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ChlamyStation : Collection de mutants de photosynthèse de Chlamydomonas

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   Le chloroplaste est étudié in vivo, c'est-à-dire dans le contexte où peuvent se développer l'ensemble des interactions intracellulaires. Nous considérons l'appareil photosynthétique comme un objet d'étude en soi mais également comme une sonde de la physiologie du chloroplaste. Ses éléments constitutifs permettent d'étudier aussi bien l’état énergétique ou l’état d’oxido-réduction de l’organite que les coordinations nucléo-chloroplastiques dans l'expression des protéines de la photosynthèse. Notre laboratoire à une vocation profondément pluridisciplinaire pour deux raisons :

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

• parce que 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 1990-2000, l'autre de la période 2001-2005, que l'on trouvera dans l'une des trois rubriques suivantes :

 Transferts d'électrons et de protons associés au fonctionnement de la chaîne photosynthétique

 Dynamique de l'organisation supramoléculaire de la membrane photosynthétique

 Biogénèse et dégradation des protéines de l'appareil photosynthétique

Transferts d'électrons et de protons associés au fonctionnement de la chaîne photosynthétique

   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 couplés des translocations de protons de part et d'autre de la membrane. Nos recherches portent sur l'ensemble des complexes protéiques intervenant dans la fonction photosynthétique et permettent d'apporter des éléments de réponses aux questions suivantes :

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

• Guergova-Kuras, M., Boudreaux, B., Joliot, A., Joliot, P. and Redding, K. “Evidence for two active branches for electron transfer in photosystem I”Proc. Natl. Acad. Sci. U S A, 2001, 98, 4437-42.

• Baymann, F., Rappaport, F., Joliot, P. and Kallas, T. “Rapid electron transfer to photosystem I and unusual spectral features of cytochrome c₆ in Synechococcus sp. PCC 7002 in vivo” Biochemistry, 2001, 40, 10570-10577.

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

• F. Rappaport and J. Lavergne. « Charge recombination and proton transfer in manganese-depleted Photosystem II » Biochemistry , 1997, 36, 15294-15302.

• Rappaport, F. and Lavergne, J. "Coupling of proton and electron transfer in photosynthetic water oxidase" Biochim. Biophys. Acta, 2001, 1503, 246-259.

Quelles sont les conséquences thermodynamiques et cinétiques de la différence de potentiel électrochimique sur les réactions de transfert d'électrons ou de protons, qui sont catalysées par les différents complexes protéiques de la chaîne photosynthétique  ?

• G. Finazzi and F. Rappaport. « In vivo characterization of the electrochemical proton gradient generated in darkness in green algae and its kinetic effects on cytochrome b₆f turnover » Biochemistry , 1998, 37, 9999-100005

• Rappaport, F., Cuni, A., Xiong, L., Sayre, R. and Lavergne, J. «Charge recombination and thermoluminescence in photosystem II» Biophys J, 2005, 88, 1948-1958.

Dynamique de l'organisation supramoléculaire de la membrane photosynthétique

   Les protéines majeures de l'appareil photosynthétique peuvent être observées comme des ensembles macromoléculaires individualisés aussi bien par des méthodes de microscopie électronique que par des méthodes biochimiques. Chez la plupart des eucaryotes photosynthétiques, ces différentes protéines n'ont pas la même distribution latérale entre les régions granaires où les thylacoides sont accolés, et les régions non granaires où les thylacoides 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 :

Quel est le mécanisme moléculaire qui préside aux "transitions d'état" au cours desquelles les antennes périphériques et le complexe des cytochromes b₆f se déplacent entre les deux deux photosystèmes situés dans des domaines membranaires différents ?

• F. Zito, G. Finazzi, R. Delosme, W. Nitschke, D. Picot and F-A. Wollman. "The Qo site of cytochrome b₆f complexes controls the activation of the LHCII kinase". EMBO J., 1999, 18, 2961-2969.

• C. de Vitry, Y. Ouyang, G. Finazzi, F.-A. Wollman and T.Kallas.  «The chloroplast Rieske iron-sulfur protein. At the crossroad of electron transport and signal transduction » J. Biol. Chem., 2004, 279 , 44621-44627

Quelles sont les différentes stratégies de photoprotection lorsque l'absorption de la lumière incidente dépasse la capacité de transfert d'électron photoinduit ?

