Equipes

Biologie Systémique et Synthétique des Microalgues

Stéphane Lemaire

La photosynthèse, le convertisseur d'énergie solaire le plus efficace sur la Terre, fournit de l'énergie et du carbone pour presque toutes les formes de vie sur notre planète et est la source des combustibles fossiles qui alimentent nos technologies. La production de biocarburants photosynthétiques, en tant que ressource renouvelable utilisant l'énergie solaire et fixant le CO2 atmosphérique, représente l'une des formes prometteuses d'énergie alternative. En outre, l'amélioration du rendement des cultures pour répondre aux besoins alimentaire d'une population mondiale croissante est un défi majeur pour la biologie végétale. S'attaquer à ces grands défis nécessitera une meilleure compréhension des mécanismes de fixation photosynthétique du carbone, des processus permettant l'adaptation aux contraintes environnementales et du réseau de signalisation redox qui contrôle étroitement les deux processus. L’équipe se concentre sur ces trois sujets en utilisant une approche multidisciplinaire combinant la biochimie, l'ingénierie des protéines, la protéomique, la biologie structurale, la génétique et la biologie cellulaire. Nos études se focalisent sur trois organismes modèles: l'algue verte Chlamydomonas reinhardtii, la cyanobactérie Synechocystis sp. PCC6803 et la plante terrestre Arabidopsis thaliana.

Comprendre et améliorer la fixation photosynthétique du carbone (Dr Stéphane Lemaire)

Figure 1

L'efficacité énergétique de la photosynthèse n'est pas optimale et pourrait être augmentée en améliorant l’efficacité de la fixation du CO2. Dans la plupart des organismes, la fixation photosynthétique de carbone repose sur une voie dédiée appelée le cycle de Calvin-Benson (CBC) qui emploie l’ATP et le NADPH réduit, tous deux produits à la lumière par la chaîne de transfert d'électrons photosynthétique, pour fixer le CO2 atmosphérique et ainsi générer des métabolites de type triose phosphate. En dépit de son rôle crucial pour la fixation du CO2, pour la production de biomasse par l'agriculture pour notre chaîne alimentaire et pour la production de biocarburants photosynthétiques, nos connaissances actuelles sur le CBC restent limitées. Cette voie est composée de 11 enzymes pour lesquelles il reste encore beaucoup à apprendre. Par conséquent, nos projets visent à comprendre la régulation et les paramètres cinétiques des enzymes du CBC, leur stœchiométrie relative, leur association dans des complexes supramoléculaires et leurs propriétés structurales. 

 

Publications récentes de l'équipe sur cette thématique:

Zhan Y, Marchand CH, Maes A, Mauries A, Sun Y, Dhaliwal JS, Uniacke J, Arragain S, Jiang H, Gold ND, Martin VJJ, Lemaire SD#, Zerges W# (2018). Pyrenoid functions revealed by proteomics in Chlamydomonas reinhardtii. PLoS One. 13(2):e0185039. Supp
#Corresponding authors

Morisse S, Michelet L, Bedhomme M, Marchand CH, Calvaresi M, Trost P, Fermani S, Zaffagnini M, Lemaire SD (2014). Thioredoxin-dependent Redox Regulation of Chloroplastic Phosphoglycerate Kinase from Chlamydomonas reinhardtii. J Biol Chem. 289: 30012-24 

Zaffagnini M, Michelet L, Sciabolini C, Di Giacinto N, Morisse S, Marchand CH, Trost P, Fermani S, Lemaire SD (2014) High resolution crystal structure and redox properties of chloroplastic triosephosphate isomerase from Chlamydomonas reinhardtii. Mol Plant. 7(1): 101-120.

Heyno E, Innocenti G, Lemaire SD, Issakidis-Bourguet E, Krieger-Liszkay A (2014) Putative role of the malate valve enzyme NADP-malate dehydrogenase in H2O2 signalling in Arabidopsis. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 369(1640):20130228.

Michelet L, Zaffagnini M, Morisse S, Sparla F, Pérez-Pérez ME, Francia F, Danon A, Marchand CH, Fermani S, Trost P, Lemaire SD (2013) Redox regulation of the Calvin-Benson cycle: something old, something new. Front. Plant Sci. 4:470.

Zaffagnini M, Fermani S, Costa A, Lemaire SD, Trost P (2013) Plant cytoplasmic GAPDH: redox post-translational modifications and moonlighting properties. Front Plant Sci. 4:450.

Réponses aux stress environnementaux (Dr Antoine Danon)

Les cellules doivent continuellement s'adapter à leur environnement et ont pour cela développé de nombreux systèmes pour percevoir des facteurs extracellulaires ou détecter des changements des conditions environnementales. Les espèces réactives de l'oxygène (ROS) sont produites en continu au cours du métabolisme normal, mais sont également produites transitoirement en réponse à différents types de signaux en particulier dans le cadre des stress biotiques et abiotiques. Cette production active des voies de signalisation spécifiques permettant l'adaptation aux nouvelles conditions environnementales par l’intermédiaire de processus spécifiques tels que l'autophagie ou en cas de stress extrême déclenche un programme d’autodestruction, la mort cellulaire programmée (PCD). Chez Chlamydomonas, les conditions de stress et de PCD peuvent également influer sur la communication de cellule à cellule et l'agrégation cellulaire. Nos projets visent à mettre à jour les principaux mécanismes de la PCD, de l'autophagie et de l'agrégation cellulaire dans les organismes photosynthétiques et leur régulation par les espèces réactives.

