Littérature scientifique sur le sujet « Lipide de signalisation »

L’acide abscissique (ABA) est une phytohormone impliquée dans de nombreux processus de développement des plantes. L’ABA s’accumule également en réponse à des stress abiotiques et participe à l’établissement de la résistance à ces stress par la régulation de l’expression de gènes et des mouvements stomatiques. La signalisation cellulaire de l’ABA est très complexe et fait intervenir de nombreux partenaires protéiques et messagers secondaires. En particulier, le rôle des phospholipides a été démontré sur des cellules en suspension d’A. Thaliana. En effet, la forme phosphorylée de l’acide phosphatidique (PA), le diacylglycérol pyrophosphate (DGPP), s’accumule de façon transitoire en réponse à l’ABA et mime les effets de l’ABA sur l’induction de l’expression du gène RAB18. Mon travail de thèse apporte des éléments renforçant l’hypothèse d’un rôle de messager secondaire du DGPP dans la voie de signalisation de l’ABA. Des analyses transcriptomiques ont montré que le DGPP contrôle l’expression de nombreux gènes régulés par l’ABA. De plus, le DGPP mime les effets de l’ABA en induisant l’entrée de Ca2+ dans les cellules et en régulant l’activité de canaux anioniques membranaires. L’utilisation d’inhibiteurs de canaux calciques et anioniques nous a permis de proposer une séquence d’évènements précoces de la signalisation de l’ABA, nécessaires au contrôle de l’expression de gènes, impliquant le Ca2+, le DGPP et les courants anioniques. Afin de préciser le rôle du PA et du DGPP dans la signalisation de l’ABA, l’étude d’enzymes du catabolisme du PA et du DGPP, les Lipide Phosphate Phosphatases (LPP), a été entreprise. Les LPP déphosphorylent le DGPP en PA et le PA en diacylglycérol (DAG). Quatre gènes codent des LPP dans le génome d’A. Thaliana, AtLPP1, 2, 3 et 4. Des mutants d’insertion homozygotes ont été obtenus pour les gènes AtLPP1,2 et 3, et leurs réponses à l’ABA ont été étudiées au cours de tests physiologiques. Seul le mutant knock-out Atlpp2-2 présente un phénotype différent de celui du sauvage lors de l’inhibition de la germination, l’induction artificielle de la sénescence foliaire et l’induction de la fermeture stomatique par l’ABA. En outre, les teneurs en PA et DGPP d’Atlpp2-2 sont plus élevées que celles du sauvage. De plus, des études transcriptomiques ont révélé que la régulation de l’expression génique par l’ABA est perturbée chez Atlpp2-2. Tous ces résultats suggèrent que la protéine AtLPP2 est impliquée dans la signalisation de l’ABA, probablement en régulant les pools des deux messagers secondaires, DGPP et PA.

La neurosecrétion nécessite une coopération entre différents acteurs protéiques pour orchestrer le transport, la fusion et le recyclage de vésicules sécrétrices. Cependant les lipides, composants majeurs des membranes cellulaires, ont été moins étudiées lors de ce processus, principalement à cause d’un manque d’outils. Ainsi lors de ma thèse, j’ai implémenté deux approches pour étudier les fonction pléïotropiques d’un lipide de signalisation : l’acide phosphatidique (PA). L’utilisation d’analogues du PA modifié chimiquement m’a permis d’établir leur dynamique ainsi que leurs interactomes directement dans des cellules neurosécrétrices. Une seconde approche optogénétique permet de moduler les niveaux intracellulaires de PA avec une résolution spatiale et temporelle sans précédent pour établir les fonctions non-redondantes de différents pools de PA subcellulaires. Ainsi, grâce à cette nouvelle boite à outil moléculaire, j’ai pu approfondir notre compréhension des rôles du PA dans la neurosécrétion
Neurosecretion requires multiple proteins acting together to orchestrate transport, fusion and recycling of secretory vesicles. However, contribution of lipids, main components of cellular membranes, have been much less studied in these processes, primarily because of a lack of adequate tools. Hence, during my thesis, I implemented two novel approaches to study the pleiotropic functions of a peculiar signaling lipid: phosphatidic acid (PA). The use of chemically modified PA click-analogues enabled me to establish their dynamics as well as to characterize their interactome directly within neurosecretory cells. A second approach based on the optogenetic targeting of enzymes involved in the PA metabolism modulated its cellular levels with an unprecedented spatial and temporal resolution. This work allowed to unravel the non-redundant functions of various subcellular PA pools. Our novel molecular toolbox for PA, represents a breakthrough in lipid biology that will greatly improve our understanding of the roles of PA in the neurosecretory process

