Peroxydases : évolution et expression

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Les peroxydases sont des enzymes universelles du monde vivant. Elles catalysent des réactions d’oxydo-reduction impliquant la réduction d’un peroxyde et l’oxydation d’un substrat, variable d’une classe de peroxydase à une autre.

On distingue deux grandes familles de peroxydases : les peroxydases animales, principalement détectées chez les animaux, et, par opposition, les peroxydases non animales détectées chez les plantes, les champignons, les bactéries et les protistes.
Les peroxydases non animales sont actuellement sous-divisées en 3 classes : les Classes I contenant les Catalase-Peroxydases (CP), les Ascorbates Peroxydases (APx) et les Cytochrome c Peroxydases (CcP) ; les Classes II ou lignine peroxydases uniquement détectées chez les champignons, qui sont capables de dégrader la lignine ; les Classes III présentes seulement chez les plantes.
L’équipe maintient une base de données dédiée aux peroxydases (la PeroxiBase), résultant de l’annotation manuelle et experte de ces séquences.

Une particuliarité de l’équipe Evolution et Expression des Peroxydases est de regrouper projets en bioinformatique autour des problèmes d’annotation et d’analyse évolutive des peroxydases, et projets en physiologie végétale avec la caractérisation fonctionnelle des peroxydases.

Développement et mise à jour de la PeroxiBase

Christophe DUNAND mail to , Catherine MATHÉ mail to , Bruno SAVELLI mail to

Contexte
L’objectif initial de centraliser des séquences codant pour les peroxydases de tous les organismes vivants, après annotation manuelle et correction, est toujours notre préoccupation majeure, mais aussi une garantie de qualité. Cependant, avec le nombre croissant d’organismes et de séquences, la PeroxiBase a besoin d’évoluer pour rester compétitive et attractive.

Objectifs
Nous souhaitons développer des pipelines afin d’accélérer l’intégration de nouvelles peroxydases, en vérifiant et corrigeant automatiquement les peroxydases annotées lors des nombreux projets génomes. Pour cela, les séquences seront soumises à nos profils familles-spécifiques et aussi comparées en terme de structure exon/intron aux séquences de la base.

De plus, il devient indispensable de proposer des pipelines propres au traitement des séquences issues de NGS, afin de tirer au mieux partie de ces données.

Par ailleurs, de nouveaux outils devraient être mis à disposition via l’interface de la PeroxiBase afin de faciliter l’analyse comparative entre organismes : outils de cartographie ou de navigation sur les génomes (MapChart, GBrowse…), identification et représentation des relations d’orthologie, paralogie (SyMap, Circos…)

Analyse fonctionnelle de CIII peroxydases pariétales au cours du développement chez Arabidopsis thaliana

Contact : mail to Christophe DUNAND et mail to Philippe RANOCHA (Equipe Peroxydases : évolution et expression)
mail to Vincent Burlat (Equipe Protéines pariétales et développement)

Contexte
Les 73 CIII Peroxydases d’Arabidopsis thaliana présentent des profils d’expression spécifiques et une prédiction de localisation subcellulaire pariétale ou vacuolaire en fonction de l’absence ou la présence d’un motif C-terminal d’adressage vacuolaire (Francoz et al., 2014). Des études récentes tendent à montrer que la localisation fine de peroxydases individuelles doit conduire à la rencontre spécifique « enzyme-substrat » permettant une action contrôlée au niveau de micro-domaines pariétaux. Cette action peut ensuite conceptuellement impliquer un rôle de relâchement pariétal ou de renforcement pariétal (Figure). Dans le cadre d’un projet transversal impliquant les équipes « Peroxydases : évolution et expression » et « Protéines pariétales et Développement », nous étudions actuellement plus particulièrement le rôle de CIII peroxydases -principalement pariétales- au cours de deux processus développementaux conduisant à la formation de la graine et à sa germination. La sélection des candidats d’intérêt est basée sur une pre-sélection à travers l’analyse de données transcriptomiques et sur une sélection fine par hybridation d’ARN in situ systématique. L’analyse fonctionnelle des candidats retenus présentant un profil d’expression spécifique est principalement menée par génétique inverse avec un intérêt important pour la localisation fine des protéines candidates et pour l’étude de microphénotypes.

