Structure and regulation of the brain glycogen phosphorylase

La glycogène phosphorylase (GP) est l'enzyme clé de la mobilisation du glycogène dans les cellules. Chez l'homme, cette enzyme est retrouvée sous trois isoformes dont une cérébrale (GPc). Ces trois enzymes allostériques sont régulées à la fois par fixation d'effecteurs, et par phosphorylation. Cependant, bien que très similaires, la GPc présentent des caractéristiques de régulation qui lui sont propres. Par ailleurs, la GPc possède dans sa séquence plusieurs résidus cystéines réactifs suggérant que celle-ci peut être soumise à une régulation par les espèces réactives de l'oxygène (EROs). L'objectif de ce travail a donc été d'étudier les mécanismes moléculaires et cellulaires de la régulation de la GPc. Dans un premier temps, nous avons déterminé la structure de la GPc jusqu'à présent inconnue. Ces analyses ont permis de mettre en évidence les bases structurales de la régulation de la GPc par ses effecteurs allostériques. Nous nous sommes ensuite intéressés à la régulation de cette enzyme par le H2O2. Grâce à des approches de biochimie et de biologie cellulaire, nous avons montré que le H2O2 induit la formation d'un pont disulfure intramoléculaire au niveau du site de fixation de l'AMP, empêchant l'activation de cette enzyme par son effecteur allostérique. Cette régulation, spécifique de la GPc, permet un contrôle de la glycogénolyse par phosphorylation uniquement, en condition oxydante. Enfin, nous avons mis en évidence la capacité de composés environnementaux électrophiles (pesticides) à détourner la régulation redox de la GPc, conduisant à une altération du métabolisme du glycogène et pouvant ainsi participer au développement de pathologies neurodégénérativesGlycogen phosphorylase (GP) is the key enzyme for glycogen mobilization in cells. I human, this enzyme is found as three isoforms : liver GP (lGP), muscle GP (mGP) and brain GP (bGP). These three enzymes are allosteric enzymes, regulated by both the binding of allosteric effectors and phosphorylation. However, despite GPs are highly similar, bGP display distinguishing features. In addition, highly reactive cysteine residues are found in the primary sequence of bGP, suggesting that this enzyme might be regulated by reactive oxygen species (ROS). As a consequence, we investigated the molecular and cellular regulation of the bGP. First, we determined the crystal structure of this enzyme, so far unknown. These data revealed the structural bases of bGP regulation by its allosteric effectors, leading to the activation and the inactivation of the enzyme. We then focused on the regulation of bGP by H2O2, a model of ROS. Using biochemical and cellular approaches, we showed that H2O2 induces the formation of an intramolecular disulfide bond in the AMP binding site of the enzyme, avoiding its regulation by the allosteric effectors, without affecting its regulation by phosphorylation. Under oxidative condition, this regulation, unique to the brain form of GP, allows a control of the glycogenolysis through phosphorylation only. Finally, we demonstrated that electrophilic compounds from the environment (pesticides) might divert the redox regulation of bGP, leading to the alteration of glycogen metabolism which could participate to the development of neurodegenerative disease