Synthèse, dépôt et modification des polysaccharides pariétaux

polysaccharides pariétaux

La synthèse des polysaccharides de la paroi implique quatre étapes majeures, quelle que soit la molécule : la production de donneurs activés (Bar-Peled & O’Neill, 2011), l’initiation de la synthèse, l’élongation, puis la terminaison.

La cellulose et les polysaccharides « non-cellulosiques » de la paroi sont synthétisés dans deux compartiments distincts de la cellule. La cellulose est synthétisée au niveau de la membrane plasmique par des celluloses synthases (CesA) agencées en rosettes hexagonales au sein du Cellulose Synthase Complexe (CSC). Bien que ce modèle soit toujours débattu, ce complexe peut comprendre jusqu’à 6 rosettes, chacune étant formée par l’assemblage de 6 protéines CesA (figure I.21). Les CesA comportent plusieurs domaines transmembranaires et un domaine catalytique central dirigé vers le cytosol (Saxena & Brown, 2005 ; Carpita, 2011 ; McFarlane, Döring, & Persson, 2014 ; S. Li, Bashline, Lei, & Gu, 2014).

Figure I.21 : Machinerie de la synthèse de la cellulose.

a) Les CSC (Cellulose Synthase Complex) forment des rosettes hexagonales contenant entre 12 à 36 protéines

CesA. b) Complexes de cellulose synthases au niveau de la membrane plasmique. La vitesse et la direction de la synthèse sont influencées par l’environnement intracellulaire : notamment par l’orientation des microtubules et par l’approvisionnement en UDP-Glucose. McFarlane, 2014, DOI 10.1199/tab.0169. c) Images obtenues par microscopie confocale de CSCs et microtubules (TUA5) liés à des protéines de

fusion (YFP = yellow fusion protein, RFP = red fusion protein). Cellules épidermales de semis d’Arabidopsis

cultivés à l’obscurité. La superposition des signaux montre le coalignement des trajectoires de CSCs avec les microtubules. Ech. = 10 nm. Li, 2014. DOI : 10.1199/tab.0169.

Le mouvement des rosettes dans le plan est guidé par des microtubules sous-jacents, ce qui permet de contrôler l’orientation des microfibrilles de cellulose nouvellement synthétisées. La structure d’un complexe de cellulose synthase bactérien, contenant un polysaccharide de glucose en train d’être transloqué, a été déterminée à une résolution de 3,25 Å (Morgan, Strumillo, & Zimmer, 2013). Cette structure a permis d’identifier les acides aminés impliqués dans la catalyse, et apporte des informations sur le mécanisme de synthèse et de translocation du polymère. Entre autre, cela confirme que les glucoses sont ajoutés un par un, à partir d’UDP-glucose cytosolique, sur l’extrémité non réductrice de la chaîne polysaccharidique en croissance.

Les pectines et hémicelluloses sont synthétisées dans l’appareil de Golgi, puis

transportées par des vésicules vers leur destination et incorporées à la paroi. Les chaînes principales de la majorité des hémicelluloses, constituées de glucoses liés en β -(1,4), sont synthétisées par des enzymes appelées « cellulose synthase like, CSL » du fait de leurs similarités structurales avec les celluloses synthases de la membrane

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plasmique. Les CSL sont polytopiques : elle comportent plusieurs domaines transmembranaires. Leur site actif peut se trouver soit au niveau du cytosol, soit au sein de l’appareil de Golgi (Figure I.22). Ensuite sont ajoutés les sucres des chaines latérales. La majorité des glycosyltransférases impliquées dans ces étapes de synthèse sont des GT de type II. Cette topologie est similaire à celle rencontrée chez d’autre organismes et aux GT impliquées dans la glycosylation des protéines (Oikawa, Lund, Sakuragi, & Scheller, 2013).

Figure I.22 : Principaux types de GTs golgiennes des plantes d’interactions supposées.

a) A gauche : structure basique d’une GT de type II avec une région cytosolique, une région transmembranaire, une tige et un domaine catalytique. La partie N-ter se situe dans le cytosol et la partie C-ter contenant le domaine catalytique dans la lumière du Gogi. A droite : protéine transmembranaire polytopique avec le site catalytique localisé soit dans le cytosol soit du côté du lumen. b) Différents types d’interactions sont possibles : en dimère par des liaisons faible ou des ponts di-sulfures, et en complexe de plusieurs protéines. c) Mécanisme d’interaction où la première GT de type II perd son ancrage à la membrane pour être retenue par celle avec laquelle elle forme un dimère. Image F. Cicéron, Issu de Ai Oikawa, 2013. DOI : http://dx.doi.org/10.1016/j.tplants.2012.07.002.

De nombreuses interactions protéines-protéines induisent la formation de complexes. Cela contribuerait à la localisation appropriée de certaines GT et serait l’un des facteurs déterminants de la mise en relation de l’enzyme avec son substrat (Hassinen, Rivinoja, Kauppila, & Kellokumpu, 2010 ; Oikawa et al., 2013). Des complexes d’homodimères et d’hétérodimères ont été observés pour des GT impliquées dans la synthèse d’homogalacturonane (M. a. Atmodjo et al., 2011), d’arabinane (Harholt et al., 2012), de glucoarabinoxylane, de xyloglucane, et d’arabinogalactane (Zeng et al., 2010 ; Yi-Hsiang Chou, Pogorelko, & Zabotina, 2012 ; Dilokpimol et al., 2014 ; Lund et al., 2014a ; Y.-H.

Cys Cys Cys Cys Cytosol Lumen Transmembranaire type « mul4-pass » Transmembranaire type « single-pass » Cytosol Lumen domaine TM domaine cytosolique 4ge région cataly4que

Chou, Pogorelko, Young, & Zabotina, 2014). Les bases moléculaires permettant ces interactions, tout comme leur importance biologique, ne sont toutefois encore pas réellement comprises. Les chaines de glycannes qui s’accumulent dans le Trans-Golgi sont ensuite transportées par des vésicules spécifiques, aux endroits appropriés de la paroi (Worden, Park, & Drakakaki, 2012) (Figure I.23).

Figure I.23 : représentation simplifiée du trafic membranaire post-Golgi et du dépôt des polysaccharides dans la paroi végétale.

Les complexes de cellulose synthases sont assemblés dans le Golgi et sécrétés à la membrane plasmique. Les hémicelluloses et pectines sont synthétisées dans le Golgi, puis sécrétées au niveau de l’apoplaste où elles sont incorporées à la paroi. Worden, 2012. DOI: 10.1111/j.1744-7909.2012.01179.x

Une batterie d’enzymes : endotransglucosylase/hydrolase, méthyle estérases,… permet alors de les incorporer au réseau de protéines et polysaccharides déjà présents (Wolf et al., 2012 ; Tan et al., 2013).