Objectifs
1°) Contrôle de la dynamique pariétale des cellules sécrétrices de mucilage (MSC) de la graine Au cours de l’embryogénèse les 5 couches cellulaires formant les téguments de la graine se spécialisent, la couche épidermique la plus externe présentant une dynamique pariétale remarquable. En effet, outre la paroi primaire principale, ces cellules synthétisent une paroi interne (columelle) en forme de volcan et produisent un abondant mucilage polysaccharidique comprimé entre la paroi primaire tangentielle externe et la columelle. Le rôle de ce mucilage ne se révèle que lors de l’imbibition de la graine plusieurs semaines à plusieurs années après la fin de la dessiccation de la graine. En effet, des renforcements ou relâchements localisés des différentes parois préalablement programmées lors de l’embryogénèse conduisent à une rupture polarisée de la paroi externe sous la pression du mucilage réhydraté. Une matrice pluristratifiée de mucilage entoure ainsi la graine favorisant le processus de germination. Nous recherchons actuellement la fonction, les modes de régulation et les cibles de plusieurs CIII Prxs au cours de ce processus.

2°) Contrôle de la rupture de l’endosperme micropylaire au cours de la germination La germination est contrôlée par des facteurs externes comme la température, l’eau et la lumière et par l’équilibre hormonal. Deux étapes majeures de la germination sont la rupture des téguments de la graine puis la rupture de l’endosperme micropylaire permettant l’émergence de la radicule. Récemment, le rôle de messager secondaire des espèces réactives de l’oxygène (ROS) a été démontré au cours de ce processus (Lariguet et al., 2013). Nous avons montré que les ROS sont libérés avant la rupture de l’endosperme micropylaire, que la production de ROS est nécessaire à la germination, et que les CIII Prxs pourraient être impliquées dans la régulation spatio-temporelle de la production de ROS au cours de ce processus. Nous étudions actuellement plus particulièrement plusieurs candidats CIII Prxs pouvant être impliqués dans le contrôle de la rupture de l’endosperme micropylaire.

Analyse évolutive des peroxydases de classe III

Contact : mail to Catherine MATHÉ et mail to Christophe DUNAND

Contexte
Les peroxydases de classes III, ou peroydases sécrétées de plantes, appartiennent à une grande famille multigénique (73 Prx chez Arabidopsis thaliana et 138 chez Oryza sativa). Elles ont la particularité d’être plantes spécifiques et absentes de Chlamydomonas (Chlorophyceae) et montrent un taux de duplications élevé chez les plantes qui ont divergé plus tardivement. Ce fort taux de duplication, dépendant des phylum ou des genres, ainsi que les événements de perte de gènes existants rend les études évolutives complexes.

Objectifs
L’annotation exhaustive des peroxydases chez différents représentants des plantes dont les génomes sont entièrement séquencés (Brachypodium, riz, Arabidopsis, Sorgho, peuplier…) aiderait à identifier les orthologues et les événements de gains et pertes de gènes.
L’utilisation d’outils de clustering de séquences (orthoMCL) et de reconstruction de séquences ancestrales sera faite afin de faciliter les analyses.
Ainsi une analyse phylogénétique globale des peroxydases dans la lignée verte, complétée par la comparaison de la structure des gènes et leur organisation sur les génomes, permettra de mieux comprendre l’évolution de cette famille complexe.

Arbre phylogénétique des peroxydases de classe III de Selaginella (85 séq), Arabidopsis (73 séq) et du riz (138 séq).

