Les plantes sont à l’origine des découvertes fondamentales sur le métabolisme

Les plantes sont à l’origine des découvertes fondamentales sur le métabolisme

Une petite herbe révèle une connexion chimique inattendue entre les voies hormonales

LA JOLLA, CA — Vous pourriez penser que vous n'avez rien en commun avec la moutarde, si ce n'est les hot-dogs. Pourtant, grâce à des recherches sur une plante de la famille des moutardes, des scientifiques de Salk ont découvert une explication possible à la façon dont les organismes, dont les humains, régulent directement les réactions chimiques qui ajustent rapidement la croissance des organes. Ces découvertes bouleversent les conceptions conventionnelles sur la coordination de la croissance des différentes parties du corps, et ouvrent la voie au développement de plantes plus productives et de nouvelles thérapies pour les maladies métaboliques.

Métabolisme Le terme « enzyme » désigne l'ensemble des réactions chimiques du corps qui régissent les processus vitaux fondamentaux : naissance, croissance, reproduction, digestion, perception sensorielle, etc. Ces réactions sont orchestrées et accélérées par des machines moléculaires appelées enzymes. Jusqu'à présent, on pensait que chaque fonction métabolique nécessitait une voie enzymatique distincte. Pour compliquer encore les choses, les scientifiques se sont concentrés presque exclusivement sur l'activation et la désactivation des gènes comme moyen de régulation de chaque étape de la voie, un peu comme attendre la commande puis la fabrication d'une pièce avant de pouvoir démarrer un moteur.

Dans un article paru cette semaine Nature Biologie chimique, Les scientifiques de Salk et les chercheurs de l'Institut médical Howard Hughes Joanne chory et Joseph P. Noël et leurs collègues démontrent que les étapes métaboliques peuvent être beaucoup plus rationalisées et interconnectées. De manière inattendue, deux voies distinctes, initialement considérées comme contrôlées uniquement par des commutateurs génétiques, peuvent être reliées par des canaux enzymatiques, leur permettant de partager rapidement d'abondants éléments constitutifs pour deux messages chimiques distincts appelés hormones. Ces hormones sont produites dans une partie du corps en réponse aux changements environnementaux et modifient rapidement la croissance dans d'autres parties. Souvent, au moins deux hormones sont nécessaires pour ajuster rapidement la croissance de différents tissus en réponse à un événement unique.

En sentant la menace de l'ombre d'une plante voisine, Arabidopsis thaliana Les plantes allongent rapidement différents tissus en augmentant leurs niveaux d'hormones de croissance. Cette croissance est régulée par l'enzyme VAS1. Comme le montre la photo de droite, les plantes dépourvues de VAS1 réagissent de manière exagérée à l'ombre.

Les chercheurs postdoctoraux de Salk, Yongxia Guo (à gauche) et son mari Zuyu
Zheng, examinez les plantes Arabidopsis.

Photos : Avec l'aimable autorisation du Salk Institute for Biological Studies

« Les gènes sont les manuels d'instructions qui expliquent comment les cellules construisent des enzymes spécifiques dans une voie, mais si vous devez attendre que de nombreuses enzymes soient produites au bon moment et au bon endroit pour produire plusieurs hormones essentielles, la réponse aux changements environnementaux comme la lumière est trop lente », explique le généticien Chory, titulaire de la chaire Howard H. et Maryam R. Newman en biologie végétale. « Il est logique, d'un point de vue biologique, qu'il existe un moyen plus rapide et plus direct de coordonner et de produire ces messages chimiques. »

Bien que de tels détails puissent paraître abstraits, ces connaissances biochimiques fondamentales sont fondamentales pour le développement de meilleures cultures et de meilleures thérapies contre les maladies, y compris la sélection de plantes plus adaptées aux environnements difficiles et la découverte de nouveaux médicaments, explique le biochimiste Noel, titulaire de la chaire Arthur et Julie Woodrow.

« Il est essentiel de comprendre les étapes que suivent les corps, végétaux ou animaux, pour construire et traiter l’information chimique afin de produire plus de nourriture et de traiter les maladies métaboliques », explique-t-il.

