Thèse (D. en biochimie)--Université du Québec à Montréal, 2005. / En tête du titre: Université du Québec à Montréal. Comprend des réf. bibliogr. Publié aussi en version électronique.

The enzyme nitrogenase catalyzes the energy-dependent reduction of dinitrogen to ammonia via biological nitrogen fixation. Nitrogenase is composed of two metalloproteins known as the molybdenum-iron (MoFe) protein and the iron (Fe) protein. The Fe protein, a 60-kDa dimer of the product of the nifH gene, contains a single 4Fe-4S cluster and two Mg-ATP-binding sites, one at each subunit. The Fe protein is the obligate electron donor to the MoFe protein. To date, no other mutual protein has shown to substitute Fe protein in biological fixation, and the NifH is functional only in the presence of the nifessory protein NifM. Interestingly, the protochlorophyllide reductase (ChlL) encoded by the chlL gene of Chlamydomonas reinhardtii shows significant homology and structural similarity with NifH. Previously, our laboratory has shown that the ChlL can substitute the Fe protein in the functioning nitrogenase only in the absence of NifM. We have also shown that the NifM is a PPIase and the Pro-258 located in the C-terminus of NifH is one of the substrates for NifM. Since the least structural homology exists between NifH and ChlL at the C-terminal region, we hypothesized that we can generate a NifM-independent NifH-ChlL chimeric protein by replacing the C-terminus of NifH (that spans the substrate of PPIase) with that of ChlL. To test this idea we created a chimeric construct by replacing the NifH C-terminal region (residues 248-291) with the ChlL C-terminal region (residues 240-294). The chimeric gene was then transformed into the nifM- Azotobacter vinelandii strain AV98. While the wild type nifH could not render a Nif+ phenotype to the nifM- AV98, the chimera could impart Nif+ phenotype to this nifM- strain. This result demonstrated that the NifH-ChlL chimeric protein is NifM-independent.

Chez les angiospermes, l'oxygène singulet est la forme majoritaire des espèces réactives de l'oxygène, étant produite lors de la photosynthèse. Son excès provoque le dommage photooxidatif conduisant à la mort cellulaire, observée chez les mutants affectés dans la voie de la biosynthèse de la chlorophylle. Dans ce travail, nous avons utilisé des mutants d'Arabidopsis thaliana qui manifestent le phénotype conditionnel de la mort cellulaire, causée par l'absence d'une protéine de l'enveloppe externe des plastes, OEP16-1. Cette protéine est impliquée dans le transport des amines, acides aminés et également dans l'import d'une enzyme clé de la synthèse de la chlorophylle, NADPH: Protochlorophyllide oxydoreductase A (PORA), dans les plastes. Une approche génétique inverse a permis d'isoler et de caractériser quatre mutants indépendants Atoep16-1, ayant différentes combinaisons des propriétés de la mort cellulaire et de la présence/absence de la PORA. Deux des mutants accumulent en excès de la protochlorophyllide libre (Pchlide) à l'obscurité et meurent après illumination. Dans ce cas, la Pchlide agit comme un photosensibilisateur déclenchant la production de l'oxygène singulet. Les deux autres mutants évitent la surproduction de la Pchide et verdissent normalement. En utilisant le mutant de l'orge, tigrina d12 comme référence, nous avons montré que la mort cellulaire induite lors du photoblanchiment chez les mutants Atoep16-1, intervient dans la voie flu-indépendante. L'initiation de la traduction sur des ribosomes 80S, a été identifiée comme étant une cible majeure de l'oxygène singulet, au cours des premières heures du verdissement. Dans un stade plus tardif, l'oxygène singulet a provoqué la dissociation des ribosomes. Nous avons ainsi fourni des preuves que les deux effets sur la traduction sont génétiquement liés et qu'ils peuvent être ensuite étudiés à l'aide des mutants Atoep16-1 que nous avons isolé et du mutant flu, préalablement identifié.

Thesis (M.S.)--Mississippi State University. Department of Biological Sciences. / Title from title screen. Includes bibliographical references.

Enzyme dynamics has been established to play a crucial role in catalysis, and it has therefore become an important area of research to better understand enzymatic rate enhancements. The light-activated enzyme protochlorophyllide oxidoreductase (POR) is a well-studied model system where dynamics are known to be important for catalysis. The catalytic reaction involves a sequential hydride and proton transfer to reduce the C17-C18 double bond in the protochlorophyllide (Pchlide) substrate with NADPH as a cofactor to yield the chlorophyllide (Chlide) product. Both H-transfer steps are established to undergo quantum tunneling, as derived from the temperature-dependence of the kinetic isotope effects (KIEs). Furthermore, a role for ‘promoting motions/vibrations’ has been presumed from the temperature-dependence KIE data, which will be investigated further in this thesis by the study of the KIE response to pressure. A general overview of the pressure-dependence as a new experimental probe is presented and compared with temperature-dependencies of KIEs, to establish whether pressure is suitable as an alternative technique for studying the role of enzyme dynamics in catalysis. This involves a comparison of pressure data from other enzyme systems to newly collected data for POR. However, no clear trend between temperature and pressure data is observed and hence, it can be concluded that pressure effects can be difficult to interpret. A case by case analysis is required and needs to be combined with computational simulations based on structural evidence (e.g. X-ray crystallographic), which is not yet available for POR.Solvent-viscosity has been successfully used to probe enzyme dynamics in POR and provides information on the extent of any protein networks that are involved along the reaction coordinate. Here I investigate the solvent-viscosity dependence of both H-transfer reactions in POR for a range of homologous POR enzymes to obtain an evolutionary perspective of the protein dynamics required for catalysis. This has been successfully used in the past on a limited number of POR homologues and has led to the formulation of a hypothesis supporting a twin-track evolution of the two catalytic steps in POR. I observed a lack of solvent-viscosity dependence in case of the hydride transfer across all the investigated lineages, while the proton transfer was shown to be more strongly affected by viscosity in prokaryotic enzymes than in their eukaryotic counterparts. This supports the proposed theory, suggesting an early optimisation of the dynamics involved in the light-activated hydride transfer with a strong reliance on localised motion. Conversely, the proton transfer experienced selective pressure to reduce its dependence on complex solvent-slaved motion and that has led to localised dynamics in eukaryotic POR homologues. Additionally, I found that the enzymes from eukaryotic species have a higher rate of both H-transfer steps, suggesting that an optimisation of the active site architecture occurred upon endosymbiosis. Enzyme dynamics clearly have a pivotal role to play in catalysis of this unique light-activated enzyme and detection of these will only be possible by detailed structural information.