Le léiomyome utérin est la pathologie utérine la plus fréquente chez les femmes en âges de procréer. Des résultats précédent obtenus avec les cellules ELT3, une lignée de cellules de léiomyomes de rat, ont montré que l'acide lysophosphatidique (LPA) activait les MAP kinases ERK1/2 via le récepteur LPA1 couplé à la protéine Gi et l'activation de Raf, Ras et de MEK. Durant ce travail, nous avons caractérisé l'activité phosphatase responsable de la dégradation du LPA dans cette lignée de cellules ELT3. Nous avons montré que le LPA était dégradé exclusivement par la lipide-phosphate phosphatase 1 (LPP1), seule isoforme exprimé dans les cellules ELT3. Dans un deuxième temps nous nous somme intéressés aux effets du diacylglycerol pyrophosphate (DGPP). Le DGPP est un médiateur lipidique qui, sous sa forme dioctanoyl (DGPP8:0), est décrit comme un antagoniste des récepteurs LPA1 et LPA3 chez les mammifères. Dans cette étude, nous montrons que le DGPP8:0 n'a pas d'effet antagoniste sur l'activation du module MAP kinase ERK1/2 par le LPA mais qu'il induit une activation de ERK1/2 dans plusieurs lignées de cellules de mammifères. En effet le DGPP active ERK1/2 à travers l'activation des PKC, Raf et MEK. De plus, nous montrons que l'activation induite par le DGPP repose sur sa déphosphorylation catalysée par une LPP. Nous montrons également que l'inhibition de LPP1 par le VPC32183 ou l'utilisation de siRNA dirigé contre la lipide phosphate-phosphatase 1 (LPP1) réduit l'activation ERK1/2 induite par le DGPP. Ceci montre que le DGPP active ERK1/2 via sa déphosphorylation en acide phosphatidique (PA8:0), catalysée par la LPP1. Enfin dans une dernière partie nous montrons que le myomètre sain, contrairement aux cellules ELT3, exprime à la fois la LPP1 et la LPP3. En étudiant l'effet de la surexpression de la LPP3 dans les cellules ELT3, nous avons observé que la LPP3 interagissait avec la LPP1 et qu'elle pourrait la séquestrer dans des compartiments membranaires internes. Cette séquestration entraine une diminution de l'actvité ecto-LPP au profit de l'activité intracellulaire qui pourrait réguler négativement la production de seconds messagers phospholipidiques. Ces résultats montrent l'importance des LPP dans la régulation des effets des phospholipides bioactifs et suggère un lien entre le caractère tumorale des cellules de léiomyomes et l'absence de la LPP3.

Les nucléosides diphosphate kinases (NDPK) sont essentielles pour la génération des nucléosides triphosphates (NTPs) en utilisant l’ATP et des NDPs. L’isoforme mitochondriale de NDPK (NDPK-D), située dans l’espace intermembranaire des mitochondries, possède deux modes de fonctionnement. Dans le premier mode (« phosphotransfert »), la protéine a une activité de kinase comme les autres enzymes NDPK. Dans ce mode de fonctionnement, NDPK-D produit du GTP pour la protéine optique atrophy 1 (OPA1), une GTPase impliquée dans la fusion des mitochondries, et de l’ADP pour le translocateur à adénine (ANT) et l’ATPase mitochondriale pour la régénération d’ATP. Le second mode de fonctionnement est appelé « transfert de lipide » et est lié à la capacité de la protéine à se lier aux phospholipides anioniques, particulièrement la cardiolipine (CL). Dans ce mode NDPK-D peut réticuler les deux membranes mitochondriales et transférer CL de la membrane interne vers la membrane externe des mitochondries, pouvant servir de signal pour la mitophagie et l’apoptose. Ce travail a pour objectif d’étudier plus en détails ces différentes fonctions de NDPK-D. En utilisant des cellules HeLa exprimant de façon stable la protéine sauvage, kinase inactive (mutation H151N) ou incapable de se lier aux lipides (mutation R90D) et des cellules épithéliales de poumons de souris, nous montrons (i) une grande proximité entre NDPK-D et OPA1 qui conduit au channeling de GTP par NDPK-D pour OPA1, (ii) le rôle essentiel de NDPK-D pour l’externalisation de CL vers la surface des mitochondries pendant la mitophagie, servant de signal de reconnaissance pour le complexe LC3-II-autophagosomes afin d’éliminer les mitochondries endommagées, (iii) la possible inhibition de l’externalisation de CL par la présence de complexes NDPK-D/OPA1, et (iv) un phénotype pro-métastatique des cellules HeLa exprimant la NDPK-D mutée (H151N ou R90D), caractérisé par un fort potentiel invasif et migratoire, un profil protéique altéré, et des modifications au niveau structural et fonctionnel du réseau mitochondrial. Finalement, une première stratégie d’expression et de purification de la protéine OPA1 entière a été établie pour de futures études in vitro des complexes NDPK-D/OPA1
