La géosmine est un terpénoïde, provoquant un goût moisi-terreux associée à des flaveurs atypiques dans l'eau et le vin. Chez les bactéries, la voie de biosynthèse de la géosmine est bien caractérisée, mais peu de connaissance sont disponibles au sujet de sa biosynthèse chez les eucaryotes, en particulier dans les champignons filamenteux. L'origine de la géosmine dans la vigne est en grande partie attribuable à la présence de Penicillium expansum sur les raisins. Dans cette thèse, afin de mieux comprendre la voie de biosynthèse de la géosmine chez Penicillium expansum, nous avons décrit la caractérisation et l'analyse de "gpe1", un gène codant pour une cytochrome P450 monooxygénase impliquée dans la biosynthèse de la géosmine. Nous avons démontré que les deux fragments d'ADN: p450-1 et p450-2 appartiennent à un seul gène du cytochrome p450 (gpe1). La séquence d'acides aminés déduite de gpe1 a une identité moyenne de 40 % avec les enzymes PbP450-2 et P450-4 qui ont été trouvées impliquées respectivement dans la synthèse d'indole diterpène et dans la synthèse des gibbérellines. Les amplifications par PCR effectuée sur quatorze espèces de Penicillium ont montré que seules les espèces producteurices de la géosmine ont donné le même fragment de ~1,2 kb que gpe1. L'analyse du gène gpe1 nous a permis d'identifier la présence de certains domaines conservés de cytochromes P450 monooxygénases. Ensuite, la caractérisation fonctionnelle du gène gpe1 chez P. expansum M2230 a été décrite. Nous avons montré que les mutants de gpe1 ont perdus leur pouvoir de produire la géosmine alors que les révertants de gpe1 ont rétablis leur pouvoir de production. Enfin, nous avons démontré qu'une polykétide synthase putative et une putative NRPS sont présentes sur le côté droit du gène gpe1 proposant que le gène gpe1 pourrait être une partie d'un «Cluster» codant pour la biosynthèse de métabolites secondaires. / Geosmin is a terpenoid, an earthy-musty compound associated with off-flavors in water and wine. In bacteria, the biosynthesis pathway of geosmin is well characterized, but little is known about its biosynthesis in eukaryotes, especially in filamentous fungi. The origin of geosmin in grapevine is largely attributable to the presence of Penicillium expansum on grapes. In this thesis, we have described the characterization and analysis of "gpe1", a gene encoding a cytochrome P450 monooxygenase probably involved in the biosynthesis of geosmin in P. expansum M2230, in order to better understand of the biosynthesis pathway of geosmin in this species. We demonstrated that the two DNA fragments i.e. p450-1 and p450-2 belong to a single cytochrome p450 gene (gpe1). We showed that the deduced amino acid sequence of gpe1 has an average identity of 40 % with PbP450-2 and P450-4 enzymes which have been found involved in indole diterpene synthesis and in gibberellin synthesis respectively. Then, the results of PCRs performed on the fourteen Penicillium species showed that only Penicillium species which were producers of geosmin gave the same fragment of ~1.2 kb like gpe1. Analysis of the gpe1 gene enabled us to identify the presence of some conserved domains of cytochromes P450 monoxygenases in the amino acid sequence of gpe1. Then, the functional characterization of the gpe1 gene in P. expansum M2230 was described. We illustrated that the mutants of gpe1 lost their potential to produce geosmin whereas the reverse complements of gpe1 restored their potential to produce geosmin. Finally, we demonstrated that a putative polyketide synthase and a putative NRPS-like enzyme are present on the right side of the gpe1 gene suggesting that gpe1 gene might be the part of a gene cluster encoding the biosynthesis of secondary metabolites.