Recherche de la peroxydase « ancestrale » dans la lignée verte

Contacts : mail to Christophe DUNAND et mail to Catherine MATHE

Contexte
Les peroxydases sont des enzymes capables de catalyser des réactions durant lesquelles le peroxyde d’hydrogène est réduit et un substrat variable est oxydé. Ces protéines sont présentes dans tous les règnes et forment généralement des familles multigéniques de taille variables (de 2 à 138 isoformes). Chez les plantes, elles ont des rôles fondamentaux dans différents processus physiologiques comme la détoxification de l’excès d’espèces actives de l’oxygène, la défense contre les pathogènes ou la formation de la paroi cellulaire (Passardi et al. ; Cosio et al. 2009). La superfamille des peroxydases non-animales est largement représentée chez les Viridiplantae. Cette superfamille contient trois classes (classes I, II et III) avec des structures tertiaires proches et partageant probablement une séquence ancestrale commune. Les peroxydases de classe I et III sont détectées chez les plantes. Les peroxydases de classe I sont retrouvées dans tous les organismes contenant un chloroplaste alors que les peroxydases de classe III ont la particularité d’être plantes spécifiques et absentes de Chlamydomonas. Classe I comme III montrent un taux de duplications élevé chez les plantes. Le taux élevé de duplications ainsi que l’apparition d’une classe particulière peuvent être facilement corrélés avec l’émergence des plantes terrestres, avec l’augmentation du taux d’oxygène, du nombre de pathogènes et aussi avec la complexité structurale des plantes. Des branches évolutives comme les Charaphyceae, intermédiaires entre Chlamydomonas et les mousses sont particulièrement intéressantes. Des résultats préliminaires ont permis de détecter une activité de peroxydase de classe III à partir de Chara zeylanica. La présence de séquence(s) codant pour ces protéines est donc fort probable mais malheureusement aucune donnée n’est encore disponible à ce jour. La recherche et le séquençage spécifique de séquence(s) de classe III d’un organisme de cette branche permettrait certainement d’apporter des réponses sur l’évolution des peroxydases non-animales chez les Viridiplantae.

Objectifs
Le projet a pour objectifs (i) de choisir un organisme à la base de la lignée verte (Charaphyceae : Nitella hyalina, Coleochaete orbicularis, Chaetospheridium globosum, Spirogyra pratensis, Penium mar., Chlorokybus atmophyticus, et Klebsormidium flaccidum disponibles depuis le site du laboratoire de C. Delwiche et de préparer une banque de BAC (criblage de la banque avec des sondes spécifiques et séquençage des candidats) en collaboration avec le CNRGV et (ii) de faire une analyse globale de l’évolution de la superfamille des peroxydases non-animales.

Plasticité de la paroi chez des écotypes pyrénéens d’ A. thaliana

Contact : mail to Christophe DUNAND, mail to harold DURUFLE et mail to Philippe RANOCHA (Peroxidases : evolution and expression team)
mail to Vincent BURLAT et mail to Elisabeth JAMET (Cell wall proteins and Development team)

Context
Le réchauffement climatique constitue une problématique d’actualité très préoccupante en raison de ses effets potentiels sur la biodiversité et le secteur agricole. Mieux comprendre l’adaptation des plantes face à ce phénomène récent représente donc un intérêt majeur pour la science et la société. Les acteurs moléculaires de l’adaptation des plantes au climat sont peu connus. Les parois des cellules végétales représentent une barrière externe sensible aux changements environnementaux. Leur structure et leur composition peuvent être modifiées.

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Objectifs
Les objectifs de ce projet sont d’évaluer les réponses d’Arabidopsis thaliana face au réchauffement climatique par une approche intégrative innovante alliant l’écologie, la génétique, les technologies omiques et des données de phénotypages. Pour relier ces résultats à une problématique de réchauffement climatique, ces analyses ont porté sur des populations naturelles provenant d’altitudes contrastées des Pyrénées
Une approche intégrative n’est possible que lorsque des données aussi différentes que des données d’expression de gènes et de protéines, des données de météo ou des analyses phénotypiques sont produite. Des verrous expérimentaux et analytiques rencontrés et inhérents aux traitements de données hétérogènes ont dû être levés (Hervé et al, 2016 ; Duruflé et al, 2017a).
Les analyses génétique et phénotypique ont été réalisées sur les nouvelles populations identifiées et récoltées dans les Pyrénées (Duruflé et al, 2017b). De plus, les liens entre génétique, origine climatique et spécificité phénotypique mettront en évidence la distribution et la variabilité naturelle des populations pyrénéennes.
Deux études intégratives de données omiques sur la thématique de la plasticité pariétale soumise à des conditions de températures optimales et sub-optimales ont été initiées. La première étudie des rosettes de deux écotypes connus provenant de conditions de croissances contrastées (Duruflé et al, 2017b). La deuxième étude en cours est focalisées sur une sélection de quatre populations pyrénéennes.
En générant et en combinant des données écologiques, biochimiques, métabolomiques et génomiques, le projet WallOmics vise à comprendre les bases moléculaires des modifications des parois face au changement climatique par l’analyse de populations pyrénéennes d’A. thaliana provenant d’altitudes contrastées.