The nucleoside diphosphate kinases (NDPK) are essential for generation of nucleoside triphosphates (NTPs) using ATP and NDPs. The mitochondrial NDPK isoform (NDPK-D) located in the mitochondrial intermembrane space is found to have two modes of function. First, the phosphotransfer mode in which the protein has a kinase activity like other NDPK enzymes. In this mode, NDPK-D produces GTP for the optic atrophy 1 protein (OPA1), a GTPase involved in mitochondrial fusion, and ADP for the adenylate translocator (ANT) and the mitochondrial ATPase for ATP regeneration. The second mode of function is called lipid transfer and is related to the capacity of NDPK-D to bind anionic phospholipids, especially cardiolipin (CL). In this mode, the protein can cross-link the two mitochondrial membranes and transfer CL from the inner to the outer mitochondrial membrane, which can serve as a signal for mitophagy and apoptosis. This work aims to study these NDPK-D functions in more detail. With the use of HeLa cells stably expressing the wild-type, kinase inactive (H151N mutation) or lipid binding deficient (R90D mutation) NDPK-D and mouse lung epithelial cells, we show (i) the close proximity between NDPK-D and OPA1 that leads to GTP channeling from NDPK-D to OPA1, (ii) the essential role of NDPK-D for CL externalization to the mitochondrial surface during mitophagy, serving as a recognition signal for LC3-II-autophagosomes to eliminate damaged mitochondria, (iii) the possible inhibition of CL externalization due to the presence of NDPK-D/OPA1 complexes, and (iv) a pro-metastatic phenotype of HeLa cells expressing either of the NDPK-D mutants (H151N or R90D), characterized by high invasive and migratory potential, altered proteomic profile and changed mitochondrial network structure and function. Finally, a first bacterial expression and purification strategy for full-length OPA1 has been established for future in vitro studies of NDPK-D/OPA1 complexes

Les triacylglycérol (TAG) est un métabolite hautement énergétique qui peut être facilement converti en biodiesel. Les TAG peuvent être produits à partir de plantes et de microalgues. L'étude des voies de signalisation de l'énergie peut offrir de nouvelles stratégies pour améliorer l'accumulation de biomasse et de TAG sans compromettre la croissance. Dans cette thèse, j'ai étudié le rôle de deux voies principales de signalisation énergétique: la voie du de guanosine ppGpp (guanosine penta(tétra) phosphate) dans le chloroplaste et la voie de TOR (Target of rapamycin) dans le cytosol. J'ai choisi de travailler sur la mousse Physcomitrella patens, un modèle d'eucaryote photosynthétique en raison de sa position évolutive entre les algues et les plantes vasculaires. Pour étudier le rôle du ppGpp, nous avons créé des lignées transgéniques exprimant de manière inductible une ppGpp synthase et sur-accumulant le ppGpp. J'ai trouvé que l'induction de SYN provoque une forte inhibition de la capacité photosynthétique en raison de l'inhibition de l'expression des protéines clés codées par les chloroplastes et aussi une réorganisation des membranes thylakoïdes. Pour l’étude de TOR nous avons traité la mousse avec des inhibiteurs de TOR et montré que cela provoque l’inhibition de la croissance de manière dose dépendante et l’accumulation de TAG. L’utilisation des marqueurs lipidiques a révélé la perte de petites vésicules associées à la croissance et l'accumulation de plus grandes structures de corps lipidiques. Des études supplémentaires permettront de développer des stratégies pour améliorer la production de biocarburants chez les organismes photosynthétiques
