1. Protéome du chloroplaste
Comprendre la diversification fonctionnelle et l'évolution des organites cellulaires nécessite l'identification de leurs répertoires protéiques complets, ce qui est le but ultime de la protéomique sub-cellulaire. La prédiction du protéome des chloroplastes a fait l'objet de nombreux débats. Ce débat résulte à l'origine de l'écart entre les protéines potentiellement localisées dans le chloroplaste et les données disponibles à ce jour. Bien que des progrès significatifs aient été réalisés au cours des dernières années pour établir expérimentalement le protéome des chloroplastes, son répertoire reste toujours incomplet. En effet, il est clair que plusieurs protéines clés manquent encore dans le répertoire des protéines chloroplastiques, comme, pour ne citer qu’eux, divers transporteurs membranaires déduits de la compartimentation du métabolisme cellulaire [14].
Les premières études visant à explorer le protéome complet du chloroplaste d’Arabidopsis thaliana
Introduction-données bibliographiques
29
l’identification d’environ 700 protéines. Cela ne représentait que le cinquième des protéines totales qui étaient prédites pour être associées aux plastes (environ 3500 protéines au total) [26]. En outre, ces données ne fournissaient pas de détails sur la localisation des protéines dans les différents sous compartiments des chloroplastes. Ainsi, pour avoir une meilleure couverture du protéome chloroplastique et accéder aux protéines mineures, des analyses protéomiques indépendantes ont été réalisées en utilisant des fractions sub-plastidiales purifiées. Des études ciblant l’analyse de la composition de l’enveloppe par notre équipe, en collaboration avec la plateforme de protéomique « EDyP» [117], ont abouti à l’identification de nombreuses protéines nouvelles associées à ces membranes. Plusieurs autres études ciblant les thylakoïdes [118-120], le stroma [121], les plastoglobules [122] ou les membranes de l’enveloppe [123, 124] ont été réalisées pour une détection accrue des protéines mineures spécifiques de chaque compartiment sub-plastidial. Cependant, cette sensibilité accrue des appareils de détection s’est accompagnée de la détection d’un plus grand nombre de contaminants mineurs des fractions purifiées. D’autre part, l'identification d'un nombre croissant de protéines mineures de localisation sub-cellulaire et de fonction totalement inconnues a posé la question de la réelle localisation sub-cellulaire de ces protéines. Il a donc été important de développer de nouvelles approches permettant de valider la localisation sub-cellulaire ou sub-plastidiale des protéines identifiées et d’exclure définitivement les contaminants provenant d'autres compartiments du plastes ou de la cellule.
2. Protéome de l’enveloppe
Comme mentionné ci-dessus (section I.2), l’enveloppe du chloroplaste est situé à l'interface entre le chloroplaste et les autres compartiments de la cellule, formant ainsi une barrière stratégique contrôlant les échanges d'ions, de métabolites et de protéines et régulant les fonctions métaboliques essentielles (synthèse des précurseurs d'hormones, acides aminés, pigments, sucres, vitamines, lipides, nucléotides ...) de la cellule végétale. Ainsi, pour mieux comprendre la fonction et la biogenèse du chloroplaste, il est essentiel de caractériser le protéome de l’enveloppe chloroplastique afin de définir de nouveaux mécanismes moléculaires qui contrôlent la dynamique du chloroplaste. Bien qu’une part importante du protéome chloroplastique a été identifiée et caractérisée ces dernières années, l’enveloppe du chloroplaste reste la face cachée du protéome chloroplastique. En effet, en raison de leur faible abondance à l'échelle cellulaire (0,25% du protéome de la cellule entière) ou même chloroplastique (1-2% des protéines chloroplastiques)
Introduction-données bibliographiques
30
[13], les protéines de l’enveloppe étaient historiquement, et restent, beaucoup moins connues que les autres protéines plastidiales. La protéomique sub-cellulaire et sub-plastidiale, reposant sur l'enrichissement préalable des compartiments sub-plastidiaux, a largement aidé à déchiffrer la
composition protéique de l'enveloppe chloroplastique d'Arabidopsis thaliana et de quelques autres
plantes [117, 125, 126]. Cependant, en raison de la contamination croisée des sous-compartiments chloroplastiques entre eux et par d'autres compartiments cellulaires, le fractionnement sub-cellulaire ne permettait pas de déterminer une localisation définitive pour de nombreuses protéines de l'enveloppe. En effet, l’enveloppe du chloroplaste est principalement contaminée par les protéines du stroma (environ 10%) ainsi que les protéines des thylakoïdes (environ 3%). Des approches réalisées par notre équipe (voir plus bas, base de données AT_CHLORO) ont permis d’aboutir à la localisation de plus d’un millier de protéines dans les trois compartiments majeurs du chloroplaste (envelope, strom et thylakoides) [117]. Toutefois, les protéines identifiées à ce jour par toutes les approches citées plus haut ne représentent encore qu’une fraction du protéome plastidial théorique.
