Etudes des interactions entre les kinases TOR et DYRKs et évaluation de leur rôle dans le contrôle de la croissance et de la synthèse de lipides chez les plantes et les algues – TOR-DYRKcontrol

Dans un premier temps, nous avons réalisé de analyses génétiques (en utilisant notamment l’édition du génome), pharmacologiques et biochimiques pour caractériser la relation entre les kinases TOR et certaines kinases DYRK. Ainsi, nous avons confirmé que la DYRK YAK1 est une cible de TOR chez la plante modèle Arabidopsis et que sa phosphorylation est maintenue dans un mutant hyperactif de TOR. Afin d’identifier des cibles de YAK1, nous avons réalisé un crible de mutants chimiques qui révertent le phénotype de plantes surexprimant YAK1 et avons identifié les mutations causales par clonage positionnel. Cette approche génétique nous mène directement à la fonction des cibles potentiels de YAK1 vis-à-vis des différents rôles de cette kinase. Chez la microalgue Chlamydomonas, nous nous sommes focalisés sur une DYRK kinase impliquée dans l’accumulation de réserves (triacylglycérols et amidon). Nous avons développé une stratégie d’analyse globale des protéines produites dans le mutant par rapport au sauvage par protéomique pour identifier des cibles de DYRKP. Ces fonctions et cibles ainsi identifiées ont été caractérisées par des approches biochimiques, cellulaires et métabolomiques.

Ce travail nous a permis d’identifier deux cibles de YAK1 chez la plante modèle Arabidopsis : l’une qui régule la prolifération, et l’autre qui régule le métabolisme. Chez la microalgue Chlamydomonas, l’approche protéomique nous a permis d’identifier un rôle majeur de cette kinase dans la régulation de la prolifération via la synthèse de la paroi, et dans le métabolisme. De plus, nous avons participé au développement des approches d’édition du génome chez les plantes. Ces résultats ouvrent des perspectives vers des applications en biotechnologie et en agriculture et nous ont amenés à établir de nouvelles collaborations au niveau européen.

Ce projet a donné lieu à des publications scientifiques internationales dont 4 articles de recherche et 2 articles de synthèse sur le rôle des kinases TOR et DYRKs dans la régulation de la croissance et du métabolisme chez les plantes et les algues. De plus, d’autres articles sont en préparation. De nombreuses communications orales ont été effectuées et plusieurs congrès ont été co-organisés. Enfin, plusieurs actions de diffusion au grand public ont été entreprises (conférences, youtube, Fête de la Science, Festivals..)

Les microalgues et les feuilles de plantes sont des sources prometteuses d’acides gras et de triacylglycérol (TAG) pour les énergies alternatives (bioénergies) et pour la chimie verte. Cependant, la corrélation inverse entre la prolifération et l’accumulation de lipides compromet la productivité et est un verrou biologique majeur à lever. Il est donc nécessaire d’avoir une approche intégrative et d’étudier les voies de signalisation régulant l’équilibre entre la prolifération et l’accumulation de lipides, notamment les TAG. De plus en plus d’études montrent que la voie de signalisation de TOR (Target Of Rapamycin) est essentielle pour réguler la croissance et l’accumulation de TAG en réponse à la disponibilité en nutriments in chez les plantes et les algues. Des cribles génétiques réalisés récemment chez les plantes et les algues, nous amènent à proposer que les membres de la petite famille (3 à 5 membres) des kinases DYRKs (dual-specificity tyrosine-phosphorylation-regulated kinases) pourraient être des effecteurs essentiels de la régulation TOR-dépendante de la prolifération et de l’accumulation de lipides. D’une part, TOR contrôle la croissance cellulaire et la prolifération chez la plante modèle Arabidopsis par phosphorylation de la DYRK kinase YAK1 qui est un répresseur de croissance. D’autre part, deux DYRKs, TAR1 et DYRKP, régulent l’accumulation de composés de réserve (amidon et huile) chez l’algue verte Chlamydomonas. Notre hypothèse centrale est que les interactions entre les kinases DYRKs et TOR coordonnent l’accumulation de lipides et la prolifération cellulaire en réponse aux conditions environnementales (nutriments, lumière, …). Ce projet est organisé en trois Work-Packages (WP) et s’appuie sur d’importants résultats préliminaires. Le WP1 utilisera des méthodes biochimiques pour identifier les DYRKs qui sont phosphorées d’une manière dépendante de TOR et agissent donc en aval de TOR. Le WP2 est dédié aux relations fonctionnelles entre TOR et les DYRKs. Des mutants des DYRK et de TOR, ainsi que des doubles mutants, seront générés et phénotypés avec un accent particulier sur la teneur en lipides par rapport à la biomasse (plate-forme de lipidomique Heliobiotech). Des méthodes d’édition du génome récemment développées à l’aide de variants de la protéine CAS9 seront utilisées pour générer certains de ces mutants, en particulier ceux de Chlamydomonas porteurs de nouvelles mutations ponctuelles dans le gène TOR que nous avons identifiées chez Arabidopsis et qui pourront moduler l’activité de TOR. Enfin, au cours du WP3, nous développerons des cribles génétiques de suppresseurs de mutants dyrk, afin d’identifier les effecteurs des fonctions des DYRKs liées à la prolifération et à l’accumulation de TAG. Le projet de TOR-DYRKcontrol rassemble trois partenaires avec des expertises complémentaires sur la signalisation de TOR, la biochimie, le métabolisme des lipides, la génétique, l’édition du génome et la biologie des plantes et des algues. L’utilisation de plantes et d’algues devrait éclaircir les aspects évolutifs de la voie de signalisation de TOR, et combler les lacunes sur le manque de connaissances à travers différentes lignées évolutives. Ce projet permettra de faire progresser nos connaissances dans la compréhension de la synergie entre la voie de TOR, la croissance cellulaire et le stockage du carbone, et permettra l’utilisation ultérieure de ces connaissances pour créer des algues et/ou des plantes ayant une meilleure productivité en lipides. Ainsi, ce projet aborde deux questions sociétales cruciales, la pénurie d’énergie et le réchauffement climatique. Il contribuera à l’émergence d’une économie verte, en remplaçant les ressources fossiles par des ressources renouvelables pour la production de lipides pour l’alimentation, la chimie et les transports, tout en réduisant l’impact de la surproduction de CO2 sur le réchauffement climatique.