• M. Schroda, O. Vallon, F.A. Wollman and C. Beck. "A chloroplast-targeted HSP70 contributes to the photoprotection and repair of Photosystem II during and after photoinhibition". Plant Cell, 1999, 11, 1165-1178

• Finazzi G, Johnson GN, Dall'Osto L, Joliot P, Wollman FA, Bassi R. « A zeaxanthin-independent nonphotochemical quenching mechanism localized in the photosystem II core complex. » Proc Natl Acad Sci USA. , 2004, 101, 12375-12380

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 ?

• P. Joliot and A. Joliot. "Cyclic electron transfer in plant leaf" Proc.Natl..Acad..Sci.USA., 2002, 99, 10209-10214

• G. Finazzi, F. Rappaport, A. Furia, M. Fleischmann, J-D. Rochaix, F. Zito and G. Forti. "Involvement of state transitions in the switch between linear and cyclic electron flow in Chlamydomonas reinhardtii". EMBO Report , 2002, 3, 280-285

Biogénèse et dégradation des protéines de l'appareil photosynthétique

   Les complexes protéiques de la membrane photosynthétique comportent un grand nombre de sous-unités -de dix pour le complexe cytochrome b6f à plus de vingt pour le photosystème II- dont certaines sont codées par le génome chloroplastique et d'autres par le génome nucléaire. Ces polypeptides, issus de compartiments génétiques différents, sont associés avec de nombreux cofacteurs au sein de complexes multimoléculaires dans des proportions stœchiométriques précises. Nous cherchons à comprendre la biogenèse de ces édifices complexes et à répondre aux questions suivantes :

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

• D. Drapier, H. Suzuki, H. Levy, B. Rimbault, K.L. Kindle, D.B. Stern and F-A. Wollman. « The chloroplast atpA gene cluster in Chlamydomonas reinhardtii: Functional analysis of polycistronic transcription unit » Plant Physiol., 1998, 117, 629-641.

• S. Eberhard, D. Drapier and F-A. Wollman. "Searching limiting steps in the expression of chloroplast-encoded proteins : relations between gene copy number, transcription, transcript abundance and translation rate in the chloroplast of Chlamydomonas reinhardtii". Plant J., 2002, 31, 149-160

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

• Drapier D., Girard-Bascou J. and Wollman F.-A. "Evidence for nuclear control of the expression of the atpA and atpB chloroplast genes in Chlamydomonas". Plant Cell, 1992, 4, 283-295.

• Wostrikoff, K, Choquet, Y., Wollman, F.A. and Girard-Bascou, J. "TCA1, a single nuclear encoded translational activator specific for petA mRNA in Chlamydomonas reinhardtii chloroplast." Genetics, 2001, 159, 119-132.

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

• R. Kuras, C. de Vitry, Y. Choquet, J. Girard-Bascou, D. Culler, S. Büschlen, S. Merchant and F-A. Wollman. «Molecular genetic identification of a pathway for heme binding to cytochrome b6».J. Biol. Chem., 1997, 272, 32427-32435.

• G. Finazzi, C. Chasen, F-A. Wollman and C.de Vitry. « Thylakoid  targeting of Tat passenger proteins shows no ΔpH dependence in vivo ».EMBO J., 2003, 22, 807-815

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

• Kuras R. and Wollman F.-A. "The assembly of cytochrome b6f complexes: an approach using genetic transformation of the green alga Chlamydomonas reinhardtii". EMBO J., 1994, 13, 1019-1027.

• K. Wostrikoff, J.Girard-Bascou, F.-A. Wollman and Y. Choquet. “Biogenesis of PSI involves a cascade of autoregulation of translation in Chlamydomonas chloroplasts”. EMBO J., 2004, 23, 2696-2705

Comment sont dégradées les protéines de l'appareil photosynthétiques ?

• Majeran W., Wollman F.A. and Vallon O. "Evidence for a role of ClpP in the degradation of the chloroplast cytochrome b6f complex". Plant Cell, 2000, 12, 137-149

• Majeran, M., Olive, J., Drapier, D., Vallon, O. and Wollman, F.A. "The light sensitivity of ATP synthase mutants of Chlamydomonas reinhardtii". Plant Physiol., 2001, 126, 421-433.