« Science »-Étude : Mécanisme de dégradation des protéines des chloroplastes elucidé

Les chloroplastes sont le lieu de la photosynthèse et appartiennent aux plastides, dont il existe de nombreuses variétés avec différentes fonctions. Les plastides d'une même espèce peuvent se différencier en d'autres types. Avec le biologiste de Kaiserslautern, le Dr Raphael Trösch, des chercheurs d'Oxford ont montré pour la première fois comment les récepteurs liés à la membrane, responsables de l'absorption de protéines pertinentes pour la photosynthèse, sont dégradés dans les chloroplastes. La quantité de récepteurs pourrait jouer un rôle dans la différenciation des plastides. Les résultats sont notamment intéressants pour la production biotechnologique de pigments dans les plastides. L'étude a été publiée dans la revue spécialisée Science.

Les plastides sont de petits organites cellulaires qui possèdent leur propre génome et se distinguent du reste de la cellule par une membrane propre. Chez les plantes, ils remplissent diverses fonctions : les chloroplastes assurent la photosynthèse et les amyloplastes stockent l'amidon. Ce qui est remarquable : les plastides peuvent se différencier. Ils possèdent une grande plasticité. D'où leur nom. « Une tomate est d'abord verte, pour effectuer la photosynthèse », explique le biologiste Dr Raphael Trösch de l'Université Technique de Kaiserslautern (TUK). « Avec le temps, elle devient rouge et accumule le pigment lycopène. Les chloroplastes se transforment en chromoplastes et remplissent une nouvelle fonction. »

Pour que les chloroplastes puissent effectuer la photosynthèse, ils ont besoin de nombreuses protéines différentes. La plupart ne sont cependant pas produites dans l'organite cellulaire lui-même, mais dans le cytoplasme. « Pour les transporter dans les chloroplastes, il existe des protéines de transport dans la membrane des chloroplastes », explique Trösch, qui mène des recherches dans le domaine de la génétique des eucaryotes. « Ces protéines se lient à des récepteurs qui reconnaissent soit spécifiquement des protéines de la photosynthèse, soit d'autres protéines. »

En collaboration avec l'équipe des deux premiers auteurs de l'étude, Qihua Ling et William Broad de l'Université d'Oxford, Trösch a étudié dans des cellules de la moutarde des champs comment se déroule le processus de dégradation des récepteurs qui reconnaissent les protéines de la photosynthèse. « Dans d'autres membranes cellulaires, il existe déjà des mécanismes de dégradation bien étudiés pour les protéines membranaires », poursuit le chercheur.

Pour la première fois, les scientifiques ont également étudié en détail un mécanisme similaire dans les chloroplastes et ont identifié les trois molécules impliquées. La dégradation se déroule ainsi : « Pour éliminer le récepteur, il doit d'abord être marqué. Ensuite, des protéines spécifiques, utilisant de l'énergie, tirent le récepteur marqué à travers un canal, après quoi il peut être dégradé dans le cytoplasme. Ces protéines font en quelque sorte partie du système d'élimination des déchets de la cellule. » Trösch compare ce système de dégradation cellulaire à des travaux forestiers, où un forestier marque d'abord les arbres malades ou défectueux avec un « X ». Ensuite, les travailleurs forestiers abattent les arbres marqués, sans savoir eux-mêmes pourquoi ils doivent être enlevés.

Les chercheurs ont nommé ce mécanisme « dégradation de protéines associée aux chloroplastes » (CHLORAD, en anglais : chloroplast-associated protein degradation). Avec lui, une cellule végétale peut réguler la quantité de récepteurs spécifiques ; et ainsi potentiellement la quantité de protéines de la photosynthèse que le chloroplaste absorbe. Ils supposent également qu'il pourrait jouer un rôle clé dans la différenciation, mais sa fonction précise devra être clarifiée dans de futures études.

Les résultats sont notamment intéressants pour la biotechnologie. Les pigments végétaux issus des chloroplastes sont utilisés dans les cosmétiques, comme protection solaire, dans l'alimentation ou comme médicaments. Les découvertes permettent de mieux comprendre les bases de la différenciation des plastides. À l'avenir, il pourrait être possible de produire en plus grande quantité et plus facilement des pigments naturels dans des plastides différenciés.

L'étude a été publiée dans la revue renommée Science : « Ubiquitin-dependent chloroplast-associated protein degradation in plants ». Qihua Ling, William Broad, Raphael Trösch, Mats Töpel, Tijen Demiral Sert, Panagiotis Lymperopoulos, Amy Baldwin, R. Paul Jarvis.

http://science.sciencemag.org/content/363/6429/eaav4467.long

DOI : 10.1126/science.aav4467