Des chercheurs de l’Université de l’État du Michigan ont fait une découverte qui pourrait aider à transformer l’interrupteur d’arrêt naturel des cellules végétales en un « interrupteur de vie » qui aiderait les cultures à mieux survivre aux défis posés par le changement climatique.

Il s’agit cependant d’une constatation fondamentale, partagée en substance dans la revue. Plantes naturellesqui a des implications dans toute la biologie sur la façon dont les organismes réagissent au stress associé à la surproduction de protéines par la cellule.

« La vie dépend de l’activité d’un organite appelé réticulum endoplasmique, ou ER », a déclaré Federica Brandisi, directrice du laboratoire qui a publié la nouvelle découverte.

Brandisi est professeur émérite de MSU et professeur de la MSU Research Foundation au département de biologie végétale et au laboratoire de recherche sur les centrales électriques de MSU.

« Le réticulum endoplasmique produit des molécules biologiques essentielles, notamment des lipides et un tiers des protéines utilisées par les cellules. Il facilite également la communication cellulaire avec l’environnement extérieur », a déclaré Brandizi. « Certaines situations physiologiques et stressantes peuvent conduire à une défaillance de la capacité de biosynthèse de cet organite, une condition connue sous le nom de stress ER, qui peut être fatale. »

« Ce que nous avons découvert est une voie spécifique et de nouveaux régulateurs dont on ne savait pas auparavant qu’ils étaient impliqués dans les réponses au stress d’urgence », a déclaré l’auteur principal de l’étude, Dai Kwan Kuo, professeur adjoint au laboratoire Brandisi de MSU. « Cette découverte ouvre de nouvelles portes et de nouvelles orientations en recherche. »

Le stress et le kill switch cellulaire

Les cellules de chaque organisme eucaryote (plantes, champignons et animaux, y compris les humains) possèdent plusieurs mécanismes autodestructeurs qu’elles peuvent activer lorsqu’elles se trouvent dans des conditions environnementales défavorables.

Les cellules qui se sacrifient peuvent contribuer à maintenir l’organisme en bonne santé dans certaines conditions, en stoppant la propagation d’une maladie, par exemple. Mais dans d’autres circonstances, la mort au niveau cellulaire peut entraîner des dommages, des maladies, voire la mort de l’organisme.

« En comprenant les mécanismes d’autodestruction biomoléculaire dans les cellules, les chercheurs peuvent concevoir des tactiques pour éviter ou retarder l’activation d’une cellule en réponse à certains facteurs de stress », a déclaré Kuo.

Malheureusement, ces mécanismes sont largement opaques et très complexes. Heureusement, Kuo et ses co-auteurs, qui sont également membres du laboratoire de Brandisi, maîtrisent parfaitement la simplification. Jo Young Kim, associée de recherche postdoctorale, et Ethan Thibault, étudiant au doctorat, se joignent à Ko et Brandisi sur le projet.

Kuo a déclaré qu’il existe une interaction entre les gènes et l’activité d’une protéine qui transmet les signaux de stress au centre de commande de la cellule, ou noyau. « Lorsqu’une certaine voie de signalisation est activée, c’est comme basculer entre la vie et la mort lors d’une réponse au stress », a déclaré Ku.

Kuo et ses collègues ont conçu des expériences qui ont identifié les protéines qui régulent l’une de ces voies, ainsi que les gènes qui y sont associés.

« Dans cet article, nous avons tenté d’identifier les régulateurs d’une seule voie de signalisation », a déclaré Ku. « On ne sait pas grand-chose sur les protéines qui font quoi, où et quand. Nous voulons comprendre ce qu’elles font dans le temps et dans l’espace. »

Pour ce faire, Kuo et l’équipe se sont concentrés sur l’éclairage d’un mécanisme ou d’une voie unique en cas de stress d’urgence.

Mettre un organisme modèle au travail

Le réticulum endoplasmique est un organite utilisé par les cellules de tous les eucaryotes pour replier les protéines, entre autres. Dans des conditions normales, le besoin de la cellule de replier les protéines est équilibré par la capacité du réticulum endoplasmique à les replier. C’est comme conduire sur une autoroute avec un trafic léger, a déclaré Kuo.

