Biogenèse du chloroplaste: fonction, régulation et structure de l’ARN-polymérase plastidiale et de ses protéines associées PAP – PEPRegulChloro3D

La principale source de bioénergie renouvelable sur Terre provient de la capacité des plantes à convertir l’énergie solaire en énergie chimique dans un processus appelé photosynthèse se produisant dans le chloroplaste. Cette conversion énergétique s’accompagne de la consommation de dioxyde de carbone et de la libération d’oxygène impactant l'atmosphère. Les plantes sont donc non seulement la principale source de nourriture sur Terre pour l’Etre humain (directement via la consommation de végétaux ou indirectement via l'alimentation des animaux), mais aussi la meilleure usine de recyclage des déchets animaux et des activités modernes de l'homme. Les plantes offrent également des fibres pour la construction, les vêtements, les biocarburants et toutes sortes de composés secondaires utilisés dans l'industrie et les produits pharmaceutiques. Nous soutenons l'idée que notre avenir dépendra de notre capacité à utiliser la photosynthèse pour résoudre des grands défis de l'humanité tels que la rareté anticipée et la qualité des aliments, le changement climatique et la pollution de l'environnement. Cela nécessite une compréhension approfondie de la biologie des chloroplastes, allant de l’étude de leur biogenèse à celle de leur maintenance et fonction dans les cellules photosynthétiques. Les chloroplastes sont des organites semi-autonomes contenant un ADN codant pour environ 75-80 protéines parmi lesquelles les 4 sous-unités rpo de l’ARN polymérase du plaste (PEP). Par conséquent, la plupart des 3500-4000 protéines du chloroplaste sont codées par des gènes nucléaires dont l’expression doit être coordonnée avec celle du génome des plastes. La biogenèse des chloroplastes nécessite une communication bidirectionnelle entre les deux compartiments cellulaires. Les signaux génétiques antérogrades provenant du noyau correspondent principalement aux protéines codées par le génome nucléaire traversant la machinerie d'import chloroplastique membranaire grâce à leurs peptides de transit chloroplastique (cTP). Dans l'autre sens, les signaux rétrogrades et leurs composantes génétiques restent peu connus. La biogenèse des chloroplastes dépend d’une cascade d’expression génique qui permet l'assemblage d’un complexe d'ARN-polymérase de 1,1 MDa (PEP). Aux 4 sous-unités rpo codées par le génome des plastes s’associent 12 protéines majeures (PAP) codées par le génome nucléaire. La mutation de gènes PAP donne des plantes albinos incapables d'effectuer la photosynthèse, ce qui indique que la formation du complexe PEP est indispensable à la biogenèse du chloroplaste. Au moins 4 PAP sont localisées à la fois dans les plastes et le noyau où elles pourraient former un complexe impliqué dans la signalisation rétrograde. Ces PAP possèdent un signal de localisation nucléaire (NLS) en plus du cTP. Des signaux jusque là inconnus pourraient donc transiter avec les protéines bi-localisées. Nos connaissances concernant la formation, la régulation et la dynamique du complexe PEP avec les PAP sont donc encore très limitées. Ainsi, nous proposons de développer une approche intégrée multi-échelles pour étudier la fonction de ce complexe et de ses sous-unités depuis leurs structures au niveau atomique jusqu’à leur fonction dans l'organisme entier. L’IBS, BIG et l’IGBMC-CERBM ont établi un partenariat qui combinera plusieurs approches complémentaires pour étudier la biogenèse du chloroplaste. En utilisant la biochimie, nous purifierons la PEP et les PAP pour les caractériser biophysiquement. En utilisant la génétique des plantes, nous étudierons les mutants PEP et PAP, leur fonction dans différents types cellulaires et organites, et la signalisation entre le noyau et le chloroplaste. En combinant la spectrométrie de masse, la cryo-microscopie électronique, la cristallographie aux rayons X et la RMN, nous résoudrons les structures 3D des PAP et de la PEP. Ce projet apportera des connaissances fondamentales qui peuvent potentiellement être appliquées en biotechnologie.