3. Principales bases de données
Comme mentionnées ci-dessus, de nombreuses recherches sur le protéome plastidial se sont concentrées sur des fractions de chloroplastes ou sur des fractions sub-plastidiales indépendantes au cours des dernières années. En conséquence, plusieurs bases de données ont été créées au cours de la dernière décennie, telles que la base de données des protéines de plantes PPDB
(http://ppdb.tc.cornell.edu) [127], créée dès 2004 et qui fournit une ressource intégrée pour les
protéines identifiées expérimentalement chez Arabidopsis et le maïs, la base de données sur les
protéines plastidiales plprot (http://www.plprot.ethz.ch) [128] créée en 2006 et qui rassemblent
toutes les informations sur le protéome des plastes, les bases de données sub-cellulaire SUBA
(http://suba3.plantenergy.uwa.edu.au/) et MASCP Gator (http://gator.masc-proteomics.org/)
[129-132], créées respectivement en 2007 et 2011 et qui indiquent si les protéines ont déjà été détectées par MS dans des compartiments cellulaires spécifiques, si leur localisation sub-cellulaire a été
déterminée en utilisant l'expression de protéines de fusion à la GFP in planta et si une localisation
cellulaire consensus peut être déduite de l'utilisation de tous les outils de prédiction
sub-cellulaires disponibles, et finalement la base de données AT_CHLORO (
Introduction-données bibliographiques
31
proposer des informations concernant la localisation sub-plastidiale (enveloppe, stroma, grana ou
lamelle des thylakoïdes) des protéines chloroplastiques d'Arabidopsis thaliana.
4. AT-CHLORO database (voir Salvi et al., 2018)
Comme cité plus haut, AT_CHLORO est une base de données qui stocke des informations sur la
localisation sub-plastidiale des protéines chloroplastiques d'Arabidopsis thaliana. Cette base de
données a été créé par notre équipe en collaboration avec la plateforme de protéomique «EDyP» à partir des analyses protéomiques approfondies ciblant les différents compartiments sub-plastidiaux
(enveloppe, stroma et thylakoïdes) du chloroplaste d'Arabidopsis thaliana. AT_CHLORO
rassemble plusieurs informations complémentaires qui donnent un aperçu complet des connaissances actuelles sur la localisation sub-plastidiale et la fonction des protéines chloroplastiques identifiées. Une attention particulière a été accordée aux protéines identifiées dans les fractions de l'enveloppe chloroplastique, pour lesquelles une annotation fonctionnelle exhaustive a été réalisée. Depuis la première version de la base de données en 2010, le contenu de la base AT_CHLORO a été considérablement amélioré par des études complémentaires qui ont été réalisées pour approfondir la cartographie du protéome chloroplastique. En effet, depuis 2012, la base de données fournit un aperçu graphique des sous-ensembles de protéines identifiées à partir de recherches spécifiques. Depuis 2013, AT_CHLORO stocke également des informations sur les protéines liant la calmoduline identifiées dans les fractions chloroplastiques en utilisant des analyses protéomiques [134]. Enfin, depuis 2015, AT_CHLORO fournit également des informations sur l'enrichissement spécifique des protéines dans les principaux compartiments
(grana et stroma-lamellae) des membranes des thylakoïdes d’Arabidopsis thaliana [120]. La base
de données AT_CHLORO est donc régulièrement mise à jour avec des données expérimentales internes et des informations liées aux protéines chloroplastiques, avec une attention plus spécifique pour les protéines de l’enveloppe. Sachant qu'il existe un lien direct entre la localisation cellulaire des protéines et leurs fonctions respectives, l'information sur la localisation sub-plastidiale des protéines ouvre de nouvelles possibilités pour sonder des hypothèses fonctionnelles sur ces composants plastidiaux encore non caractérisés. Au-delà des informations concernant la localisation sub-cellulaire et sub-plastidiale des protéines, la base de données AT_CHLORO stocke des informations donnant accès à des études quantitatives à savoir, la comparaison de plantes mutantes et de plantes sauvages, ou de plantes cultivées en conditions de croissance variables.
Introduction-données bibliographiques
32