L'ubiquinone, ou coenzyme Q, est une molécule lipophile polyisoprényle présente dans toutes les membranes biologiques chez les eucaryotes et composée d'un noyau aromatique actif de façon rédox et d'une chaîne grasse. Elle joue un rôle clef dans la chaîne respiratoire et est un important antioxydant membranaire. Chez l'homme, des pathologies sévères sont associées à des mutations de gènes de la biosynthèse de l'ubiquinone. Chez S. cerevisiæ, la biosynthèse de l'ubiquinone est réalisée par un complexe multiprotéique situé à la membrane interne mitochondriale. Certaines étapes de cette voie de biosynthèse ne sont pas encore connues et très peu ont été caractérisées in vitro. L'étude présentée ici a permis d'améliorer la compréhension de l'étape d'hydroxylation en C-5 à laquelle sont associés Coq6, monooxygénase à flavine, ainsi que Arh1 et Yah1, une adrénodoxine réductase et une adrénodoxine. Nous avons réalisé la première purification de Coq6 de S. cerevisiæ avec son cofacteur flavinique et nous avons démontré in vitro l'existence d'une chaîne de transfert d'électrons du NADPH au FAD de Coq6 via l'homologue humain de Arh1 et Yah1. Les études enzymatiques menées avec différents analogues de substrats synthétisés n'ont pas permis de détecter d'activité enzymatique de Coq6 dans les conditions utilisées. Des études préliminaires de fluorescence nous ont néanmoins permis d'avancer une hypothèse quant au substrat de Coq6, qui n'est pas connu avec certitude. Nous avons également réalisé une caractérisation cinétique de la réduction du FAD de l'homologue humain de Arh1 par le NADH et le NADPH, révélant ainsi son comportement particulier avec le NADPH, notamment en présence de Mg2+. / Coenzyme Q, or ubiquinone, is a lipophilic molecule found in all biological membranes in eukaryotes and composed of a redox active aromatic ring and a polyisoprenyl chain. It is a key electron carrier in the respiratory chain and a very important membrane soluble antioxidant. Severe pathologies in humans are associated with mutations in the ubiquinone biosynthesis genes. In S. cerevisiæ, ubiquinone biosynthesis is done by a multiproteic complex at the inner mitochondrial membrane. Some steps of the ubiquinone biosynthesis are still unknown and very few have been characterized in vitro. This study allowed us to better understand the C-5 hydroxylation step that is associated with Coq6, a flavin monooxygenase, Arh1, an adrenodoxin reductase and Yah1, an adrenodoxin. We achieved the first purification of S. cerevisiæ Coq6 with its flavin cofactor and we demonstrated in vitro the existence of an electron transfer chain from NADPH to Coq6 FAD via Arh1 human homologue and Yah1. Enzymatic studies made with several synthetic substrate analogues did not allow us to detect Coq6 enzymatic activity with the tested conditions. Nevertheless, preliminary fluorescence studies led us to make an assumption about Coq6 substrate which is still not well known. We also carried out a kinetic characterization of the NADPH or NADH reduction of Arh1 human homologue, showing its unusual behavior with NADPH, in particular when Mg2+ is present.

Il y a une dizaine d'années, de nouvelles flavoenzymes nommées hydroxylases flavine-dépendantes à deux composants ont été identifiées chez certains microorganismes. Le rôle physiologique de ces enzymes est maintenant bien connu. Elles sont impliquées dans les processus de biosynthèse et de biodégradation d'une multitude de molécules organiques. Ces hydroxylases sont composées de deux enzymes distinctes. La première est une flavine réductase qui catalyse la formation de flavine réduite nécessaire au fonctionnement de la seconde enzyme, une monooxygénase flavine-dépendante. Au début de notre projet, le mécanisme enzymatique de ces nouvelles hydroxylases était encore inconnu. Pour comprendre le détail de leur fonctionnement, nous avons choisi d'étudier le système ActVA-ActVB, un nouveau membre de la famille des hydroxylases flavine-dépendantes impliqué dans la dernière étape de biosynthèse de l'actinorhodine, un antibiotique naturel synthétisé par Streptomyces coelicolor. La caractérisation préalable de ActVB avait permis de montrer que cette enzyme était une NADH:FMN oxydoréductase capable de catalyser la réduction du FMN par le NADH selon un mécanisme de type séquentiel ordonné. Nos résultats ont permis d'identifier ActVA-Orf5, une monooxygénase flavine-dépendante capable d'utiliser la flavine réduite fournie par ActVB pour catalyser l'hydroxylation du précurseur de l'actinorhodine, la DHK. Le mécanisme de transfert de flavine entre les deux protéines a été étudié. Pour cela, les constantes de dissociation du FMNox et FMNred vis-à-vis de ActVA et ActVB ont été déterminées. Nos donnés montrent clairement qu'à l'état réduit, la flavine est bien plus affine pour la monooxygénase ActVA que pour la réductase ActVB alors qu'à l'état oxydé, elle possède une meilleure affinité pour la réductase que pour la monooxygénase. Cette différence d'affinité permet d'orienter le transfert de flavine d'une protéine à l'autre sans nécessiter d'interaction entre les deux protéines. Nous avons montré de plus que ActVA avait la capacité de stabiliser un intermédiaire activé de l'oxygène, une espèce électrophile nommée C(4a)-hydroperoxyflavine, au sein de son site actif. Cet intermédiaire réagit très rapidement avec la DHK nucléophile pour former son analogue hydroxylé : la DHK-OH. En accord avec ce mécanisme, il semble que le pouvoir nucléophile du substrat est très important pour cette réaction car seule la forme réduite à deux électrons de DHK (hydroquinone) est hydroxylée. D'autre part, ActVA ne semble pas être très spécifique car elle parvient également à catalyser l'hydroxylation de l'énantiomère de la DHK, la NNM-A et de l'analogue lactonique de la NNM-A, la NNM-D. Finalement le système ActVA-ActVB n'a pas la capacité de dimériser la DHK-OH pour former l'actinorhodine et l'enzyme intervenant dans la dernière étape de cette biosynthèse reste à identifier.

