Les protéines sont souvent constituées de centaines ou de milliers de parties individuelles, les acides aminés. Ceux-ci sont reliés comme les maillons d’une chaîne. Cependant, les molécules de protéines ne seraient pas en mesure de remplir leur tâche en tant que long filament oscillant d’avant en arrière. Chacun d’eux est donc plié à sa manière bien spécifique lors de sa création. Pour les protéines qui sont libérées de la cellule vers l’extérieur ou transportées vers des réserves intracellulaires, ce repliement a lieu à un endroit précis de la cellule : le réticulum endoplasmique (RE). Ici, les brins partiels qui se retrouvent côte à côte au cours de ce repliement des protéines peuvent également être liés ensemble à des points définis. Cela empêche la balle de se défaire et conserve sa forme fonctionnelle.
La connexion se fait via un mécanisme que beaucoup de gens connaissent déjà dans un tout autre contexte, celui du salon de coiffure. C’est parce qu’il est utilisé en permanente pour garder les cheveux en forme. À cette fin, certains produits chimiques sont appliqués sur les bigoudis. Ils assurent la formation de liaisons chimiques, appelées ponts disulfure, entre les protéines capillaires voisines. « Des ponts disulfure, qui relient les sous-brins voisins, se forment également à certains points du filament protéique lors du repliement des protéines », explique le professeur Andreas Meyer de l’Institut des sciences végétales et de la conservation des ressources (INRES) de l’Université de Bon.
La «ligne de seau» moléculaire transmet les électrons
Chimiquement, ce processus est une oxydation : c’est parce que certains acides aminés contiennent du sulfure d’hydrogène lié (chem : SH). Si deux de ces acides aminés se trouvent l’un à côté de l’autre lors du pliage du filament et que l’un sépare l’hydrogène (H) de leurs groupes SH, un pont disulfure (chem : SS) se forme. Pour ce processus, un électron est retiré de chacune des deux liaisons SH d’origine. Ceci est fait par certaines protéines qui exercent une « force de traction » parfaitement adaptée sur les électrons. Cependant, les électrons retirés doivent être guidés hors de cet environnement, sinon ils peuvent causer des dommages.
Lorsqu’il y a un incendie, les gens forment parfois une ligne de seaux, passant le seau plein d’eau d’une personne à l’autre. Il y a quelque chose de similaire chez les plantes : les électrons retirés sont transmis à travers une chaîne de protéines de support et finalement éliminés. Pour que cela fonctionne, chacune des protéines impliquées le long de cette chaîne doit avoir un peu plus de traction – en recherche, cela est également appelé potentiel redox. « Ces processus sont en principe compris de manière mécaniste », explique Meyer. « Cependant, l’ampleur exacte des potentiels redox dans les cellules vivantes et le fonctionnement dynamique de l’ensemble de la chaîne de réaction sont inconnus. »
Mais le degré de traction est essentiel pour que le repliement des protéines produise le résultat souhaité : s’il est trop fort, trop de groupes SH sont oxydés. La boule d’acides aminés est alors liée aux mauvais endroits et ne prend pas la bonne forme. Au contraire, un potentiel redox trop faible entraîne une stabilisation insuffisante car trop peu de ponts disulfure sont formés.
« Nous avons maintenant développé une méthode pour mesurer le potentiel redox de l’une des molécules impliquées dans le RE de la cellule vivante », explique le collaborateur de Meyer, José Manuel Ugalde. « Étant donné que le potentiel redox peut changer avec le temps, nous le faisons à intervalles de trois minutes sur une période de plusieurs heures. » La mesure est effectuée avec une protéine capteur qui émet elle-même de la lumière, c’est-à-dire qui devient fluorescente, lorsqu’elle est irradiée par un laser. L’intensité lumineuse émise dépend du potentiel redox de la molécule mesurée. Les chercheurs se sont concentrés sur le dernier maillon de la « ligne de seau », les oxydoréductines ER (ERO). Ceux-ci transfèrent les électrons arrachés aux protéines vers l’oxygène, les éliminant ainsi.
Moins de traction que prévu
Les groupes de Münster et de Bonn ont utilisé Arabidopsis thaliana comme plante expérimentale. Il a deux ERO légèrement différents dont les instructions de construction sont sur deux gènes différents. « Nous avons pu montrer que les ERO exercent une force de traction beaucoup plus faible sur les électrons qu’on ne le pensait auparavant », explique Meyer. « Donc toute la chaîne est probablement calibrée différemment. »
Les ERO ont besoin d’oxygène pour se débarrasser de leurs électrons. Cependant, lorsque l’engorgement se produit – par exemple, en raison d’un arrosage excessif des plantes en pot ou après une inondation dans le champ – l’oxygène est rare pour certaines parties des plantes. Dans ces conditions, les ERO semblent ajuster les potentiels redox dans la ligne de seau d’une manière qui permet à la formation de pont disulfure de continuer, bien qu’à un rythme réduit. Cela signifie que la plante peut pousser même en l’absence d’oxygène. Pour étudier cet effet plus en détail, les chercheurs ont complètement désactivé l’un des gènes ERO et rendu le second beaucoup plus inactif. En conséquence, la plante était beaucoup plus sensible au manque d’oxygène et à d’autres types de stress réducteur. Par exemple, il n’a ensuite augmenté que très lentement.
« Néanmoins, le repliement des protéines fonctionnait toujours, au moins partiellement, dans ces conditions », explique Meyer, qui est également membre du domaine de recherche transdisciplinaire « Sustainable Futures » de l’Université de Bonn. « Nous émettons donc l’hypothèse qu’il existe un deuxième mécanisme chez Arabidopsis qui accomplit l’oxydation des résidus SH dans les protéines du RE. »
Les chercheurs veulent maintenant savoir exactement lequel. À long terme, leurs découvertes pourraient donc potentiellement contribuer au développement de variétés végétales plus résistantes à la privation d’oxygène à court terme. Le changement climatique augmentant non seulement les sécheresses mais aussi les inondations, la demande pour ceux-ci est susceptible d’augmenter considérablement à l’avenir.
La recherche a été publiée dans Cellule de plante.
José Manuel Ugalde et al, l’oxydoréductine du réticulum endoplasmique offre une résilience contre le stress réducteur et les conditions hypoxiques en médiant la dynamique redox luminale, La cellule végétale (2022). DOI : 10.1093/plcell/koac202