Soutenance de thèse de Jaison Arivalagan :
« Insights from shell proteome : Biomineralization control and environmental adaptation in bivalves »
La soutenance se tiendra le Lundi 4 septembre 2017 à 14h00, en salle de collections, 63 rue Buffon (Bâtiment de Chimie), MNHN, Paris
Le jury sera constitué de :
- M. Karim Benzerara, Directeur de recherche, Université Pierre et Marie Curie, Paris, Rapporteur
- M. Daniel J. Jackson, Professeur, Université de Göttingen, Allemagne, Rapporteur
- Mme Melody Clark, D Sc Imperial College, BAS Institute, Cambridge, Examinateur
- M. Frédéric Marin, Directeur de recherche, Université de Bourgogne, Dijon, Examinateur
- Mme Sophie Berland, Ingénieure de recherche, Muséum national d'Histoire naturelle, Paris, Directrice de thèse
- M. Arul Marie, Ingénieur de recherche HDR, Muséum national d'Histoire naturelle, Paris, Directeur de thèse
Résumé de la thèse :
L’association d’éléments minéraux à des molécules organiques sous la forme de structures biominéralisées, est largement développée dans la biosphère, par des organismes à différents degrés de complexité : individu à structure de cellule unique tels que chez les foraminifères ou métazoaire. La variabilité et la complexité des biominéraux émerge néanmoins d’un processus d’orchestration par des molécules organiques et des processus biologiques, rassemblés sous le concept de ‘contrôle biologique’. Les mollusques bivalves forment un taxon dans lequel une large gamme de structures composites de carbonate de calcium est élaborée dans la coquille, organisée par le jeu d’interactions du minéral et de molécules organiques. Parmi les composants organiques présents dans la coquille et qui en constituent la matrice, les protéines (Shell matrix protein ou SMP), jouent un rôle clé quant à la nucléation du carbonate de calcium, la croissance et la direction du morphe cristallin.
La présente étude se fonde sur quatre espèces de bivalves, porteurs d’intérêt tant dans la filière aquacole que, pour la partie proprement biologique, la diversité de microstructure des coquilles et les différentes anciennetés de divergence de chacune des espèces modèles du point de vue phylogénétique : Crassostrea gigas (l’huître creuse du Pacifique), Mya truncata (la mye tronquée), Mytilus edulis (la moule comestible) et Pecten maximus (la coquille St Jacques).
Les protéines matricielles sont extraites des coquilles et analysées selon un processus standardisé de séparation et de pipeline protéomique et bioinformatique. Ainsi, certains éléments protéiques fonctionnels clé, de type ‘boite à outils’, pour le processus de calcification, présents dans les composants matriciels quel que soit le mode de cristallisation ou la microstructure finie dans la coquille sont précisés. Corrélativement, l’étude comparative portant sur les quatre espèces a permis d’identifier des protéines matricielles spécifiques à la forme cristalline (calcitique ou aragonitique) des coquilles calcifiées. Parmi les protéines matricielles caractérisées, un nombre conséquent est spécifique à chacune des espèces, ce qui soutient l’hypothèse d’une forte réponse à la pression adaptative et au modus vivendi comparativement à celle des relations d’apparentement s’appliquant aux protéines de coquilles. Cette hypothèse est particulièrement soutenue par le fait que ces protéines spécifiques paraissent pour la plupart porter des fonctions de protection immune et s’agrègent dans la voie métabolique liée à la phénoloxidase et sa régulation, suggérant un rôle de défense contre les pathogènes.
