• Aucun résultat trouvé

L’étude de la perception et de la transduction des strigolactones inspirée d’autres hormones

Figure 6 . Expérience de Snow (1937)

V. L’étude de la perception et de la transduction des strigolactones inspirée d’autres hormones

V. A. Identification de mutants insensibles aux strigolactones

L’approche  « mutants »  qui  a  permis  de  dévoiler  la  nature  du  signal  inhibiteur  de  la  ramification et quelques‐uns des gènes codant des enzymes de la voie de biosynthèse des  strigolactones,  a  permis  également  de  mettre  en  évidence  des  mutants  incapables  de  percevoir  ou  de  répondre  aux  strigolactones.  Jusqu’à  présent  seulement  2  gènes  ont  été  identifiés  pour  leur  implication  dans  la  perception  des  strigolactones  MAX2/RMS4    et  D14  (Beveridge and Kyozuka, 2010)(Figure 12). 

MAX2  code  pour  une  protéine  à  boite  F  (F‐Box  Protein),  (Stirnberg  et  al.,  2002)  une 

famille de protéines qui compte plus de 700 membres chez Arabidopsis (Xu et al., 2009), ce  qui suggère un mode de perception des strigolactones qui implique un complexe SCF et la  voie  de  dégradation  des  protéines  via  le  protéasome  (Stirnberg  et  al.,  2007).  (Voir  fonctionnement du complexe SCF dans le paragraphe V.C.). Le fait que le mutant max2 soit  insensible  au  GR24  et  que  la  protéine  MAX2  appartienne  à  la  même  famille  que  TIR1,  le  récepteur de l’auxine, fait de cette protéine un très bon candidat pour être le récepteur des  strigolactones mais aucune étude ne l’a encore prouvé.  

L’autre  gène  impliqué  dans  la  réponse  aux  strigolactones  a  été  mis  en  évidence,  avec  l’identification chez le riz du mutant d14 (ou encore d88 ou htd2) (Arite et al., 2009; Gao et  al., 2009; Liu et al., 2009). Le gène code un membre de la super famille des α/β hydrolases.  Le  mutant  d14  présente  un  phénotype  hyperbranché  et  est  insensible  aux  strigolactones  comme d3, ce qui place D14 en aval de la biosynthèse des strigolactones (Arite et al., 2009) .   Deux  hypothèses  ont  été  proposées  quant  à  la  fonction  de  la  protéine  D14.  La  ressemblance entre D14 et GID1, récepteur des gibbérellines (Ueguchi‐Tanaka et al., 2005),  appartenant toutes 2 à  la superfamille des α/β  hydrolases suggèrent que D14 pourrait lier  les  strigolactones  et  serait  le  récepteur  de  cette  hormone.  Cependant,  D14  pourrait  également  activer  les  strigolactones  en  un  composé  biologiquement  actif,  de  la  même  manière que SAPB2, une enzyme également de la super famille des α/β hydrolases  et qui  active l’acide salicylique en un signal actif (Kumar and Klessig, 2003; Forouhar et al., 2005).   

D14 et MAX2 apparaissent donc être les meilleurs candidats pour être le récepteur des  strigolactones. 

74   Figure 35. Structure chimique de 2 karrikines actives en comparaison avec la strigolactone  synthétique GR24.  (Waters et al., 2012)                                     

75

V. B. MAX2 une protéine intégrant la perception de nombreux mécanismes/une

protéine à multiples fonctions.

V. B. 1. MAX2 est impliquée dans la sénescence foliaire et la photomorphogénèse

Le  gène  MAX2  a  non  seulement  été  caractérisé  pour  son  implication  dans  la  perception  des  strigolactones  permettant  le  contrôle  de  la  ramification  des  plantes  (Stirnberg  et  al.,  2007)  mais  des  mutants  max2  d’Arabidopsis  ont  également  été  identifiés  dans 2 autres cribles génétiques indépendants : un crible de mutants de senescence foliaire  (mutant    ore9)  (Woo  et  al.,  2001)  et  un  crible  de  réponse  à  la  lumière  rouge  (Shen  et  al.,  2007).  Les  mutants  oresara9  (ore9)  présentent  une  senescence  foliaire  plus  tardive  que  le  type  sauvage,  ce  qui  suggère  qu’ORE9/MAX2  est  impliqué  dans  le  programme  de  senescence. 

