Projet ANR-10-BLAN-1616 – FIRES : Fonction des glutarédoxines dans la signalisation redox et le « sensing » du fer chez les plantes
Programme : Sciences de la vie, de la santé et des écosystèmes :  Génomique, génomique fonctionnelle, bioinformatique, biologie systémique (Blanc SVSE 6)
Année de financement : 2010
Coordinateur du projet : Monsieur Nicolas ROUHIER (UNIVERSITE DE NANCY I [HENRY POINCARE])
Partenaires : Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives; Institut de recherche pour le développement; Centre national de la recherche scientifique; Université de Perpignan - Via Domitia; Biochimie et Physiologie Moléculaire des Plantes; Interactions Arbres/Micro-Organismes
Montant : 500000.0 euros
Date de début : 2011
Durée : 36 mois
Résumé : Etude des réponses des plantes au stress oxydantLe fer est un élément essentiel pour de nombreux processus physiologiques et voies métaboliques mais il peut être toxique dans certaines circonstances et peut provoquer une situation de stress oxydant. Ce projet vise à étudier certaines familles de protéines qui participent à la perception du statut en fer des cellules et à la signalisation qui en découle.
Comprendre le rôle des glutarédoxines et des protéines BolA dans le métabolisme du ferLes protéines contenant du fer sont essentielles pour de nombreuses voies métaboliques ou processus cellulaires (photosynthèse ou respiration). Toutefois, les mécanismes de régulation de l’homéostasie du fer et le fonctionnement des machineries d’assemblage des protéines fer-soufre (Fe-S) chez les plantes restent assez mal connus. Ce projet vise à comprendre le rôle des glutarédoxines et des protéines BolA dans ces phénomènes puisque des études génétiques menées chez la levure Saccharomyces cerevisiae montraient l’implication de ces 2 familles de protéines dans le métabolisme du fer. Le fer est un métal essentiel mais qui peut être toxique dans certaines circonstances. Comprendre les mécanismes moléculaires et cellulaires contrôlant son assimilation, sa compartimentation et plus globalement son utilisation est une étape importante pour remédier à des problèmes liés à un mal-fonctionnement ou à des variations des conditions environnementales. La description de ces mécanismes chez une plante modèle telle qu’Arabidopsis thaliana pourrait permettre de transposer les connaissances vers des espèces agronomiques importantes puisque les mécanismes sont vraisemblablement conservés. En particulier, les plantes représentent une des sources principales de fer pour certaines populations ne se nourrissant pas ou n’ayant pas accès à la viande animale. Ceci illustre de manière simple le besoin de décrire de manière fine les voies cellulaires régulant le métabolisme du fer.
Analyse fonctionnelle des gènes et protéinesUne stratégie de génomique fonctionnelle a été mise en place pour la caractérisation de l’ensemble des membres (4) de chaque famille de protéines, combinant des approches de génétique et de physiologie (étude de lignées d’extinction ou de surexpression de la plante modèle Arabidopsis thaliana), de biologie cellulaire (étude de la localisation sub-cellulaire des membres de ces familles et des interactions in vivo (en système levure ou in planta)) et de biochimie et biologie structurale (étude des interactions protéine-protéine, caractérisation fine de la structure tridimensionnelle des protéines seules ou en complexe, recherche de partenaires protéiques).
Résumé de la soumission : Le fer est essentiel pour la nutrition des plantes. Bien que très abondant, son assimilation est rendue difficile par sa faible biodisponibilité. La forme oxydée (Fe3+) est insoluble à pH neutre et la forme réduite (Fe2+) est toxique et génère des espèces oxygénées réactives (EOR). La nutrition en fer est donc un processus complexe pour les plantes terrestres et son métabolisme doit être finement régulé pour éviter sa toxicité. Un déséquilibre dans l’assimilation du fer peut conduire à un stress oxydant chez les plantes et chez les autres organismes. Le fer est essentiel pour de nombreuses métalloprotéines, comme celles contenant des centres fer-soufre (Fe-S) et des hèmes qui sont présentes dans les chaînes de transfert d’électrons. Alors que les protéines Fe-S sont essentielles pour la photosynthèse, la respiration ou l’assimilation du soufre et de l’azote, l’assemblage des centres Fe-S est encore peu caractérisé chez les plantes, bien que des protéines orthologues à celles des systèmes d’assemblage des bactéries, levures et mammifères soient identifiées. Chez la levure, une glutarédoxine (Grx5), petite oxydoréductase normalement impliquée dans la réduction de ponts disulfures, est impliquée dans le transfert de centres Fe-S de protéines d’échafaudage vers des protéines réceptrices. Ce rôle semble ubiquitaire, car l’expression de protéines orthologues de la plupart des organismes dans une souche mutée pour Grx5 permet de restaurer les défauts liés au dysfonctionnement de l’assemblage des centres Fe-S et la sensibilité au stress oxydant. Par ailleurs, plusieurs glutarédoxines peuvent lier un centre [2Fe-2S] au sein d’un dimère et certaines Grxs de plantes peuvent transférer ce centre efficacement vers des protéines réceptrices.	