Blanc SVSE 8 - Blanc - SVSE 8 - Biochimie, biologie moléculaire et structurale

Catabolisme oxidatif et activité hormonale de dérivés de l’acide jasmonique – JASMON'OX

Les secrets d’une hormone de plante au service de l’agriculture et de la santé humaine

Les modifications biochimiques de l’acide jasmonique, une pro-hormone végétale doivent être élucidées pour comprendre leur impact sur l’activité de signalisation dans le développement et l’adaptation des plantes.

Comprendre les mécanismes et fonctions des modifications de jasmonates

Les régulations hormonales régissent le développement des plantes et leur adaptation à l’ environnement. L’acide jasmonique (AJ), de structure proche de celles de prostaglandines animales, est une pro-hormone jouant des rôles importants dans le développement des plantes ainsi que dans le déploiement de réponses de défense à des infections microbiennes ou des attaques par des insectes. L’AJ est activé par conjugaison, qui forme l’hormone jasmonoyl-isoleucine (AJ-Ile), promouvant l’assemblage du co-récepteur COI1-JAZ, et l’élimination protéolytique des répresseurs transcriptionnels JAZ. Ce mécanisme permet la dé-répression coordonnée des réponses aux jasmonates. Nous avons démontré récemment par des approches génétiques et biochimiques que deux dérivés oxydés (12OH-AJ-Ile et 12COOH-AJ-Ile) sont générés à partir d’AJ-Ile par des membres de la famille CYP94 de cytochromes P450 au cours de la blessure foliaire (qui simule l’attaque d’insectes) et que leur formation constitue une voie majeure d’élimination de l’hormone AJ-Ile. L’objectif global du projet est de mieux caractériser les acteurs et processus conduisant à l’oxydation enzymatique de jasmonates et de décrire ses conséquences sur les réponses physiologiques AJ-dépendantes. Les stratégies proposées fourniront une meilleure connaissance des mécanismes qui gouvernent le catabolisme et l’homéostasie des jasmonates au cours des défenses et du développement des plantes.

Le projet intègre un ensemble d’approches techniques complémentaires, incluant la chimie de synthèse, la biologie moléculaire, la génétique, l’enzymologie, les analyses métaboliques, la phytopathologie…
La plupart des dérivés de l’AJ à l’étude ne sont pas commerciaux et seront préparés par le partenaire chimiste qui mettra en œuvre des stratégies de synthèse originales. Ces dérivés synthétiques sont requis pour de nombreux aspects du projet, notamment : i) l’identification de nouveaux dérivés d’AJ dans des extraits de plantes, ii) l’utilisation de standards internes, iii) l’utilisation comme substrats d’enzymes candidates.
L’exploration de l’oxydation de jasmonates fera appel à des analyses in vitro et in planta. D’une part, les gènes de cytochromes P450 candidats pour catalyser l’oxydation de jasmonates seront exprimés chez la levure et préparés sous forme de microsomes à incuber avec les composés substrats potentiels. D’autre part, l’analyse génétique sera menée avec des mutants d’Arabidopsis thaliana, chez lesquels les gènes d’intérêt sont inactivés par insertion. Le métabolisme et la signalisation des jasmonates seront stimulés par blessure mécanique ou infection foliaires. L’impact de l’oxydation de jasmonates sur la gestion métabolique et la signalisation de l’hormone sera étudié par analyse en chromatographie –spectrométrie de masse des profils de jasmonates comparés entre plantes sauvages et mutées.

Une nouvelle stratégie de synthèse a été élaborée afin d’accéder à un large panel de dérivés oxydés d’acide jasmonique énantiomériquements purs. Cette méthode très versatile a pour objectif d’être généralisable afin d’obtenir une collection de jasmonates conjugués à divers acides aminés.
Le projet est actuellement en phase de génération d’outils biochimiques et génétiques. Des lignées de plantes mutantes ont été acquises et validées. Les CYP94 sont exprimés chez la levure et sont disponibles pour des tests enzymatiques.

