Il y a plus de 30 ans, Diekmann et ses collègues ont observé pour la première fois que des changements dans la morphologie des vacuoles au sein des cellules de garde accompagnaient l’ouverture et la fermeture des stomates. Des expériences récentes suggèrent cependant que la compréhension traditionnelle des mécanismes de fusion des vacuoles, en particulier le rôle de métabolites spécifiques, pourrait être plus complexe qu’on ne le pensait auparavant.

Les stomates sont de petites ouvertures situées à la surface des feuilles, des tiges et d'autres organes végétaux. Ils jouent un rôle important dans la circulation de l'eau, du dioxyde de carbone et de l'oxygène vers et depuis la plante.

Une image des cellules à la surface de la feuille avec les pores stomatiques mis en évidence, ainsi que les cellules de garde de chaque côté des ouvertures.
Image microscopique de la surface d'une feuille avec plusieurs complexes stomatiques. Les pores stomatiques et les cellules de garde sont identifiés à l'aide de flèches.

Chaque stomate est flanquée de deux cellules spécialisées appelées cellules de garde, qui contrôlent leur ouverture et leur fermeture. Le gonflement des cellules de garde entraîne l'ouverture des stomates, tandis que le retour des cellules de garde à leur forme initiale entraîne leur fermeture. Le volume des cellules de garde peut augmenter de 1 à 2 cm. autant que 40% pendant l'ouverture !

L'ouverture des stomates se produit en réponse à des signaux environnementaux tels que la lumière, l'humidité et la concentration en dioxyde de carbone. Par exemple, les stomates ont tendance à s'ouvrir pendant la journée lorsque la lumière est disponible pour la photosynthèse et à se fermer la nuit ou en cas de sécheresse. Lorsque les stomates sont fermés, les vacuoles des cellules de garde sont nombreuses et fragmentées, tandis que, lorsque les stomates sont ouverts, les cellules de garde contiennent une seule grande vacuole. Notamment, la vacuole la fusion membranaire est nécessaire pour l'ouverture complète des stomates.

Une figure à six panneaux. Les trois panneaux supérieurs montrent des diagrammes schématiques de stomates fermés, de stomates à moitié ouverts et de stomates ouverts. Les trois panneaux inférieurs correspondants montrent ces stades sous forme d'images obtenues par microscopie confocale à balayage laser. Le noyau et la vacuole des cellules de garde sont étiquetés.
Dynamique vacuolaire des cellules de garde pendant le mouvement stomatique représentée par (a) un diagramme schématique et (b) des images obtenues par microscopie confocale à balayage laser. N, noyau ; V, vacuole. Figure adaptée de Gao et al. 2009.

Le cadre théorique dominant pour la série de processus moléculaires conduisant à la fusion des vacuoles végétales est le suivant : après l'apparition du signal d'ouverture des pores :

  1. PI3P recrute HOPS sur la membrane de la vacuole ;
  2. HOPS relie une paire de vacuoles et chaperonne les protéines SNARE situées sur la membrane de la vacuole pour se lier et former un super-complexe HOPS:trans-SNARE ; et
  3. le nouveau supercomplexe fusionne les membranes des vacuoles et le HOPS est libéré pour catalyser d'autres fusions (Fig. 1).
Diagramme schématique montrant les 3 étapes de la fusion des vacuoles végétales. Une fois le signal d'ouverture des pores donné, l'étape 1 est le recrutement où PI3P recrute HOPS sur la membrane de la vacuole. L'étape 2 est le chaperonnage où HOPS attache une paire de vacuoles et chaperonne les protéines SNARE situées sur la membrane de la vacuole pour se lier et former un super-complexe HOPS:trans-SNARE. L'étape 3 est la fusion où le nouveau super-complexe fusionne les membranes des vacuoles et HOPS est libéré pour catalyser d'autres fusions.
Un diagramme schématique du cadre théorique dominant pour la série de processus moléculaires conduisant à la fusion des vacuoles végétales.

Les « complexes protéiques » sont des assemblages de deux ou plusieurs protéines qui interagissent entre elles pour remplir une fonction biologique spécifique. Le préfixe «trans« fait référence à des complexes protéiques situés sur différentes membranes, tandis que «Cis" indique que les protéines sont sur la même membrane. Par conséquent, lorsque les protéines SNARE sont réunies par HOPS et interagissent, elles forment une trans-Complexe SNARE ; après la fusion de la membrane, ils deviennent un Cis-Complexe SNARE.

Les résultats d’une expérience remettent en cause le cadre actuel.

Vacuoles de feuilles exposées au métabolite wortmannin (c'est-à-dire au traitement wortmannin) qui élimine le PI3P, continuer à fusionnerÉtant donné que le PI3P est considéré comme essentiel au recrutement des HOPS, on pourrait s'attendre à ce que l'élimination du PI3P de ce système entrave la capacité de la cellule à fusionner les vacuoles.

Les scientifiques se sont-ils trompés dans leur explication du rôle des métabolites dans le processus de fusion des vacuoles ?