Publications

2017
Duruflé H, Hervé V, Ranocha P, Déjean S Balliau T, Zivy M, Chourré J, Burlat V, Albenne C, Jamet E, Dunand C. (2017) Cell wall adaptation of Arabidopsis, Col and Sha, to sub-optimal growth conditions : an integrative study, Plant Science 263 : 183-193 abstract

Mangano S, Denita-Juarez SP, Choi HS, Marzol E, Hwang Y, Ranocha P, Melina Velasquez S, Borassi C, Barberini ML, Aptekmann AA, Muschietti JP, Nadra AD, Dunand C, Cho HT, Estevez JM The molecular link between auxin and ROS-mediated polar growth. PNAS 114(20):5289-5294 abstract

Duruflé H, San Clemente H, Balliau T, Zivy M, Dunand C, Jamet E Cell wall proteome analysis of Arabidopsis thaliana mature stems. Proteomics 8 : abstract

Cosio C, Ranocha P, Francoz E, Burlat V, Zheng Y, Perry SE, Ripoll JJ, Yanofsky M, Dunand C (2017) The class III peroxidase PRX17 is a direct target of the MADS-box transcription factor AGAMOUS-LIKE15 (AGL15) and participates in lignified tissue formation. New Phytol 213 : 250-263 abstract

2016

Hervé V, Duruflé H, San Clemente H, Albenne C, Balliau T, Zivy M, Dunand C, Jamet E (2016) An enlarged cell wall proteome of Arabidopsis thaliana rosettes. Proteomics 16 : 3183-3187. abstract

Francoz E, Ranocha P, Pernot C, Le Ru A, Pacquit V, Dunand C, Burlat V. Complementarity of medium-throughput in situ RNA hybridization and tissue-specific transcriptomics : case study of Arabidopsis seed development kinetics. Scientific Reports 6:24644 abstract

Nguyen-Kim H, San Clemente H, Balliau T, Zivy M, Dunand C, Albenne C, Jamet E. Arabidopsis thaliana root cell wall proteomics : increasing the proteome coverage using a combinatorial peptide ligand library and description of unexpected Hyp in peroxidase amino acid sequences. Proteomics 16(3):491-503 abstract

2015
Raggi S, Ferrarini A, Delledonne M, Dunand C, Ranocha P, De Lorenzo G, Cervone F, Ferrari S. The Arabidopsis Class III Peroxidase AtPRX71 Negatively Regulates Growth under Physiological Conditions and in Response to Cell Wall Damage. Plant Physiol. 2015 Dec ;169(4):2513-25. abstract

Delaux PM, Radhakrishnan GV, Jayaraman D, Cheema J, Malbreil M, Volkening JD, Sekimoto H, Nishiyama T, Melkonian M, Pokorny L, Rothfels CJ, Sederoff HW, Stevenson DW, Surek B, Zhang Y, Sussman MR, Dunand C, Morris RJ, Roux C, Wong GK, Oldroyd GE, Ané JM. Algal ancestor of land plants was preadapted for symbiosis. Proc Natl Acad Sci U S A. 2015 Oct 27 ;112(43):13390-5 abstract

Zhu X, Dunand C, Snedden W, Galaud JP. CaM and CMLs emergence in the green lineage. Trends Plant Sci. 2015. 20(8) 483-89 abstract

Francoz E, Ranocha P, Burlat V, Dunand C. Arabidopsis seed mucilage secretory cells : regulation and dynamics. Trends Plant Sci. 2015. 20(8) 515-24 abstract