Zuyu Zheng et Yongxia Guo, chercheurs postdoctoraux chez Chory, Noel et Salk, co-auteurs principaux de l'article, ont fait leur découverte en étudiant l'arabette de Thalie (Arabidopsis thaliana), une petite plante aux minuscules fleurs blanches qui pousse à l'état sauvage dans une grande partie du monde. L'arabette de Thalie est devenue un modèle de recherche essentiel pour les scientifiques qui étudient la génétique et le métabolisme, car elle atteint sa maturité en seulement six semaines et ses gènes peuvent être rapidement analysés pour déterminer les instructions qu'ils transmettent à la plante. Cela permet aux chercheurs d'identifier rapidement les gènes qui régulent la production de protéines et d'enzymes essentielles au métabolisme. Ces informations fondamentales peuvent ensuite être utilisées pour améliorer les plantes cultivées et les traitements contre les maladies.

Lorsque le sommet d'une plante est à l'ombre, deux parties de la plante ajustent rapidement leur rythme de croissance, lui permettant ainsi de rivaliser pour la lumière du soleil. La tige, ou tronc, s'allonge rapidement, souvent en quelques heures seulement, pour éviter d'être piégée par l'ombre. Une autre partie, le tissu appelé « pétiole », qui relie une feuille à la tige, s'allonge également en cherchant le soleil. Ensemble, ces deux organes permettent à la plante d'effectuer plus efficacement la photosynthèse, qui transforme la lumière et le dioxyde de carbone en nutriments essentiels à la vie.

La croissance des deux parties est contrôlée par deux voies métaboliques distinctes qui produisent deux hormones chimiques bien distinctes. La croissance de la tige est déclenchée par l'auxine, tandis que celle du pétiole est stimulée par l'éthylène. Notre corps utilise des hormones dans des voies de croissance similaires, qui suivent les mêmes règles métaboliques complexes.

Zheng et Guo ont découvert l'existence d'une enzyme, appelée VAS1, qui fonctionne comme un canal entre les voies de l'auxine et de l'éthylène. À l'instar du canal de Panama, VAS1 n'est pas un simple raccourci entre deux voies, mais un mécanisme de régulation qui régule simultanément les niveaux de ces deux hormones, garantissant ainsi une croissance équilibrée et sans incontrôlabilité des différentes parties de la plante. Grâce à VAS1, il n'est plus nécessaire d'attendre que les gènes s'activent et se désactivent pour produire ces hormones de manière coordonnée.

Ces minuscules plantes nous ont ouvert une nouvelle perspective sur la coordination du métabolisme chez toutes les espèces, explique Chory. « L'évolution est conservatrice », explique-t-elle. « Si l'on découvre un mécanisme dans un système, il y a de fortes chances qu'on le retrouve rapidement dans toute la nature. »

Noel est d'accord et ajoute : « Nous avons montré qu'il est nécessaire de repenser sérieusement la sagesse conventionnelle sur la façon dont les processus métaboliques sont synchronisés et sur la façon dont cette synchronisation échoue dans la maladie. »

Les autres chercheurs ayant participé à l'étude étaient : Xinhua Dai et Yunde Zhao, de l'Université de Californie à San Diego ; Ondrej Novak, de l'Université suédoise des sciences agricoles, Umeå, Suède, et de l'Université Palacky et de l'Académie des sciences de la République tchèque, Olomouc, République tchèque ; et Karin Ljung, de l'Université suédoise des sciences agricoles, Umeå, Suède.

Le travail a été soutenu par le Institut médical Howard Hughes, le National Institutes of Health, le National Science Foundation, l'Agence de subventions interne de l'Université Palacky en République tchèque, l'Agence de subventions de l'Académie des sciences de la République tchèque, l'Agence gouvernementale suédoise pour les systèmes d'innovation et le Conseil suédois de la recherche.

À propos du Salk Institute for Biological Studies :
Le Salk Institute for Biological Studies est l'un des principaux instituts de recherche fondamentale au monde. Des professeurs de renommée internationale y explorent des questions fondamentales des sciences de la vie dans un environnement unique, collaboratif et créatif. Axés à la fois sur la découverte et sur l'encadrement des futures générations de chercheurs, les scientifiques du Salk contribuent de manière révolutionnaire à notre compréhension du cancer, du vieillissement, de la maladie d'Alzheimer, du diabète et des maladies infectieuses en étudiant les neurosciences, la génétique, la biologie cellulaire et végétale, et les disciplines connexes.

Les réalisations de ses professeurs ont été récompensées par de nombreuses distinctions, dont des prix Nobel et des adhésions à l'Académie nationale des sciences. Fondé en 1960 par le Dr Jonas Salk, pionnier du vaccin contre la polio, l'Institut est une organisation indépendante à but non lucratif et un monument architectural.