Les coumarines et furocoumarines sont des phytoalexines synthétisées par certaines familles de plantes (ex : Rutacées dont font partie les agrumes), pour se défendre contre les bioagresseurs. Les furocoumarines peuvent être toxiques pour l’homme, lorsqu’elles sont combinées à certains médicaments : c’est l’effet pomelo. Aujourd’hui, la plupart des cytochromes P450 impliqués dans la synthèse des furocoumarines chez les Apiacées, ont déjà été caractérisés. En revanche, malgré l’importance économique des agrumes, nous en savons très peu sur la voie de biosynthèse des coumarines et furocoumarines chez ces plantes. Dans ce travail, nous avons créé, optimisé et validé une méthode d’analyse en chromatographie liquide à ultra haute performance couplée à un spectromètre de masse (UPLC-MS), pour identifier et quantifier 28 coumarines et furocoumarines dans la peau et la pulpe d’agrumes. Cette méthode nous a permis de chémotyper 62 variétés d’agrumes, distinguées par leur faible ou forte capacité de production de ces composés. En parallèle, un travail de bioinformatique sur des banques publiques d’ADN génomique d’agrumes, a permis d’identifier sept gènes présentant de fortes homologies de séquences avec ceux intervenant dans la synthèse des furocoumarines chez Pastinaca sativa (CYP71) et chez Arabidopsis thaliana (CYP82). Une analyse quantitative de leur niveau d’expression chez des agrumes, a montré que quatre d’entre eux étaient plus fortement exprimés chez les fruits fortement producteurs de coumarines et furocoumarines. Le clonage de ces gènes et leur expression hétérologue chez la levure, a révélé la fonction de CYP82D64 de pomelo et de Combava, qui hydroxyle la xanthotoxine pour donner la 5-hydroxy-xanthotoxine. La synthèse des coumarines et furocoumarines chez les agrumes, ainsi mieux appréhendée, nous a permis de proposer un schéma de sélection variétale visant à abaisser les taux de ces composés chez les Citrus. Nous avons aussi montré l’évolution convergente des CYP71 et CYP82 dans leur synthèse chez les Apiacées et les Rutacées respectivement. La découverte du premier cytochrome P450 de Citrus intervenant dans la production de ces composés, ouvre de nouvelles perspectives quant à l’élucidation de leur voie de biosynthèse chez les agrumes / Coumarins and furanocoumarins are phytoalexines synthesized by some plant families (e.g. Rutaceæ that include citrus), to defend themselves against bioaggressors. Furanocoumarins can be toxic for humans, when combined with some drugs: this is the grapefruit juice effect. Nowadays, most of the cytochrome P450s involved in the furanocoumarin synthesis in Apiaceæ, have already been characterized. However, despite the economical importance of citrus, a little is known about the coumarins and furanocoumarins pathway in these plants. In this work, we created, optimized and validated an analytical method by ultra high performance liquid chromatography coupled with mass spectrometry (UPLC-MS), to identify and quantitate 28 coumarins and furanocoumarins in citrus peel and pulp. This method allowed us to chemotype 62 citrus varieties, distinguished by their low or high capacity to produce these compounds. In parallel, a bioinformatic work on public banks of genomic DNA from citrus, allowed to identify seven genes with high sequence homologies with those involved in the synthesis of furanocoumarins in Pastinaca sativa (CYP71) and in Arabidopsis thaliana (CYP82). A quantitative analysis of their expression level in citrus showed that four of them were more expressed in high coumarins and furanocoumarins producing fruits. The cloning of these genes and their heterologous expression in yeast, revealed the function of grapefruit and Combava CYP82D64, which catalyzes the hydroxylation of xanthotoxin in 5-hydroxy-xanthotoxin. The synthesis of coumarins and furanocoumarins in citrus, then better apprehended, allowed us to propose a breeding scheme aiming at decreasing the levels of these compounds in Citrus. We also showed the convergent evolution of CYP71 and CYP82 in their synthesis in Apiaceæ and in Rutaceæ respectively. The discovery of the first cytochrome P450 from Citrus involved in the production of these compounds, opens up new prospects for the elucidation of their biosynthetic pathway in citrus

