Role of odorant-binding proteins in Drosophila melanogaster chemosensory perception
Rôles des protéines de liaison aux odorants dans la chimioperception chez Drosophila melanogaster
Résumé
Chemoperception is used by animals to detect nutritive food and avoid toxic compounds. It also allows animals to identify suitable ecological niche and mating partners. Like many other insects, Drosophila melanogaster possesses a very sensitive chemosensory ability and can detect and discriminate a wide panel of semiochemicals. Chemosensory detection is mostly mediated by olfactory and gustatory systems involving several multigene chemoreceptor families. Volatile and non-volatile chemical compounds entering the sensory organ (sensillum) must be solubilized before being transported through the hydrophilic sensillum lymph bathing the dendrites of chemosensory neurons. These perireceptor events involve a family of soluble proteins named odorant-binding proteins (OBPs). Despite the fact that OBPs were initially found in olfactory sensilla, some OBPs are also expressed in gustatory sensilla. While their physiological roles in olfaction and gustation remain unclear, many studies suggest that OBPs transport lipophilic chemicals. The relatively low affinity of OBPs for odorants and their high abundance in the sensillum lymph both suggest that OBPs can bind, solubilize and transport hydrophobic stimuli to the chemoreceptors across the aqueous sensilla lymph. In addition to this broadly accepted “transporter role” hypothesis, OBPs have also been proposed to buffer sudden changes in odorant levels and to be involved in hygroreception. The role of OBP49a was recently shown in taste: this OBP, expressed in the gustatory system, is required to detect some bitter compounds. However, the role of OBPs in perireceptor events remains largely unknown. The main goal of my thesis project consisted to investigate the involvement of OBPs in the smell and taste sensory modalities using a multi-faceted approach in Drosophila melanogaster.
My first research axis consisted to better understand the role of OBPs in the perception of food compounds by using both in vitro and in vivo approaches of OBPs expressed in the gustatory appendages of D. melanogaster adults. After identifying by q-PCR the OBPs expressed in gustatory appendages, we produced them using a heterologous yeast expression system. Then, the binding properties of the recombinant purified OBP were investigated. Our binding assay screen revealed that the taste-expressed OBP19b is able to bind some amino acids. The expression of OBP19b was mapped in specific accessory cells in a subset of proboscis sensilla. This OBP was also expressed in the digestive tract and in some internal reproductive organs. The comparison of behavioural and single-taste sensilla responses between transgenic variants and control flies supported our finding that OBP19b is indeed involved in the detection of some amino acids. Finally, the comparison between various dipteran insects of the OBP19b-like protein coding sequence indicates the relatively high conservation of this protein suggesting its critical role in food search. The second research axis of my PhD thesis focused on the olfactory role of OBP28a. OBP28a was previously shown to be highly expressed in the Drosophila antennae and proposed to buffer quantitative odour variations. To better understand the physiological role of this OBP, and in collaboration with different members of the team, we used structural, genetic, biochemical, behavioural and electrophysiological methods to better understand the role of this OBP. OBP28a was first heterologously expressed and purified. The folding of OBP28a was then determined and the protein was crystallized. The study of the binding properties of OBP28a revealed that it can bind floral compounds such as β-ionone. Behavioural and electrophysiological recordings supported the physiological role of OBP28a in β-ionone detection. In summary, this PhD thesis reveals novel roles of two OBPs in perireceptor chemoreception: OBP28a in the detection of floral compounds and OBP19b in the detection of some amino acids.
