Décrypter la biosynthèse de la S-méthylcystéine chez le haricot commun par suivi isotopique avec la spectrométrie de masse

Citation

Joshi, J., Renaud, J.B., Sumarah, M.W., Marsolais, F. (2019). Deciphering S-methylcysteine biosynthesis in common bean by isotopic tracking with mass spectrometry, 100(1), 176-186. http://dx.doi.org/10.1111/tpj.14438

Résumé en langage clair

Le haricot commun (haricot sec) est une excellente source alimentaire de protéines et de fibres. Cependant, sa qualité protéique, définie comme la composition équilibrée d’acides aminés essentiels sur le plan nutritionnel, est sous-optimale en raison des faibles quantités d’acides aminés soufrés : méthionine et cystéine. Par ailleurs, le haricot commun accumule de grandes quantités d’un acide aminé soufré non protéique, la S-méthylcystéine. Cette étude a cherché à identifier la voie biochimique menant à l’accumulation de S-méthylcystéine dans la graine. Nous avons utilisé une approche qui consistait à suivre l’incorporation dans les métabolites du soufre de différents précurseurs d’acides aminés, marqués avec des isotopes stables du carbone et de l’azote, en utilisant la spectrométrie de masse à haute résolution. L’analyse des résultats a révélé deux voies distinctes. La S-méthylcystéine libre se forme au début du développement de la graine, et un gène et une enzyme responsables de cette réaction ont été identifiés et caractérisés. La voie de biosynthèse la plus importante est celle dans laquelle le S-méthylhomoglutathion agit comme intermédiaire. Cette voie est active dans les plastides, ce qui assure une séparation spatiale de la formation de cystéine pour la synthèse protéique qui se produit dans le cytosol. Il s’agit d’une voie qui présente des similitudes avec la biosynthèse des composés aromatiques chez l’ail et l’oignon. Nos travaux ont permis d’identifier les étapes clés du métabolisme des acides aminés soufrés chez le haricot commun et fournit des cibles potentielles pour l’amélioration nutritionnelle de cette importante culture.

Résumé

©Sa Majesté la Reine du chef du Canada, 2019. The Plant Journal, ©John Wiley & Sons Ltd and Society for Experimental Biology, 2019. La teneur sous-optimale en acides aminés soufrés, comme la méthionine et la cystéine, empêche le haricot commun (Phaseolus vulgaris) d’être une excellente source de protéines. Les améliorations nutritionnelles de cette culture importante nécessitent une meilleure compréhension de la biosynthèse des composés soufrés, notamment l’acide aminé non protéinogène S méthylcystéine et le dipeptide γ-glutamyl-S-méthylcystéine, qui s’accumulent dans les graines. Dans cette étude, des graines de haricot commun ont été incubées avec de la sérine, de la cystéine ou de la méthionine marquées avec un isotope, après quoi elles ont été analysées par chromatographie en phase inverse-spectrométrie de masse à haute résolution, afin que l’on puisse suivre les isotopes stables au fur et à mesure de leur progression dans le métabolome du soufre. Nous avons déterminé que la sérine et la méthionine sont les seuls précurseurs de la S-méthylcystéine libre dans les graines en développement, ce qui signifie que ce composé est probablement synthétisé par la condensation de l’O-acétylsérine et du méthanethiol. La BSAS4;1, une alanine synthase cytosolique β-substituée exprimée de manière préférentielle dans les graines en développement, a catalysé la formation de S-méthylcystéine in vitro. Un flux plus élevé de sérine ou de cystéine marquée a été observé dans une voie séquentielle dans laquelle intervenaient la γ-glutamyl-cystéine, l’homoglutathion et le S-méthylhomoglutathion, un précurseur probable du γ-glutamyl-S-méthylcystéine. L’incorporation préférentielle de la sérine par rapport à la cystéine favorise une compartimentation subcellulaire de cette voie, probablement dans le chloroplaste. Le traçage en amont du groupement méthyle du S-méthylhomoglutathion remonte à la méthionine. Il y a eu une incorporation importante de carbones provenant de la méthionine dans la partie β-alanine de l’homoglutathion et du S-méthylhomoglutathion, suggérant la décomposition de la méthionine par la méthionine γ-lyase et la conversion de l’α-ketobutyrate en β-alanine dans le métabolisme du propanoate. Ces résultats délimitent les voies de biosynthèse du métabolome du soufre dans le haricot commun et fournissent un aperçu qui aidera les futurs efforts d’amélioration de sa qualité nutritionnelle.

Date de publication

2019-10-01