Les furanocoumarines (FCs) sont des métabolites secondaires principalement synthétisés chez quatre familles botaniques et dérivent de la voie de biosynthèse des phénylpropanoïdes. Ces phytoalexines interviennent dans les processus de défense de la plante et présentent un fort potentiel thérapeutique. Des travaux réalisés dans les années 1960 sur des cultures cellulaires en parallèle de l’utilisation de précurseurs radiomarqués ont permis de démontrer que de nombreuses enzymes impliquées dans cette voie appartenaient à la famille des cytochromes P450 (P450s). Seules deux d’entre elles avaient pu être identifiées d’un point de vue moléculaire au début de ce travail de thèse. Afin de générer des informations concernant le génome de plantes productrices de FCs, nous avons fait séquencer les ARNm extraits de feuilles de Pastinaca sativa, de Ruta graveolens et de Cullen cinereum. L’analyse in silico de ces trois banques de données a permis d’identifier près de 800 fragments d’ADNc codants pour des P450s. Des travaux antérieurs réalisés au laboratoire et l’analyse comparative des transcriptomes de ces 3 plantes nous ont amenés à nous focaliser sur la sous-famille CYP71AZ au travers d’une étude fine de CYP71AZ3 et CYP71AZ4. La caractérisation fonctionnelle de ces enzymes a été réalisée dans un système d’expression hétérologue eucaryote : Saccharomyces cerevisiae. Les résultats obtenus ont permis de montrer que CYP71AZ4 avait une spécificité de substrat assez large puisqu’elle pouvait métaboliser au moins une FC et 4 coumarines. L’analyse et la comparaison des constantes cinétiques pour chacun de ces substrats indiquent néanmoins que le psoralène est le substrat préférentiel. La caractérisation fonctionnelle de CYP71AZ3 a mis en évidence que cette enzyme pouvait hydroxyler l’esculétine, une coumarine, mais ne jouait aucun rôle dans la synthèse de FCs. Ces travaux mettent en évidence la diversité fonctionnelle au sein d’une même sous-famille enzymatique et permettent d’émettre des hypothèses nouvelles quant à l’apparition de cette voie de biosynthèse chez les Apiacées d’une part, et chez les autres familles botaniques d’autre part / Furanocoumarins (FCs) are secondary metabolites mainly synthetized in four botanical families deriving from the phenylpropanoid biosynthetic pathway. These phytoalexins are involved in plant defense mechanisms and present strong therapeutic potential. Early studies in the 1960s based on cell cultures and the use of radiolabeled precursors have shown that many enzymes involved in this pathway belong to the cytochrome P450 family (P450s). Only two of them had been identified from a molecular point of view at the beginning of this thesis. In order to generate information regarding the genome of plants producing FCs, we sequenced the mRNA extracted from leaves of Pastinaca sativa, Ruta graveolens, and Cullen cinereum. In silico analysis of these three libraries identified nearly 800 cDNA fragments encoding for P450s. Previous studies in the laboratory and comparative transcriptome analysis of these three plants have led us to focus on the subfamily CYP71AZ through a detailed study of CYP71AZ3 and CYP71AZ4. Functional characterization of these enzymes was performed in an eukaryote heterologous expression system: Saccharomyces cerevisiae. The results showed that CYP71AZ4 had a broad substrate specificity enough as it could metabolize one FC and 4 coumarins. The analysis and comparison of the kinetic constants for each of these substrates indicate, however, that the preferred substrate is psoralen. The functional characterization of CYP71AZ3 showed that this enzyme could hydroxylate esculetin, a coumarin, but played no role in the synthesis of FCs. This study highlights the functional diversity within a single enzyme subfamily and allows to issue new hypotheses about the emergence of this biosynthetic pathway in Apiaceae on one hand, and among other botanical families on the other hand

La lutte chimique est la principale méthode utilisée pour contrôler les maladies causées par les champignons phytopathogènes. Dans certains cas, desphénomènes de résistance envers les fongicides se développent au sein despopulations, altérant parfois l’efficacité des molécules. La compréhension du moded’action des fongicides et des mécanismes de résistance sous-jacents participe à élaboreret à adapter des stratégies de management anti résistance ; et ainsi permettre depérenniser la durée de vie des molécules. Le fenhexamid est un fongicide récent (BayerCropScience, 2000), avec un mode d’action unique. Il est le seul fongicide commercialisébloquant l’étape de