Les transitions d’état

3.1.2.1. Description du phénomène

Les transitions d’état ont été découvertes fin des années 70 chez des organismes photosynthétiques unicellulaires (Bonaventura et Meyers, 1969; Murata, 1969). Elles sont décrites à l’époque comme un mécanisme de contrôle de l’excitation des deux photosystèmes. Cette interprétation se base sur le fait que les deux photosystèmes n’ont pas le même spectre d’absorption : le spectre du PSI est décalé vers les grandes longueurs d’onde par rapport à celui du PSII. Cela est dû à la localisation préférentielle de la chlorophylle b dans le PSII et de chlorophylle a, absorbant dans le rouge lointain (700-720 nm), dans le PSI. Cette différence peut poser des problèmes d’équilibre dans la chaîne de transport d’électrons photosynthétiques lorsque le spectre de la lumière ambiante est tel qu’un des deux photosystèmes est davantage excité. Le rôle régulateur des transitions d’état à ce niveau a été mis en évidence grâce à l’expérience type suivante (Murata, 1970) : une lumière qui excite préférentiellement le PSII (par exemple 650 nm) induit une augmentation de la sensibilité du PSI et cela en quelques minutes. A l’inverse, une lumière rouge lointain (700-720nm) qui est absorbée préférentiellement par le PSI provoque quant à elle une augmentation de la sensibilité du PSII. Ainsi, le flux d’électrons dans la chaîne de transport d’électrons photosynthétique est régulé et la photosynthèse atteint son rendement maximum. Il aura fallu une dizaine

d’années avant que les bases moléculaires des transitions d’état soient comprises.

3.1.2.2. Bases moléculaires

Le changement de la sensibilité des photosystèmes est en fait dû à la migration des antennes collectrices de lumière (LHCII) entre les deux photosystèmes. Quand le pool de plastoquinones est réduit, situation qui prévaut lorsque le PSII est davantage excité que le PSI, une kinase est activée (Allen et al., 1981). Celle-ci phosphoryle les protéines de LHCII qui migrent alors jusqu’au PSI, ce qui augmente la surface d’absorption lumineuse de ce dernier : on parle d’état II (Figure 31b). A l’inverse, l’oxydation du pool de PQ, situation qui prévaut lorsque le PSI est davantage excité que le PSII, provoque la désactivation de la kinase. Les protéines des LHCII sont déphosphorylées par une phosphatase qui agit constitutivement et se réassocient au PSII, on parle alors d’état I (Figure 31a). C’est ce phénomène qui est appelé transition d’état (Wollman, 2001). Cette explication est encore valable aujourd’hui : c’est le pool de PQ qui agit comme véritable senseur de l’activité photosynthétique et qui, via l’action d’une kinase, redirige les LHCII vers l’un ou l’autre des photosystèmes. Ces dernières années, divers progrès ont été réalisés en ce qui concerne l’identification de la kinase et le mécanisme de transduction du signal d’activation de cette kinase via le statut rédox du pool de PQ. Le rôle physiologique attribué aux transitions d’état a également été mieux défini.

3.1.2.3. La kinase

Depuis la fin des années septante, on sait que les transitions d’état sont liées à l’activité d’une kinase intrathylakoïdienne (Bennett, 1977; Bennett, 1979). Cependant, ce n’est que récemment que les kinases ont pu être identifiées grâce à des approches génétiques menées chez Arabidopsis et Chlamydomonas. En 1999, Snyders et Kohorn ont montré que chez Arabidopsis, trois kinases (TAK 1-3, pour thylakoid associated) sont capables de phosphoryler l’extrémité N-terminale de protéines LHCII in vivo (Snyders et Kohorn, 1999). Des plants d’Arabidopsis anti-sens Pour TAK1 montrent des spectres de fluorescence modifiés et des changement de phosphorylation des protéines LHCII, suggérant que TAK 1 joue un rôle dans les transitions d’état (Snyders et Kohorn, 2001). De plus, la perte de la sous-unité psaH du PSI chez Arabidopsis empêche le transfert

Résultats

d’énergie des LHCII au PSI en conditions d’état II (Lunde et al., 2000). Des mutants de Chlamydomonas déficients dans les transitions d’état ont également été isolés (Fleischmann, 1999; Kruse et al., 1999). En particulier, le mutant sst7 est incapable de réaliser la transition à l’état I et le niveau de phosphorylation des protéines LHCII est constant quelle que soit les conditions environnementales (Fleischmann, 1999). Le gène déficient chez le mutant sst7 a été cloné : il encode une Sérine-thréonine kinase de 80 kDa (Depege et al., 2003). Cette kinase Sst7 possède un homologue chez Arabidopsis mais qu’il ne s’agit pas d’une des protéines TAK (Depege et al., 2003; Snyders et Kohorn, 1999).

