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Cours IBPC - 5V206

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ChlamyStation : Collection de mutants de photosynthèse de Chlamydomonas

PredAlgo : Prédiction d'adressage intracellulaire chez les algues

IBPC : Institut de Biologie Physico-Chimique

LabEx DYNAMO

Domaines de recherche

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   Nous étudions le chloroplaste in vivo, c'est-à-dire dans le contexte où peuvent se développer l'ensemble des interactions intracellulaires. L'appareil photosynthétique est un objet d'étude en soi mais également une sonde de la physiologie du chloroplaste. Ses éléments constitutifs permettent d'étudier aussi bien l'état énergétique ou d'oxydo-réduction de l'organite que l’implication du noyau dans l’expression des gènes chloroplastiques. Notre laboratoire a une vocation intrinsèquement pluridisciplinaire car:

  • la fonction photosynthétique, ensemble de réactions d'oxydo-réduction induites par l'interaction de la lumière avec certains organismes vivants, se situe de fait au carrefour de la physique, de la chimie et de la biologie.

  • notre laboratoire a le souci de développer l'ensemble des méthodologies disponibles pour l'étude de ce système macromoléculaire intégré, depuis la génétique classique jusqu'à la biophysique, en passant par la génomique, la génétique moléculaire, la biologie cellulaire et la biochimie des protéines.

Les principales questions scientifiques abordées au laboratoire sont brièvement présentées et illustrées généralement par deux publications, l'une de la période 2000-2009, l'autre de la période 2010-2015, que l'on trouvera dans l'une des rubriques suivantes:

 1. Diversité génétique et fonctionelle de la photosynthèse

 2. Biogenèse de l’appareil photosynthétique chez Chlamydomonas

 

1. Diversité génétique et fonctionelle de la photosynthèse

   La fonction photosynthétique assure la conversion de l'énergie lumineuse en une différence de potentiel électrochimique transmembranaire qui sert de force motrice à la synthèse d'ATP. Cette conversion fait intervenir en série une succession de transferts d'électrons entre les différents cofacteurs redox qui composent cette chaîne. A ces transferts d'électrons sont généralement couplées des translocations de protons de part et d'autre de la membrane. Bien que ces principes essentiels ne souffrent, jusqu’à preuve du contraire, aucune exception, un survol même rapide de la diversité des organismes photosynthétiques suffit à constater que ces principes peuvent être déclinés de bien des façons. L’étude de cette diversité, génétique et fonctionnelle, permet d’appréhender la fonction photosynthétique comme une fonction métabolique intégrée à la physiologie cellulaire et comme telle, soumise à des régulations traduisant les interactions entre l’organisme et son environnement. Pour aborder ces questions nos recherches suivent deux thèmes principaux : celui des Régulations Physiologiques de la Photosynthèse et celui des Approches Génomique et Bioinformatique du Métabolisme Photosynthétique.

 1.1. Régulations physiologiques de la photosynthèse

   La question des Régulations Physiologiques de la Photosynthèse est abordée ici du point de vue de la fonction photosynthétique et des modulations auxquelles elle est soumise que ce soit du fait des fluctuations environnementales ou de la diversité de ces conditions selon les biotopes. Notre stratégie consiste à, d’une part, approfondir notre compréhension des aspects strictement physico-chimiques des processus bioénergétiques et d’autre part exploiter cette connaissance pour développer de nouvelles observables permettant l’étude de l’intégration de ces fonctions à leur environnement. Les principales questions abordées sont :

Quels sont les paramètres thermodynamiques et cinétiques des réactions de transferts d'électron, quels sont les cofacteurs redox impliqués ?

  • Li, Y., A. van der Est, M. G. Lucas, V. M. Ramesh, F. Gu, A. Petrenko, S. Lin, A. N. Webber, F. Rappaport, and K. Redding (2006) Directing electron transfer within Photosystem I by breaking H-bonds in the cofactor branches. Proc Natl Acad Sci U S A, 103:2144-2149.

  • Rappaport, F., N. Ishida, M. Sugiura, and A. Boussac (2011) Ca(2+) determines the entropy changes associated with the formation of transition states during water oxidation by Photosystem II. Energy & Environmental Sciences, 4:2520-2524.

Par quels mécanismes les transferts de protons sont-ils couplés aux transferts d'électrons ?

Quelles sont les conséquences fonctionnelles des adaptations ou acclimatations de la fonction photosynthétique à divers environnements ?

