Comment un commutateur protéique aide les plantes atténuer le stress hydrique
Qu’il s’agisse de la chaleur extrême, de la sécheresse ou des inondations, le changement climatique a des conséquences dévastatrices sur les plantes. Selon une étude(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), jusqu’à 16 % des espèces végétales pourraient perdre plus de 90 % de leur aire de répartition, au point d’être menacées d’extinction. Cette perspective n’a toutefois rien d’inéluctable. L’évolution permet aux plantes de développer des mécanismes qui améliorent leurs chances de survie. Pour s’en convaincre, il suffit d’observer le rôle que joue le récepteur PYL1 dans les cellules végétales. «En détectant l’acide abscissique, une hormone végétale dont la concentration augmente lorsque l’eau se raréfie, ce récepteur aide la plante à s’adapter à la sécheresse», explique Max Stammnitz, chercheur au Centre de régulation génomique(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre). Ce n’est là qu’un exemple de la façon dont une plante peut utiliser un interrupteur moléculaire pour mieux s’adapter à un environnement en constante évolution. «Bien que de nombreux systèmes biologiques reposent sur des interrupteurs moléculaires, nous ne comprenons pas encore pleinement comment la séquence d’une protéine détermine sa capacité à traiter et transmettre les signaux biologiques», ajoute Max Stammnitz. C’est précisément la question à laquelle le chercheur a voulu répondre grâce au projet DeepGlue, financé par l’UE. «Nous voulions comprendre comment les mutations influencent le fonctionnement des récepteurs hormonaux allostériques, ces protéines qui transforment les signaux chimiques en réponses cellulaires», explique-t-il. Soutenu par le programme Actions Marie Skłodowska-Curie(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), le projet a adopté une approche expérimentale qui a permis de quantifier l’effet de milliers de mutations sur la réponse du récepteur à différentes concentrations hormonales. Au total, plus de 40 000 mesures quantitatives ont été recueillies, permettant d’établir une cartographie quasi complète de l’influence des modifications d’acides aminés sur l’activation du récepteur.
Comment les mutations modifient le comportement d’une protéine réceptrice
Les chercheurs ont constaté que près de 90 % des mutations modifiaient la réponse du récepteur hormonal PYL1 aux différentes concentrations de l’hormone, avec des effets souvent corrélés sur sa sensibilité, son activité de base et sa réponse maximale. Ils ont également constaté que bon nombre de ces effets s’expliquaient par des modifications de la stabilité des protéines réceptrices. «Nous avons démontré que les mutations peuvent non seulement déterminer si une protéine réceptrice fonctionne, mais aussi comment sa réponse évolue lorsque la concentration du composé inducteur varie», explique Max Stammnitz. Le projet a également révélé qu’au-delà des effets liés à la stabilité des protéines, certains paramètres de signalisation peuvent évoluer indépendamment les uns des autres, notamment sous l’effet de mutations allostériques situées loin de l’interface protéine-hormone. Le plus frappant est peut-être que de rares substitutions d’un seul acide aminé ont engendré des comportements entièrement nouveaux, notamment des fonctions d’activation inversées ainsi que des réponses présentant une zone d’inhibition intermédiaire. Les résultats du projet sont présentés plus en détail dans un article publié dans la revue «Nature Communications»(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre).
La recherche pourrait soutenir une agriculture plus résiliente face au changement climatique
Selon Max Stammnitz, DeepGlue a démontré que les interrupteurs protéiques ne sont pas des dispositifs rigides, mais des systèmes évolutifs remarquablement malléables dont le comportement peut être profondément remodelé par les mutations. «Nos travaux offrent un cadre de référence ainsi qu’un jeu de données permettant de concevoir des récepteurs allostériques et d’interpréter l’effet des variations de séquence génétique sur la signalisation cellulaire», explique -t-il. Ce cadre pourrait s’avérer particulièrement précieux pour l’agriculture en ouvrant la voie à une nouvelle génération de cultures résilientes face au changement climatique. «Plusieurs équipes universitaires et industrielles à travers le monde s’efforcent déjà de mieux comprendre et de moduler ces réponses moléculaires dans le contexte du changement climatique», conclut Max Stammnitz. Les chercheurs étendent actuellement leurs expériences de balayage mutationnel à grande échelle afin de comparer les caractéristiques dose-réponse des mutants dans plusieurs systèmes protéiques activés par des composés chimiques.