Si les gymnospermes, les mousses, ou encore les algues vertes sont capables de verdir à l'obscurité, ce n'est pas le cas des angiospermes. Chez ces derniers, la voie de biosynthèse de la chlorophylle est bloquée au niveau de la pénultième étape qui correspond à la réduction de la protochlorophyllide en chlorophyllide. Cette réaction est catalysée par la NADPH : protochlorophyllide oxydoréductase (POR) dont l'activité est strictement dépendante de la lumière. Chez Arabidopsis thaliana, trois isoformes, PORA, PORB et PORC, ont été identifiées. Nous avons décidé d'étudier de façon systématique l'expression de ces gènes au cours du développement d'Arabidopsis thaliana. Nos résultats confirment que l'expression des gènes POR est soumise à un contrôle par la lumière. Alors que les protéines PORA et PORB sont principalement exprimées à l'obscurité, PORB et PORC sont les formes majoritaires dans les tissus photosynthétiques à la lumière. Cependant un taux faible mais non nul de transcrit PORA ainsi que de la protéine correspondante a été détecté à la lumière au cours du développement de la plante. Cette donnée pose donc la question du rôle éventuel de la protéine PORA au delà de la skotomorphogenèse.Nous avons entrepris la caractérisation de mutants porA, le rôle de cette protéine n'ayant été déduit qu'à partir d'études indirectes jusqu'à ce jour. Un allèle nul a été identifié qui présente un phénotype complexe. Nous avons cherché à caractériser les anomalies photosynthétiques dont il est l'objet. Par ailleurs, nous avons construit un double mutant porA porB. Son étude parallèlement à celle du simple mutant porA, nous a permis de confirmer la redondance fonctionnelle des protéines PORA et PORB dans l'établissement des corps prolamellaires des cotylédons de la plante étiolée. Ces études suggèrent également un rôle photoprotecteur pour la protéine PORA.

La protochlorophyllide oxydoréductase catalyse la réduction de la protochlorophyllide en chlorophyllide, pénultième étape de la synthèse de la chlorophylle chez les plantes. Cette réaction présente la particularité d'être photoactivable. Après le déclenchement de la réaction par la lumière, plusieurs intermédiaires réactionnels apparaissent, présentant des signatures spectroscopiques distinctes. L'étude du mécanisme catalytique à basse température permet d'isoler chacun de ces intermédiaires et de les caractériser. <br /><br />Nous avons d'abord mis en évidence que la longueur d'onde et l'intensité de la source de lumière choisie pour déclencher la réaction à basse température influait directement sur le mécanisme réactionnel suivi, révélant par la même l'existence d'une « branche morte » de la réaction, dont le produit n'est pas la chlorophyllide.<br /><br />Nous avons ensuite suivi par spectroscopie d'absorption et de fluorescence le déroulement des deux mécanismes réactionnels : la branche physiologique et la « branche morte ». Ces études ont été réalisées entre 100 et 293 K dans des solutions de viscosités différentes, afin de faire varier la température de transition vitreuse (Tg) du solvant. En suivant en parallèle Tg et la formation des différents états intermédiaires, nous avons montré que les étapes initiales du premier mécanisme étaient couplées avec cette transition alors qu'elles en étaient indépendantes pour le second. Ces travaux ont permis de mettre en évidence l'existence de différents types de mouvements régissant l'activité fonctionnelle de la protéine, certains couplés avec le solvant (« bulk solvent ») et d'autres de type harmonique, indépendants du solvant.

The thesis focuses on regulation of the chlorophyll biosynthetic pathway and its coordination with synthesis of chlorophyll-binding proteins in the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803. One of the aims was to analyze correlation between syntheses of photosystems and chlorophyll in Synechocystis cells using radioactive labeling of proteins and chlorophyll by 35S and 14C, respectively. I also investigated the role of enzymes catalyzing protochlorophyllide reduction step in the chlorophyll biosynthesis by analyzing the synthesis and accumulation of photosynthetic proteins in Synechocystis mutants lacking one of the enzymes. Further, roles of Ycf54 and Psb27 proteins in stability and assembly of oxidative cyclase and CP43, respectively, are also described.