abstract: This project was completed to understand the evolution of the ability to digest wood in termite symbiotic protists. Lower termites harbor bacterial and protist symbionts which are essential to the termite ability to use wood as a nutritional source, producing glycoside hydrolases to break down the polysaccharides found in lignocellulose. Yet, only a few molecular studies have been done to confirm the protist species responsible for particular enzymes. By mining publicly available and newly generated genomic and transcriptomic data, including three transcriptomes from isolated protist cells, I identify over 200 new glycoside hydrolase sequences and compute the phylogenies of eight glycoside hydrolase families (GHFs) reported to be expressed by termite hindgut protists. Of those families examined, the results are broadly consistent with Todaka et al. 2010, though none of the GHFs found were expressed in both termite-associated protist and non-termite-associated protist transcriptome data. This suggests that, rather than being inherited from their free-living protist ancestors, GHF genes were acquired by termite protists while within the termite gut, potentially via lateral gene transfer (LGT). For example one family, GHF10, implies a single acquisition of a bacterial xylanase into termite protists. The phylogenies from GHF5 and GHF11 each imply two distinct acquisitions in termite protist ancestors, each from bacteria. In eukaryote-dominated GHFs, GHF7 and GHF45, there are three apparent acquisitions by termite protists. Meanwhile, it appears prior reports of GHF62 in the termite gut may have been misidentified GHF43 sequences. GHF43 was the only GHF found to contain sequences from the protists not found in the termite gut. These findings generally all support the possibility termite-associated protists adapted to a lignocellulosic diet after colonization of the termite hindgut. Nonetheless, the poor resolution of GHF phylogeny and limited termite and protist sampling constrain interpretation. / Dissertation/Thesis / Masters Thesis Biological Design 2019

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(農学) / 甲第19754号 / 農博第2150号 / 新制||農||1038(附属図書館) / 学位論文||H28||N4970(農学部図書室) / 32790 / 京都大学大学院農学研究科食品生物科学専攻 / (主査)教授 安達 修二, 教授 入江 一浩, 教授 保川 清 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Agricultural Science / Kyoto University / DFAM

<p> AlkA is a monofunctional DNA glycosylase from E.coli. This enzyme catalyzes the hydrolysis of the N-glycosidic bond, initiating the first step in the base excision repair pathway. This activity is crucial to the maintenance of the genetic code, as the persistence of DNA aberrations can have significant cellular consequences including mutation, and inhibition of DNA replication and transcription. This enzyme has a broad substrate specificity catalyzing the excision of various lesions (including alkylation, oxidation and deamination products) from DNA. While biochemical and structural studies have been carried out on AlkA; how this enzyme is able to recognize and excise a variety of structurally diverse lesions from DNA and the mechanism by which this excision occurs remains unknown. In this study we have shown that a stem-loop DNA structure containing a hypoxanthine bulge is an optimal substrate for TS analysis of AlkA-catalyzed N-glycoside hydrolysis. In addition, we have developed methods to synthesize radiolabeled deoxyinosine triphosphate (diTP) and incorporate this radiolabeled nucleotide into the stem-loop DNA structure. We have developed a facile method of purification for his-tagged AlkA and his-tagged AlkA containing a TEV protease recognition site (for removal of the his-tag), and have shown that these proteins display an activity similar to that of wild-type AlkA. The [1'-3H] KIE was measured using liquid scintillation in a proof-of-principle experiment. The observed value of 1.046 is indicative of either a relatively synchronous ANDN (SN2) TS or an early DN*AN (SN1) TS with oxacarbenium ion character in the sugar ring, but significant bond order to the leaving group base still remaining. Future work involves repeat measurements of the [1 '-3H] KIE to validate the accuracy of the measurement observed here, examination of commitment to catalysis and optimization of the hypoxanthine bulge substrate synthesis. Analysis of KIEs at additional sites on the hypoxanthine base and sugar ring will contribute to TS analysis of AlkA-catalyzed N-glycoside hydrolysis and help elucidate the mechanism of hydrolysis. </p> / Thesis / Master of Science (MSc)

No / Various saponins, plant glycosides with favorable anti-tumorigenic properties, have been used to inhibit tumor cell growth by cell cycle arrest and apoptosis with IC50 values of up to 0.2 μM. We describe several groups of saponins (dioscins, saikosaponins, julibrosides, soy saponins, ginseng saponins and avicins) currently investigated for their use in tumor therapy. We focus on cellular and systemic mechanisms of tumor cell growth inhibition both in vitro and in vivo, combinational approaches with saponins and conventional tumor treatment strategies, and successful syntheses of saponins. The increasing interest in saponins for tumor therapy is very promising for the future development of sophisticated anti-cancer drugs.

