandine. Alors que la fonction de conjugaison est catalysée par les GSTs possédant une sérine ou une tyrosine comme résidu catalytique, certaines d’entre elles possèdent à la place une cystéine. Cette substitution change radicalement leurs propriétés puisque les GSTs à cystéine (Cys-GSTs) catalysent plutôt des réactions de déglutathionylation. Les Cys-GSTs sont retrouvées chez la plupart des organismes et sont réparties en plusieurs classes. Chez les plantes, on trouve principalement 4 classes : déshydroascorbate réductases (DHARs), GSTs Lambda (GSTLs), glutathionyl hydroquinone réductases (GHRs) et mPGES2 (microsomal prostaglandine E-synthase type 2). Alors que le rôle des DHARs semble clairement associé à la réduction du déshydroascorbate en ascorbate, la fonction physiologique des autres Cys-GSTs reste majoritairement inconnue. En combinant des approches moléculaires, cellulaires, biochimiques et structurales, l’analyse fonctionnelle des deux GHRs, des trois GSTLs et des trois DHARs chez l’arbre modèle Populus trichocarpa a été entreprise. De façon intéressante, les gènes GSTL et GHR sont majoritairement exprimés dans les fleurs, les fruits et les pétioles par rapport aux feuilles et aux racines. A l’inverse, les gènes DHAR sont principalement exprimés dans les feuilles. De plus, l’expression transitoire de protéines fusionnées à la GFP dans le tabac a montré que les GSTLs et les DHARs sont localisées dans les plastes, le cytoplasme et le noyau alors que les GHRs sont toutes plastidiales. Les études biochimiques et structurales effectuées à l’aide des protéines recombinantes et de substrats modèles ont montré que la plupart des Cys-GSTs possèdent des activités et des structures assez semblables. Cependant, bien que les GSTLs et les DHARs adoptent un repliement GST canonique classique proche de celui des GSTs Oméga fongiques et humaines, elles sont monomériques alors que les GSTs Oméga sont dimériques. Les GHRs sont particulières tant au niveau de leur interface de dimérisation unique qu’au niveau de leurs propriétés spécifiques de réduction de quinones glutathionylées. En résumé, la nature des substrats fixés par les Cys-GSTs (composés cycliques aromatiques) ainsi que les territoires d’expression de ces gènes et protéines suggèrent que ces protéines sont globalement impliquées dans la protection des plantes face aux contraintes environnementales via la modification, le stockage et/ou le transport de métabolites secondaires et autres composés antioxydants. Toutefois, l’objectif suivant sera de déterminer la nature exacte des substrats/ligands associés à chaque enzyme / Glutathione transferases (GSTs) constitute a ubiquitous superfamily of multifunctional enzymes involved in cellular detoxification processes by metabolizing exogenous substrates called xenobiotics and in secondary metabolism. For this purpose, these enzymes catalyze the conjugation of a glutathione molecule (GSH) onto target compounds or simply bind them through a ligandin function. While conjugation reactions are catalyzed by GSTs having a serine or a tyrosine as catalytic residues, other GSTs possess a cysteine. This substitution radically changes their properties since GSTs having a cysteine (Cys-GSTs) rather catalyze deglutathionylation reactions. Cys-GSTs are found in most organisms and are divided into several classes. In plants, there are mainly four classes: dehydroascorbate reductases (DHARs), Lambda GSTs (GSTLs), glutathionyl hydroquinone reductases (GHRs), and microsomal prostaglandin E-synthase type 2 (mPGES). While the role of DHARs seems clearly associated to the reduction of dehydroascorbate into ascorbate, the physiological function of other Cys-GSTs remains largely unknown. By combining molecular, cellular, biochemical and structural approaches, the functional analysis of the two GHRs, the three GSTLs and the three DHARs in the model tree Populus trichocarpa was undertaken. Interestingly, GSTL and GHR genes are predominantly expressed in flowers, fruits and petioles compared to leaves and roots. Conversely, the DHAR genes are mainly expressed in leaves. Furthermore, transient expression of proteins fused to GFP in tobacco showed that GSTLs and DHARs are localized in plastids, cytoplasm and nucleus while GHRs are all localized in plastids. Biochemical and structural studies using recombinant proteins and model substrates showed that most Cys-GSTs have similar activities and structures. However, although GSTLs and DHARs adopt a canonical GST folding similar to that of fungal and human Omega GSTs, they are monomeric whereas Omega GSTs are dimeric. GHRs are particular owing to their unique dimerization interface and to their specific capacity to reduce glutathionylated quinones. In summary, the nature of the substrates bound by Cys-GSTs (heterocyclic aromatic compounds) as well as the expression territories of these genes and proteins, suggest that they are generally involved in the protection of plants towards environmental constraints through the modification, storage and/or transport of secondary metabolites and other antioxidants. However, the next goal will be to determine the exact nature of the substrates/ligands associated with each enzyme