C4-déméthylation de la biosynthèse de l’ergostérol. Plusieurs typesde résistance (naturelle et acquises) ont été détectées dans les vignobles européens chez lecomplexe d’espèces Botrytis spp. responsable de la pourriture grise de la vigne. Lestravaux développés durant la thèse s’inscrivent dans l’objectif de la caractérisation dumode d’action et de l’élucidation des mécanismes de résistance. Le premier axe s’estattaché à la caractérisation fonctionnelle de deux gènes impliqués dans la C-4déméthylation de la biosynthèse de l’ergostérol : le gène erg27 codant la 3-céto réductase,cible du fenhexamid, et le gène erg28 codant une protéine qui interagirait en partie avecla 3-céto réductase. Concernant la résistance au fenhexamid, il a été démontré que, pargénétique inverse, les mutations détectées dans le gène erg27 de différents types d'isolatsrésistants issus du vignoble (phénotypes de résistance HydR3- et HydR3+) conféraient larésistance. Par ailleurs, une analyse de fitness du phénotype le plus préoccupant(phénotype HydR3+) a été réalisée en conditions contrôlées sur des souches isogéniquesartificielles afin d’apporter une réponse sur la persistance possible de ces souches auvignoble. Une méthode fine de quantification moléculaire de ces mêmes isolats aégalement été mise au point pour faciliter le suivi de leur évolution et de la persistancedes populations naturelles à l’échelle des vignobles. Cette nouvelle méthode, nomméeASPPAA PCR, exploite le polymorphisme nucléotidique du gène erg27, à l’origine de larésistance. Enfin, la résistance naturelle au fenhexamid de l’espèce apparentée à Botrytiscinerea, appelée Botrytis pseudocinerea a été élucidée. La résistance au fongicide de cetteespèce a été expliquée par la combinaison de modifications de cible (mécanismeminoritaire) et d’une dégradation du fongicide par un cytochrome P450 nomméCyp68.4 (mécanisme majeur). Il s’agit de la première identification et caractérisationgénétique d’un mécanisme de résistance à un fongicide conférée par un processus dedétoxification chez un champignon phytopathogène. / Chemical control is the main method used to control diseases caused byphytopathogenic fungi. In some cases, the resistance phenomena towardfungicides occur within fungal populations, which might alter practicalefficiency of molecules. Understanding modes of action of fungicides andunderlying resistance mechanisms participate to the development and adaptationof management strategies against resistance, and thus help to sustain the life ofmolecules. Fenhexamid is a recent fungicide (Bayer CropScience, 2000), with aparticular mode of action. It is the only fungicide marketed blocking the C4-demethylation step of ergosterol biosynthesis. Several types of resistance (naturaland acquired) were detected in European vineyards in the Botrytis spp speciescomplex, causing grey mold disease. This work focused on the characterization ofthe mode of action and the elucidation of resistance mechanisms. The first aspectinvestigated the functional characterization of two genes involved in the C4-demethylation of ergosterol biosynthesis. The erg27 gene potentially encoding the3-keto reductase which is the fenhexamid target and the erg28 gene encoding aprotein that interact in part with the 3-ketoreductase. Concerning fenhexamidresistance, we shown by reverse genetics that mutations detected in the erg27 genefrom different resistant isolates from the vineyards (phenotypes HydR3- andHydR3+) confer resistance. Furthermore, a fitness analysis under controlledconditions on the most worrying resistant phenotype (HydR3+) was performed onisogenic artificial strains in order to predict the possible persistence of these strainsin vineyards. A fine molecular method to quantify these isolates was developed tofacilitate the follow-up of evolution and persistence of resistant populations in thevineyard. This new method, named ASPPAA PCR is based on the nucleotidepolymorphism of the erg27 gene, responsible for fenhexamid resistance. Finally,the natural resistance to fenhexamid of the related species to Botrytis cinerea, B.pseudocinerea, was elucidated. Fungicide resistance of this species is explained bythe combination of target site modifications (minor mechanism) and fungicidedegradation mediated by a cytochrome P450 named Cyp68.4 (major mechanism).This is the first characterization of a genetic resistance mechanism to a fungicideconferred by detoxification in a phytopathogenic fungus.