Triacylglycerol (TAG) is a highly energetic metabolite that can be easily converted into biodiesel. TAG can be produced from both plants and microalgae. However, plants have low TAG yields in their dominant vegetative tissues. Microalgae can accumulate high amounts of TAG, but only under stress, leading to growth inhibition and limiting yield. The study and manipulation of stress and energy signaling pathways can offer new strategies to improve biomass and TAG accumulation without compromising growth. In this thesis, I studied the role of two major energy signaling pathways: the guanosine penta(tetra) phosphate (ppGpp) pathway in the chloroplast and the target of rapamycin (TOR) pathway in the cytosol. I chose to work on the moss Physcomitrella patens which is an interesting model of photosynthetic eukaryote because of its evolutionary position between algae and vascular plants. To study the role of ppGpp we created transgenic lines that inducibly express a ppGpp synthase and over-accumulate ppGpp. I found that ppGpp accumulation causes a strong inhibition of photosynthetic capacity due to the inhibition of the expression of key chloroplast encoded proteins, and also reorganization of the thylakoid membrane system into super grana. For the TOR pathway, we treated P. patens protonema with active site TOR inhibitors and showed that this cause growth inhibition in a dose dependent manner and is accompanied by TAG accumulation. The use of lipid dyes reveals a shift from small growth associated vesicles to a larger oil body structures after treatment. Further studies will allow the development of new strategies for improving biofuel production in photosynthetic organisms

Au cours de ces dernières années, des études ont montré l’existence d’une compartimentation latéraledes composants de la membrane plasmique végétale, de manière analogue à ce qui avait été montréchez les animaux et les levures. L’objectif de cette thèse était d’apporter de nouveaux éléments decaractérisation de cette compartimentation (propriétés physiques de domaines particuliers, mécanismesde mise en place de ces domaines, de contrôle de leur taille, etc…) et d’étudier son rôle dans laphysiologie de la cellule végétale.Le développement d’une méthodologie de microscopie confocale spectrale couplée à l’utilisationd’une sonde environnementale a permis d’apporter la première description à l'échellesubmicrométrique de l’organisation du plasmalemme en territoires aux propriétés physiquesdifférentiées. Ces domaines coexistent au sein de la membrane plasmique de cellules en suspension,comme à celle de membranes artificielles composées de lipides modèles ou de lipides de membranescellulaires, de vésicules géantes constituées de membrane plasmique purifiée, ou de protoplastes.Cependant, les différences de l’organisation latérale observées chez ces différentes membranes ontpermis de montrer l’importance des phytostérols qui seraient, par le biais d'interactions spécifiquesavec d’autres lipides végétaux tels que les GIPCs, des composés essentiels pour la formation locale dedomaines lipidiques ordonnés. La grande diversité des lipides végétaux organiserait ainsi lacompartimentation de la membrane plasmique permettant la ségrégation dynamique des composantsmembranaires. Si les stérols augmentent de manière importante le degré de compaction de la bicouche,les protéines le diminuent. Le cytosquelette et la paroi ne semblent, quant à eux, modifier ni laprésence, ni l’organisation des domaines ordonnés de la membrane plasmique. Nous avons égalementmontré que l’organisation de ces domaines évolue transitoirement lors des étapes précoces de lacascade de signalisation induite par des réactions de défense. De fait, nous avons identifié desmodifications des propriétés physiques globales et de l’organisation fine de la membrane provoquéespar différents éliciteurs de réactions de défense, dont la cryptogéine, une protéine sécrétée parl’oomycète Phytophthora cryptogea. Nous avons montré que ces modifications sont un élémentgénérique de la signalisation de défense, sous la dépendance de phénomènes de phosphorylation, leburst oxydatif étant également une étape clé de l’augmentation du degré d’ordre observé dans lesphases précoces de cette signalisation. La cryptogéine, qui présente une aptitude singulière pour piégerles stérols, a également montré une capacité spécifique à augmenter la fluidité membranaire, ceparamètre pouvant contrôler l’intensité de la cascade de signalisation, mesurée par la production deformes actives d’oxygène.Ces résultats ouvrent de nouvelles perspectives dans la compréhension des interactions cellule-élicitineet apportent un nouvel éclairage sur le rôle des lipides végétaux dans l’organisation latérale de lamembrane plasmique végétale et positionne la dynamique membranaire comme un élément designalisation de défense des plantes
