Implication of two isoprenoid biosynthesis pathways in the specificity and regulation of protein prenylation in plants

La prénylation de type I des protéines correspond à une modification post-traductionnelle faisant intervenir une liaison thioéther entre une cystéine localisée dans un motif CaaX en position C terminale et un groupement prényle en C 15 (farnésyle) ou C 20 (géranylgéranyle). Ces réactions sont catalysées par des protéine prényltransférases (PPTs) appartenant à la même famille fonctionnelle et comprenant la protéine farnésyltransférase (PFT) et géranylgéranyltransférase de type I (PGGT-I). Les plantes se distinguent par une double origine des substrats prényle (farnésyle diphosphate et géranylgéranyle diphosphate) utilisés comme précurseurs pour la biosynthèse des isoprénoïdes. Ces derniers sont biosynthétisés par l'intermédiaire de deux voies métaboliques distinctes, la voie cytosolique du mévalonate (MVA) et la voie plastidiale du méthylérythritol phosphate (MEP). Il est maintenant clair que la géranylgéranylation des protéines végétales dépend de la voie du MEP. Durant ce travail de thèse doctorale une étude comparative des spécificités de substrat a été réalisée. Elle a permis de montrer que la PFT est spécifique de son substrat protéique alors que la PGGT-I est spécifique de son substrat prényle. Ces spécificités peuvent néanmoins être modifiées in vivo, par exemple lors d’une augmentation de la concentration en MVA, suggérant que cette flexibilité des propriétés enzymatiques a un rôle régulateur dans certaines conditions physiologiques. Pour cette raison, nous avons entrepris une caractérisation de la prénylation des protéines dans des plantes de tabac élicitées, qui induisent la synthèse de MVA pour produire le capsidiol, une phytoalexine sesquiterpénique. La biosynthèse de ce métabolite secondaire capsidiol dérivant de la voie du MVA, est dépendante de la prénylation des protéines, notamment de protéines géranylgéranylées d’origine plastidiale. Le monoterpène S-carvone a été identifié comme un inhibiteur de la biosynthèse de capsidiol en interférant avec l’activité des PPTs in vivo. Les travaux ont également permis d’envisager l’existence d’un nouveau mode de prénylation des protéines spécifique aux feuilles.Type-I protein prenylation is a post-translational modification of a protein bearing a CaaX motif with a prenyl moiety, this by a thioether linkage. The enzymes catalyzing those reactions are called protein prenyltransferase (PPTs). Two enzymes are involved, the protein farnesyltransferase (PFT) and the protein geranylgeranyltransferase type I (PGGT-I). They respectively use farnesyl diphosphate and geranylgeranyl diphosphate as substrate. Those precursors are synthetized in plants by two differentbiosynthetic pathways: the cytosolic mevalonate (MVA) and the plastidial methylerythritol phosphate (MEP) pathways. Protein geranylgeranylation is dependent of the MEP pathway. Those specificities can be modified A comparative analysis of PPTs specificity was done during this PhD thesis, revealing that PFT is specific for its protein substrate, while PGGT-I is specific for its prenyl substrate. But those specificities can be modulated in vivo, for instance by increasing the concentration of MVA. This suggests that the regulation of protein prenylation specificities can become functionally important during physiological processes. For that reason we characterized protein prenylation in elicited tobacco plants, which produce the sesquiterpene phytoalexin capsidiol. This metabolite is synthesized via the MVA pathway, and this process depends of protein prenylation, in particular geranylgeranylation, with the substrate coming from plastids. S-Carvone, a monoterpene, was identified as an inhibitor of PPTS, resulting in a lack of capsidiol production. This work also suggests that a new mechanism of prenylation might exist, specifically in leaves