Direction des sciences du vivant

Chez les plantes, les sucres sont les principaux substrat pour la respiration et la croissance. Ils ont également une fonction de signalisation en modulant l’expression de certains gènes. Dans les cellules, plusieurs niveaux de perception des sucres ont été mis en évidence dont l’étape de phosphorylation des hexoses catalysée par l’hexokinase. L’implication de l’hexokinase dans la signalisation par les sucres a été mise en évidence, notamment, par l’utilisation d’analogues du glucose métabolisés à des degrés divers dans la cellule. Nous avons utilisé cette approche métabolique en suivant les effets de différents substrats carbonés (3-O-méthylglucose, dihydroxyacétone et glycérol) d’une part sur la protéolyse et la régulation d’endoprotéases (RSIP) et d’autre part, sur la respiration, l’état énergétique et les profils métaboliques dans des pointes de racines de maïs et chez des cellules hétérotrophes d’Arabidopsis thaliana.
Ces travaux montrent que le 3-O-méthylglucose (3-OMG) n’est pas un substrat respiratoire et qu’il ne contribue pas aux biosynthèses. Les processus de protéolyse et de lipolyse sont induits dans des pointes de racines de maïs incubées en présence de 3-OMG. En revanche, contrairement, aux idées admises dans la littérature, nous montrons par spectroscopie RMN, que le 3-OMG est phosphorylé en 3-OMG-6P par les hexokinases. Néanmoins, l’efficacité catalytique de l’HXK est 100 000 fois plus faible pour le 3-OMG que pour le glucose ou le mannose. Nous interprétons ces résultats en posant l’hypothèse que l’intensité du signal sucre est corrélée au flux de carbone à travers l’hexokinase. Les résultats obtenus avec l’utilisation du dihydroxyacétone et du glycérol montrent que l’expression de la RSIP et la protéolyse sont régulées différemment. L’expression de la RSIP est régulée au niveau des hexokinases tandis que la protéolyse est régulée au niveau de la fourniture en substrats carbonés aux mitochondries. La modulation du flux de carbone à travers l’hexokinase apparaît comme un mécanisme essentiel dans la signalisation par les sucres. La dernière partie du manuscrit décrit la caractérisation d’un matériel biologique nouveau, culture cellulaire hétérotrophe d’Arabidopsis thaliana, et la mise au point d’une méthodologie expérimentale pour mesurer des flux métaboliques.

In plants, sugars constitute the main energy source for respiration and growth. By modifying gene expression, they are also involved in signalling pathways. In cells, sugar perception occurs at several levels during the phophorylation step of the catalysis of hexoses by hexokinase. The involvement of hexokinase in signalling by sugars was demonstrated by way of glucose analogues that were subsequently metabolised in the cell to different extents. We have used this metabolic approach on both maize root tips and heterotroph cells of Arabidopsis thaliana. We monitored the effects of different carbon substrates (3-O-methyglucose, dihydroxyacetone and glycerol) on the proteolysis and regulation of endoproteases (RSIP) and on cell respiration; its energy state and their metabolic profiles.
These studies show that 3-O-methyglucose (3-OMG) is not a substrate for respiration and does not contribute to biosynthesis. Proteolysis and lipolysis are induced in 3-OMG-fed maize roots. Contrary to prevailing opinion, we show by NMR spectroscopy, that 3-OMG is phosphorylated to 3-OMG-6P by the hexokinases. Nevertheless, the rate of catalysis of hexokinase is 100 00 less for 3-OMG than for glucose or mannose. To interpret these observations, we hypothesise that intensity of the sugar signal is related to the flux of carbon through the hexokinase. The results obtained using dihydroxyacetone and glycerol show that both RSIP expression and proteolysis are regulated in a different manner. RSIP expression is regulated at the level of hexokinases, whereas proteolysis is regulated by the supply of carbon substrates to mitochondria. Variations in the flux of carbon through hexokinases seem to be an essential part of the mechanism by which sugars participate in signalling. The last part of the manuscript describes the characterisation of a new biological material, heterotroph cell cultures of Arabidopsis thaliana together with the development of experimental procedures for measuring the rate of metabolic flux.