La paroi végétale est une structure complexe composée principalement de polysaccharides (cellulose, hémicellulose et pectine), de lignine et de protéines. Elle est impliquée dans de nombreuses fonctions essentielles à la vie de la cellule végétale. De plus, les constituants de cette paroi, que sont les polysaccharides et la lignine, représentent la plus grande source de carbone renouvelable de la planète. Ceci en fait des cibles de choix notamment pour la production d'énergies « vertes ». Toutefois, l'utilisation des polysaccharides tels que les hémicelluloses constituant la paroi végétale reste, à l'heure actuelle, limitée du fait de la difficulté à les dégrader. Ces dernières années, un effort important a été mis en œuvre pour identifier et caractériser de nouvelles enzymes, telles que les glycosides hydrolases, permettant de dégrader efficacement la biomasse végétale. Dans le but de découvrir de nouvelles enzymes impliquées dans la dégradation de la biomasse végétale, des chercheurs de l'équipe « Catalyse et Ingénierie Moléculaire Enzymatiques » du LISBP ont décidé d'explorer le métagénome d'organismes connus pour dégrader la biomasse végétale. Deux espèces animales ont fait l'objet d'analyses : tout d'abord les termites qui sont considérés comme les champions de la dégradation de la biomasse végétales et souvent comparés à des bioréacteurs, et le ver de terre. Des banques métagénomiques de trois espèces différentes de termites ainsi qu'une banque métagénomique de ver de terre ont ainsi été créées. Dans ces travaux de thèse deux des banques métagénomiques de termites, celle de Nasutitermes corniger et celle de Termes hispaniolae, ont fait l'objet d'une étude afin de comparer le potentiel hémicellulolytique de ces deux espèces. Après sélection de nombreux clones positifs sur substrats chromogéniques de chacune des deux banques, séquençage puis annotation taxonomique et fonctionnelle, un grand nombre d'enzymes et principalement des glycosides hydrolases, a pu être identifié. Les résultats montrent que le métagénome de Nasutitermes corniger présente majoritairement des enzymes à activité endoglycosidase alors que le métagenome de Termes hispaniolae possède plutôt des enzymes à activité exoglycosidase. Toutes les activités trouvées dans chacune des espèces de termite sont en bonne corrélation avec l'alimentation du termite. De plus, nous avons observé que le microbiote intestinal des deux termites ne possèdent pas les mêmes embranchements bactériens majoritaires et nous avons pu voir que le microbiote de Termes hispaniolae est plus diversifié ce qui corrèle aussi avec l'alimentation des deux termites. D'autre part, dans la banque métagénomique du ver de terre, l'annotation fonctionnelle a révélé une enzyme intéressante. Il s'agit d'une enzyme annotée par B. Henrissat (responsable de la base de données CAZy) comme étant une glycoside hydrolase putative mais n'appartenant à aucune des 135 familles de glycosides hydrolases existantes. Cette enzyme putative, appelée GH* présente des similitudes avec les GH de la famille 5 sans pour autant appartenir à cette famille du fait notamment de l'absence du résidu catalytique nucléophile conservé. Une étude structurale et fonctionnelle de GH* a donc été menée. Les expériences ont permis de prouver que GH* est une endo-xylanase ayant une préférence pour les arabinoxylanes et les xylooligosaccharides de degré de polymérisation d'au moins 5 ou 6. La structure tridimensionnelle de GH* à 1,6Å de résolution a été obtenue par cristallographie des rayons X par remplacement moléculaire à l'aide d'une GH5. Cette structure a permis de confirmer l'identité du résidu acide/base identifié par alignement de séquences et d'émettre une hypothèse sur l'identité du résidu nucléophile. Enfin des mutants de GH* pour ces deux résidus ont été obtenus et ont confirmé leur implication dans l'activité de l'enzyme. / Plant cell wall is a complex structure surrounding plant cells mainly composed by polysaccharides (cellulose, hemicellulose and pectin), lignin and proteins. The plant wall maintains and imposes the size and shape of cells. It is also important for exchanges between cells and extra cellular medium. The polysaccharides of this cell wall are the largest renewable carbon source on the earth, which makes them good targets to produce green energies. Because plant cell wall is difficult to degrade, its