Biochemical and structural characterization of some glutathione transferases from tau class of thale cress (Arabidopsis thaliana) and poplar (Populus trichocarpa)

Les glutathion transférases (GSTs) constituent une famille multigénique d’enzymes ubiquitaires impliquées notamment dans la détoxication des xénobiotiques et le métabolisme secondaire. Les GSTs canoniques sont constituées d’un domaine N-terminal de type thiorédoxine et d’un domaine C-terminal formé d’hélices α. Chez les plantes terrestres, les GSTs peuvent être regroupées en 14 classes et selon le résidu conservé au sein de leur motif catalytique en GSTs à cystéine (Cys-GSTs) ou à sérine (Ser-GSTs). Les Ser-GSTs présentent des activités de réduction des peroxydes et/ou de conjugaison de glutathion (GSH) alors que les Cys-GSTs portent des activités de déglutathionylation et déshydroascorbate réductase. Certaines d’entre elles présentent également des propriétés non-catalytiques de type ligandine à des fins de transport ou de stockage de molécules diverses. Les GSTs Tau (GSTUs) correspondent à la classe regroupant le plus d’isoformes chez les plantes et leur sont spécifiques. Les GSTUs sont souvent surexprimées lors de stress biotiques et abiotiques et participent notamment à la détoxication des herbicides. Toutefois, le rôle physiologique des GSTUs reste encore lacunaire in planta. En combinant des approches phylogénétiques, biochimiques et structurales, ces travaux ont conduit à la caractérisation de neuf GSTUs d’Arabidopsis thaliana (AtGSTUs) et de six GSTUs de Populus trichocarpa (PtGSTUs). L’analyse phylogénétique des Ser-GSTs d’organismes photosynthétiques a révélé que l’expansion des GSTUs est apparue de façon concomitante à l’apparition du réseau vasculaire chez les plantes bien que quelques mousses et bryophytes possèdent des GSTUs. Au sein d’un organisme, les GSTUs peuvent être classées en groupes distincts en fonction de leur motif catalytique. Les essais enzymatiques réalisés ont montré que quasiment toutes les GSTUs d’intérêt portent des activités de conjugaison du GSH et de réduction des peroxydes envers différents substrats modèles (CDNB, dérivés d’isothiocyanates, hydroperoxydes). Les structures tridimensionnelles de deux GSTUs ont été résolues et ces dernières présentent le repliement classique des GSTs canoniques avec des différences notables entre elles. Les analyses biochimiques et structurales réalisées sur les protéines AtGSTUs et PtGSTUs d’intérêt ont montré que certaines d’entre elles lient des porphyrines bactériennes et d’autres des composés polyphénoliques. Parmi les complexes enzyme-ligand identifiés, la structure d’un complexe baicaléine-GSTU a été résolue. L’utilisation d’échantillons enrichis en métabolites extraits de plantes représente la prochaine étape sur le chemin de l’analyse fonctionnelle des GSTUs.Glutathione transferases (GSTs) constitute a ubiquitous multigene superfamily of enzymes involved in xenobiotic detoxification and secondary metabolism. Canonical GSTs consist of an N-terminal thioredoxin domain and a α-helical C-terminal domain. In terrestrial plants, GSTs can be grouped in 14 classes but also according to the conserved residue found in their catalytic site either cysteine (Cys-GSTs) or serine (Ser-GSTs) GSTs. Ser-GSTs exhibit reduction of peroxides and/or glutathione (GSH) conjugation activities while Cys-GSTs rather exhibit deglutathionylation and dehydroascorbate reductase activities. Some of them also appear to have non-catalytic ligandin properties for the transport or storage of various molecules. The plant-specific Tau GST (GSTU) class is usually the most expanded one. The GSTUs are often over-expressed during biotic and abiotic stresses contributing notably to herbicide detoxification. However, the physiological role of most GSTUs is still poorly documented in planta. By combining phylogenetic, biochemical and structural approaches, this work led to the characterisation of nine GSTUs from Arabidopsis thaliana (AtGSTUs) and six GSTUs from Populus trichocarpa (PtGSTUs). Phylogenetic analysis of the Ser-GSTs present in photosynthetic organisms revealed that the expansion of GSTUs occurred concomitantly with the appearance of vasculature in plants, although some mosses and bryophytes possess GSTUs. Within an organism, GSTUs can be classified into distinct groups according to their catalytic motif. Enzymatic tests using recombinant proteins showed that almost all studied GSTUs exhibit GSH conjugation and peroxide reduction activities against different model substrates (CDNB, isothiocyanate derivatives, hydroperoxides). The three-dimensional structures of two GSTUs have been resolved and these adopt the classical canonical GST fold with some notable difference between them. The biochemical and structural analyses of these AtGSTUs and PtGSTUs further showed that some of them bind bacterial porphyrins while others bind polyphenolic compounds. Among the enzyme-ligand complexes identified, the structure of a bacalein-GSTU has been solved. The use of metabolites enriched samples extracted from A. thaliana and P. trichocarpa is the next step to decipher the role of GSTUs in planta