Approches intégrés des mécanismes moléculaires de la tolérance au cuivre chez les algues brunes - Sorbonne Université Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2009

Study of the molecular mechanisms involved in the copper tolerance of brown algae by integrative approaches

Approches intégrés des mécanismes moléculaires de la tolérance au cuivre chez les algues brunes

Résumé

Copper is an essential cofactor for metalloproteins involved in many physiological processes including photosynthesis, respiration. However, this metal is extremely toxic at high concentrations. Over 60 years of mine activities in northern Chile have led to a major decrease in biodiversity along coastal areas polluted by mine wastes allowing few brown algal species to establish such as Ectocarpus sp. Therefore our aim was to investigate the molecular mechanisms leading to copper tolerance in brown algae. Copper excess in Laminaria digitata, triggered, rapid responses involved in the formation of C6 and C9 aldehydes. These compounds are thought to activate rapid general stress responses. Later, long chain oxylipins are produced including C18 and C20 cyclopentenones such as 12-OPDA and prostaglandins as well as unique compounds such as the 18-hydroxy-17-oxo-eicosatetraenoic acid. These mechanisms were correlated with the up-regulation of stress-responsive genes. Our results suggest that copper-induced lipid peroxidation may regulate protective mechanisms employing plant-like octadecanoid signals but also eicosanoid oxylipins which are absent in vascular plants. Furthermore, we have characterized through physiological approaches two strains of E. siliculosus isolated from an uncontaminated coast in southern Peru (strain Es32) and from a copper-polluted coast in northern Chile (strain Es524). Analysis of copper toxicity in both strains revealed high-tolerance in Es524, contrasting to Es32. In order to analyze global soluble proteomes from these strains by 2-DE analysis, a reliable protein extraction method was developed. Differential soluble proteome profiling between control and copper stress conditions for each strain allowed to identify the induction of proteins involved in stress responses related to processes such as energy production, glutathione metabolism, phenolics biosynthesis or Heat Shock Protein accumulation. In addition, the comparison of stress-related proteomes between strains led to features related to copper tolerance in Es524. This strain presented marked expression of the copper stress targeted proteins OEC33 and fucoxanthine chlorophyll a-c binding protein, which are important components of the photosynthetic apparatus. In addition, Es524 expressed specific stress-related enzymes such as RNA helicases from the DEAD box families involved in RNA folding and maturation and a vanadium-dependent bromoperoxidase. Therefore, two different phenotypes at the proteomic level strongly suggest that persistent copper stress may have driven selective forces leading to the development of ecotypes genetically adapted to copper-contaminated sites. In addition the exploration of the recently sequenced Ectocarpus genomes allowed the identification of conserved features of copper homeostasis and detoxification and to initiate preliminary characterization of some important metal-chelating mechanisms using functional approaches.
El cobre es un cofactor esencial para metaloproteínas, por lo que es fundamental para procesos biológicos tales como la fotosíntesis o la respiración celular. Sin embargo, una acumulación incontrolada de este metal puede acarrear efectos nefastos a nivel celular. Más de 60 años de actividad minera en el norte de Chile ha causado un gran impacto en la biodiversidad de las zonas costeras contaminadas por cobre. En aquellas zonas, solamente algunas especies de algas pardas (Phaeophyceae) han logrado establecerse tales como Ectocarpus sp. Tomando en cuenta la poca información bioquímica y molecular acerca de estos organismos, mi trabajo de tesis consistió en estudiar estos mecanismos. El estrés por cobre en Laminaria digitata acarrea respuestas rápidas asociadas a la aparición de oxilipinas volátiles de tipo aldeídos en C6 y C9. Estos derivados de ácidos grasos podrían activar mecanismos generales de respuesta al estrés. En un mayor lapso