Vers un modèle intégratif de la bicouche lipidique de la membrane plasmique végétale – PLAYMOBIL

Purification et Analyse lipidomique complète de la membrane plasmique d'Arabidopsis thaliana
Développement de méthodes de digestion et de marquage des différentes familles de lipides couplées à des analyses lipidomique pour permettre la détermination de la composition de chacun des feuillets
Developpement de modèles moéculaires spécifiques des espsèces lipidiques identifiées et modelisation gros grains des feuillets sur la base des données obtenues concernant leur composition
Mise en oeuvre d'approches génétiques et pharmacologiques permettant d'analyser la répercussion de modifications ciblées de la compositions en lipides sur l'organisation de la membrane et les étapes précocoes de signalisation de défense des plantes

Ce projet a utilisé la plante modèle Arabidopsis thaliana pour en purifier la membrane cellulaire et réaliser l’analyse complète de sa composition en lipides et en protéines. Pour cela les méthodes de référence en protéomique ont été utilisées, ainsi qu’une combinaison innovante de techniques d’analyse lipidomique. Les analyses menées ont permis d’identifier la composition complète de la membrane plasmique végétale (plus de 400 espèces moléculaires de lipides et 2100 protéines différentes) et de mettre en lumière l’ajustement des caractéristiques des lipides et protéines au sein de la membrane. Des méthodes de digestion enzymatiques sélectives et l’utilisation de sondes spécifiques ont permis d’avancer vers l’identification des lipides présents sur chacun des feuillets, montrant pour certains d’entre eux une asymétrie de leur répartition. Les caractéristiques biophysiques de chaque feuillet ont été analysées en utilisant des sondes fluorescentes dont les propriétés dépendent de l’organisation des molécules entre elles, et en développant des protocoles permettant de les adresser spécifiquement à l’un ou l’autre des deux feuillets de la membrane. Ces approches ont démontré que le feuillet externe de la membrane était plus ordonné que le feuillet interne. Les approches de modélisation atomistiques ont permis de produire la première structure de sphingolipides spécifiques des plantes (GlycosylInositolPhosphorylCeramides, GIPC) et d’analyser les déterminants moléculaires du couplage des chaines lipidiques entre feuillets. Les simulations tout atome des membranes, composées de PC, GIPC, PS et cholestérol (avec différentes longueurs de chaînes longues d’acides gras de GIPC et PS), ont permis de mettre en évidence une mobilité des GIPC du feuillet externe vers le feuillet interne, et donc de potentielles interactions avec des lipides du feuillet interne, pour toutes les simulations avec les différentes longueurs de chaînes de GIPC et PS. De plus, des analyses de densité des lipides ont permis de confirmer cette observation, avec le recouvrement, au-delà de la séparation des feuillets, des densités des feuillets externe et interne.

Le projet Playmobil a permis de mettre à la disposition de la communauté le répertoire le plus complet jamais proposé des lipides et protéines présents sur la membrane des cellules végétales. Il a permis des avancées significatives sur l’asymétrie de composition des feuillets de la membrane et a démontré pour la première fois qu’ils présentaient des propriétés physiques différentes. Enfin, il a posé les bases méthodologiques, pour produire, sur la base des résultats expérimentaux obtenus, un modèle réaliste de l’organisation de la bicouche lipidique de la membrane cellulaire.
Les résultats concernant le lipidome et le protéome de la membrane font l’objet d’une publication actuellement soumise. Les résultats concernant à la fois la partie expérimentale et les approches de modélisation visant à explorer le rôle des GIPC et de la PS dans le couplage des feuillets et la formation de domaines seront inclus dans une publication qu’il est prévu de soumettre au premier trimestre 2024. Les résultats concernant les propriétés physiques de chacun des feuillets de la membrane, leur composition propre ainsi que la production d’un modèle gros grain directement issu des données de l’expérimentation seront rassemblés dans une publication permettant de décrire l’asymétrie de la membrane, qui devrait être rédigée et soumise à l’été 2024.

1 Mamode-Cassim et al FEBS Lett. 2020 Nov;594(22):3719-3738. doi: 10.1002/1873-3468.13987
2 Mamode-Cassim et al JBC 2021, 296:100602. doi: 10.1016/j.jbc.2021.100602
3 Genva et al,, Plant J. 2023 Nov 8. doi: 10.1111/tpj.16525. A global LC-MS2 -based methodology to identify and quantify anionic phospholipids in plant samples
4 Bahammou et al MS ID#: BIORXIV/2023/540643 A combined lipidomic and proteomic profiling of Arabidopsis thaliana plasma membrane