use for biofuels for is still limited. However, some organisms are able to efficiently degrade this biomass. Exploring the diversity of the living word to discover new effective biocatalysts has grown considerably last years, because of the emergence of metagenomics. In this context and to discover new enzymes involved in the degradation of plant biomass, the team « Catalyse et Ingénierie Moléculaire Enzymatiques » of LISBP decided to explore metagenome of organisms known to degrade plant biomass. Two animal families were chosen for metagenomics analysis, the termite and earthworm. Metagenomics banks of three different species of termite and one metagenomics bank of an earthworm were created. In this thesis project, two of the three metagenomics banks of termites, the one from Nasutitermes corniger and the other one from Termes hispaniolae, were studied to compare the hemicellulolytic potential of these two species. After selection of many positive clones on chromogenic substrates of both banks, sequencing, taxonomic and functional annotations, a large number of enzymes and mainly glycoside hydrolases, could be identified. The results obtained shown that the trends observed during functional screens were maintained. Indeed, it appears that Nasutitermes corniger has a majority of endoglycosidases while Termes hispaniolae has mainly exoglycosidases. Thereby, families of enzymes highlighted allowed correlating their hydrolytic activities with the diet of these species. Furthermore, we observed that the intestinal microbiota of each termite is different. Indeed, both termites do not have the same majority bacterial phyla and the microbiota of Termes hispaniolae is more diverse than the one of Nasutitermes corniger. On the other hand, functional annotation of the metagenomics bank of the earthworm revealed an enzyme annotated as a glycoside hydrolase no belonging to any of the 135 glycoside hydrolase existing families. This enzyme, named GH*, seems to be close to GH5 but does not shown the nucleophilic catalyst residue perfectly conserved in this glycoside hydrolase family. A functional and structural study of GH* was then done. We have shown that GH* is an endo-xylanase which prefers arabinoxylans and xylooligosaccharides having a polymerization degree greater than 5. In addition, we determined the crystal structure of GH* at 1.6Å resolution. This 3D structure has confirmed the presence of the acid/base residue identified by sequence alignment and allowed us to hypothesize about the identity of the nucleophilic residue. Finally, mutants of GH* for these two residues were obtained and confirmed their involvement in the activity of the enzyme. We were able to progress in the understanding of structure/function relationships of this protein.

Les relations entre bactéries intestinales, aliments et hôte jouent un rôle crucial dans lemaintien de la santé humaine. La caractérisation fonctionnelle d’Uhgb_MP, une enzyme dela famille 130 des glycoside hydrolases découverte par métagénomique fonctionnelle, arévélé une nouvelle fonction de dégradation par phosphorolyse des polysaccharides de laparoi végétale et des glycanes de l'hôte tapissant l'épithélium intestinal. Les déterminantsmoléculaires de la spécificité d’Uhgb_MP vis-à-vis des mannosides ont été identifiés grâce àla résolution de sa structure cristallographique, sous forme apo et en complexe avec sesligands. Un nouveau procédé de synthèse par phosphorolyse inverse d'oligosaccharidesmannosylés à haute valeur ajoutée, a aussi été développé. Enfin, la caractérisationfonctionnelle de la protéine BACOVA_03624 issue de Bacteroides ovatus ATCC 8483, unebactérie intestinale hautement prévalente, a révélé que la famille GH130 comprend à la foisdes glycoside-hydrolases et des glycoside-phosphorylases capables de dégrader lesmannosides et les galactosides, et de les synthétiser par phosphorolyse inverse et/outransglycosylation. L’ensemble de ces résultats, ainsi que l’identification d’inhibiteurs desenzymes de la famille GH130, ouvrent de nouvelles perspectives pour l'étude et le contrôledes interactions microbiote-hôte / The interplay between gut bacteria, food and host play a key role in human health. Thefunctional characterization of Uhgb_MP, an enzyme belonging to the family 130 of glycosidehydrolases, discovered by functional metagenomics, revealed novel functions of plant cellwall