Un  autre  crible  a  permis  d’identifier  des  mutants  pps  (pleiotropic  photosignaling),  hyposensibles  à  la  lumière  rouge  et  mutés  dans  le  gène  MAX2.  MAX2  serait  donc  un  régulateur  positif  de  la  photomorphogénèse  des  plantules  d’Arabidopsis,  et  plus  particulièrement de la déétiolation des plantules (Shen et al., 2007). Plus de précisions ont  été apportées récemment sur l’implication de MAX2 dans l’allongement des hypocotyles : en  effet  MAX2  serait  l’intégrateur  de  plusieurs  signaux  hormonaux.  MAX2  régulerait  la  biosynthèse  des  gibbérellines  et  de  l’acide  abscissique  et  contrôlerait  la  germination  des  graines en réponse aux signaux lumineux et ceci indépendamment des strigolactones (Shen  et al., 2012). La protéine MAX2 pourrait donc réguler divers paramètres physiologiques de la  plante, ce qui suggère qu’il existe une diversité des cibles interagissant avec cette protéine à  boîte F, expliquant les phénotypes pléiotropes des mutants max2. 

V. B. 2. MAX2 est impliquée dans la perception des karrikines

Une  autre  étude  montre  que  MAX2  n’est  pas  spécifique  des  strigolactones,  et  que  MAX2 est également impliquée dans la perception des karrikines (Nelson et al., 2011). Les  karrikines sont des molécules produites lors de feux de forêts et qui stimulent la germination  des graines dormantes dans le sol. La production de fumées contenant ces composés permet  ainsi de faire germer très rapidement les graines suite à un incendie et ainsi de renouveler le  couvert végétal immédiatement (Flematti et al., 2004). Les karrikines sont une petite famille  de  molécules  dont  la  karrikinolide  KAR1  fait  partie  mais  de  nouveaux  composés  ont  été  identifiés, qui présentent une partie commune avec la structure des  

76                                                  

77 strigolactones  puisqu’elles  partagent  en  commun  le  cycle  D  (Figure  35).  Ces  molécules  agissent à des concentrations de l’ordre de 1 nM. C’est, de nouveau, un crible indépendant  des  précédents  visant  à  trouver  des  mutants  insensibles  aux  karrikines  qui  a  permis  de  montrer  que  MAX2  intervenait  dans  la  perception  de  ces  molécules.  Ces  mutants,  présentant  un  phénotype  hyperbranché  et  une  élongation  de  l’hypocotyle  par  rapport  au  type sauvage, se sont avérés alléliques de max2 (Nelson et al., 2011).  

V. C. La perception des hormones végétales faisant intervenir le protéasome

La compréhension du mode de perception des autres hormones végétales peut être utile  à  la  compréhension  du  mode  de  perception  des  strigolactones  et  permet  de  proposer  des  mécanismes  de  perception  hypothétiques.  Ainsi  les  mécanismes  de  perception  des  gibbérellines, de l’auxine et du jasmonate  impliquent chacun une protéine à boite F et un  complexe  SCF.  Le  mécanisme  de  perception  des  gibbérellines  a  la  particularité  de  faire  intervenir  une  protéine  de  la  famille  des  alpha/beta  hydrolase,  tout  comme  les  strigolactones.  

V.C.1. Le modèle gibbérellique

Les  gibbérellines  sont  les  hormones  responsables  de  la  régulation  de  la  taille  des  plantes mais de nombreuses autres fonctions ont été attribuées à cette famille d’hormones :  germination  des  graines,  maturation  des  fruits  etc.…Les  mécanismes  de  biosynthèse  des  gibbérellines sont très bien connus (Sun, 2008) et il en est de même pour le mécanisme de  perception  de  cette  hormone.  En  effet,  différentes  approches  « mutants »  successives  ont  permis de mettre en exergue différents acteurs de la signalisation gibbérellique : parmi les  mutants  nains  insensibles  aux  GAs,  les  mutants  récessifs  permettent  d’identifier  les  régulateurs positifs et les mutants dominant aident à identifier des régulateurs négatifs de la  voie de signalisation des GAs (Hartweck, 2008).  

 GID1 le récepteur des gibbérellines. 