Le projet vise d’abord à augmenter notre connaissance des voies cataboliques oxydatives des jasmonates, indispensable pour comprendre la régulation métabolique d’une hormone au cours de l’adaptation ou du développement des plantes. Il fournira également des méthodes et outils pour produire de nouveaux jasmonates, qui pourront être testés pour leurs propriétés biologiques, par exemple pour protéger des cultures d’intérêt agronomique, ou étudier des effets anti-cancéreux potentiels, comme ceux déjà décrits pour le Méthyle-AJ.

Les premiers 6 mois ont été consacrés à la génération de nombreux outils moléculaires, à la base de la production scientifique future.

Les régulations hormonales sont cruciales pour le développement des plantes et leur adaptation aux changements des conditions environnementales. La génétique moléculaire combinée à des approches biochimiques et métaboliques a permis d’identifier des acteurs majeurs et les mécanismes régissant la biosynthèse, la perception et la signalisation de plusieurs hormones végétales. L’acide jasmonique (AJ) est l’une de ces hormones, jouant des rôles importants à la fois dans la reproduction et le développement des plantes ainsi que dans le déploiement de réponses de défense suite à des infections microbiennes ou des attaques par des insectes herbivores. L ‘AJ est synthetisé à partir d’acides gras et sa structure est proche de celles de prostaglandines animales.
Des avancées remarquables ont été obtenues récemment concernant la biosynthèse, la perception et la signalisation de l’AJ. Parmi les nombreux dérivés de l’AJ connus à ce jour, l’AJ conjugué à l’isoleucine (AJ-Ile) a été identifié comme étant la forme active fixant le récepteur COI1, une protéine à F-box. La liaison du ligand au récepteur promeut le recrutement de membres de la famille JAZ de répresseurs transcriptionnels vers leur dégradation protéolytique par le système ubiquitine-protéasome, ce qui entraîne la dé-répression coordonnée des très nombreuses cibles géniques régulées par la voie AJ. Par contraste, l’élucidation des mécanismes d’extinction de l’activité hormonale n’a été abordée que depuis très récemment. Des dérivés hydroxy- et carboxy-AJ-Ile s’accumulent en fin de signalisation et nous avons proposé que leur formation corresponde à une modification de l’activité hormonale de l’AJ-Ile.
Nous venons de démontrer par des approches génétiques et biochimiques que ces dérivés sont générés par des membres de la famille CYP94 de cytochromes P450 au cours de la blessure et que leur formation constitue une voie catabolique majeure de l’AJ-Ile. Sur la base de cette validation de l’hypothèse initiale, l’objectif global du projet est de caractériser les acteurs et processus conduisant à l’oxydation enzymatique de jasmonates et de décrire ses conséquences sur les réponses physiologiques AJ-dépendantes. Plus particulièrement, il s’agit de i) mettre à jour la diversité catalytique dans l’oxydation de jasmonates par les 6 enzymes de type CYP94 ; ii) déterminer les profils en jasmonates chez de nouveaux mutants cyp94 au cours d’infections microbiennes ou au cours de diverses étapes de développement ; iii) établir les propriétés de liaison au co-récepteur COI1-JAZ et de signalisation des dérivés oxidés de l’AJ-Ile ; iv) Exprimer et tester de nouvelles protéines candidates pour catalyser de nouvelles étapes dans la formation d’hydroxy-jasmonates non conjuqués. Les stratégies proposées fourniront une meilleure connaissance des mécanismes qui gouvernent le catabolisme et l’homéostasie des jasmonates au cours des défenses et du développement des plantes.

Coordinateur du projet

Monsieur Thierry Heitz (INSTITUT DE BIOLOGIE MOLÉCULAIRE DES PLANTES) – thierry.heitz@ibmp-cnrs.unistra.fr

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

LCOS - Université de Strasbourg Laboratoire de Chimie Organique et Synthétique
CNRS INSTITUT DE BIOLOGIE MOLÉCULAIRE DES PLANTES

Aide de l'ANR 319 904 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2012 - 36 Mois

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