Le statut redox cellulaire

Le potentiel redox intracellulaire, ou statut redox, est la résultante de l’état redox des couples oxydo-réducteurs présents dans la cellule. Les réactions redox sont des processus métaboliques fondamentaux par lesquels les cellules convertissent et distribuent l’énergie qui est nécessaire au fonctionnement de la cellule (Noctor, 2006). Les cellules des plantes ont acquis des composants sensibles au statut redox qui agissent comme des baromètres sensibles aux changements environnementaux. Elles ont développé des mécanismes qui peuvent déclencher des changements redox pour altérer l’expression des gènes et les fonctions cellulaires (Noctor, 2006). Les conditions redox régnant dans les cellules sont évaluées par le rapport des concentrations sous des formes oxydées et réduites des couples redox (Noctor, 2006). Les couples redox GSH/GSSG et AA/DHA sont prépondérants du fait de leurs concentrations dans les cellules mais d’autres couples tels que NAD(P)/NAD(P)H TRXox/TRXred, Fdox/Fdred ou encore PQ/PQH2 (plastoquinone oxydée/réduite) sont également importants (Foyer et Noctor, 2005b).

Beaucoup d’enzymes de la voie de biosynthèse des caroténoïdes sont sensibles au statut redox. En effet, certaines enzymes telles que la 1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate réductoisomérase, la phytoène désaturase, la ζ-carotène désaturase et la zéaxanthine

60 époxydase nécessitent du NADPH ou des rapports élevés en PQ/PQH2 pour fonctionner (Steinbrenner et Linden, 2003).

Il existe une interaction entre les ROS et le statut redox. L’augmentation du niveau de ROS provoque une oxydation partielle ou complète des composants cellulaires induisant de ce fait une modification du statut redox de la cellule (Mittler et al., 2004). Par exemple, le GSH et l’ascorbate sont capables de réduire directement l’O2

et le H2O2 et servent également de co-substrat aux enzymes antioxydantes ayant pour rôle de détoxifier les ROS.

Ainsi, par leur potentiel oxydant et par le biais de leur interaction avec les couples redox majoritaires, les ROS contribuent à l’établissement de potentiels redox intracellulaires. Le potentiel redox cellulaire détermine les proportions relatives des espèces oxydées ou réduites de chaque couple redox. Ces proportions dépendent du potentiel redox de ces couples. Cette fonction du potentiel redox cellulaire est particulièrement importante car l’activité de nombreuses protéines, et, en particulier de nombreux facteurs de transcription, est régulée par leur état redox (Foyer et Noctor, 2005b; Noctor, 2006). En conditions normales, le cytoplasme cellulaire est un milieu très réducteur, ce qui a pour conséquence de maintenir la grande majorité des groupements thiols à l’état réduit (Foyer et Noctor, 2005a).

L’état redox cellulaire contribue à la régulation post-traductionnelle de nombreuses protéines et de voies métaboliques. Par exemple, le système ferrédoxine/thioredoxine permet l’activation de plusieurs enzymes, et notamment des enzymes chloroplastiques par réduction des ponts disulfures, ce qui induit un changement de conformation des protéines.

La thioredoxine régule des processus impliqués dans la photorespiration, le métabolisme azoté, le transport membranaire, la synthèse des hormones et la réponse aux stress (Buchanan et Balmer, 2005). Par exemple, chez la pomme de terre, le transporteur de saccharose est régulé par le statut redox puisque la présence d’oxydants stimule l’absorption de sucres au niveau du phloème (Kruegel et al., 2008). L’ADP glucose phosphorylase, une enzyme impliquée dans le contrôle de la synthèse d’amidon est également régulée par le statut redox (Hendriks et al., 2003; Tiessen et al., 2002). Des résultats récents ont montré que la modification d’enzymes impliquées dans l’état redox de l’ascorbate pouvait entrainer des modifications dans le métabolisme carboné et notamment sur le métabolisme des sucres. Par exemple, il a été montré que des lignées sous-exprimant l’alternative oxydase,

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61 qui oxyde l’ascorbate et qui joue sur l’équilibre entre les deux formes d’ascorbate, induiraient des modifications d’activités enzymatiques impliquées dans le métabolisme des sucres (invertase, sucrose phosphate synthase) et une augmentation du transport du saccharose vers les fruits. De même, la monodéshydroascorbate pourrait influer par le statut redox sur le transport et le métabolisme des sucres (Stevens, 2011).

IV.2.2.4. Rôles des espèces réactives de l’oxygène et des variations de statut redox dans le contrôle de la biosynthèse des caroténoïdes

Le stress oxydatif stimule la synthèse des caroténoïdes dans les feuilles (Simkin et al., 2008). Les ROS stimuleraient la biosynthèse des caroténoïdes durant la différenciation des chloroplastes dans les disques de péricarpe de poivron (Bouvier et al., 1998). En effet Bouvier et al. (1998) ont observé une augmentation de l’expression des gènes codant pour les enzymes clefs de la voie de biosynthèse de la capsanthine par l’utilisation de molécules générant l’anion superoxyde et des molécules pro-oxydantes inhibant l’ascorbate peroxydase, la glutathion peroxydase, ou la catalase, ce qui induit une augmentation de la concentration en H2O2. Le mécanisme impliqué n’est pas connu mais les ROS générées pourraient influencer directement les gènes de la voie de biosynthèse des caroténoïdes, ou indirectement à travers leurs effets sur le statut redox. Les résultats obtenus par Kuntz et al.

