Note publique d'information : Les dérivés du tétrahydrofolate (THF), plus connus sous le nom de folate(s) ou vitamine
B9, sont des cofacteurs indispensables au métabolisme cellulaire puisqu'ils sont à
la base des réactions de transfert d'unités monocarbonées, regroupées sous le terme
de "métabolisme C1". Chez tous les organismes, ces réactions sont impliquées dans
des processus cellulaires clés comme la synthèse des nucléotides (purines, thymidylate),
la synthèse de certains acides aminés (sérine, glycine, méthionine) et, indirectement,
dans la synthèse de S-adénosylméthionine. Cette dernière constitue le donneur universel
de groupements méthyles et intervient donc dans l'ensemble des réactions de méthylation.
Les plantes, les champignons et certains micro-organismes possèdent la capacité de
réaliser la synthèse de novo de THF alors que les animaux en sont incapables et sont
contraints de puiser cette vitamine dans leur alimentation. Lors du développement
de la plante, la capacité de synthèse du THF, le pool global et la nature des folates
ainsi que la demande en unités C1 varient de façon importante. Pourtant, la littérature
reste succincte en ce qui concerne les mécanismes qui permettent de contrôler l'homéostasie
en folates en fonction des besoins fluctuants en unités C1 de la plante et sur la
manière dont sont distribuées ces unités entre les différentes voies utilisatrices.
Le travail réalisé dans le cadre de cette thèse a permis de mettre en évidence différents
niveaux de régulation du métabolisme C1 permettant à la plante de répondre à une diminution
du pool de folates. Ainsi, l'étude transcriptomique de la réponse de cellules d'Arabidopsis
à un traitement par un antifolate, le méthotrexate, a révélé une absence de processus
de compensation de la baisse de la quantité de folates puisque les gènes impliqués
dans la synthèse, le transport et la dégradation du THF ne présentent pas de modification
de leur expression. La régulation transcriptionnelle mise en place suite à une limitation
en folates concerne un nombre restreint de gènes qui vont influencer la composition
en dérivés du THF et non l'abondance de ce cofacteur vitaminique. En effet, alors
qu'en situation physiologique le flux d'unités C1 alimente majoritairement les réactions
de méthylation, il se trouve que le déficit en folates provoque une réorientation
de ce flux vers la synthèse des nucléotides. La diminution des méthylations cellulaires
en situation de déficit en folates a été illustrée lors de l'étude d'une méthyltransférase
particulière qui intervient dans la synthèse des chlorophylles, la Mg-protoporphyrine
IX méthyltransférase. Des feuilles de pois déficientes en folates présentent une forte
diminution de l'index de méthylation qui se traduit par une régulation métabolique
de l'activité de la Mg-protoporphyrine IX méthyltransférase, conduisant ainsi à une
baisse de la synthèse des chlorophylles. Cette étude démontre que le statut en folates
influence, via les réactions de méthylations, des processus physiologiques essentiels
comme la biogenèse de l'appareil photosynthétique. Ce travail de thèse a également
mis en évidence un mécanisme de régulation post-traductionnelle de la synthèse de
méthionine en situation de carence en folates. Ce mécanisme consiste en un clivage
protéolytique de l'extrémité N-terminale de la première enzyme dédiée à la synthèse
de méthionine, la cystathionine γ-synthase. L'élimination de ce domaine régulateur
de l'enzyme permet, par un mécanisme encore inconnu, d'accroître la biosynthèse de
méthionine en situation de déficit en folates.
Note publique d'information : Tetrahydrofolate (THF) derivatives, collectively termed folates or vitamin B9, are
involved in almost all the metabolic processes that require the addition or removal
of one-carbon units (C1 metabolism). C1-substituted folate coenzymes are thus involved
in several major cellular processes, including the synthesis of nucleotides (purines
and thymidylate) and amino acids (methionine, serine, glycine). Methionine serves
as a methyl group donor through conversion to S-adenosylmethionine, the key biological
methylating agent involved in dozens methyltransferase reactions. Plants, fungi and
most micro-organisms are able to synthesize THF de novo whereas humans and animals
in general lack this capacity and thus rely on dietary intake of vitamin B9. During
plant development, the enzymatic capacity for THF synthesis, the pool of folates,
and the demands for C1-units vary importantly. However, little is known about how
folate homeostasis is controlled to match the supply of C1-units, and how C1-units
are accurately distributed between the different anabolic routes. In this work, we
identified different regulatory mechanisms that allow plants to respond to a limitation
of the folate pool. First, we analyzed the genome-wide and metabolic response of Arabidopsis
cells to folate depletion induced by the antifolate methotrexate. Surprisingly, no
significant change in the expression of genes involved in cofactor synthesis, degradation
or trafficking was observed. One major response to folate limitation concerned the
composition of the cofactor pool. Thus, the transcriptional regulation of a limited
number of genes coding enzymes manipulating C1-moieties in plastids was associated
with a re-orientation of C1-units towards the synthesis of purines and thymidylate.
These data suggest that the metabolic priority of Arabidopsis cells in response to
folate limitation is to shuttle the available folate derivatives to the synthesis
of nucleotides at the expense of methylation reactions. Second, because the efficiency
of methylation reactions are likely affected by folate depletion, we investigated
the relationships between the folate status, the methyl cycle activity, and the rate
of chlorophyll synthesis, which relies at one step on a methylation reaction catalyzed
by Mg protoporphyrin IX methyltransferase. Etiolated pea leaves treated with methotrexate
displayed a reduced folate pool and a marked decrease in the methyl index. This resulted
in a metabolic regulation (inhibition) of the Mg-protoporphyrin IX methyltransferase
activity and to a decreased rate of chlorophyll synthesis. These results point out
that an even moderate change in the folate status may affect essential physiological
processes such as chloroplast biogenesis. Last, the analysis of Arabidopsis cells
exposed to a long-term folate starvation revealed an original post-translational regulation
of methionine synthesis. This process consists in the proteolytic cleavage of the
N-terminal domain of cystathionine -synthase, the first specific enzyme for methionine
synthesis. We suggest that an effector, to date unidentified, can modulate enzyme
activity in vivo through an interaction with the N-terminal domain and that removal
of this domain in folate-deficient cells can suppress this regulation.