Cao PB, Azar S, SanClemente H, Mounet F, Dunand C, Marque G, Marque C, Teulières C. Genome-wide analysis of the AP2/ERF family in Eucalyptus grandis : an intriguing over-representation of DREB1/CBF genes all stress responsive PLoS One. 2015 ;10(4):e0121041 abstract

Li Q, Yu H, Cao PB, Fawal N, Mathé C, Azar S, Cassan-Wang H, Myburg AA, Grima-Pettenati J, Marque C, Teulières C, Dunand C. Explosive tandem and segmental duplications of multigenic families in Eucalyptus grandis. Genome Biol Evol. 2015 pii : evv048 abstract

E.Francoz, P.Ranocha, H.Nguyen-Kim, E.Jamet, V.Burlat, C.Dunand. Roles of cell wall peroxidases in plant development. Phytochemistry 2015 112 : 15-21 abstract

Lauressergues D, Couzigou JM, San Clemente H, Martinez Y, Dunand, Bécard G, Combier JP. Primary transcripts of microRNAs encode regulatory peptides. Nature 2015 520(7545):90-3.abstract

2014
Ranocha P, Francoz E, Burlat V, Dunand C. Expression of PRX36, PMEI6 and SBT1.7 is controlled by complex transcription factor regulatory networks for proper seed coat mucilage extrusion. Plant Signaling & Behavior 2014 9(11):e977734 abstract

H.Yu, M.Soler, I.Mila, H.San Clemente, C.Dunand, JAP. Paiva, AA. Myburg, M. Bouzayen, J. Grima-Pettenati and H. Cassan-Wang. Genome-wide Characterization and Expression Profiling of the AUXIN RESPONSE FACTOR (ARF) Gene Family in Eucalyptus grandis. PLoS One. 2014 9(9):e108906 abstract

Fawal N, Li Q, Mathé C, Dunand C. Automatic multigenic family annotation : risks and solutions. Trends Genet. 2014 30(8) : 323-5. abstract

Myburg AA, et al. The genome of Eucalyptus grandis. Nature. 2014 Jun 19 ;510(7505):356-62. abstract

2013
Lariguet P, Ranocha P, De Meyer M, Barbier O, Penel C, Dunand C. Identification of a hydrogen peroxide signalling pathway in the control of light-dependent germination in Arabidopsis. Planta. 2013 238(2):381-95. abstract

Fawal N, Li Q, Savelli B, Brette M, Passaia G, Fabre M, Mathé C, Dunand C. PeroxiBase : a database for large-scale evolutionary analysis of peroxidases. Nucleic Acids Res. 2013 41(Database issue):D441-4. abstract

2012
Delaux PM, Xie X, Timme RE, Puech-Pages V, Dunand C, Lecompte E, Delwiche CF, Yoneyama K, Bécard G and Séjalon-Delmas N. Origin of strigolactones in the green lineage New Phyto. 2012 195(4):857-71.abstract

Fawal, N, Savelli, B, Dunand, C, Mathé, C, GECA : a fast tool for Gene Evolution and Conservation Analysis in eukaryotic protein families. Bioinformatics. 2012 28(10):1398-9. abstract

Olson A, Aerts,A, Asiegbu F, Belbahri L, Bouzid O, Broberg A, Canbäck B, Coutinho PM, Cullen D, Dalman K, Deflorio G, van Diepen L, Dunand C, Duplessis S., Durling M., Gonthier P, Grimwood J, Gunnar Fossdal C, Hansson, D., Henrissat, B., Hietala, A., Himmelstrand, K., Hoffmeister D, Hogberg N, James T, Karlsson J, Kohler A, Kües U, Lee Y, Lin Y-C, Lind, M., Lindquist E, Lombard V, Lucas S, Lunden K, Morin E, Murat C, Park R, Raffaello T, Rouzé P, Salamov A, Schmutz J, Solheim H, Stahlberg J, Velez M, de Vries R, Wiebenga A, Woodward S, Yakovlev I, Garbelotto M, Martin F, Grigoriev I, Stenlid J Insight into trade-off between wood decay and parasitism from the genome of a fungal forest pathogen. New Phyto. 2012 194(4):1001-13.abstract.