(1998) sur l’induction de deux gènes impliqués dans la synthèse et l’accumulation des caroténoïdes chez la tomate sont en contradiction avec les résultats précédents et ne sont pas en faveur d’une implication directe des ROS (Kuntz et al., 1998). Les résultats obtenus par Steinbrenner et Linden (2001) sont également en contradiction avec les observations de Bouvier et al. (1998). En effet, l’addition de composés générant des ROS n’influence pas l’expression des gènes codant pour la phytoène désaturase (PSY) et la caroténoïde hydroxylase (HY) chez l’algue verte Haematococus pluvialis (Steinbrenner et Linden, 2001).

Kobayashi et al. (1993) ont proposé que l’effet des ROS sur la voie de biosynthèse des caroténoïdes serait post-transcriptionnel, et conduirait au renforcement de l’activité d’une ou plusieurs enzymes de la voie de biosynthèse des caroténoïdes.

62 Des études et des observations montrent également que le statut redox pourrait contrôler la voie de biosynthèse des caroténoïdes. La désaturation du phytoène par la phytoène désaturase (PDS), ainsi que la désaturation du ζ-carotène par la ζ-carotène désaturase (ZDS), sont des réactions complexes nécessitant des cofacteurs et une étape d’oxydation (Voir réaction p.29). Au cours de cette étape d’oxydation, le phytoène et le ζ-carotène transfèrent un électron, à l’aide de la PDS et de la ZDS, à la plastoquinone (PQ). La plastoquinone est ensuite ré-oxydée par une plastoquinone oxydase, en utilisant une molécule d’oxygène comme accepteur final d’électrons (Barr et al., 2004; Carol et Kuntz, 2001; Josse et al., 2000; Scolnik et al., 1987). La plastoquinone a besoin d’être sous forme oxydée pour être capable d’accepter les électrons produits durant la synthèse du ζ-carotène.

PQH2, la forme réduite de la PQ, doit être ré-oxydée par le photosystème I ou la terminale oxydase plastidiale (PTOX) (Joet et al., 2002; Josse et al., 2000). L’augmentation de l’expression du gène codant pour la PTOX a été observée chez les oranges pendant la maturation des fruits. Cette régulation coïncide avec une accumulation d’ARNm de la PTOX, de la PDS, et de la ZDS (Rodrigo et al., 2004). Les facteurs contrôlant la PTOX n’ont pas été identifiés. Cependant, le statut redox des plastoquinones jouerait un rôle essentiel dans le contrôle de la transcription de plusieurs gènes (Pfannschmidt et al., 1999). La PTOX montre des similarités avec l’oxydase alternative (AOX) mitochondriale (Wu et al., 1999) qui est régulée par le statut redox des ubiquinones. Les gènes en aval de la voie de biosynthèse, codant pour la β-carotène hydroxylase (β-HY), qui catalyse la formation de la zéaxanthine depuis le β-carotène, et pour la zéaxanthine époxydase (ZEP), qui catalyse la conversion de la zéaxanthine en violaxanthine, sont également contrôlées par le statut redox des plastoquinones (Woitsch et Romer, 2003). En effet, lorsque la réduction des plastoquinones est inhibée par le DCMU (3-(3,4-dichlorophényle)-1,1-diméthylurée), l’expression des gènes de la β-Hy et de la Zep est augmentée et une accumulation de xanthophylles est observée.

Au contraire, quand l’oxydation des plastoquinones par le complexe du cytochrome b6f est inhibée par application du DBMIB (2,5-dibromo-6-isopropyle-3-méthyle-1,4-benzoquinone), les expressions des gènes codant pour la β-HY et de la ZEP sont diminuées. Il a également été observé que l’expression de 4 gènes de la voie de biosynthèse des caroténoïdes, Psy, Pds, lycopène-β-cyclase (Lcy-β) et Chy de l’algue verte Haematococcus pluvialis était corrélée avec le statut redox résultant du transport des électrons photosynthétiques, et plus spécifiquement avec le statut redox du pool des plastoquinones (Steinbrenner et Linden,

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63 2003). Steinbrenner et Linden (2003) considèrent que la voie de biosynthèse des caroténoïdes est complètement contrôlée par le statut redox de la chaine photosynthétique.

La phytoène synthase, la phytoène désaturase, la ζ-carotène désaturase, la β-hydroxylase et la zéaxanthine époxydase serait contrôlées par le statut des redox des plastoquinones (Cazzonelli et Pogson, 2010; Fraser et al., 2007; Fraser et al., 2002; Woitsch et Romer, 2003).

De plus, le statut redox pourrait jouer un rôle clef dans la synthèse des caroténoïdes puisque plusieurs étapes de la voie de biosynthèse nécessitent du NADPH (Bouvier et al., 2005a). La première étape utilisant du NADPH est celle catalysée en amont par la 1-desoxy-D-xylulose-5-phosphate réductoisomérase dans la voie de Rohmer, et la seconde est catalysée en aval par la zéaxanthine époxydase en présence d’O2 (Hieber et al., 2000). De plus, le NADPH a la capacité de moduler le statut redox du pool d’ubiquinone (Kobayashi et al., 1993; Ryu et al., 2004).

IV.2.3. Les interactions entre l’effet du statut carboné et l’effet du stress