de tiempo (24h) un segundo tipo de oxilipinas en C18 y C20 fueron detectadas. Estos compuestos incluyen la presencia de cliclopentenonas de carácter enzimatico como el ácido 12-oxo-fitodienoico, característico de plantas o prostaglandinas, característico de animales. Además se descubrieron compuestos únicos en algas pardas como el ácido 18-hidroxi-17-oxo–eicosatetraenoico. La biosíntesis de estos compuestos se relaciona con la regulación de genes implicados en mecanismos de desintoxicación celular. En conclusión, pese a que la peroxidación lipídica constituye uno de los efectos nocivos del exceso de cobre, algunos de estos compuestos octadecanoicos y eicosanoicos son producidos de forma enzimática los que podrían relacionarse con la activación de mecanismos de tolerancia al cobre. Por otro lado las respuestas fisiológicas al estrés por cobre fueron evaluadas en aislados de E. siliculosus provenientes de una zona sin registros de contaminacion por cobre (Es32) en comparación con otro aislado (Es524) proveniente de áreas contaminadas por cobre en la bahía de Chañaral, Chile. Los resultados muestran la clara tolerancia al cobre en el aislado Es524 comparado a Es32. Para llevar a cabo un análisis global de la expresión protéica por electroforesis bidimensional, fue previamente necesario crear un protocolo adaptado a esta especie. Los patrones de expresión protéicos en ambos aislados estresados por cobre, mostraron rasgos comunes tales como la aumentación de procesos energéticos, la activación del metabolismo del glutatión y de compuestos fenólicos o la accumulación de HSP (Heat Shock Proteins). Por otro lado la comparación de patrones entre ambos aislados mostró la aumentación marcada en Es524 de proteínas preferencialmente degradadas por cobre tales como componentes estructurales fotosintéticos. Además, este aislado expresa proteínas importantes para la desintoxicación como por ejemplo DEADbox helicasas o Bromoperoxidasas a vanadio. Estas observaciones nos han llevado a proponer la hipótesis que la tolerancia al cobre en Es524 es la resultante de un proceso adaptativo. Por otro lado la participación al proceso de anotación del genoma de E. siliculosus permitió identificar por homología a otros organismos componentes moleculares adicionales que participarían en la homeostasis y desintoxicación de cobre.
Les algues brunes (Phaeophyceae) sont des organismes photosynthétiques macroscopiques fixés qui représentent une biomasse considérable dans les écosystèmes rocheux des côtes tempérés et froides de tous les océans en zone intertidale et subtidale. Par conséquent elles doivent faire face à des agressions constantes d’origine naturelle ou anthropique. Le déversement des métaux lourds comme le cuivre provenant des activités minières, portuaires et agricoles constitue une importante source de pollution dans l'environnement marin.Dans ce contexte, l’objectif de ce travail visait à apporter des réponses concernant le maintien d’une biodiversité algale très réduite dans les zones impactées par les rejets des mines de cuivre sur les côtes du nord du Chili par de nouvelles approches intégratives pour comprendre l’adaptation dans des environnements pollués. Au cours de mes travaux, j’ai notamment développé une approche de profilage métabolique des acides gras oxydés chez Laminaria digitata. Ces résultats ont permis d’appréhender la nature des lipoperoxydes produits suite au stress par le cuivre tels que des prostaglandines ou le 12-oxo-PDA, mais egalement des composés originaux comme l’acide 18-hydroxy-17-oxoeicosatetraènoique. Ces travaux ont permis d’atribuer à ces composés des fonctions potentielles notamment dans la signalisation cellulaire qui contrôle les mécanismes de tolérance au cuivre. D'autre part une approche protéomique globale par électrophorèse bidimensionnelle (2-DE) a permis d'idéntifier des proteines impliqués dans la tolérance au cuivre chez Ectocarpus siliculosus.
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Citer

Andrés Ritter Traub. Approches intégrés des mécanismes moléculaires de la tolérance au cuivre chez les algues brunes. Biologie moléculaire. Paris 6; Pontificia Universidad Católica de Chile, 2009. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01111143⟩
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