Le  récepteur  des  gibbérellines  a  été  identifié  par  l’étude  du  mutant  de  riz  gid1  insensible  aux  gibbérellines.  Des  expériences  in  vitro  montrèrent  que  les  gibbérellines  étaient capables de se lier aux protéines GID1 de riz et d’Arabidopsis (Ueguchi‐Tanaka et al.,  2005;  Nakajima  et  al.,  2006).  Cette  protéine  appartenant  à  la  superfamille  des  alpha/beta  hydrolases a été caractérisée comme le récepteur soluble des GAs  (les caractéristiques de  cette protéine seront détaillées dans le chapitre  II, étant donné que D14 appartient à cette  famille d’enzymes). 

78   Figure 36. Modèle d’action de la voie d’ubiquitination et dégradation des protéines  via le complexe  SCF.  Le complexe SCF est composé des protéines CUL1, RBX1, ASK1, et F‐box et permet la polyubiquitination d'une  protéine substrat cible. La protéine à boîte F  sert  de lien  entre le complexe Culin et la protéine cible, qui est  poly ubiquitinée et adressée au protéasome 26S (Somers and Fujiwara, 2009).      Figure 37. Structure des protéines  GID1, SLY1 et DELLA.

GID1  :  Les  domaines  conservés  HSL  sont  présentés  en  bleu.  GID1  contient  2  des  3  résidus  (en  rouge)  requis  pour l’activité catalytique HSL. Pour GID1 le résidu H est remplacé par un V ou I. 

SLY1: la spécificité du substrat est probablement due aux motifs GGF et LSL en C term, qui sont conservés chez  SLY1 et GID2 

DELLAs: DELLA et VHYNP, sont 2 domaines très conservés chez les protéines DELLAs, requis pour la liaison avec  le  récepteur  GID1  et pour  la  dégradation  induite par  les  gibbérellines. Poly  S/T,  les  multiples  résidus  Ser/Thr  residues; LHR, Leu heptad repeat; NLS, nuclear localization signal. Le domaine C‐terminal GRAS est le domaine  fonctionnel de la protéine qui contient un site de liaison à la protéine SLY1 (Sun, 2008).            

79  SLEEPY1/GID2 : protéine à boîte F 

Les  mutants  sly1  et  gid2,  identifiés  respectivement  chez  Arabidopsis  et  chez  le  riz  sont insensibles aux gibbérellines et mutés dans les homologues d’un gène codant pour une  protéine à boîte F. SLY/GID2 est un élément du complexe SCFSLY qui a pour fonction  de cibler  les protéines devant être dégradées par le protéasome en les marquant par une chaîne de  poly‐ubiquitine. Cette ubiquitination se fait par l’action successive de l’enzyme E1 (Ubiquitin  activating  enzyme)  qui  lie  une  molécule  d’ubiquitine  et  ainsi  l’active.  Cette  molécule  est  ensuite  transférée  à  l’enzyme  E2  (Ubiquitin  conjugating  enzyme)  et  enfin  la  molécule  d’ubiquitine  est  fixée  de  façon  covalente  à  la  protéine  ciblée  pour  être  dégradée  par  le  complexe enzymatique E3 (Ubiquitin protein ligase). C’est l’action de cette dernière enzyme  qui assure la spécificité de la cible. Le complexe SCF ou ubiquitine ligase E3 est composé de 4  sous unités : une unité CULLIN/Cdc53, une unité Skp1/ASK1, une unité RBX1/ROC/Hrt1  et la  protéine  à  boîte  F  GID2,  qui  donne  son  nom  au  complexe :  SCFGID  (Somers  and  Fujiwara,  2009)(Figure 36 et 37). 

Les répresseurs DELLA  

Les protéines DELLA sont les régulateurs négatifs de la réponse aux gibbérellines. Les  protéines  DELLA  appartiennent  à  la  famille  de  protéines  régulatrices  de  type  GRAS.  Les  premiers  mutants  furent  identifiés  chez  Arabidopsis :  il  s’agit  des  mutants  rga  et  gai.  Ces  protéines  possèdent  donc  un  domaine  GRAS  en  C  terminal  et  un  domaine  DELLA  en  N  terminal. Chez Arabidopsis, 5 gènes codent pour des protéines DELLA [RGA, GAI, RGA‐Like1  (RGL1),  RGL2  and  RGL3].  Chacune  d’elles  joue  un  rôle  distinct  dans  la  réponse  aux  gibbérellines  et  a  donc  une  implication  dans  différents  processus  développementaux  (Sun,  2008) (Figure 37). 

 Les GA induisent la dégradation des protéines DELLA par protéolyse. 

