Thème 1

Figure 1

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Figure 2

 

Figure 2

Généralités

Le chloroplaste, véritable usine à photosynthèse des algues et des plantes terrestres, provient d’une cyanobactérie capturée par une cellule eucaryote primitive voici environ 1,5 milliards d’années. De même, la mitochondrie, qui fournit en énergie la plupart des cellules eucaryotes grâce à la respiration aerobie, a pour origine une α-protéobactérie capturée voici 2 milliards d’années environ. Au cours des âges, les génomes de ces organelles ont perdu la plus grande partie de leur capacité codante: aujourd’hui, celle-ci se limite à 50 à 200 protéines pour le chloroplaste, et 3 à 67 protéines pour la mitochondrie. Ainsi chez l’algue verte Chlamydomonas reinhardtii le génome chloroplastique ne code-t-il plus que pour quelques-unes des protéines nécessaires à la transcription et la traduction du génome, pour une partie des constituants de chacun des complexes photosynthétiques, et pour quelques autres protéines. Pourtant, les organelles ne contiennent pas moins de protéines différentes que les bactéries libres, ce qui montre que la plupart de ces protéines sont codées par le génome nucléaire. Malgré tout, l’expression génétique dans les organelles conserve un caractère typiquement bactérien, car la plupart des gènes impliqués sont en réalité des gènes bactériens ancestraux transférés dans le noyau. Ainsi, l’ARN polymérase du chloroplaste de C. reinhardtii est un heteropentamère (α2ββ'σ) très similaire à l’enzyme de Escherichia coli, et les ribosomes qui traduisent les ARNm sont aussi typiquement bactériens. De même, plusieurs des endo- ou exoribonucléases qui maturent ou dégradent les ARNm chez E. coli ou Bacillus subtilis ont-elles des orthologues dans le chloroplaste. Bien que nos connaissances là-dessus soient limitées, on en déduit que les schémas de dégradation ou de maturation des ARNm chez les organelles doivent ressembler à ce qu’on connait chez les bactéries.

            Néanmoins, du point de vue de l’expression génétique, les organelles diffèrent de leurs ancêtres bactriens par un aspect essentiel: il existe en effet des mécanismes de régulation qui permettent à la cellule eucaryote de contrôler l’expression de son ancien symbiote. Par exemple, l’expression de chacun des gènes du chloroplaste est sous le contrôle de facteurs spécifiques, codés par le noyau, et qui modulent la stabilité et la traductibilité de l’ARNm correspondant. En revanche, la séquence de Shine-Dalgarno, si importante pour la traduction des ARNm bactriens, est absente dans plus de 70% des gènes du chloroplaste.

            L’axe 1 de DYNAMO se propose de comparer l’expression génétique chez les organelles et chez les bactéries contemporaines. L’un des projets a pour but de caractériser la machinerie de dégradation des ARNm chez le chloroplaste, et d’étudier les différentes voies de dégradation. Une autre démarche consiste à établir les ressemblances et les différences entre la régulation post-transcriptionnelle de l’expression génétique chez les bactéries et chez les chloroplastes.

 

Evolution des ribonucléases, des bactéries aux chloroplastes.

            La RNase J est une importante RNase présente dans une grande partie du monde bactérien ainsi que chez le chloroplaste. L’enzyme de B. subtilis, découverte dans les laboratoires de Harald Putzer et Ciaran Condon (FRE3630), est la première exoribonucléase 5’->3’ jamais identifiée chez chez une bactérie. La structure de cet enzyme est illustrée en haut à gauche de la Figure 1, tandis qu’à à droite on voit le détail du site actif complexé avec le nucléotide UMP.  Cette dernière image suggère comment cet enzyme peut agir comme une exonucléase 5’->3’. En dessous, on compare schématiquement les structures des enzymes de B. subtilis et du chloroplaste de C. reinhardtii. Les laboratoires de Harald Putzer (FRE3630) et de Francis-André Wollman (UMR7141) travaillent actuellement à caractériser ce dernier enzyme. Ce projet est notamment confié à Anna Liponska, étudiante en thèse (photo), ainsi qu’à Loreto Suay, chercheur Post-doctoral, toutes deux sous contrat DYNAMO.

            La protéine YacP  est une RNase de fonction inconnue, conservée chez les bacilli, les cyanobactéries, et le chloroplaste des plantes supérieures (Figure 2, en bas à gauche). La partie haute de la figure montre que, chez B. subtilis, yacP est environné de gènes impliqués dans la traduction, ce qui nous conduit à penser que la protéine intervient dans la maturation ou la dégradation d’un ARN lui-même impliqué dans la traduction. La structure de l’enzyme (au milieu en bas) a été résolue par Jérémie Pinton dans le laboratoire de C. Condon (FRE3630), tandis que Magali Leroy (en bas à droite), chercheur Post-doctoral sous contrat DYNAMO dans le même laboratoire, s’efforce actuellement de caractériser les protéines YacP de diverses origines. Le but est de déterminer quel est le substrat naturel de cette enzyme, et quelles sont les bases de sa spécificité.

 

Régulation post-transcriptionnelle de l’expression génétique chez les bactéries et les chloroplastes.  

            Les gènes du chloroplaste de C. reinhardtii s’expriment sous le contrôle de facteurs d’origine nucléaire, appelés «M» et «P», qui sont présents en quantité limitée et sont nécessaires à la stabilité (pour les facteurs M) ou la traductibilité (pour les facteurs T) des ARNm correspondants (Figure 3). On pense que les facteurs M agissent comme des barrières spécifiques contre des endonucléases 5’->3’ (la RNase J?); les facteurs T, eux, activeraient la traduction en éliminant des structures d’ARN défavorables au démarrage de la traduction, ou bien en liant directement le ribosome chloroplastique à la manière de la séquence de Shine-Dalgarno. Nous cherchons actuellement à mieux caractériser les facteurs M et T en reproduisant leur action in vivo chez les bactéries modèles E. coli et B. subtilis, où l’activation traductionnelle ou la protection contre les exonucléases 5’->3’ (chez B. subtilis) sont des phénomènes déjà décrits. Ce projet fait l’objet d’une collaboration entre les chercheurs des Unités CNRS FRE3630 et UMR7141. Il a été notamment confié à Agata Staszak, étudiante Erasmus sous contrat DYNAMO; nous proposons actuellement un second projet ERASMUS sur le même thème

Figure 3Figure 3


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