Recent studies have shown the existence of lateral sub-compartmentalization of plant plasmamembrane similar to that of animal cells and yeasts. The aim of this thesis was to provide newelements to characterize this compartmentalization (physical properties of specific domains,mechanisms of their formation, determination of their size, etc...) and to study its role in thephysiology of plant cells.The development spectral confocal microscopy coupled with the use of an environment-sensitiveprobe enabled to obtain the first description at the submicron scale of plasma membrane organizationinto domains exhibiting various physical properties. These domains coexist at the plasma membranesurface of tobacco suspension cells as well as the membrane of vesicles composed of models lipids orcell plasma membrane lipids, purified plasma membrane vesicles, and protoplasts. However,differences in the lateral organization observed in these membranes have shown the importance ofphytosterols which are, through specific interactions with neighboring plant lipids such as GIPCs,essential for local formation of ordered domains. The huge diversity of plant lipids drives thecompartmentalization of the plasma membrane allowing the dynamic segregation of membranecomponents. Sterols greatly increase membrane order, whereas proteins tends to decrease it.Cytoskeleton and cell wall do alter neither presence nor organization of ordered domains of the plasmamembrane. We have also shown that the organization of these domains is transiently modified duringthe early stages of defense signaling cascade. In fact, we have identified changes in overall physicalproperties and fine lateral organization of the membrane caused by various elicitors of defensereactions, including cryptogein, a protein secreted by the oomycete Phytophthora cryptogea. We haveshown that these changes are a generic element of defense signaling cascade and depend onphosphorylation processes; oxidative burst being also a major actor of the control of the increase ofmembrane order observed during the very early stages of the signalling process. Cryptogein, whichexhibits the particular ability to trap sterols, also showed a specific capacity to increase membranefluidity and amplify the intensity of the signalling cascade, as measured by the production of reactiveoxygen species.These results open new perspectives in the understanding of cell-elicitin interactions and provide anew view on the central role of sterol composition in the lateral organization of plant plasmamembrane. They also identify membrane dynamics as a new player in the signalling cascade occurringduring plant defense

Les personnes en surcharge pondérale semblent préférer une alimentation riche en graisse. Face à l'épidémie d'obésité qui touche nos Sociétés tant urbaines que rurales, élucider les mécanismes de la détection des lipides alimentaires devient un enjeu majeur. Il avait précédemment été admis que la glycoprotéine CD36 exprimée dans les papilles caliciformes de souris, est impliquée dans la perception oro-gustative des lipides alimentaires. Dans ce travail, nous avons montré que l'acide linoléique (LA), en activant les phospholipases A2, sPLA2, cPLA2 et iPLA2 via CD36, produit de l'acide arachidonique (AA) et la lyso-phosphatidylcholine (lyso-PC). LA déclenche un influx calcique dans les cellules CD36-positives et induit la production du facteur CIF (Calcium Influx Factor). CIF, AA et lyso-PC exercent différentes actions sur l'ouverture des canaux SOC (Stored Operated Calcium Channel) constitués de protéines Orai et contrôlés par STIM1. Stim1 est un senseur calcique situé sur la membrane du réticulum endoplasmique activé par la déplétion du calcium intracellulaire. Nous avons utilisé la technologie siRNA et des modèles de souris transgéniques pour montrer que CIF et lyso-PC activent des canaux calciques homodimériques composés de protéines Orai1 tandis qu’AA active des canaux hétéro-pentamériques composés d’Orai1 et Orai3. Nous avons également montré que STIM1 régule la production de CIF dans les cellules stimulées par la thapsigargine et l’acide linoléique ainsi que l'ouverture de deux types de canaux calciques. Par ailleurs les souris au phénotype Stim1-/- perdent la préférence spontanée pour les lipides observé chez les animaux de type sauvage. D’un autre côté les cellules CD36-positive de souris Stim1-/- sont incapables de libérer la sérotonine dans l'environnement extracellulaire. Nos résultats suggèrent que des acides gras à longue chaine (AGLC) induisent la signalisation calcique régie par STIM1 via CD36. La perception oro-gustative des lipides alimentaires détermine la préférence spontanée pour les lipides observée chez les mammifères
