Characterization of the Arabidopsis thaliana fucosyltransferase "AtFuT1" : biochemical and structural study

Les fucosyltransférases sont les enzymes responsables du transfert d'un groupement fucose à partir du GDP-fucose sur des accepteurs variés (oligosaccharides, protéines,...). Chez l'homme, les rôles de ces glycosyltransférases sont importants dans un grand nombre de processus biologiques et pathologiques. De nombreuses fucosyltransférases existent chez les végétaux. Notamment FuT1, qui transfert un fucose en 1,2 sur un résidu galactose du xyloglucane : l'une des hémicelluloses majeures de la paroi des dicotylédones. Ce polysaccharide ramifié est très étudié en raison de ses applications actuelles et potentielles dans différents secteurs de l'industrie : textile, alimentation, pharmaceutique, etc. Les objectifs de ce doctorat ont été d'obtenir des informations biochimiques et structurales sur la fucosyltransférase AtFuT1 de la plante modèle Arabidopsis thaliana. Pour cela, une forme recombinante soluble de l'enzyme a été produite avec le système baculovirus /cellules d'insectes. De manière à obtenir suffisamment de protéines pour les études structurales, une méthode de culture en suspension des cellules a été mise en place au laboratoire. Un protocole de purification en deux étapes, impliquant une chromatographie par affinité puis par exclusion de taille, a permis d'obtenir à partir d'un litre de culture cellulaire entre un à deux mg de protéine pure et homogène. Ce résultat a permis de mieux comprendre le comportement de l'enzyme vis-à-vis de ses substrats (GDP-fucose et xyloglucane), d'obtenir des cristaux de la protéine et de résoudre la structure 3D d'AtFuT1 en complexe avec le GDP et un oligosaccharide dérivé du xyloglucane, à une résolution de 2,2 Å. La forme AtFut1 produite se comporte en solution et dans le cristal sous forme d'un dimère non covalent. La protéine adopte un repliement qui est un variant du type GT-B classique. Parallèlement à ces travaux, des tests d'activité glycosyltransférase ont été mis au point permettant le criblage de nombreuses conditions de réactions. L'ensemble des méthodes et techniques développées constitue une base utile, devant faciliter la caractérisation d'autres glycosyltransférases.Fucosyltransferases are enzymes that transfer a fucose residue from GDP-fucose on varied acceptors (oligosaccharides, proteins). In Human, these glycosyltransferases are involved in many biological and pathological processes. Numerous fucosyltransferase exist in the plant kingdom. Among them, FuT1 transfers a fucose linked in 1,2 onto a galactose of xyloglucan: a major hemicellulose of dicots cell wall. This branched polysaccharide is intensively studied because of its current and potential industrial applications in textile, food, pharmaceuticals, etc. The main objective of this PhD program was to obtain biochemical and structural information on the fucosyltransferase AtFuT1 from the model plant Arabidopsis thaliana. A recombinant form of this protein has therefore been produced, using the baculovirus/insect cell system. In order to get sufficient amount of protein for structural studies, a suspension cell culture method has been set-up in the lab. A two-step purification protocol, involving affinity and size exclusion chromatography was established. The active, and highly pure recovered protein was used to determine the biochemical properties of the protein towards its substrates (GDP-fucose and xyloglucan), to get protein crystals and hence to solve its 3D structure in complex with GDP and a xyloglucan derived oligosaccharide (2.2 Å resolution). AtFuT1 behaves in solution and in crystallo as a non-covalent dimer. The protein adopts a variant of the classical GTB fold. In addition, novel glycosyltransferase assay have been designed allowing the screening of numerous reaction conditions. Methods and techniques that were developed during this study should be a useful base for the characterization of other glycosyltransferase