polysaccharide and host glycan degradation by phosphorolysis. The moleculardeterminants of Uhgb_MP specificity towards mannosides were identified by solving itscrystal structure, in apo form and in complex with its ligands. A new process of high addedvalue mannosylated oligosaccharide synthesis by reverse-phosphorolysis was alsodeveloped. Finally, the functional characterization of the BACOVA_03624 protein fromBacteroides ovatus ATCC 8483, a highly prevalent gut bacterium, revealed that GH130 familyboth contains glycoside phosphorylases and glycoside hydrolases, which are able to degrademannosides and galactosides, and to synthesize them by reverse-phosphorolysis and/ortransglycosylation. All these results, together with the identification of GH130 enzymeinhibitors, open new perspectives for studying, and potentially also for controlling,interactions between host and gut microbes

Les oligosaccharides de chitine (COs) jouent des rôles majeurs chez les plantes. Alors que les COs longs (6-8 unités saccharidiques) sont des éliciteurs c’est-à-dire qu’ils activent leurs mécanismes de défenses vis-à-vis de microorganismes pathogènes, les COs courts (4-5 unités saccharidiques) participeraient à l’établissement de symbioses avec des microorganismes bénéfiques permettant une meilleure assimilation des nutriments du sol. Afin de mieux comprendre comment les plantes discriminent ces signaux moléculaires, il est nécessaire de disposer de molécules pures aux structures chimiques parfaitement contrôlées pour caractériser les récepteurs protéiques mis en jeu. Dans le cadre de cette thèse nous nous sommes intéressés à la synthèse de COs de degré de polymérisation contrôlé et leur modification pour obtenir de nouvelles sondes d’affinité. Pour cela un plan d’expérience a été développé afin d’optimiser la production de COs et plus particulièrement d’oligosaccharides longs par hydrolyse enzymatique de chitine avec une enzyme commerciale, le lysozyme du blanc d’œuf. Par la suite, un nouveau type de sonde d’affinité permettant le marquage spécifique de protéines affines des COs a été mis au point. Nous avons en effet montré pour la première fois que des glycosides de triazinyle peuvent être efficacement utilisés pour introduire un groupe fluorescent sur une protéine interagissant avec l’oligosaccharide sans aucune activation chimique ou physique extérieure. Après avoir démontré la preuve de concept avec des lectines, une sonde d’activité permettant de mesurer l’activité de chitinases par fluorescence et de réaliser leur marquage dans le même temps a été synthétisée. Ces nouveaux outils devraient permettre de progresser dans la caractérisation des récepteurs de COs chez les plantes mais également permettre à terme de découvrir de nouvelles protéines lectines ou enzymes qui interagissent avec les sucres. / Chitinoligosaccharides (COs) play major roles in plants. While long COs (6-8 saccharide units) are elicitors activating plant defense mechanisms against pathogenic microorganisms, short COs (4-5 saccharide units) would participate in the establishment of symbioses with beneficial microorganisms allowing better assimilation of soil nutrients. Identifying the receptors involved in these processes to understand how plants discriminate these signal molecules requires having access to pure molecules with well-defined degrees of polymerization. In this thesis, we focused on the synthesis of well-defined COs and their modification to obtain new affinity probes. For this purpose, a design of experiments was developed in order to optimize the production of COs and more particularly of long ones by enzymatic hydrolysis of chitin with a commercial enzyme, hen egg-white lysozyme. Subsequently, a new type of affinity-based probe allowing the specific labeling of CO-binding proteins has been developed. We have shown for the first time that triazinyl glycosides can be effectively used to introduce a fluorescent group on an oligosaccharide-binding protein without any external chemical or physical activation. After demonstrating the proof of concept with lectins, a fluorescent activity-based probe allowing continuous assay of chitinases and their labeling at the same time was synthesized. These new tools offer exciting perspectives for the characterization of CO receptors in plants as well as for the discovery of new lectins and carbohydrate-active enzymes.