Marino D, Dunand C, Puppo A and Pauly N. A burst of plant NADPH oxidases. Trends Plant Sci. 2012 17(1):9-15. abstract.

Delaux PM, Nanda AK, Mathé C, Sejalon-Delmas N, Dunand C. Molecular and biochemical aspects of plant terrestrialization. Perspective in Plant Ecology, Evolution and Systematics. 2012 14 (1), 49-59.

2011
Dunand C, Mathé C, Lazzarotto F, Margis R, Margis-Pinheiro M. Ascorbate peroxidase-related (APx-R) is not a duplicable gene. Plant Signal Behav. 2011 6(12):1908-13. abstract.

Lazzarotto F, Teixeira FK, Barcelos Rosa S, Dunand C, Lemelle Fernandes C, de Vasconcelos Fontenele A, Silveira JAG, Verli H, Margis R, Margis-Pinheiro M. APX-R is a new heme-containing protein functionally associated to APx but evolutionarily divergent, New Phytol. 2011 191(1):234-50 abstract

2010

Cosio C, Dunand C (2010) Transcriptome analysis of various flower and silique development stages indicates a set of class III peroxidase genes potentially involved in pod shattering in Arabidopsis thaliana. BMC Genomics 11 abstract

Mathé C, Barre A, Jourda C, Dunand C (2010) Evolution and expression of class III peroxidases. Arch Biochem Biophys 500 : 58-65 abstract

Nanda AK, Andrio E, Marino D, Pauly N, Dunand C (2010) Reactive Oxygen Species during Plant-microorganism Early Interactions. JIPB 52 : 195-204 abstract

2009

Cosio C, Dunand C (2009) Specific functions of individual class III peroxidase genes. J Exp Bot 60 : 391-408 abstract

Cosio C, Vuillemin L, De Meyer M, Kevers C, Penel C, Dunand C (2009) An anionic class III peroxidase from zucchini may regulate hypocotyl elongation through its auxin oxidase activity. Planta 229 : 823-836 abstract

Koua D, Cerutti L, Falquet L, Sigrist CJA, Theiler G, Hulo N, Dunand C (2009) PeroxiBase : a database with new tools for peroxidase family classification. NAR 37 : D261-D266 abstract

Oliva M, Theiler G, Zamocky M, Koua D, Margis-Pinheiro M, Passardi F, Dunand C (2009) PeroxiBase : a powerful tool to collect and analyse peroxidase sequences from Viridiplantae. J Exp Bot 60 : 453-459 abstract

2008

Margis R, Dunand C, Teixeira FK, Margis-Pinheiro M (2008) Glutathione peroxidase family – an evolutionary overview. FEBS J 275 : 3959-3970

Zamocky M, Jakopitsch C, Furtmuller PG, Dunand C, Obinger C (2008) The peroxidase-cyclooxygenase superfamily : reconstructed evolution of critical enzymes of the innate immune system. Proteins 72 : 589-605

Foissac S, Gouzy J, Rombauts S, Mathé C, Amselem J, Sterck L, Van de Peer Y, Rouzé P, Schiex T (2008) Genome annotation in plants and fungi : EuGene as a model platform. Current Bioinformatics 3 : 87-97

Thèses

Duchesse Lacours Mbadinga Mbadinga (2017-2020). Elucidation du processus de polymérisation des monomères de cutine. Université Paul Sabatier, Toulouse III.

Harold Duruflé (2014-2017). Production et traitement de données « omics » hétérogènes en vue de l’étude de la plasticité de la paroi chez des écotypes pyrénéens de la plante modèle A. thaliana. Université Paul Sabatier, Toulouse III.

Edith Francoz (2012-2015) Rôle de la famille multigénique des peroxydases pariétales de classe III dans le développement et la dynamique des parois cellulaires végétales. Université Paul Sabatier, Toulouse III.

Qiang Li (2014) A la recherche des peroxydases ancestrales dans la lignée verte. Université Paul Sabatier, Toulouse III.

Nizar Fawal (2013) Développement d’une procédure d’annotation de familles multigéniques comme les peroxydases. Université Paul Sabatier, Toulouse III.

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