Mais lorsque les cellules se développent ou sont exposées à certains stress, notamment à des attaques d’agents pathogènes, la demande de repliement des protéines dépasse leur capacité. Il en résulte un embouteillage pour les protéines exposées. Il s’agit d’un stress d’urgence, et lorsqu’il devient très grave, il peut être mortel.

Pour se concentrer sur l’une des voies utilisées par les cellules pour localiser ce point de basculement, l’équipe s’est tournée vers un organisme modèle, une plante connue sous le nom d’Arabidopsis thaliana. En utilisant une plante modèle comme le cresson, les scientifiques peuvent également commencer à identifier des gènes et des traits partagés ou conservés chez d’autres espèces.

« Ces processus sont hautement conservés, non seulement chez les plantes, mais aussi chez les animaux et tous les eucaryotes », a déclaré Kuo. « L’étude de ces processus dans un système modèle comme Arabidopsis présente l’avantage de nous permettre de mener des recherches rapidement en utilisant des ressources génomiques abondantes. »

L’équipe a cultivé des plantes Arabidopsis « normales » aux côtés d’autres souches présentant des mutations génétiques aléatoires. Finalement, l’équipe a créé des plantes présentant des milliers de modifications génétiques.

Les chercheurs ont ensuite observé comment les plantes mûrissaient après avoir été exposées à un composé qui inhibait le repliement des protéines. Autrement dit, les chercheurs ont essentiellement déclenché un embouteillage sur l’autoroute ER.

Alors que les plantes normales peuvent résister à ce stress, un mutant particulier dépourvu d’une protéine connue sous le nom d’IRE1 – abréviation de « Inositol Requiring Enzyme 1 » – ne le peut pas. Mais d’autres mutations de cette variante pourraient ramener la réponse de la plante au stress d’urgence à un niveau plus proche de la normale.

« Nous avons cette plante mutante qui est censée être malade en cas de stress d’urgence parce qu’elle ne possède pas les protéines nécessaires pour répondre au stress d’urgence », a déclaré Kuo. « Mais en mutant le mutant, nous avons trouvé une autre mutation qui pourrait inverser la maladie. »

En particulier, ce mutant plus flexible a perdu une protéine supplémentaire appelée PIR1 (abréviation de « Phosphatase type 2CA Interacting Ring Finger Protein 1 »). En collaboration avec le Centre de soutien technologique à la recherche, le Centre de génomique et le Centre de spectrométrie de masse et de métabolisme de MSU, les chercheurs ont également exploré la génétique associée et les signaux moléculaires qui déterminent le sort des cellules dans des conditions de stress aux urgences.

Bien qu’il s’agisse d’une voie dans une plante, cette plante a la force d’être un organisme modèle comme Arabidopsis. Par exemple, la méthodologie de l’équipe pourrait être utilisée pour rechercher d’autres voies de stress ER importantes trouvées chez d’autres eucaryotes, tels que les humains.

Bien que le PIR1 ne se trouve que dans les plantes, il est présent dans des centaines d’espèces, y compris des cultures comme le soja.

« Vous pourriez donc commencer à réfléchir à la manipulation de l’activité génétique de plantes comme le soja pour les rendre plus résilientes au changement climatique », a déclaré Kuo.

« Bien que PIR1 ne soit pas une protéine conservée en dehors du règne végétal, il est probable que les espèces non végétariennes utilisent des mécanismes similaires à ceux qui informent PIR1 pour contrôler les issues de vie ou de mort », a déclaré Brandisi. « Par conséquent, les résultats de nos recherches pourraient également influencer la recherche sur la gestion du stress des urgences chez les espèces non végétariennes. »

Pour Ko, il existe encore bien d’autres pistes intéressantes à explorer chez Arabidopsis thaliana même. Par exemple, les racines des plantes contiennent environ dix types différents de cellules, et comprendre si et comment cette voie de signalisation fonctionne différemment dans différentes cellules pourrait avoir des implications sur la santé cellulaire.

« Parce que le RE est l’usine de biosynthèse des cellules, comprendre comment la production de protéines est gérée dans le RE a des implications importantes pour améliorer la qualité de la biomasse végétale et notre capacité à utiliser les plantes comme bioréacteurs à grande échelle pour produire des protéines pharmaceutiques recombinantes, telles que des anticorps et des protéines. vaccins », a déclaré Brandisi.

Cette découverte est donc un peu comme les racines d’une plante en train de germer : son extension ne manquera pas de s’élargir et de s’approfondir.