Une attention croissante est portée aux cascades multi enzymatiques pour l’élaboration de procédés de synthèse plus efficaces. Cependant, le contrôle de l’expression hétérologue de plusieurs gènes dans un même hôte s’avère difficile et peut mener à un déséquilibre du flux réactionnel. Pour exploiter au mieux les avantages d’une cascade in vivo, il est nécessaire d’ajuster les activités de chaque étape, et de construire des catalyseurs cellulaires capables de programmer la stœchiométrie des enzymes. Nous avons développé dans ce projet une approche originale pour moduler le ratio de deux enzymes in cellulo en jouant sur le nombre de copies de plasmides par cellule (PCN). Nous avons choisi comme modèle un système autosuffisant associant une Alcool Déshydrogénase (ADH) et une Baeyer-Villiger MonoOxygenase (BVMO), NADP(H)-dépendantes. Plusieurs plasmides recombinants portant les deux gènes ont été conçus et combinés dans E. coli. Les souches de co-expression construites ont été comparées en termes de PCN, de production d’enzymes et d’activité. Nous avons montré l’importance d’un choix judicieux de la combinaison de plasmides ainsi que l’existence d’une corrélation entre ratios d’enzymes et activité. Nos biocatalyseurs s’étendent sur une gamme allant du système inactif à un système affichant un TTN d’environ 6000. Ce système a permis la synthèse de lactones d’intérêt industriel, la dihydrocoumarine et la caprolactone, à partir d’indanol et de cyclohexanol. Enfin, sur ce modèle de combinaison de plasmides, trois nouveaux biocatalyseurs cellulaires, associant l’ADH à diverses BVMOs, ont été créés afin d’élargir la gamme d’esters et de lactones synthétisables à partir d’alcools. / Growing attention is paid to multienzymatic cascades to develop more efficient synthetic processes. However, in in cellulo process, the control of the simultaneous heterologous expression of several genes in the same host is often difficult and can lead to imbalances in the reaction flow. To exploit the benefits of cascades, activities of each step have to be adjusted and thus, cellular biocatalysts capable of programming enzymes stoichiometry have to be constructed. In this work, to modulate the stoichiometry of two enzymes in vivo, we developed an original approach based on the copy number per cell of plasmids (PCN) used as vectors. The PCN is regulated in bacteria by three main mechanisms leading, according to the replicon, to low, medium or high PCN. As proof of concept, we chose a self-sufficient system combining an Alcohol Dehydrogenase (ADH) and a Baeyer-Villiger MonoOxygenase (BVMO), both NADP(H)-dependent. Several recombinant plasmids harboring both genes were designed and combined in E. coli. Coexpression strains constructed were compared in terms of PCN, enzyme production and activity. We showed the importance of a judicious choice of plasmids combination and the existence of a correlation between enzymes ratios and activity. Our biocatalysts ranged from an inactive system to a system with a TTN of about 6000. This system allowed the synthesis of lactones of industrial interest, dihydrocoumarin and caprolactone, via double oxidation of indanol and cyclohexanol. Finally, based on this plasmids combination model, three new cellular biocatalysts combining ADH with various BVMOs were designed to broaden the range of esters and lactones synthesizable from alcohols.