La structure enzymatique déverrouillée montre comment l’hormone strigolactone contrôle la croissance des plantes

En tant qu’organismes sessiles, les plantes doivent continuellement adapter leur croissance et leur architecture à un environnement en constante évolution. Pour ce faire, les plantes ont développé des mécanismes moléculaires distincts pour détecter et répondre à l’environnement et intégrer les signaux de l’extérieur avec des programmes de développement endogènes.

De nouvelles recherches du laboratoire de Nitzan Shabek à l’UC Davis College of Biological Sciences, publiées dans Plantes naturellesdévoile le mécanisme sous-jacent du ciblage et de la destruction des protéines dans une voie de signalisation spécifique des hormones végétales.

« Notre laboratoire vise à déchiffrer les mécanismes de détection chez les plantes et à comprendre comment la fonction enzymatique spécifique peut être régulée au niveau moléculaire », a déclaré Shabek, professeur adjoint de biochimie et de biologie structurale au Département de biologie végétale. « Nous avons étudié un nouveau signal hormonal végétal, la strigolactone, qui régit de nombreux processus de croissance et de développement, y compris la ramification et l’architecture racinaire. »

Le travail découle d’une étude de Shabek, publiée dans Nature en 2018, dévoilant les changements moléculaires et structurels d’une enzyme, l’ubiquitine ligase MAX2 (ou D3). MAX2 a été trouvé sous des formes verrouillées ou déverrouillées qui peuvent recruter un capteur de strigolactone, D14, et cibler pour la destruction un complexe répresseur transcriptionnel d’ADN, D53. Les ubiquitines sont de petites protéines, présentes chez tous les eucaryotes, qui « marquent » d’autres protéines pour les détruire dans une cellule.

Pour trouver la clé pour déverrouiller MAX2 et mieux comprendre sa dynamique moléculaire dans les plantes, les boursiers postdoctoraux Lior Tal et Malathy Palayam, avec le spécialiste junior Aleczander Young, ont utilisé une approche qui intègre la biologie structurale avancée, la biochimie et la génétique végétale.

« Nous avons exploité des approches guidées par la structure pour muter systématiquement l’enzyme MAX2 chez Arabidopsis et avons créé un MAX2 bloqué sous une forme non verrouillée », a déclaré Shabek. « Certaines de ces mutations ont été réalisées en guidant l’édition du génome CRISPR/Cas9, nous fournissant ainsi une plate-forme de découverte pour étudier et analyser les différentes sorties de signalisation et éclairer le rôle de la dynamique MAX2. »

Réguler un réseau de gènes massif

Ils ont découvert que dans la conformation non verrouillée, MAX2 peut cibler les protéines répresseurs et les décorer biochimiquement avec de petites protéines d’ubiquitine, les marquant pour destruction. La suppression de ces répresseurs permet à d’autres gènes de s’exprimer, activant un réseau de gènes massif qui régit la ramification des pousses, l’architecture des racines, la sénescence des feuilles et la symbiose avec les champignons, a déclaré Shabek.

L’envoi de ces répresseurs aux complexes d’élimination du protéasome nécessite que l’enzyme se verrouille à nouveau. L’équipe a également montré que MAX2 ne cible pas seulement les protéines répresseurs, mais qu’une fois verrouillé, le capteur de strigolactone lui-même est détruit, ramenant le système à son état d’origine.

Enfin, l’étude a découvert la clé du verrou, un métabolite d’acide organique qui peut directement déclencher le changement de conformation.

« Au-delà de l’implication dans la signalisation des plantes, il s’agit du premier travail qui place un métabolite primaire en tant que nouveau régulateur direct de ce type d’enzymes ubiquitine ligase et ouvrira de nouvelles voies d’étude dans cette direction », a déclaré Shabek.

Les autres coauteurs de l’article sont la spécialiste Mily Ron et la professeure Anne Britt, Département de biologie végétale. Les données de cristallographie aux rayons X ont été obtenues à l’Advanced Light Source, Lawrence Berkeley National Laboratory, une installation utilisatrice du Département américain de l’énergie.