Les plastoglobules (PG) sont des particules lipoprotéiques présentes dans les chloroplastes.
Elles sont riches en lipides non polaires (triacylglycérols, esters) ainsi qu’en prenylquinones, plastoquinone et tocophérols.
Les plastoglobules sont souvent associés aux membranes des thylakoïdes, ce qui suggère un échange de lipides avec les thylakoïdes.
Ultrastructure d’un chloroplast d’Arabidopsis thaliana (à gauche) et visuel de la structure d’un plastoglobule (PG, à droite) par microscopie électronique
Des protéines appelées plastoglobulines (PGL) ou PAP/fibrillines sont associées à la surface stromale des plastoglobules.
Ces protéines régulent probablement la structure des plastoglobules et sont très abondantes, en particulier dans les chromoplastes.
Modèle de la structure d’un plastoglobule
Nous utilisons la génétique moléculaire et des techniques biochimiques pour étudier la fonction et le ciblage de ces protéines.
Protoplaste exprimant une fusion entre pGL-YFP (couleur verte) et – CFP (couleur bleu) en microscopie confocal à fluorescence. La couleur rouge représente l’auto-fluorescence de la chlorophylle
Des facteurs physiologiques tels que la sénescence et le stress environnemental entraînent une augmentation de la taille et du nombre des plastoglobules. Cependant, la fonction moléculaire des plastoglobules dans ces processus n’est pas connue.
Afin de comprendre les fonctions moléculaires des plastoglobules, nous avons utilisé le système modèle d’Arabidopsis et analysé le protéome des plastoglobules. En plus des plastoglobulines, nous avons identifié des enzymes impliquées dans le métabolisme des sucres et des lipides (Vidi et al., 2006).
L’enzyme tocophérol cyclase (VTE1), notamment, a été identifiée comme un composant du plastoglobule. De plus, il a été démontré que les plastoglobules représentent le principal site d’accumulation du tocophérol chez Arabidopsis.
La destination finale du tocophérol est très probablement la membrane des thylakoïdes, où l’on pense qu’il empêche la dégradation oxydative des acides gras en piégeant les espèces réactives de l’oxygène. La présence de VTE1 et de tocophérols, associée à l’augmentation de la taille et du nombre de plastoglobules, fournit une explication moléculaire du rôle des plastoglobules dans des conditions de stress oxydatif.
Professeur | Prof. Felix Kessler |
Post-Doc | Venkatasalam Shanmugabalaji, |
PhD students | Bressoud Ségolène, Turquand Maud |
Master student |
La lumière déclenche chez les plantes un programme de développement qui les rend photoautotrophes. Une étape clé de ce processus est la biogenèse des chloroplastes à partir de proplastides indifférenciés. L’assemblage de l’appareil photosynthétique nécessite l’importation d’environ 2 000 protéines différentes codées par le noyau. Les protéines nucléaires codées sont synthétisées dans le cytosol sous forme de précurseurs avec un peptide de ciblage N-terminal (peptide de transit) et doivent être importées dans le chloroplaste naissant.
Développement des étioplastes (à gauche) en chloroplastes (à droite).
Photo : T. Kleffmann (Institut des sciences végétales ETH Zürich)
Le chloroplaste est entouré d’une enveloppe constituée de deux membranes. Les deux membranes contiennent des translocons qui facilitent l’importation des protéines précurseurs. Ces translocons sont appelés complexes Toc (translocon de la membrane externe du chloroplaste) et Tic (translocon de la membrane interne du chloroplaste). Le complexe Toc est constitué de trois composants principaux formant un complexe stable. Toc159 (le nombre indique la masse moléculaire en kD) et Toc34 sont des protéines membranaires intégrales exposées à la surface et se liant au GTP. Les deux protéines partagent un domaine de liaison au GTP hautement conservé. Les données disponibles indiquent que les deux protéines agissent de concert pour reconnaître le peptide ciblant le chloroplaste. On pense que Toc159 agit en tant que récepteur primaire des séquences de transit. Un modèle alternatif dans lequel Toc34 fonctionne comme récepteur primaire et Toc159 comme moteur de translocation dépendant du GTP a également été proposé. Toc75, le troisième composant, forme au moins une partie d’un canal hydrophile à travers lequel les précurseurs sont transloqués à travers la membrane externe. Les travaux de notre laboratoire visent à élucider la fonction de la Toc-GTPase en utilisant une combinaison de méthodes in vivo et in vitro.
Modèle d’importation de protéines dans les chloroplastes. En bleu, le cytosol. En blanc, l’enveloppe du chloroplaste. En vert, le stroma.
