Génétique microbienne

Un de nos domaines d’étude consiste à comprendre les voies de synthèse et de mobilisation des polysaccharides de stockage en général avec un accent particulier sur l'étude des composés de stockage des alpha-glucanes tels que l'amidon et le glycogène.

Le métabolisme du glycogène dans les champignons et les cellules de mammifères a reçu beaucoup d'attention et a fait l'objet d'études approfondies. En comparaison, le métabolisme de l'amidon chez les plantes, le métabolisme du glycogène chez d'autres eucaryotes inférieurs non fongiques et le métabolisme du glycogène chez les bactéries et les archées ont tous reçu beaucoup moins d'attention et sont plutôt mal compris.

Nos recherches initiales se sont concentrées sur l'élaboration des principaux aspects du métabolisme de l'amidon à travers l'étude de mutants affectés à différentes étapes de la voie. À la fin des années 80 et au début des années 90, nous avons choisi l'algue verte unicellulaire Chlamydomonas comme modèle principal à cette fin. En effet Chlamydomonas définissait à l'époque, le système idéal pour l'isolement et l'étude rapide des mutants.

Dix loci affectant la synthèse de l'amidon ont été minutieusement étudiés au fil des ans. Notre groupe a apporté des contributions essentielles à la compréhension du métabolisme de l'amidon qui sont familières à la plupart des spécialistes de ce domaine. Ces contributions peuvent être résumées comme la compréhension des principales étapes responsables de la distinction de la synthèse de l'amidon et du glycogène, l'élaboration du mécanisme détaillé de la synthèse de l'amylose, contribuant à la compréhension de la fonction précise des multiples formes d'enzymes responsables de la synthèse de l'amylopectine.

Au terme de cette décennie de recherche, il nous est apparu que les approches fonctionnelles chez Chlamydomonas seraient bientôt dépassées par les approches génétiques inverses chez Arabidopsis. En effet, la séquence du génome d'Arabidopsis a d'abord été obtenue avec une collection complète de mutants marqués pour presque tous les loci du génome de la plante. Nous nous sommes donc engagés vers 1999-2000 dans des programmes de recherche à grande échelle impliquant la génomique fonctionnelle d'Arabidopsis. Christophe d’Hulst, ancien membre du groupe de recherche en génétique microbienne, a pris en charge ces aspects et poursuit désormais de manière indépendante dans cette direction très productive en tant que responsable du groupe “Plant Storage Polysaccharides “

Cependant, notre groupe est maintenant beaucoup plus attiré par une autre question biologique, la voie évolutive suivie par le réseau de gènes du métabolisme de l'amidon. En effet, les approches de type evo-devo ont stimulé la recherche dans de nombreux domaines différents de la biologie du développement. Nous pensons que le même genre d'approches et de raisonnements pourraient être appliqués de manière fructueuse aux voies biochimiques. Cependant, les véritables approches evo-devo se situent à l'intérieur d'une échelle de temps d'événements allant de quelques millions d'années à quelques centaines de millions d'années tout au plus. De plus, l'origine phylogénétique des espèces étudiées à cet effet est généralement parfaitement comprise. Le problème avec les voies biochimiques importantes et répandues est qu'elles sont comparativement beaucoup plus anciennes et remontent à des centaines de millions et souvent à des milliards d'années. De plus, le contexte des événements qui les ont façonnés est presque totalement inconnu. Bien que de nombreuses théories fascinantes puissent être avancées concernant l'origine des eucaryotes archaea ou des bactéries, il n'y a pas actuellement de consensus sur ces questions. Avec de telles inconnues, retracer les étapes évolutives qui ont généré les principales voies biochimiques peut être un exercice très difficile et spéculatif.

Quant à l'origine des principales filières spécifiques aux plantes, la situation est heureusement beaucoup plus claire. En effet, il existe aujourd'hui un très large consensus concernant l'origine des plantes et leur origine monophylétique a été acceptée. Les plantes (c'est-à-dire les algues rouges, les algues vertes et les plantes terrestres et les glaucophytes) sont issues d'un seul événement endosymbiotique impliquant un symbiote cyanobactérien et un hôte eucaryote hétérotrophe. Alors que certaines voies végétales sont encore complètement cyanobactériennes ou eucaryotes dans leur essence (par exemple la photosynthèse ou la mitose), d'autres résultent de la fusion de voies préexistantes tandis que d'autres résultent d'une acquisition et d'une évolution ultérieures.

L'amidon est à première vue une ancienne filière spécifique à une plante. En effet ce polysaccharide ne se trouve que dans les plantes ou leurs dérivés endosymbiotiques (tels que les cryptophytes, les dinoflagellés et les parasites apicomplexes). Notre objectif récent a été de comprendre comment les voies de stockage des polysaccharides du symbiote cyanobactérien et de son hôte eucaryote ont fusionné pour générer de l'amidon.

Cela implique d'étudier en détail grâce à une combinaison d'approches biochimiques et génétiques un certain nombre d'espèces situées à des positions phylogénétiquement pertinentes dans l'arbre de vie, notamment les cyanobactéries, les dinoflagellés, les glaucophytes, les rhodophytes et les cryptophytes. Une distinction majeure dans nos nouvelles approches est que nous ne nous appuyons pas uniquement sur l'étude bioinformatique de séquences génomiques complètes, mais plutôt sur des études de mutants fonctionnels visant à comprendre comment une enzyme similaire a évolué et a changé pour remplir différentes fonctions dans le même réseau d'enzymes du métabolisme des polysaccharides. . Un bon exemple de cela est donné sur nos approches récentes comparant le phénotype des mutants défectueux de l'enzyme débranchante ou de la phosphorylase chez les bactéries et les algues. En travaillant ces aspects, nous sommes récemment tombés, tout à fait par hasard, sur ce qui, selon nous, explique les aspects majeurs de l'endosymbiose plastidiale et de la naissance du règne végétal. Cette contribution est maintenant publiée sous le nom d'hypothèse du « ménage à trois ». Notre hypothèse de travail actuelle est que le flux symbiotique de carbone au début de l'endosymbiose plastidiale impliquait le métabolisme du glycogène à travers le codage par 3 génomes d'enzymes nécessaires à l'établissement du flux. Ces génomes se composaient de la cyanobactérie naissante (le cyanobionte), d'un symbiote ou agent pathogène chlamydia auxiliaire et de l'hôte eucaryote. Cette proposition a des conséquences majeures sur notre vision de la biogenèse des organites et souligne l'importance de la phagocytose et des parasites énergétiques (rickettsies et chlamydiae) comme moteurs majeurs de l'évolution des eucaryotes.