 

Publications récentes de l'équipe sur cette thématique:

Pérez-Pérez ME, Zaffagnini M, Marchand CH, Crespo JL, Lemaire SD (2014) The yeast autophagy protease Atg4 is regulated by thioredoxin. Autophagy 10(11), 1953-64

Berger H*, de Mia M*, Morisse S, Marchand C, Lemaire SD, Wobbe L, Kruse O (2016) A light switch based on protein S-nitrosylation fine-tunes photosynthetic light-harvesting in the microalga Chlamydomonas reinhardtii. Plant Physiol. 171: 821-832.
*: equal contribution

Ge Y, Cai YM, Bonneau L, Rotari V, Danon A, McKenzie EA, McLellan H, Mach L, Gallois P (2016) Inhibition of cathepsin B by caspase-3 inhibitors blocks programmed cell death in Arabidopsis. Cell Death Differ. 23: 1493-1501.

Pineau B, Bourge M, Marion J, Mauve C, Gilard F, Maneta-Peyret L, Moreau P, Satiat-Jeunemaître B, Brown SC, De Paepe R, Danon A (2013) The importance of cardiolipin synthase for mitochondrial ultrastructure, respiratory function, plant development, and stress responses in Arabidopsis. Plant Cell. 25(10):4195-4208.

Blaby IK, Blaby-Haas CE, Pérez-Pérez ME, Schmollinger S, Fitz-Gibbon S, Lemaire SD, Merchant SS (2015) Genome-wide analysis on Chlamydomonas reinhardtii reveals the impact of hydrogen peroxide on protein stress responses and overlap with other stress transcriptomes. Plant J. 84(5):974-88.

Réseaux de signalisation redox (Dr Christophe Marchand)

Figure 3

Les modifications post-traductionnelles redox jouent un rôle important dans de nombreux processus cellulaires fondamentaux (y compris le métabolisme du carbone, la PCD et l'autophagie) et sont impliquées dans un large éventail de maladies humaines (notamment le cancer, le sida, la maladie d'Alzheimer, le diabète et plusieurs maladies neurodégénératives, cardiovasculaires, musculaires ou pulmonaires). Les modifications redox se situent à l'interface entre les ROS et les voies de signalisation aboutissant aux réponses à l’environnement. En effet, les ROS agissent principalement par l'intermédiaire d'un ensemble de modifications post-traductionnelles réversibles des résidus cystéine sur les protéines dont le groupement thiol peut présenter différents états d'oxydation tels que les acides sulféniques, sulfiniques et sulfoniques, mais également les ponts disulfures protéiques (intra ou intermoléculaires), la S-thiolation (glutathionylation, cysteinylation), la nitrosylation ou la sulfhydration. Ces modifications sont essentiellement contrôlées par des oxydoréductases ubiquistes, les thiorédoxines et les glutarédoxines. Des données récentes suggèrent l'existence d'étroites connexions entre de multiples modifications redox qui constituent un réseau de signalisation robuste et très complexe qui reste largement inexploré. Nos projets visent à mettre à jour, en utilisant principalement des approches de protéomique quantitative, ce réseau de signalisation redox et sa dynamique pour obtenir une compréhension plus complète et plus précise des mécanismes de régulation et de signalisation cellulaire, avec un accent particulier sur la régulation redox de la fixation du carbone et des mécanismes de réponse aux stress. Le réseau redox est étudié dans nos divers organismes modèles photosynthétiques, mais aussi dans la levure Saccharomyces cerevisiae afin de permettre l'identification des mécanismes communs susceptibles d'être conservées dans d'autres eucaryotes et pour mettre en évidence les spécificités des réseaux de signalisation redox dans les organismes photosynthétiques.

 

Publications récentes de l'équipe sur cette thématique:

Pérez-Pérez ME, Mauriès A, Maes A, Tourasse NJ, Hamon M, Lemaire SD#, Marchand CH# (2017) The deep thioredoxome in Chlamydomonas reinhardtii: new insights into redox regulation. Mol Plant 10: 1107-1125.
# corresponding authors

Chardonnet S, Sakr S, Cassier-Chauvat C, Le Maréchal P, Chauvat F, Lemaire SD, Decottignies P (2015) First proteomic study of S-glutathionylation in cyanobacteria. J. Proteome Res. 14: 59-71. [Sup Data]

Morisse S, Zaffagnini M, Gao XH, Lemaire SD, Marchand CH (2014) Insight into protein S-nitrosylation in Chlamydomonas reinhardtii. Antioxid Redox Signal. 21(9):1271-84.  [Sup Data]

Zaffagnini M, Morisse S, Bedhomme M, Marchand CH, Festa M, Rouhier N, Lemaire SD*, Trost P* (*: corresponding authors) (2013) Mechanisms of nitrosylation and denitrosylation of cytoplasmic glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase from Arabidopsis thaliana. J Biol Chem 288(31):22777-22789.

Zaffagnini M, Bedhomme M, Groni H, Marchand CH, Puppo C, Gontero C, Cassier-Chauvat C, Decottignies P, Lemaire SD (2012) Glutathionylation in the photosynthetic model organism Chlamydomonas reinhardtii: a proteomic survey. Mol. Cell Proteomics. 11(2):M111.014142.  Figure supplémentaire S1

Zaffagnini M, De Mia M, Morisse S, Di Giacinto N, Marchand CH, Maes A, Lemaire SD, Trost P (2016) Protein S-nitrosylation in photosynthetic organisms: A comprehensive overview with future perspectives. Biochim Biophys Acta. 1864: 952-966.

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