Les preuves accumulées par un certain nombre de groupes suggèrent le modèle suivant pour la machinerie d’importation des protéines du chloroplaste : la protéine précurseur est synthétisée dans le cytosol avec un peptide de transit à l’extrémité N. Dans une première étape indépendante de l’énergie, le précurseur se lie à Toc159. Dans une première étape indépendante de l’énergie, le précurseur se lie à Toc159. Dans une deuxième étape nécessitant de l’ATP et du GTP, le précurseur traverse la membrane externe et rencontre les composants du complexe Tic à la surface de la membrane interne. Dans une troisième étape nécessitant de l’ATP, le précurseur traverse les deux membranes simultanément.
Quelle est l’importance physiologique des composants de la machinerie d’importation des protéines du chloroplaste ?
Nous avons récemment isolé un mutant d’Arabidopsis, appelé ppi2 (plastid protein import mutant 2), qui est dépourvu d’atToc159. Comparés aux chloroplastes de type sauvage, les plastides ppi2 ressemblent à des proplastides indifférenciés dépourvus de membranes thylakoïdes et de granules d’amidon.
Phénotype du mutant ppi2 d’Arabidopsis thaliana
Nous avons analysé la distribution de l’atToc159 entre la fraction soluble et la fraction chloroplastique. A notre grande surprise, atToc159 était présent dans les deux fractions. L’expression transitoire d’une fusion GFP dans des protoplastes d’Arabidopsis confirme ce résultat. Nous pouvons voir que la fusion GFP est concentrée à la surface du chloroplaste, mais qu’elle est également présente dans le cytosol entourant la vacuole.
Formes soluble et membranaire externe de Toc159.
Les données montrent que l’atToc159 existe à la fois sous une forme soluble et sous une forme liée à la membrane. Nous émettons l’hypothèse que l’atToc159 peut passer d’une forme à l’autre et que ce cycle peut être contrôlé par le GTP.
Modèle pour l’initiation de l’importation de précurseurs au niveau de la membrane externe du chloroplaste.
Les protéines Tic110, -62, -55, -40, -22 et -20 ont été identifiées comme des composants de la machinerie d’importation au niveau de la membrane de l’enveloppe interne. La Tic110 a été trouvée en association avec un intermédiaire de translocation tardive, couvrant les deux membranes de l’enveloppe, ce qui suggère un rôle dans les étapes terminales de l’importation. Les protéines Tic55 et Tic62 ont été co-isolées avec la protéine Tic110 dans un complexe. Les deux protéines contiennent des éléments redox, ce qui suggère que l’importation de protéines peut être contrôlée par le potentiel redox des chloroplastes. Enfin, Tic20 et Tic22 se sont réticulées à des protéines précurseurs insérées de manière stable à travers la membrane externe du chloroplaste, mais n’ayant pas encore atteint le stroma du chloroplaste. Ces données suggèrent que Tic20 et Tic22 initient la translocation du précurseur entrant à travers la membrane interne. L’analyse in vivo de l’orthologue de la Tic20 chez Arabidopsis, atTic20, démontre que cette protéine joue un rôle dans la translocation des pré-protéines à travers la membrane de l’enveloppe interne.
Bien que la Tic110 soit un composant largement reconnu de la machinerie d’importation, la topologie et la fonction de la Tic110 sont controversées. La Tic110 est une protéine membranaire intégrale ancrée par un domaine transmembranaire composé de deux hélices transmembranaires prédites près de l’extrémité N-terminale de la protéine. L’extrémité C-terminale, large et d’environ 90 kD, serait largement a-hélique et ne contiendrait pas d’hélices a hydrophobes d’ancrage membranaire. Des rapports contradictoires ont été publiés concernant la topologie de la Tic110, arrivant à la conclusion que le domaine C-terminal s’étend soit dans le stroma, soit dans l’espace intermembranaire entre les deux membranes de l’enveloppe. Les interactions signalées avec les chaperons stromaux, cpn60 et ClpC, suggèrent que la Tic110 pourrait avoir pour fonction de coupler l’importation des protéines à leur repliement. En outre, il a été proposé que ClpC serve de moteur pour le transport des protéines à travers la membrane interne. Une autre fonction de la Tic110 a également été proposée. La Tic110 recombinante, incorporée dans des bicouches lipidiques, a montré une activité de canal influencée par les protéines précurseurs. La fonction de canal est attribuée au domaine C-terminal et laisse supposer qu’il contient des segments transmembranaires. Nos recherches actuelles se concentrent sur la fonction in vivo et biochimique de l’atTic110.
Professeur | Prof. Felix Kessler |
Post-Doc | Dr Shanmugabalaji Venkatasalam |
Doctorants | Gent Ballabani ; Maryam Forough |
Master | Mondragon Bruno |