La liaison des gibbérellines à GID1 induit un changement de forme de la protéine qui  permet la liaison à la protéine DELLA. La liaison se fait entre la partie N‐terminale de GID1 et  le  domaine  DELLA.  Puis  de  façon  encore  inconnue,  cet  hétérodimère  se  lie  à  la  protéine  SLY/GID2  du  complexe  SCFSLY/GID2 ce  qui  entraîne  la  dégradation  des  protéines  DELLA  ubiquitinées,  via  le  protéasome.  Cette  dégradation  libère  des  facteurs  de  transcription  comme  les  protéines  PIF3  et  PIF4  (Phytochrome  Interacting  Factor)  ce  qui  active  la  transcription  des  gènes  cibles.  PIF4  et  PIF3  sont  des  membres  de  la  famille  des  protéines  hélices‐boucles‐hélices qui ont un domaine de liaison à l’ADN (Sun, 2008)(Figure 38). La  

80  

Figure 38. Schéma de la signalisation des gibbérellines 

Lors d’une augmentation de la quantité de gibbérellines, l’hormone se lie au récepteur GID1 ce qui provoque la  formation du complexe GID1–DELLA. Cette interaction provoque l’interaction entre le domaine C‐terminal de la  protéine DELLA et le complexe SCFSLY1/GID2 conduisant à la dégradation de la protéine DELLA. Cette dégradation  libère  les  protéines  PIFs  permettant  leur  liaison  aux  promoteurs  des  gènes  de  réponses  aux  gibbérellines  (Santner and Estelle, 2009).                                   

81 dégradation des protéines DELLA régule donc l’activité de ces facteurs de transcription. Les  gibbérellines régulent l’abondance de ces facteurs de transcription et donc la réponse à la  lumière. 

V.C.2. Les modèles auxine et acide jasmonique

L’auxine  est  considérée  comme  la  principale  hormone  végétale  du  fait  de  son  implication  dans  de  multiples  processus  physiologiques.  Du  fait  de  son  importance,  beaucoup  de  travaux  ont  été  réalisés  pour  comprendre  le  mode  de  perception  de  cette  hormone.  La  liaison  de  l’auxine  directement  à  son  récepteur  TIR1,  protéine  à  boîte  F  du  complexe SCF,  favorise l’interaction de TIR1 avec les protéines AUX/IAA (Dharmasiri et al.,  2005;  Kepinski  and  Leyser,  2005).  Les  protéines  AUX/IAA  sont  alors  ubiquitinées  par  le  complexe  SCF  et  deviennent  les  cibles  du  protéasome.  Cette  dégradation  lève  l’inhibition  que ces protéines exerçaient sur les facteurs de transcription de type ARFs, induisant ainsi  l’expression des gènes de réponse à l’auxine (Chapman and Estelle, 2009). 

Le  jasmonate  est  une  hormone  appartenant  à  la  famille  des  oxylipines,  impliquée  dans  les  processus  développementaux  mais  c’est  également  une  molécule  qui  a  un  rôle  important  dans  les  réactions  de  défense  des  plantes.  La    voie  de  signalisation  de  l’acide  jasmonique est très semblable à la voie auxinique. COI1 est une protéine à boîte F qui lie le  jasmonate  activé,  c’est‐à‐dire  l’isoleucine  jasmonyl,  comme  TIR1  lie  l’auxine.  Cette  liaison  provoque  la  dégradation  des  protéines  JAZ  (JASMONATE  ZIM‐domain),  analogues  fonctionnels  des  répresseurs  AUX/IAA,  ce  qui  lève  l’inhibition  exercée  sur  les  facteurs  de  transcription  MYC2  qui  peuvent  être  considérés  équivalents  des  protéines  ARFs  (Staswick,  2008). 

V. D. Hypothèse sur le mécanisme de perception des SL.

Deux  gènes  ont  donc  été  identifiés  pour  leur  implication  dans  la  perception  des  strigolactones : MAX2 et D14. Etant donné que ces gènes codent respectivement pour une  protéine à boîte F et une alpha/beta hydrolase, dont on connait des homologues « proches »  qui  ont  une  fonction  de  récepteur  d’une  hormone  végétale,  on  peut  penser  que  ces  deux  protéines  MAX2  et  D14  pourraient  être  les  protéines  qui  lient  les  strigolactones,  en  s’inspirant des modèles auxiniques et gibbérelliques.  

   

82                                                

83