Metabolism of polysaccharides from the extracellular matrix in brown algae : evolutionary histories and proteomic approaches
Métabolisme des polysaccharides de la matrice extracellulaire chez les algues brunes : histoires évolutives et approches protéomiques
Résumé
Brown algae belong to the Stramenopiles lineage, which also includes various protists, diatoms and oomycetes. They are the only organisms in this lineage to have developed complex multicellularity, independently of other lineages, such as those containing plants and animals. The convergent acquisition of multicellularity was accompanied by the development of an extracellular matrix (ECM), whose adhesive properties played a role in this transition. The ECM is involved in many biological functions, such as the maintenance of cellular integrity, development and defense responses. These functions are closely linked to the chemical composition of the ECM, which in brown algae is mainly composed of polysaccharides. The main polysaccharides are alginates and fucose-containing sulfated polysaccharides (FCSPs), the latter including fucans and fucoidans. The biosynthesis of these compounds must be finely orchestrated to enable the assembly of the ECM, but to date there is very little data on their metabolisms in brown algae. The analysis of the first brown algal genome in 2010 allowed to trace the biosynthetic pathways of alginates and fucans, but we still lack a more exhaustive overview of different groups of brown algae to refine these predictions. Similarly, the subcellular location of the synthesis sites has not been fully explored. During my PhD, I used several approaches to study the enzymes involved in the metabolism of alginate and FCSPs in brown algae. First, I had the chance to have access to a large number of recently sequenced brown algal genomes (40) available in the laboratory. Using in silico approaches, I was able to annotate the enzymes involved in the metabolism of ECM polysaccharides, including the Carbohydrate Active enZymes (CAZymes). This allowed me to highlight the originality of the CAZyme content in brown algae, to refine the predictions of candidate genes involved in fucan synthesis (fucosyltransferases, sulfotransferases), and to trace the evolutionary history of alginate in Stramenopiles. In a second approach, I worked on establishing a protocol to isolate the Golgi apparatus in brown algae, in order to identify enzymes potentially involved in the synthesis of FCSPs. This was a particularly difficult task, but validation of partially enriched fractions was possible. Proteomic analyses of these fractions, combined with molecular analyses, allowed me to refine our candidate genes for fucan synthesis, for which I have initiated heterologous expression. This research has advanced our understanding of the metabolic pathways of ECM polysaccharides in brown algae, and provides a solid foundation for future functional validations.
Les algues brunes appartiennent à la lignée des Straménopiles, qui regroupe également divers protistes, diatomées et oomycètes. Elles sont les seules à avoir développées une multicellularité complexe dans cette lignée, et ceci indépendamment d'autres lignées, comme celles comprenant les plantes et les animaux. L’acquisition convergente de la multicellularité s’est accompagnée du développement d’une matrice extracellulaire (MEC), qui grâce à ses propriétés adhésives, a joué un rôle dans cette transition. La MEC est impliquée dans de nombreux rôles biologiques, tels que le maintien de l’intégrité cellulaire, le développement ou les réponses de défenses. Ces fonctions sont intimement liées à la composition chimique de la MEC, essentiellement constituée de polysaccharides chez les algues brunes. Les principaux polysaccharides sont les alginates et les polysaccharides sulfatés contenant du fucose (FCSP), ces derniers regroupant fucanes et fucoïdanes. La biosynthèse de ces composés doit être finement orchestrée pour permettre l’agencement de la MEC, mais à ce jour il existe très peu de données sur leur métabolisme chez les algues brunes. L’analyse du 1er génome d’algue brune en 2010 avait permis de retracer les voies de synthèses des alginates et des fucanes, néanmoins une vue plus exhaustive à l’échelle des différents groupes d’algues brunes manquait pour affiner les prédictions. De même, la localisation subcellulaire des lieux de synthèse restait peu explorée. Dans le cadre de cette thèse, j’ai abordé plusieurs approches pour étudier les enzymes impliquées dans le métabolisme des alginates et des FCSP chez les algues brunes. Tout d’abord, j’ai pu bénéficier de l’accès à un grand nombre de génomes d’algues brunes (40) récemment séquencés et accessibles au laboratoire. Par des approches in silico, j’ai pu annoter les enzymes impliquées dans le métabolisme des polysaccharides de la MEC, dont les Carbohydrate Actives enZymes (CAZymes). Ceci m’a permis de mettre en lumière l’originalité du contenu en CAZymes chez les algues brunes, d’affiner les prédictions de gènes candidats dans la synthèse des fucanes (fucosyltransférases, sulfotransférases), tout en retraçant l’histoire évolutive de l’alginate au sein des Straménopiles. Dans une seconde approche, j’ai travaillé à la mise en place d’un protocole pour l’isolement de l’appareil de Golgi chez les algues brunes, afin d’identifier des enzymes potentiellement impliquées dans la synthèse des FCSP. Cette tâche s’est révélée particulièrement difficile, mais un fractionnement partiel a pu être validé. Les analyses protéomiques de ces fractions, confrontées aux analyses moléculaires, m’ont permis d’affiner nos candidats cibles dans la synthèse des fucanes, pour lesquels j’ai initié un travail d’expression hétérologue. Ces recherches nous ont permis de progresser dans la connaissance des voies métaboliques des polysaccharides de la MEC chez les algues brunes, et constituent une assise solide pour les futures recherches de validations fonctionnelles dans ce domaine.
Origine : Version validée par le jury (STAR)