Biochemical and molecular characterisation of the vanadate dependant haloperoxidases from the brown alga Laminaria digitata
Caractérisation biochimiques et moléculaires des haloperoxydases dépendantes du vanadate chez l'algue brune Laminaria digitata
Abstract
Marine algae have the ability to accumulate halogens and produce a variety of halogenated compounds of primary importance in the biochemical cycle of halogens. Particulary, Laminaria may concentrate iodine up to 150,000 from the concentration found in seawater. Nevertheless, the basic mechanisms involved in the metabolism of halogens in algae and the biological signifiance of the halide pool in the algae are still unknown. We have chosen the brown algae Laminaria digitata (L.) Lamouroux as a biological model for characterizing, at both biochemical and molecular level., the key enzymes regulating halogen metabolism : the haloperoxydases, possessing a vanadate ion as cofactor (vHPO).
In L. digitata, these enzymes form two distinct multigfenic families : the bromoperoxydase (vBPOs) and the iodoperoxydase (IPOs). Protein extracts of both vIPO and vBPO were purified to electrophoretic homogeneity. These enzymes differ in their respective molecular weight, immulogical characteristics, peptide profiles and above all by their specific activity. While vBPO can oxidise both bromide and iodide, vIPO is specific to iodide and its oxidative capacity for this halide is higher than vBPO. This particularity suggests that vIPO, localised in the cell wall and at the level of the cortex, may be directly responsible for the absorption of iodide in this algae.
This strict specificity of vIPO compared to other vHPOs is suggested to result from an increase in electronegative potential at the active site, together with an alteration of the structural topology of the site of fixation of halides. From an evolutionary perspective, one vBPO may have been the ancestor of contemporary vHPOs in brown algae. In that case, the loss of the bromide-oxidising function may have been at the origin of vIPOs and the appearance of this novel biochemical function.
As well as the particular and specific role of vIPOs in the absorption of iodine, members of both vHPO families seem to be involved in defense mechanisms and some stress induced responses and particularly under oxidative stress conditions. Within this context, they play a direct role as anti-oxidative enzymes, by consuming hydrogen peroxide. They may also synthesise halogenated compounds which are considered as defence mechanisms. We have also established the existence of some links between their induction with the oxylipin pathway.
Les algues marines, de par leur capacité à accumuler les halogénures et à produire des composés halogénés, constituent un compartiment d'une importance indéniable dans le cycle biogéochimique des halogènes. En particulier, les laminaires ont la singularité de concentrer l'iodure jusqu'à 150,000 fois la concentration de cet élément dans l'eau de mer. Cependant les mécanismes régissant les transferts d'halogènes au sein de l'algue, d'une part, et le rôle biologique de halogénures dans l'algue, et notamment celui de l'iodure chez les laminaires, d'autre part, restent inconnus. Dans ce contexte, nous avons choisi comme modèle d'étude l'algue brune Laminaria digitata (L.) Lamouroux et nous avons caractérisé, au niveau biochimique et moléculaire, des enzymes clé du métabolisme halogéné : les haloperoxydases, possédant comme cofacteur l'ion vanadate (vHPOs).
Chez L. digitata, ces enzymes constituent deux familles multigéniques distinctes : la famille des bromoperoxydases (vBPOs) et la famille des iodoperoxydases (vIPOs). Des extraits protéiques de vIPO et de vBPO ont été purifiés à l'homogénéité électrophorétique. Ces enzymes diffèrent par leur poids moléculaire, leurs caractéristiques immunologiques, leurs profils peptidiques, et surtout par leurs activités spécifiques. En effet, alors que la vBPO peut oxyder le bromure et l'iodure, la vIPO est spécifique de l'iodure et possède une efficacité d'oxydation pour cet halogénure nettement supérieure à celle de la vBPO. Cette particularité suggère que la vIPO, pariétale et localisée au niveau du cortex, est directement responsable de l'importante absorption de l'iodure chez cette algue.
Cette spécificité stricte de la vIPO, par rapport aux autres vHPOs, serait due à une augmentation du potentiel électronégatif au niveau du site actif, combinée à une altération de la topologie du site de fixation des halogénures. D'un point de vue évolutif, une vBPO serait l'ancêtre des vHPOs chez les algues brunes et la perte de la capacité d'oxyder le brome serait à l'origine de la vIPO et donc de l'émergence de cette nouvelle fonction biochimique.
Outre le rôle particulier et spécifique des vIPOs dans l'absorption de l'iode, les différents représentants des deux familles de vHPOs semblent plus ou moins impliqués dans les mécanismes de défense et dans la réponse à divers stress, et particulièrement lors de stress oxydants. Dans ce contexte, elles jouent un rôle direct comme enzymes antioxydantes, en consommant du perodyde d'hydrogène. Elles synthétisent également des composés halogénés, considérés comme des signaux de défense. Nous avons également établi des liens entre leurs inductions et la voie de signalisation des oxylipines.