Des scientifiques du Max Planck Institute for Plant Breeding Research (MPIPZ) et de l’Université de Cologne, en Allemagne, ont découvert un nouveau mécanisme biochimique expliquant comment les protéines immunitaires défendent les plantes contre les micro-organismes envahisseurs. Leurs conclusions sont publiées dans la revue Cellule.
Nous, les humains, comptons sur notre système immunitaire pour nous protéger des maladies causées par des micro-organismes nuisibles. De la même manière, les plantes développent également des réponses immunitaires lorsqu’elles sont envahies par des microbes nuisibles. Les acteurs clés de ces réponses immunitaires végétales sont les soi-disant récepteurs immunitaires, qui détectent la présence de molécules délivrées par des micro-organismes étrangers et déclenchent des réponses protectrices pour repousser les envahisseurs.
Un sous-ensemble de ces récepteurs immunitaires abrite des régions spécialisées appelées domaines du récepteur toll-interleukine-1 (TIR) et fonctionne comme des enzymes, des protéines spéciales qui décomposent la molécule nicotinamide adénine dinucléotide (NAD+), une petite molécule multifonctionnelle très abondante présente dans toutes les cellules vivantes. Répartition du NAD+, à son tour, active des protéines immunitaires supplémentaires, aboutissant finalement à la soi-disant « réponse hypersensible », un mécanisme de protection qui conduit à la mort des cellules végétales sur les sites de tentative d’infection comme moyen efficace de protéger la plante dans son ensemble. Cependant, des études ont montré que la dégradation du NAD+bien qu’essentiel, n’est pas suffisant pour la protection des végétaux, ce qui suggère que des mécanismes supplémentaires doivent être impliqués.
Les auteurs, dirigés par les auteurs correspondants, Jijie Chai, affilié au MPIPZ, à l’Université de Cologne et à l’Université Tsinghua de Pékin, en Chine, Paul Schulze-Lefert du MPIPZ et Bin Wu de l’École des sciences biologiques de Nanyang L’Université technologique de Singapour a examiné la fonction des protéines TIR et a pu montrer que ces récepteurs non seulement décomposaient le NAD+, mais possèdent curieusement une fonction supplémentaire – les domaines TIR traitaient également des molécules avec des liaisons phosphodiester, généralement présentes dans l’ARN et l’ADN, qui sont présentes dans les cellules principalement sous forme de grandes molécules linéaires à simple ou double brin. En utilisant l’analyse structurelle, les auteurs ont pu montrer que les protéines TIR forment différentes structures multiprotéiques pour la dégradation du NAD+ ou ARN/ADN, expliquant comment une même protéine peut remplir deux rôles. Pour cliver les molécules d’ARN/ADN, les protéines TIR suivent les contours des brins d’ARN/ADN et s’enroulent étroitement autour d’eux comme des perles sur un fil. La capacité des protéines TIR à former deux complexes moléculaires alternatifs est une caractéristique de toute la famille des récepteurs immunitaires. La forme exacte des protéines TIR dicte ainsi l’activité enzymatique respective.
Les auteurs ont ensuite montré que cette fonction elle-même n’était pas suffisante pour la mort cellulaire, suggérant que de petites molécules spécifiques générées par la dégradation de l’ARN et de l’ADN en étaient responsables. En utilisant la chimie analytique, les scientifiques ont pu identifier les molécules comme cAMP/cGMP (adénosine monophosphate cyclique/guanosine monophosphate cyclique), des nucléotides dits cycliques qui sont présents dans tous les règnes de la vie. Curieusement, plutôt que le 3′,5′-cAMP/cGMP bien caractérisé, l’analyse des auteurs a montré que les domaines TIR déclenchaient la production du soi-disant 2′,3′-cAMP/cGMP non canonique, énigmatique » cousins », dont les rôles précis n’ont jusqu’à présent pas été clairs. Lorsqu’ils ont réduit la production de 2′,3′-AMPc/GMPc médiée par le TIR, l’activité de mort cellulaire a été altérée, démontrant que les molécules de 2′,3′-AMPc/GMPc sont importantes pour la réponse immunitaire de la plante.
Si le 2′,3′-AMPc/GMPc favorise la mort cellulaire chez les plantes en réponse à une infection, il va de soi que leurs niveaux seraient étroitement contrôlés. En effet, les auteurs ont découvert qu’un régulateur négatif connu de la fonction TIR chez les plantes, NUDT7, agit en appauvrissant le 2′,3′-cAMP/cGMP. Des régulateurs négatifs similaires sont libérés par certains micro-organismes pathogènes lors de l’infection à l’intérieur des cellules végétales, et les scientifiques pourraient montrer que ces protéines pathogènes appauvrissent également le 2′,3′-cAMP/cGMP. Cela suggère que les micro-organismes envahisseurs ont développé des stratégies intelligentes pour désarmer le mécanisme de défense des plantes dépendant du 2′,3′-AMPc/GMPc à leur propre avantage.
Dongli Yu, l’un des trois co-premiers auteurs de cette étude, avec Wen Song et Eddie Yong Jun Tan, résume ainsi l’importance de son étude :
« Nous avons identifié un nouveau rôle pour le domaine TIR des récepteurs immunitaires dans la protection des plantes contre les infections. À l’avenir, l’identification et la caractérisation des cibles du 2′,3′-AMPc/cGMP proposeront de nouvelles stratégies pour rendre les plantes plus résistantes aux microbes nuisibles et contribuer ainsi à la sécurité alimentaire.. »
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