The lipid-binding glycoprotein CD36, expressed by circumvallate papillae (CVP) of the mouse tongue, has been shown to be implicated in oro-gustatory perception of dietary lipids. We demonstrate that linoleic acid (LA) by activating sPLA2, cPLA2 and iPLA2 via CD36, produced arachidonic acid (AA) and lyso-phosphatidylcholine (Lyso-PC) which triggered Ca2+ influx in CD36-positive taste bud cells (TBC), purified from mouse CVP. LA induced the production of Ca2+ influx factor (CIF). CIF, AA and Lyso-PC exerted different actions on the opening of store-operated Ca2+ (SOC) channels, constituted of Orai proteins and regulated by STIM1, a sensor of Ca2+ depletion in the endoplasmic reticulum. We used siRNA technology and transgenic mice models and observed that CIF and Lyso-PC opened Orai1 channels whereas AA-opened Ca2+ channels were composed of Orai1/Orai3. STIM1 was found to regulate LA-induced CIF production and opening of both kinds of Ca2+ channels. Furthermore, Stim1–/– mice lost the spontaneous preference for fat, observed in wild-type animals. The CD36-positive TBC from Stim1–/– mice also failed to release serotonin into extracellular environment. Our results suggest that fatty acid-induced Ca2+ signaling, regulated by STIM1 via CD36, might be implicated in oro-gustatory perception of dietary lipids and the spontaneous preference for fat

Les cellules eucaryotes possèdent un territoire membranaire dit « électrostatique » qui est définit par la présence de phospholipides négativement chargés sur la face cytosolique des membranes. Cette propriété permet le recrutement de protéine cytosolique contenant des motifs/domaines positivement chargés au niveau des membranes via des interactions électrostatiques. Nous nous sommes demandés si le territoire électrostatique est présent chez les cellules végétales et quel est son organisation ? Quels sont le(s) lipide(s) anionique(s) impliqués dans son maintien ? Et quel est son (ces) rôle(s) dans la signalisation et le développement des plantes ? Premièrement, nous avons mis en avant que la membrane plasmique est le compartiment intracellulaire le plus électronégativement chargé (Simon, Platre et al., 2016 Nature Plants). Ce champ électrostatique est gouverné par trois lipides anioniques différents, l’acide phosphatidique, la phosphatidylserine et le phosphatidylinositol-4-phosphate. Nous avons montré que cette propriété unique de la membrane plasmique permet de réguler des voies de signalisation hormonale, tel que celle de l’auxine et des brassinostéroïdes. Notamment, la phosphatidylserine régule la dynamique spatiotemporelle des petites GTPases de la famille Rho. En réponse à l’auxine, ce lipide permet de regrouper les protéines Rho dans des domaines membranaires. La formation de ces domaines est requise pour l’activité de ces protéines permettant de contrôler l’endocytose, la dynamique du cytosquelette mais également régule la morphogenèse cellulaire ainsi que la réponse gravitropique de la racine
The « electrostatic territory» is part of the eukaryotic membrane organization and is defined by the enrichment of negatively charged phospholipids at the membrane cytosolic face. This feature is involved in the membrane recruitment of cytosolic proteins, which contain positively charged motifs and/or domains. In this work, we used Arabidopsis thaliana as a model and explored the existence of an electrostatic territory in plant cells. We found that the plasma membrane is the most anionic intracellular membrane (Simon, Platre et al., 2016 Nature Plants). This electrostatic field is maintained by lipid cooperation between, phosphatidic acid, phosphatidylserine and phosphatidylinositol-4-phosphate. The cell surface unique feature is involved in the regulation of hormonal signalling such as auxin and brassinosteroids pathways. We found that phosphatidylserine tunes the spatiotemporal dynamics of small GTPases from the Rho family. During auxin response, PS is required to cluster Rho into specialized membrane domains. We show that nanocluster formation is required for Rho-mediated auxin signaling including the regulation of endocytosis, cytoskeleton organization, morphogenesis and the root gravitropic response