Un autre lien entre les Grxs et le fer concerne la régulation de l’homéostasie de ce métal. Dans la levure, Grx3 et 4 forment un complexe avec des protéines du type aminopeptidase P et BolA. Ce complexe régule l’activité du facteur de transcription, Aft1, qui répond en particulier au niveau en fer dans la mitochondrie, le compartiment clé pour la biogenèse des centres fer-soufre chez la plupart des eucaryotes. Notre objectif est de développer un projet centré sur les rôles des glutarédoxines de plantes (i) dans la régulation de l’homéostasie du fer, soit à travers leur implication dans les machineries d’assemblage des centres Fe-S, soit à travers la perception du statut en fer de la cellule, et (ii) dans la réponse au stress oxydant découlant de la présence de fer libre et d’EOR.	Chez les plantes, les Grxs constituent une famille multigénique (ca 30 gènes). Il est donc essentiel d’identifier les Grxs impliquées dans ces processus et leur localisation subcellulaire puisque le fer et les EOR sont présents dans tous les compartiments et qu’il existe plusieurs machineries d’assemblage des centres Fe-S, localisées dans le cytosol, les mitochondries et les chloroplastes. Une approche multidisciplinaire combinant la génétique, la physiologie, la biologie cellulaire et de biochimie et utilisant Arabidopsis thaliana comme plante modèle sera développée pour ce projet. La fonction des Grxs ayant la capacité d’intégrer un centre fer-soufre sera étudiée en analysant le phénotype de lignées transgéniques (plants mutés ou sur-exprimant les Grxs) dans différentes conditions d’apport en fer (carence ou excès) et de régime lumière/température. L’analyse transcriptomique de ces mutants devrait permettre d’identifier les voies métaboliques et processus dérégulés et les gènes/protéines potentiellement régulés par les Grxs. De plus, les protéines interagissant avec les Grxs, identifiées au cours de ce projet par des approches de double hybride en levure, de co-immunoprécipitation ou par chromatographie d’affinité, ainsi que les candidats de la famille BolA, seront produites sous forme recombinante en vue de leur caractérisation biochimique et fonctionnelle.
Résultats : L’étude de mutants dans lesquelles l’expression des gènes étudiés a été interrompue permet de comprendre la fonction des protéines codées par ces gènes. La caractérisation d’une lignée d’Arabidopsis thaliana d’extinction pour le gène grxS17 a montré que cette glutarédoxine est impliquée dans les processus de division cellulaire lorsque les plantes sont cultivées sous des températures élevées ou une photopériode longue. De ce fait, des problèmes de développement racinaire, foliaire et floral ont été observés dans le mutant déficient pour GrxS17. Pour Nfu3, l’étude de tels mutants a montré que la protéine est impliquée dans le fonctionnement de l’appareil photosynthétique, vraisemblablement dans l’assemblage de protéines possédant des centres fer-soufre et situées dans le photosystème I. Ces résultats permettent donc d’approfondir les connaissances fondamentales pour la communauté scientifique dans ce domaine.
Perspectives : La compréhension fine des mécanismes cellulaires et moléculaires contrôlant le métabolisme du fer est évidemment un pré-requis pour pouvoir développer une stratégie palliant des situations de carence ou d’excès de fer pour les plantes. Par ailleurs, il semble que la plupart de ces mécanismes soient conservés entre organismes. Il est par exemple décrit que de nombreuses maladies humaines ont pour origine le dysfonctionnement de protéines fer-soufre. Les résultats obtenus au cours de ce projet pourraient donc ainsi permettre de comprendre l’origine moléculaire de ces défauts ce qui pourrait permettre à terme de lutter efficacement contre ces maladies.
Publications et brevets : A mi-parcours de ce projet, les résultats ont été valorisés par 6 présentations orales effectuées par un des partenaires dans des congrès internationaux et par la publication de deux articles de recherche (Wang et al Glutathione regulates the transfer of iron-sulfur cluster from monothiol and dithiol glutaredoxins to apo ferredoxin. Protein Cell, 2012, 3(9):714-21 et Riondet et al GRXC1: a dicotyledone-specific glutaredoxin is able to stock an iron-sulfur cluster in vivo. Plant Cell Environ, 2012, 35, 360-373). Quatre autres publications sont d’ores et déjà en cours de rédaction.