Le changement climatique est l'un des défis les plus critiques de notre siècle. Parmi ses nombreuses conséquences prévues figure la réduction de la disponibilité en oxygène dans les milieux aquatiques et chez les organismes ectothermes, ce qui pourrait entraîner une augmentation de la production d'éthanol par ces organismes. Pour aggraver ces problèmes, l'utilisation humaine de l'éthanol continue d'augmenter, et son accumulation naturelle transitoire dans les écosystèmes devrait également augmenter à l'avenir. Cette thèse, à la croisée de la biologie fonctionnelle et de l'écologie, se concentre sur les réponses des cellules animales et végétales à de faibles doses physiologiques d'éthanol.
Dans un article d'opinion, j'ai montré que les organismes animaux et végétaux ont tous deux des niveaux endogènes d'éthanol, qu'ils aient une origine endogène ou exogène. Des études ont montré que l'éthanol a des effets différents sur le métabolisme cellulaire à faibles et fortes concentrations, ressemblant à une réponse hormétique. J'ai donc émis l'hypothèse que l'éthanol n'est pas un simple un déchet du métabolisme hypoxique, mais qu'il pourrait servir de signal permettant aux organismes de s'adapter à des conditions de stress. Cependant, les variations des doses physiologiques de cet alcool ont été peu étudiées chez les plantes et les animaux, malgré des mesures empiriques de la présence d'éthanol dans ces systèmes.
J'ai ensuite étudié les réponses de cellules de vigne à une dose physiologique d'éthanol, et j'ai découvert que le traitement à l'éthanol déclenchait des changements significatifs dans l'expression des gènes, en particulier la régulation à la hausse des 'small Heat Shock Proteins', une famille connue pour son rôle dans le maintien de la protéostasie en réponse au stress cellulaire. Nous avons ensuite testé l'amorçage (‘priming’) chimique à l'éthanol sur des cultures cellulaires de vigne, appliqué un stress thermique et observé la présence d'un phénotype de tolérance à la chaleur. Les résultats suggèrent que le priming à l'éthanol améliore la résilience des plantes au stress thermique et fournissent le premier ensemble de données RNA-seq chez les plantes permettant d'explorer les mécanismes de protection de l'éthanol.
Afin d'étudier plus en détail la manière dont l'éthanol peut être perçu par les cellules végétales, j'ai étudié une protéine d'intérêt. Un récepteur d'éthylène recombinant de la vigne, VvETR2, a été conçu, exprimé et purifié pour la première fois, puis analysé dans le contexte de la perception de l'éthanol. Des techniques de biochimie, notamment la thermophorèse à micro-échelle et le dichroïsme circulaire, ont été utilisées pour caractériser les interactions protéine-éthanol et évaluer la structure secondaire de la protéine sous des concentrations croissantes d'éthanol. Pour la première fois, nous avons démontré que l'éthanol se lie au récepteur d'éthylène de la vigne VvETR2.
Enfin, je me suis intéressé à l'étude de la réponse d'un organisme animal à l'éthanol. J'ai quantifié l'éthanol endogène chez Asellus aquaticus et dans son environnement naturel à l'aide de la chromatographie en phase gazeuse couplée à la spectrométrie de masse, et j'ai étudié les effets physiologiques de l'éthanol à des concentrations biologiquement pertinentes avec des méthodes de respirométrie et des tests d'activité enzymatique. Afin de caractériser les réponses transcriptomiques à l'exposition à l'éthanol et de mieux comprendre les événements transcriptomiques précoces impliqués dans les réponses observées, j'ai procédé à un séquençage de l'ARNm. Nos résultats ont confirmé la présence d'éthanol endogène à la fois dans A. aquaticus et dans son habitat, démontré que l'éthanol avait un impact significatif sur la respiration et l'activité d'une enzyme clé de la chaîne respiratoire, et révélé un changement transcriptomique caractérisé par une stratégie de régulation à la baisse, ainsi qu’un réajustement de l'activité transcriptionnelle. |
Climate change is one of the most critical challenges of our century. Among its many forecasted consequences is the reduction in oxygen availability in aquatic environments and within ectothermic organisms, potentially leading to an increase in ethanol production by these organisms. To exacerbate these issues, human use of ethanol continues to increase, and its transient natural accumulation in ecosystems is also predicted to rise in the future. This thesis, at the interface between functional biology and ecology, focuses on the responses of animal and plant cells to low physiological doses of ethanol.
In a Viewpoint article, I showed that both animal and plant organisms have endogenous levels of ethanol, whether it has an endogenous or an exogenous source. Studies have shown that ethanol has different effects on cell metabolism at low and high concentrations, resembling a hormetic response. Therefore, I hypothesized that ethanol is not merely a waste product of hypoxic metabolism but could serve as a signal or a cue for organisms to adapt to stressful conditions. However, variations in physiological doses of this alcohol have been little studied in plants, and rarely investigated in animal organisms, despite empirical measurements of ethanol presence in these systems.
Subsequently, I investigated the responses of grapevine cells to a physiological dose of ethanol using transcriptomics, and found that ethanol treatment triggered significant gene expression changes, particularly upregulating small Heat Shock Proteins (sHSPs), a family known for its role in maintaining proteostasis in response to cellular stress. Subsequently, we tested ethanol priming on grapevine cellular cultures, applied heat stress, and observed the presence of a heat-tolerance phenotype. The results suggest ethanol priming enhances plant resilience to heat stress and provides the first RNA-seq dataset in plants to explore ethanol’s protective mechanisms.
To further investigate how ethanol may be perceived by plant cells, I studied a protein of interest. A recombinant grapevine ethylene receptor VvETR2 was designed, expressed and purified for the first time, and analysed in the context of ethanol perception. Biochemical techniques, including Microscale Thermophoresis and Circular Dichroism, were employed to characterize protein–ethanol interactions and assess the protein’s secondary structure under increasing ethanol concentrations. For the first time, we demonstrated that ethanol binds to the grapevine ethylene receptor VvETR2.
Finally, I was interested in studying an animal organism's response to ethanol. I quantified endogenous ethanol in Asellus aquaticus and its surrounding environment using gas chromatography–mass spectrometry, and investigated the physiological effects of ethanol at biologically relevant concentrations through respirometry and enzyme activity assays. To characterize transcriptomic responses to ethanol exposure and better understand the early transcriptomic events involved in the observed responses, I conducted an RNA sequencing. Our findings confirmed the presence of endogenous ethanol in both the species and its habitat, demonstrated that ethanol significantly impacted respiration and the activity of a key enzyme in the respiratory chain, and revealed a transcriptomic shift characterized by a general shutdown strategy and a readjustment of the transcriptional activity.
I call on the scientific community to further investigate the physiological and molecular responses of organisms to ethanol, as well as the mechanisms underlying its perception. I hope the transcriptomic datasets provided in this work serves as a first step in this direction. |