La perception des signaux chimiques de l’environnement est un processus nécessaire aux interactions sociales entre les animaux. En effet, leur survie, ainsi que la détection des aliments nutritifs, ou toxiques, et la reproduction dépendent fortement de la chimioperception, qui allie les sens du goût et de l’olfaction. Tout comme la plupart des animaux, la Drosophile détecte les molécules odorantes et sapides grâce à ses systèmes gustatif et olfactif impliquant plusieurs familles multigèniques de chimiorécepteurs. Ainsi, ces composés chimiques pénétrant dans l'organe sensoriel (sensille) doivent être solubilisés avant d'être transportés à travers la lymphe sensillaire hydrophile baignant les dendrites des neurones chimiosensoriels. Ces événements périrecepteurs font intervenir plusieurs familles de protéines solubles parmi lesquelles se trouvent les protéines de liaison aux odorants (odorant-binding proteins, OBPs). Si les OBPs ont été initialement identifiées dans les sensilles olfactives, certaines sont également exprimées dans les sensilles gustatives. La fonction physiologique des OBPs est encore peu connue mais certaines études révèlent que ces protéines agissent comme transporteurs de molécules lipophiles. Les affinités relativement faibles des OBPs pour les odorants ainsi que leur abondance dans la lymphe sensillaire suggèrent que ces protéines peuvent se lier, solubiliser et transporter des molécules hydrophobes jusqu’aux chimiorécepteurs en traversant la lymphe sensillaire hydrophile. De nouveaux rôles ont été attribués aux OBPs, et en particulier leur capacité à « tamponner » des changements soudains de concentrations d'odorants et leur implication dans la détection de l’humidité. Récemment, l’OBP49a exprimée dans les sensilles gustatives, a été montrée comme étant impliquée dans la détection de certains composés amers. Comme le rôle pérircepteur des OBPs reste encore très peu compris, l'objectif de mon projet de thèse a consisté à clarifier l'implication de certaines OBPs dans l'odorat et le goût chez Drosophila melanogaster en utilisant des approches méthodologiques variées.
Ma thèse a d’abord consisté à mesurer le rôle des OBPs dans la perception des composés alimentaires chez les adultes D. melanogaster. Les OBPs exprimées dans les appendices gustatifs ont été identifiées par q-PCR et produites en utilisant un système d'expression hétérologue, la levure. Les propriétés de liaison des OBPs recombinantes purifiées ont ensuite été testées pour leur capacité à lier de nombreux ligands potentiels. Nos résultats d'analyse de liaison, ont révélé de manière inattendue, une liaison entre l’OBP19b, et certains acides aminés. Nous avons donc poussé nos investigations sur le rôle de cette OBP. La cartographie des sensilles et des cellules exprimant l’OBP19b a été réalisée par immunomarquage, révélant que cette protéine est uniquement exprimée dans certaines cellules accessoires de sensilles précises du labellum. L’OBP19b a été aussi localisée dans le tube digestif et dans certains organes reproducteurs. De manière surprenante, la comparaison des réponses comportementales et des expérimentations électrophysiologiques sensillaires des mouches témoins et des mouches transgéniques a confirmé que l’OBP19b est impliquée dans la détection de certains acides aminés. De plus, la comparaison des séquences protéique a révélé sa relativement haute conservation au sein des espèces de Drosophilidae et même entre Diptères, ce qui suggère qu’elle joue un rôle crucial vis-à-vis de la recherche de nutriments chez ce groupe d’espèces. J’ai ensuite étudié le rôle de l’OBP28a dans l’olfaction. Cette OBP, l’une des plus abondante dans les antennes de Drosophile, a été montrée importante pour tamponner les variations soudaines de concentrations d'odorants. Afin d’étudier plus en profondeur le rôle physiologique de cette OBP, des études structurales, génétiques, biochimiques, comportementales et électrophysiologiques ont été réalisées en collaboration avec les membres de l’équipe. L’OBP28a a d'abord été exprimée puis purifiée et sa structure 3D a été résolue. L'étude de ses propriétés de liaison a révélé la capacité de l'OBP28a à se lier à des composés floraux tels que la β-ionone. Les mesures comportementales et électrophysiologiques ont confirmé son rôle physiologique dans la détection de la β-ionone. En conclusion, ma thèse de doctorat met en évidence les rôles nouveaux de deux OBPs dans la chimioréception : l’OBP28a est impliquée dans la détection de molécules florales alors que l’OBP19b est nécessaire pour détecter certains acides aminés.