Un récent article in silico Les plantes ont cherché à expliquer ce phénomène. Le Dr Charles Hodgens, chercheur postdoctoral, anciennement à l'Université du Tennessee-Knoxville et maintenant à l'Université d'État de Caroline du Nord, a dirigé une étude qui a développé et testé la faisabilité d'un cadre théorique alternatif sur le mode d'action de HOPS et PI3P dans la fusion des vacuoles végétales.

Les auteurs ont émis l’hypothèse que l’élimination de HOPS du super-complexe HOPS:trans-SNARE pourrait être cruciale pour la fusion, ce qui signifie que HOPS pourrait à la fois favoriser et inhiber la fusion des vacuoles. Pour confirmer cela, ils devaient identifier une protéine capable de remplacer HOPS. Ne trouvant aucune preuve dans la littérature végétale, ils se sont tournés vers la levure pour trouver des indices. Cela les a conduits à la protéine candidate Sec17, connue pour son rôle dans la fusion membranaire de la levure.

Les auteurs ont ensuite cherché à confirmer la présence de Sec17 dans les plantes. Ils ont obtenu la séquence d'acides aminés de Sec17 et ont effectué des recherches dans la base de données sur les protéines. BLASTP pour la séquence correspondante dans les plantes. Ils ont trouvé une séquence correspondante pour une protéine trouvée dans les cellules de garde, suggérant qu'elle remplit probablement la même fonction ou une fonction similaire dans les plantes.

Cette découverte a soutenu leur hypothèse et les a incités à proposer un nouveau cadre théorique pour les processus moléculaires conduisant à la fusion des vacuoles végétales.

Le cadre est le suivant :

  1. HOPS est recruté à la vacuole par PI3P ;
  2. HOPS attache une paire de vacuoles et chaperons leurs protéines SNARE pour former un super-complexe HOPS:trans-SNARE ;
  3. HOPS empêche l'activité de fusion en entrave l'accès de la Sec17. Aaprès que le signal d'ouverture des pores se produit;
  4. Sec17 réduit l'affinité de liaison entre HOPS et trans-SNARE ;
  5. HOPS est déplacéet
  6. le trans-SNARE fusibles les membranes des vacuoles.
Diagramme schématique montrant les 6 étapes de la fusion des vacuoles végétales. Avant le signal d'ouverture faible, l'étape 1, le recrutement, et l'étape 2, le chaperonnage, se produisent comme dans le diagramme précédent. L'étape 3 montre que HOPS empêche l'activité de fusion en entravant l'accès de Sec17. L'étape 4 se produit après que le signal d'ouverture des pores est donné. Sec17 réduit l'affinité de liaison entre HOPS et trans-SNARE. L'étape 5 est le déplacement de HOPS. L'étape finale est la fusion des membranes des vacuoles par le trans-SNARE.
Un diagramme schématique du nouveau cadre théorique pour la série de processus moléculaires conduisant à la fusion des vacuoles végétales.

Les auteurs ont testé la validité de ce cadre à l'aide d'un modèle de simulation de la dynamique de fusion des vacuoles qu'ils ont développé. Ce modèle intègre les connaissances établies sur les mécanismes moléculaires impliqués dans la fusion des vacuoles avec des observations de la morphologie des vacuoles. Ces observations ont été faites par les auteurs, qui ont effectué des analyses microscopiques pour observer l'état et la vitesse de fusion des vacuoles dans des cellules vivantes.

Le modèle a prédit le même résultat que celui observé, confirmant que les processus moléculaires décrits par leur cadre étaient exacts.

Après avoir confirmé que la présence de HOPS dans le super-complexe HOPS:trans-SNARE inhibe la fusion des vacuoles à l'aide du modèle, les auteurs ont spéculé sur la raison pour laquelle le traitement à la Wortmannine n'empêche pas la fusion des vacuoles. Après exposition à la Wortmannine, sans que PI3P ne recrute HOPS, le super-complexe HOPS:trans-SNARE qui inhibe la fusion des vacuoles ne se forme. Cependant, Sec17 continue de réduire l'affinité de liaison entre HOPS et trans-SNARE des super-complexes HOPS:trans-SNARE existants au même rythme, ce qui provoque la dissociation de HOPS du super-complexe et entraîne la fusion des vacuoles.

Ce travail démontre la valeur des modèles dans l’évaluation des cadres théoriques pour améliorer notre compréhension des fonctions biologiques.

LIRE L'ARTICLE:

Charles Hodgens, DT Flaherty, Anne-Marie Pullen, Imran Khan, Nolan J English, Lydia Gillan, Marcela Rojas-Pierce, Belinda S Akpa, Inférence basée sur un modèle d'un double rôle pour HOPS dans la régulation de la fusion des vacuoles des cellules de garde, in silico Plants, 2024 ;, diae015, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diae015

Le code utilisé pour effectuer les analyses de cet article est disponible à l'adresse https://gitlab.com/hodgenscode/hodgens2023.