3.1.2.4. Le mécanisme d’activation de la kinase. Le fait que ce soit l’état rédox du pool de plastoquinones qui contrôle l’activation de la kinase suggère fortement que celle-ci est liée ou étroitement associée aux plastoquinols. Dans la chaîne transporteuse d’électrons photosynthétique, deux complexes protéiques sont capables de fixer PQ : le PSII et le cytochrome b6f. L’étude de mutants de Chlamydomonas

déficients pour l’un ou l’autre de ces complexes indique que le cytochrome b6f est strictement indispensable pour

que les algues passent à l’état II lorsque le pool de PQ est réduit (Wollman et Lemaire, 1988). En absence de cytochrome b6f, la kinase n’est pas activée. Des études

in vivo ont ensuite montré que le site Qo du cytochrome

b6f (qui fixe PQH2 du côté du lumen, cf. Figure 31) est impliqué dans l’activation de la kinase (Zito et al., 1999). Des mutants de Chlamydomonas présentant une poche Qo mal repliée sont en effet bloqués à l’état I, quelles que soient les conditions d’induction. Un mécanisme de transduction du signal entre la fixation de PQH2 au site Qo du côté du lumen et l’activation de la kinase qui est localisée du côté du stroma, a été proposé (Finazzi, 2001) sur base de diverses analyses (Hamel et al., 2000; Zhang et al., 1998 ; Zito et al., 1999). La clé de la compréhension de ce mécanisme se situe dans la protéine de Rieske associée au complexe cytochrome b6f. Il s’agit d’une protéine Fe-S hydrophile qui est

attachée à la membrane thylakoïdienne par son extrémité N-terminale et qui pointerait dans le lumen. La fixation d’une molécule de plastoquinone réduite au site Qo du cytochrome b6f provoque le passage de la

protéine de Rieske d’une position distale à une position proximale. Ce changement entraînerait une modification de la conformation du cytochrome b6f qui permettrait

l’activation d’une (ou plusieurs) kinase(s). Cette

dernière phosphorylerait la sous-unité V du cytochrome b6f (Hamel et al., 2000) puis serait libérée dans la membrane à cause du retour de la protéine de Rieske dans sa position distale, retour causé par un turnover de PQH2 au site Qo. La kinase libérée dans la membrane pourrait catalyser la phosphorylation de LHCII qui provoque son déplacement.

Le mouvement des LHCII phosphorylés des régions granaires (riches en PSII) aux régions intergranaires (riches en PSI) a pu être observé par des études de fractionnement des thylakoïdes et par immunocytochimie (pour revue (Wollman, 2001)). Ce mouvement a été expliqué en terme de répulsion électrostatique liée à l’augmentation des charges négatives apportées par les groupements phosphates et à des changements de conformation de la partie N- terminale des LHCII. L’association des phospho-LHCII au PSI résulterait de l’affinité élevée de la protéine psaH (sous-unités du PSI) pour les antennes phosphorylées (Lunde et al., 2000).

3.1.2.5. Le rôle physiologique des transitions d’état

Comme nous l’avons mentionné, le rôle premier attribué aux transitions d’état est de permettre aux végétaux d’adapter l’organisation de l’appareil photosynthétique en vue de garantir une excitation équitable des deux photosystèmes. Chez Chlamydomonas cependant, l’état II peut être atteint à l’obscurité en diminuant le contenu en ATP intracellulaire à l’aide d’inhibiteurs. Quand la teneur normale en ATP est restaurée, les algues passent à l’état I (Bulté et al., 1990). Ces observations ont amené à considérer que les transitions d’état peuvent également être contrôlées par la demande en ATP intracellulaire (Bulté et al., 1990; Wollman, 2001). Par ailleurs, lors du passage à l’état II, la proportion de cytochrome b6f

augmente dans les zones intergranaires, riches en PSI (Vallon, 1991). Comme nous l’avons vu ci-dessus, la sous-unité V du cytochrome b6f est également

phosphorylée à l’état II et la migration du cytochrome b6f pourrait se faire selon un mécanisme identique à la

migration des complexes LHCII phosphorylés. (Hamel et al., 2000). La co-localisation des LHCII, du cytochrome b6f et du PSI permettrait la formation d’une

structure supramoléculaire adéquate pour le transport cyclique d’électrons entre le PSI et le cytochrome b6f.

Pour rappel, le transport cyclique d’électrons est favorable à la synthèse d’ATP dans la mesure où il

Résultats

accentue le gradient de H+ _{sans créer de potentiel} réducteur (NADPH+H+_{). La transition à l’état II serait} donc propice à la synthèse d’ATP. Cette hypothèse a été vérifiée expérimentalement en montrant que chez Chlamydomonas, la réduction du cytochrome b6f est

insensible au DCMU (inhibiteur du PSII) quand les algues sont à l’état II, suggérant que le transport linéaire n’a pas lieu (Finazzi, 1999). De plus, un mutant de Chlamydomonas bloqué à l’état I effectue quant à lui un transport linéaire dans les conditions qui amènent le sauvage à l’état II (Fleischmann, 1999).

Toutes ces données convergent vers la même conclusion : les transitions d’état chez Chlamydomonas permettent également de réorganiser l’appareil photosynthétique en vue d’une synthèse accrue d’ATP lorsque les conditions l’exigent (Wollman, 2001).

3.1.3. La chlororespiration et son