Les acyl stéryl glycosides (ASGs) appartiennent à une famille de glycolipides qui possèdent un caractère amphiphile particulier dû à la présence de deux parties hydrophobes, un stéroïde et une chaine grasse. Dans le cadre de nos études des propriétés d’auto-organisation des glycoamphiphiles, ce travail est dédié à l’étude de deux ASGs, α-CAG et BbGL 1, composés naturels présents respectivement dans les membranes des bactéries Helicobacter pylori et Borrelia burgdorferi., présentant des structures similaires mais des activités biologiques différentes. Notre travail a consisté à déterminer les paramètres structuraux qui gouvernent leurs propriétés d’auto-assemblage. Deux séries de 6-O-acyl cholestéryl glycosides (glucosides et galactosides) variant dans leur configuration anomérique et la longueur et le niveau d’insaturation de leur chaine grasse ont été synthétisées et leur capacité à former des cristaux liquides et à promouvoir une ségrégation lipidique dans des monocouches de Langmuir modèles de membrane ont été étudiées. Les relations structure-propriétés établies montrent que la longueur de la chaine grasse est le paramètre le plus discriminant dans le comportement d’auto-assemblage dans les deux types d’expériences. Pour les cristaux liquides thermotropes, l’autre facteur discriminant est la configuration anomérique, deux phases colonnaires successives rectangulaires puis hexagonales étant observées pour les séries α alors qu’une seule a été observée en séries β Changer de sucre n’induit pas de différence significative dans le comportement LC. Concernant la formation de domaines lipidiques, les modifications de la configuration (α/β) et du sucre influencent significativement leur temps d’apparition, apportant pour la première fois une définition claire des paramètres structuraux et physicochimiques qui gouvernent le comportement de l’α-CAG et ses analogues, en lien avec les données commues sur l’augmentation de pathogénicité d’Helicobacter pylori. Ce travail de thèse donne une illustration de l’importance de la structure des carbohydrates dans les processus biologiques et du concept de glycoamphiphilie. / Acyl steryl glycosides (ASGs) are a family of glycolipids which exhibit a peculiar amphiphilic character based on the presence of two hydrophobic appendages, one steroid moiety and one fatty alkyl chain, attached on a polar carbohydrate backbone. In the frame of our studies on the self-organisation properties of carbohydrate-based amphiphiles, this thesis is an investigation of the behavior of ASGs, in particular α-CAG and BbGL 1, two natural compounds found in bacterial membranes, Helicobacter pylori, Borrelia burgdorferi repectively, who exhibit close structures but different bioactivity. Our work has aimed at determining the key structural parameters governing their self-organization behavior. Two series of acyl cholesteryl glycosides (glucosides or galactosides) have been synthesized, with variations in the anomeric configuration, the 6-O-acyl chain length and level of unsaturation, and investigated with respect to their ability to form liquid crystalline mesophases, and to drive lipid domain segregation in Langmuir monolayers as model membranes. Structure-properties relationships have been established, indicating that the fatty chain length showed the most remarkable influence on the self-organization behavior, in LC and model membrane experiments. For the LC mesophases, the other important parameter is the anomeric configuration, two successive columnar phases, rectangular then hexagonal, being observed for the α-anomers, whereas only one was found for the β-anomers. No significant changes were observed when comparing glucosides and galactosides. With respect the formation of domains, configuration modifications at both C-1 (α or β) and C-4 (gluco or galacto) influenced significantly the domains appearance time, giving the first, clear physicochemical proof of the structural influential factors in the behavior of α-CAG and analogues, in the context of the known increased pathogenicity of Helicobacter pylori. Overall, this thesis provides a nice illustration of the subtlety and the importance of carbohydrate structure in biological processes, and of the concept of glycoamphiphilicity.

