Unravelling the contribution of lipids in plant autophagy : Identification and functional characterization of lipids implicated in the autophagic process in Arabidopsis

Les plantes, étant des organismes sessiles, sont fréquemment confrontées à une grande variété de stress environnementaux. Ces conditions peuvent conduire à l'accumulation d'agrégats de protéines ou au disfonctionnement de multiples organites intracellulaires. Pour faire face à ces conditions, les plantes ont mis au point des mécanismes d'adaptation sophistiqués qui permettent le recyclage des composants intracellulaires. Ces mécanismes sont essentiels pour les remodelages métaboliques nécessaires à un recyclage efficace des nutriments ainsi qu'à l'élimination des composants nocifs pour la cellule comme des organites endommagés. L'un de ces mécanismes est l'autophagie, une voie de dégradation intracellulaire qui utilise des vésicules à double membrane qui encapsulent des portions du cytoplasme et le délivrent à la vacuole où elles sont dégradées. L'autophagie repose sur la formation de ces vésicules spécialisées, appelées autophagosomes (AP). Les AP sont des vésicules uniques dans le système endomembranaire, d'abord parce qu'elles sont constituées d'une double couche lipidique, et ensuite parce qu'elles ne bourgeonnent pas à partir d'un compartiment déjà existant. La biogenèse des AP est un processus en plusieurs étapes impliquant une machinerie centrale (protéines ATG) qui intervient dans la formation de novo d'une membrane initiale ; puis, par l'addition de lipides, cette membrane s’agrandit et devient une structure en forme de coupe avec des bords fortement incurvés lui permettant d’engloutir la cargaison autophagique. Une fois la cargaison engloutie, ses bords fusionnent afin de fermer la structure, qui circule ensuite vers la vacuole, où sa membrane externe fusionne avec la membrane de la vacuole ce qui libère la membrane interne et la cargaison à l'intérieur de la vacuole pour sa dégradation. Ainsi, la biogenèse des AP repose sur de nombreux événements de remodelage membranaire, d'abord pour initier la membrane initiale, puis pour maintenir sa forme très incurvée tout en assurant son expansion, et enfin pour sceller les structures matures et promouvoir sa fusion ultérieure à la vacuole. Dans les membranes biologiques, les lipides, grâce à leurs propriétés physico-chimiques, définissent des caractéristiques importantes telles que la fluidité, la courbure ainsi que les champs électrostatiques des membranes. Par conséquent, le rôle crucial des lipides dans l'autophagie a émergé ces dernières années. Chez les plantes, on ne connait encore que très peu de choses sur la composition lipidique des membranes autophagiques et les fonctions des lipides dans la formation des AP restent largement méconnu. Mon travail de thèse a consisté à identifier des acteurs lipidiques et protéiques impliquées dans l'autophagie chez les plantes dans le but de caractériser leur fonction dans le processus. En effectuant un criblage d'inhibiteurs enzymatiques nous avons analysé l'impact de l'inhibition de la synthèse de différentes espèces de lipides sur l'autophagie. En utilisant cette approche, nous avons identifié différents candidats lipidiques importants pour l'autophagie des plantes. Notamment, nous avons identifié le phosphatydilinositol-4-phosphate (PI4P) comme étant critique pour la formation des APs. En l'absence dePI4P, la formation des AP est stoppée à un stade très précoce, ce qui entraîne un blocage total dans le processus. De plus, nous avons obtenu des informations précieuses pour mieux comprendre la formation des APs chez les plantes. En particulier, nos résultats suggèrent que la membrane plasmique (PM) semble jouer un rôle important dans la formation de ces structures. Dans leur ensemble, nos résultats ont confirmé notre hypothèse initiale: les lipides ne sont pas seulement des éléments inertes qui constituent les membranes autophagiques ;ils semblent plutôt jouer des rôles distincts et avoir des fonctions spécifiques dans le processus.Plants, being sessile organisms, are frequently confronted to a plethora of environmental stresses and harsh conditions. Enduring these conditions can lead to the accumulation of protein aggregates or organelles that become dysfunctional. To withstand these conditions, plants have evolved sophisticated adaptation mechanisms for the recycling of intracellular components. These mechanisms are essential for the metabolic transitions required for efficient nutrient use, as well as proper disposal of protein aggregates or damaged organelles. One of these mechanisms is autophagy, an intracellular degradation pathway that employs specialized double membrane vesicles that encapsulate cytosolic material and delivers it to the vacuole for degradation. Autophagy relies on the formation of these specialized vesicles, called autophagosomes (APs). APs are unique vesicles in the endomembrane system, first because they are made of a double lipid bilayer, and second because they do not but from a pre-existing compartment. AP biogenesis is a multistep process implicating a core machinery (ATG proteins) that mediate the de novo formation of an initial membrane; then, by the addition of lipids, this membrane expands into a cup-shaped structure with highly curved edges to engulf autophagic cargo. Upon completion, the rims of the structure seal and form a mature AP that traffics to the vacuole, where its outer membrane fuses with the tonoplast releasingthe inner membrane and cargo inside the vacuole. Thus, AP biogenesis relies on numerous membrane remodeling events, first to initiate the initial membrane, then to maintain the highly curved shape of the structure while ensuring its expansion, and finally to seal the mature structures and its subsequent fusion to the vacuole. Lipids, thanks to their physicochemical properties define important membrane features such as its, fluidity, curvature and electrostatics. Hence, evidence showing the crucial role of lipids in autophagy has emerged in the recent years. In plants however, little is known about the lipid composition of autophagic membranes and thus, about the functional contribution of lipids in plant autophagy. My PhD thesis consisted on identifying crucial lipids for plant autophagy with an aim to characterize their function in the process. By performing a lipid-related enzymes inhibitor screen in which we assayed the impact of inhibiting the synthesis of specific lipids on autophagy, we identified different lipid candidates important for plant autophagy. Notably, we identified the phosphatydil-inositol-4-phosphate (PI4P) as being critical for the formation of APs. In the absence of PI4P, AP formation is stalled at a very early stage resulting in a block in the process. Furthermore, we have obtained valuable insights to better understand the AP formation. In plants, particularly, our results suggest that the plasma membrane (PM) plays important roles in the formation of these structures. Taken together, our results confirmed that lipids are more than just building blocks constituting the autophagic membranes; rather, they seem to play distinct and specific roles in the pathway. Finally, this thesis highlights how lipids are key actors for the autophagic process and thus for plants adaptations to adverse and stressful environmental conditions