Study of a natural insecticide named PA1b : Mechanism of action and heterologous expression

Dans un contexte où l’utilisation de substance chimique en agriculture est de plus en plus décriée, il est nécessaire de trouver de nouveaux moyens de protections des cultures, tout en maintenant une agriculture économiquement performante. Ainsi, un peptide extrait de graines de pois nommée PA1b (Pea Albumin 1 sous-unité b), présentant une forte activité insecticide a été découvert au laboratoire. PA1b provoque chez l’insecte modèle du laboratoire, le charançon des céréales Sitophilus sp., 100% de mortalité. L’action de PA1b passe par la liaison à un récepteur présent chez les charançons sensibles, et cette liaison est absente chez les charançons résistants ; ce récepteur est une pompe à protons nommée V-ATPase pour Vacuolar ATPase. Elle est composée de 14 sous-unités organisées en deux complexes protéiques nommés V1 (intracellulaire) et V0 (membranaire). PA1b agissant à l’extérieur des cellules seul le complexe V0 composé des sous - unités a, c, d et e pouvait être le récepteur de notre toxine. Mon premier objectif de thèse a été de comprendre le mode d’action de PA1b, en identifiant d’abord la ou les sous-unités réceptrices de PA1b, puis en recherchant par quel mécanisme la liaison de PA1b induit la mort de l’insecte. Nous avons cloné chez le charançon tous les gènes du complexe Vo, puis j’ai complémenté des levures déficientes pour ces gènes. Ce travail, mais également celui réalisé en collaboration avec d’autres équipes, nous a permis de proposer un modèle de perception de PA1b qui implique les sous-unités c et e de la V-ATPase, et permet également de proposer des hypothèses pour les différentes résistances au peptide. Par des méthodes d’immunohistologie et de biochimie, j’ai ensuite montré de manière concordante que la liaison de PA1b à la V-ATPase déclenche un phénomène d’apoptose qui conduit à la mort cellulaire, puis à la mort de l’insecte. Le second objectif de ma thèse était la mise en place d’un système de production hétérologue de PA1b. Grâce à l’expression hétérologue par infiltration de feuille de tabac (Nicotiana benthamiana) nous avons mis en place une technique de production efficace de la protéine PA1b. Après avoir déterminé les parties du gène codant PA1b nécessaires à la production de la protéine fonctionnelle, le système de production a ensuite été simplifié par la construction d’une cassette d’expression. Ainsi six isoformes de PA1b présents chez le pois, dont l’activité individuelle restait inconnue, ont été produits et testés, permettant de montrer que le caractère amphiphile de PA1b était primordial pour son activité. Par cette technique nous avons mis en place un système de production rapide et efficace permettant de tester la toxicité de nombreux isoformes de PA1b. Ce travail sera une aide précieuse pour le projet, dont l’un des objectifs majeurs est l’optimisation de PA1b, c’est-à-dire de déterminer la séquence peptidique la plus toxique.In a context where chemical pesticides are increasingly criticized, new crops protection strategies that do not affect agriculture efficiency and productivity, must be found. A new peptide extracted from pea (Pisum sativum) seeds, named PA1b (Pea albumin 1 subunit b), and showing an important insecticide activity, was discovered in our laboratory. PA1b induces 100% mortality in our insect model, the cereal weevil, Sitophilus sp. PA1b acts by interacting with a receptor, this interaction is present in sensitive weevil, but not present in resistant weevil. The PA1b receptor is the vacuolar H+ -ATPase (V-ATPase), a multi-subunit proton pump. The V-ATPase is composed of two functional protein complexes named V1 (in the cytoplasm) and V0 (in the membrane). As PA1b is known to act only in the extracellular space, thus only the V0 complex, composed on the subunits a, c, d and e, can be the toxin receptor. The first aim of this thesis is to understand the PA1b mode of action: (i) identifying the subunit(s) acting as the receptor(s), (ii) understanding how the binding mechanism of PA1b on the receptor lead to the insect death. The weevil V0 complex genes were cloned and we used them for a functional complementation tests in yeasts strains deleted for these genes. Our data, together with those obtained through collaboration, lead to the proposal of model for the PA1b perception signaling which would involve subunits c and e of the V-ATPase. The identification of the PA1b receptor allows us to propose a hypothetical model explaining resistance mechanism to the peptide. Using immunohistology and biochemistry methods, we showed that PA1b-receptor interaction induced cells death triggered by apoptosis thus leading to insect death. The second aim of this thesis was the development of a PA1b heterologous production system. Through Agrobacterium tumefaciens mediated transient transformation by infiltration in tobacco leaves (Nicotiana benthamiana) an efficient system for PA1b production was developed. After identification of the essential parts of the complex PA1 gene necessary for efficient PA1b production, we created an expression cassette to simplify our heterologous production system. We used the system to produce six pea PA1b-isoformes with unknown individual toxic activity. The isoforms toxicity was experimentally determined, and our data showed that the amphiphilic properties of PA1b are essential for the maintenance of its toxic activity. For the first time, we implemented a quick and efficient production system, which allows to produce and to test many naturals or synthetics PA1b isoforms. This work will be useful to achieve one of the most important objectives of the research on this molecule, that is the identification