On the origine of targeting peptide to organelles (mitochondria and chloroplast)

Les mitochondries et les chloroplastes sont des organites de cellules eucaryotes issus d’événements endosymbiotiques impliquant une bactérie et une cellule hôte il y a plus d’un milliard d’années. Aujourd’hui la très grande majorité des protéines présentes dans ces organites sont codées dans le noyau. Le ciblage des protéines cytosoliques vers les mitochondries et les chloroplastes pourrait dériver d’un mécanisme de résistance bactérienne aux attaques de peptides antimicrobiens, ces acteurs majeurs de l’immunité innée, présents dans tous les domaines du vivant. Cette hypothèse se base sur les similarités frappantes entre ces deux mécanismes. Au cours de mon doctorat, j’ai mis à l’épreuve cette hypothèse. Dans une première partie, j’ai pu montrer qu’un sous-ensemble de peptides antimicrobiens se structurant en hélice ↵-amphipathique et les peptides d’adressage possédaient des propriétés physico-chimiques communes, qui sont distinctes de celles partagées entre les peptides signaux de sécrétion bactériens et eucaryotes dont l’origine évolutive commune est bien établie. De plus, ils peuvent se complémenter fonctionnellement in vivo, confortant l’hypothèse de leur origine commune (Garrido et al. 2020). La transition moléculaire nécessaire pour passer d’un peptide antimicrobien à un peptide d’adressage comporte trois étapes cruciales : i) le remplacement des lysines par des arginines qui permet de diminuer l’activité microbienne et de favoriser l’activité d’adressage, ii) l’acquisition d’un site de clivage au sein des peptides d’adressage, iii) l’acquisition d’un domaine N-terminal peu structuré afin d’orienter l’adressage vers le chloroplaste et non vers la mitochondrie au sein des eucaryotes photosynthétiques (Caspari, Garrido et al., article soumis). Dans une deuxième partie, j’ai établi le catalogue exhaustif des familles d’homologues des peptidases impliquées dans la dégradation des peptides d’adressage dans l’arbre du vivant. J’ai pu démontrer que chacune de ces peptidases a été acquise via un évènement de transfert horizontal depuis une bactérie. En accord avec notre hypothèse, on retrouve de nombreux homologues de bactéries résistantes aux peptides antimicrobiens proches des peptidases des organites (Garrido et al., article soumis).Mitochondria and chloroplasts are eukaryotic organelles that originated from endosymbiotic events betweena bacteria and a host cell more than a billion years ago. Today, the vast majority of proteins present in theseorganelles are encoded in the nucleus. Targeting of cytosolic proteins to mitochondria and chloroplasts couldderive from a mechanism of bacterial resistance to the attacks of antimicrobial peptides, major actors of theinnate immunity system, present in all domains of life. This hypothesis is based on the striking similaritiesbetween these two mechanisms. During my PhD, I challenged this hypothesis. In a first part, I showed thata subset of antimicrobial peptides structuring in ↵-amphipathic helix and organelle targeting peptides havecommon physico-chemical properties, distinct from those shared by bacterial and eukaryotic secretory signalpeptides whose common evolutionary origin is well established. Furthermore, they can functionally complementeach other, supporting the hypothesis of their common origin (Garrido et al. 2020). The molecular transitionrequired for the emergence of a targeting peptide from an antimicrobial peptide involves 3 crucial steps : (i)the replacement of lysines with arginines, which decreases microbial activity and promotes addressing activity,(ii) the acquisition of a cleavage site and (iii) the acquisition of a loosely structured N-terminal domain forchloroplast specific targeting within photosynthetic eukaryotes (Caspari, Garrido et al. , submitted). In asecond part, I established the exhaustive catalog of peptidase homologous families involved in the degradationof taregting peptides across the tree of life. I showed that each of these peptidases was acquired via a horizontaltransfer event from a bacterium; and consistent with the hypothesis, many homologs from antimicrobialpeptide-resistant bacterial are closely related to the organelle peptidases (Garrido et al., submitted)