   Mais, considérer les protéines majeures de l'appareil photosynthétique comme des ensembles macromoléculaires individualisés serait réducteur. Chez la plupart des eucaryotes photosynthétiques, ces différentes protéines n'ont pas la même distribution latérale entre les régions granaires où les thylacoïdes sont accolés, et les régions non granaires où les thylacoïdes sont isolés. Leur distribution latérale est cependant susceptible de modifications qui contribuent à des régulations de la fonction photosynthétique. Ces régulations sont particulièrement spectaculaires en cas de changements de l'environnement lumineux - qu'il s'agisse de modification de l'intensité ou de la qualité spectrale de la lumière incidente -ou en réaction à des changements de l'environnement métabolique du chloroplaste, par exemple en transition aérobie/anaérobie ou lorsque la charge en ATP intracellulaire varie. Nous travaillons autour des questions suivantes :

Dans quelles conditions et suivant quel mécanisme moléculaire l'appareil photosynthétique adopte-t-il une configuration propice au transfert linéaire ou au transfert cyclique d'électrons ?

Quelles sont les conséquences de la structuration des membranes bioénergétiques sur le fonctionnement des chaînes de transfert d’électron qu’elles abritent ?

 1.2. Approches génomiques et bioinformatiques du métabolisme photosynthétique

   La photosynthèse est l'exemple type d'une fonction intégrée nécessitant la mise en œuvre d'un programme génétique complexe. Grace au développement extraordinaire des outils génomiques aussi bien chez les plantes que chez les algues, on peut identifier les gènes impliqués dans la photosynthèse et la biogenèse de l'appareil photosynthétique. Notre laboratoire utilise la génétique directe et la génétique inverse pour générer les mutants dans les gènes d'intérêt.

Quel est le répertoire génique de Chlamydomonas ?

Que peut-on apprendre de l'étude des génomes d'autres algues ?

  • Tourasse, N. J., T. Barbi, J. C. Waterhouse, N. Shtaida, S. Leu, S. Boussiba, S. Purton and O. Vallon (2014) The complete sequence of the chloroplast genome of the green microalga Lobosphaera (Parietochloris) incisa, Mitochondrial DNA.

  • Tourasse, N. J., Y. Choquet and O. Vallon (2013) PPR proteins of green algae, RNA Biology, 10(9): 1526-1542.

Quelles protéines sont adressées au chloroplaste ?

Comment faciliter l'obtention et l'analyse de mutants chez les microalgues ?

2. Biogenèse de l’appareil photosynthétique chez Chlamydomonas

 2.1. Expression génétique et assemblage des protéines dans le chloroplaste

   Les chloroplastes dérivent de cyanobactéries libres qui ont été captures par une cellule eucaryotique primitive. Depuis cet évènement initial, leur génome a subi une réduction de taille massive, les gènes de la cyanobactérie ancestral ayant soit été perdus soit transférés dans le noyau de la cellule hôte, et ne code plus que pour une fraction des polypeptides requis pour sa propre expression ou pour la fonction photosynthétique. La biogénèse de l’appareil photosynthétique requiert donc une étroite coopération entre deux compartiments génétiques distincts, en vue de produire les différentes sous-unités des protéines de la photosynthèse dans les proportions stœchiométriques requises pour l’assemblage de complexes fonctionnels.

   La machinerie de l’expression génétique au sein des chloroplastes est restée typiquement procaryote et repose sur les produits des gènes de la cyanobactérie ancestrale, transférés dans le noyau.

   Toutefois par-delà de ce cadre procaryote, la cellule photosynthétique a développé des mécanismes de régulation uniques qui lui permettent de contrôler étroitement l’acticité de son ancien symbionte. Les étapes post-transcriptionnelles de l’expression des gènes du chloroplaste est en effet sous le contrôle hiérarchique de facteurs gène-spécifiques codés par le noyau qui gouvernent la stabilité et la traduction des mARNs chloroplastiques.

   Nous cherchons à comprendre la biogenèse de l’appareil photosynthétique et à répondre aux questions suivantes :

Quels sont les mécanismes de l'expression génétique au sein du chloroplaste ?

Quelles sont les modalités d'intervention du noyau dans l'expression des gènes chloroplastiques ?

Quels mécanismes assurent l'accumulation stœchiométrique des sous-unités d'un même complexe protéique?

 2.2 : Modifications post-traductionnelles dans le chloroplaste

   Les modifications post-traductionnelles des protéines contribuent grandement à l’expression de l’appareil photosynthétique en dégradant des protéines endommagées ou en agissant sur des protéines de régulation. Nous nous concentrons sur : 1) la protéolyse, 2) les protéines de biogenèse qui catalysent la fixation des cofacteurs et 3) différentes modifications covalentes (phosphorylation, nitrosylation, glutathionylation, formation de ponts di-sulfures etc) qui régulent la biogenèse, la stabilité et la fonction de l’appareil photosynthétique.

Comment sont dégradées les protéines de l'appareil photosynthétique ?

Comment sont acheminés et assemblés les cofacteurs et les chaînes polypeptidiques des complexes protéiques de la membrane photosynthétique ?

Quelles régulations dépendent de modifications covalentes de protéines du chloroplaste ?

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