Un autre volet d’étude comparative, portant cette fois sur le protéome de coquille d’une unique espèce modèle (Mytilus), pour différentes populations issues de Mer du Nord et de Baltique, mer intracontinentale et intérieure présentent naturellement un gradient de faibles salinités par rapport au milieu marin ouvert. L’étude du protéome par approche non-ciblée semi-quantitative (label-free) a permis de caractériser un set de protéines matricielles modulées selon les différents environnements. Ainsi, certaines protéines type ‘boîte à outils’ de biominéralisation, des protéines de liaison à la chitine (polysaccharide azoté, autre composant essentiel des matrices de coquilles) sont modulées dans le sens d’une importance relative sur-pondérée dans les populations de Baltique. Les protéines portant des domaines fonctionnels tels que anhydrase carbonique, facteurs de croissances de type EGF ou fibronectin n’apparaissent pas modulées en fonction de conditions environnementales potentiellement défavorables à la biominéralisation. En revanche, les protéines liées à l’immunité sont fréquentes dans le set de protéines matricielles modulées, ce qui est interprété comme le reflet d’une réponse à la pression biotique et abiotiques inscrite dans le protéome de la coquille. Ces résultats sont lus comme autant de traits liés à la capacité particulièrement avancée chez Mytilus à l’adaptation à son environnement via la modulation de certains composants du protéome matriciel de la coquille, en relation structuro-fonctionnelle avec le phénotype de la coquille (impacté en conditions de faible salinité de la Baltique) impactant les propriétés mécaniques et le renforcement de la barrière de défense biochimique.
L’ensemble de ce travail présente la diversité fonctionnelle des protéines de la matrice biominéralisée des coquilles, et souligne en particulier les différents rôles liés à la protection biochimique s’ajoutant à ceux liés au contrôle de la biominéralisation sensu stricto dans les composants du protéome de la coquille. Ainsi, cette étude a donné lieu à l’identification de protéines liées à la protection immune et de phosphoprotéines, indiquant potentiellement des protéines de signalisation et souligne la complexité du contrôle biologique inscrit dans la matrice de biominéralisation.
Ces résultats viennent conforter la définition de la coquille comme une structure fonctionnelle de protection physique et biochimique, dont la dynamique est médiée par le protéome.
Abstract:
Biomineral formation is widely found in organisms ranging from unicellular foraminifera to biggest animal that exist in biosphere. The range and complexity of biominerals formed by the organisms are mediated by biological control. Bivalves are one among several organisms that form wide array of complex composite calcium carbonate biomineral structures via organic-inorganic interactions. Shell matrix protein (SMP), the important constituent of the organic components plays a significant role in CaCO3 nucleation, crystal growth and in generating different crystal polymorphs.
In this study, the SMPs from four commercially important and divergent bivalve species Crassostrea gigas (pacific oyster), Mya truncata (soft shell clam), Mytilus edulis (blue mussel) and Pecten maximus (king scallop) were extracted and analyzed using standardized extraction protocol and proteomic pipeline. This enabled us to identify critical elements of basic biomineralization tool kit for calcification process irrespective of their shell morphology, mineralogy and microstructure. In addition, it enabled the identification of SMPs that are specific to calcite and aragonite mineralogies. The significant numbers of SMPs found species-specific were hypothesized as adaptation to their modus vivendi. In fact, the latter proteins possess immunity-related functions and fit in to specific pathway, phenoloxidase, suggesting their role in defense against pathogen.
The comparative study of shell proteome of mussels living in full marine condition, North Sea and the low saline Baltic Sea using label free semi-quantitative proteomic approach showed the modulation of the SMPs that constitute the basic biomineralization tool kit. Higher modulation of chitin related proteins and non-modulated proteins such as carbonic anhydrase, EGF and fibronectin domain containing proteins points out the impaired scaffold and mineral nucleation in Baltic mussel. The modulation of immunity related proteins denote the influence of biotic components in the shell formation. These findings implicate that the successful adaptation of mussels to their environment is possible with the modulation of SMPs and, which results in shell phenotypes with distinct mechanical and biochemical defense properties.
These investigations show the functional diversity of SMPs and their roles beyond shell formation in the bivalves. In addition, the identification of immunity related proteins and phosphoproteins reveal the complexity of shell formation process and questions about their role during shell formation and their possible association in the biomineralizing matrix proteins. These findings put forth the idea that shell is dynamic, endowed with both mechanical and biochemical protection.