Il est reconnu, depuis des années, que la flore intestinale par son équilibre complexe et dynamique joue un rôle essentiel dans la santé humaine. Une des stratégies les plus prometteuses pour la maintenir ou l’améliorer consiste à moduler le microbiome par l’utilisation de bactéries probiotiques ou de sucres prébiotiques. C’est dans ce contexte que s’inscrivent les études structurales et fonctionnelles d’α glucosidases bactériennes développées dans cette thèse. Ces enzymes hydrolysant les liaisons α-(1,4) glucosidiques sont classées, selon la base de données CAZy, dans les familles de glycoside hydrolases (GH) 4, 13, 31, 63, 97 et 122. Ces travaux de thèse, centrés sur trois α-glucosidases issues de Lactobacillus bulgaricus (11842aglu, GH31), Lactococcus lactis (1403aglu, GH13) et Shewanella sp. ANA-3 (SHWaglu, GH97), exposent la mise au point de leurs protocoles de surexpression et de purification. Ils présentent également des études bioinformatiques de 11842aglu et de 1403aglu, ainsi qu’une caractérisation enzymatique préliminaire de cette dernière. Une analyse structurale et fonctionnelle approfondie de SHWaglu a aussi été réalisée. La résolution, par cristallographie aux rayons X, des structures de SHWaglu seule, en complexe avec différents ligands et de mutants, a participé à enrichir les connaissances, jusqu’à présent peu étendues, sur les enzymes de la famille GH97. Ainsi, un motif structural conservé au sein de cette famille a notamment été mis en évidence. Par ailleurs, ces informations structurales combinées aux études enzymatiques ont permis de révéler des déterminants moléculaires de l’activité de cette α-glucosidase et, par conséquent, d’établir les relations structure-fonction-activité de cette enzyme. Ainsi, l’ensemble des données obtenues, couplé à des études d’ingénierie protéique, contribue à ouvrir de nouvelles perspectives industrielles, notamment en suggérant d’optimiser ou de conférer des activités enzymatiques modifiées dans certaines cibles de choix afin de leur faire synthétiser des sucres de type prébiotiques / It is now generally accepted that the gut flora with its complex and dynamic nature plays a vital role in human health. One of the most promising strategies for maintaining or improving health is to modulate the microbiome by the use of probiotics and prebiotics as food supplements. The structure/function/activity relationship studies of bacterial α-glucosidases described in this thesis have been performed within this context. These α-(1,4)-glucosidic bond hydrolyzing enzymes are classified, according to the CAZy database, into glycoside hydrolases families (GH) 4, 13, 31, 63, 97 and 122. This thesis work, has focused on three α-glucosidases from Lactobacillus bulgaricus (11842aglu, GH31), Lactococcus lactis (1403aglu, GH13) and Shewanella sp. ANA-3 (SHWaglu, GH97), and the development of their overexpression and purification protocols. It also presents a bioinformatics studies of 11842aglu and 1403aglu, as well as preliminary enzymatic characterization of the latter. As for SHWaglu, detailed structural and functional studies have been carried out. The crystal structures of SHWaglu in its native state, in complex with different ligands as well as site directed mutants have contributed to increase our knowledge on enzymes from the GH97 family which to date remains relatively limited. Notably, a conserved structural motif in this family has been identified. Overall, the structural- and enzymatic studies and analyses have revealed molecular-and structural determinants governing the activity and broad substrate specificity of this α-glucosidase which is adapted to cold temperatures. Apart from the insight gained from a fundamental research point of view, data described within this work, coupled with protein engineering studies may contribute to open up new industrial perspectives, in particular by suggesting optimized or altered enzyme activities in some attractive enzyme targets with the aim of synthesizing prebiotic compounds

Agarose and porphyran are related galactans that are only found within red marine algae. As such, marine microorganisms have adapted to using these polysaccharides as carbon sources through the acquisition of unique Carbohydrate Active enZymes (CAZymes). A recent metagenome study of the microbiomes from a Japanese human population identified putative CAZymes in several bacterial species, including Bacteroides plebeius that have significant amino acid sequence similarity with those from marine bacteria. Analysis of one potential CAZyme from B. plebeius (BpGH50) is described here. While displaying up to 30% sequence identity with β-agarases, BpGH50 has no detectable agarase activity. Its crystal structure reveals that the topology of the active site is much different than previously characterized agarases, while containing the same core catalytic machinery. It is unclear whether the enzyme has endo- or exo- activity; the large binding ‘groove’ is typical of an endo-acting enzyme, while a loop at one end of the groove may provide a terminal pocket for the substrate, which is suggestive of exo-activity. Furthermore, the enzyme contains a basic pocket that may dock a sulphated substrate, like porphyran. While no quantifiable porphyran activity was observed, properties of the putative active site suggest that this unusual enzyme may be specific on an unusual substrate, such as a porphyran-agarose hybrid. / Graduate