L’équipe Régulateurs floraux du laboratoire de Physiologie Cellulaire Végétale étudie les mécanismes qui contrôlent le développement des fleurs et analysent les modifications subies par ces régulateurs au cours de l’évolution. La protéine LEAFY (LFY) est un régulateur clé du développement floral et selon des théories de l’évolution, serait également l’acteur majeur à l’origine de la naissance des plantes à fleurs. Cette équipe vient d’obtenir la première structure 3-D du domaine de liaison à l’ADN de LEAFY chez la plante modèle Arabidopsis thaliana. Par une approche biochimique confirmée par la structure, l’équipe a montré que l’interaction ADN/protéine de type coopératif pourrait en partie expliquer la capacité de LEAFY à déclencher la transition florale.
Qu’elles soient sauvages ou cultivées, les plantes à fleurs (ou angiospermes) dominent le monde végétal actuel grâce aux avantages que confère la fleur sur le plan de la reproduction. Les fleurs sont pourtant d’origine relativement récente. Elles sont apparues sur terre voici « seulement » 150 millions d’années à une époque jusque-là dominée par les fougères et les gymnospermes comme le ginkgo ou le pin. Comme aucune plante vivante ou fossile intermédiaire entre les angiospermes et les gymnospermes n’a été identifiée, l’apparition des plantes à fleurs reste un des grands mystères de l’évolution. Une façon de tenter de résoudre cette énigme consiste à étudier les mécanismes moléculaires qui contrôlent le développement des fleurs actuelles et d’analyser ensuite les modifications qui ont été subies par ces régulateurs au cours de l’évolution.
Grâce à l’étude de plantes modèles comme Arabidopsis ou la gueule de loup, on connaît aujourd’hui le réseau de gènes qui provoque la floraison et bâtit le bourgeon floral. Au cœur de ce réseau se trouve le gène LEAFY (LYF). Lorsqu’il est inactivé, la plante devient incapable de produire des fleurs. Lorsqu’il est surexprimé, la floraison est très précoce et les tiges sont converties en fleurs terminales. Le gène LFY est intensément étudié chez diverses plantes : il code pour un facteur de transcription qui induit les gènes responsables de l’identité des organes floraux. Il est présent chez toutes les plantes terrestres, mais ne présente de similarité de séquence avec aucun facteur connu. Ainsi, malgré son rôle central, la protéine LFY est très peu caractérisée et les modalités de sa fixation à des séquences bien définies d’ADN sont toujours inconnues. L’apparition de LFY au cours de l’évolution ayant précédé celle des fleurs et il a été proposé qu’il ait pu jouer un rôle dans leur origine.
L’importance de ce facteur a poussé l’équipe Régulateurs floraux du laboratoire Physiologie Cellulaire Végétale à caractériser ses propriétés biochimiques et structurales, tout particulièrement celles de son domaine de liaison à l’ADN. Ces chercheurs ont montré que LFY se fixait de façon coopérative à l’ADN sous la forme d’un dimère. Ceci signifie que la liaison du second monomère de LFY à l’ADN est favorisée par la fixation d’un premier monomère. Cette propriété permet en partie d’expliquer comment LFY contrôle la transition florale, la coopérativité étant propice aux mécanismes dits de « switch ». Ces chercheurs ont également résolu la structure cristallographique (Figure) de ce domaine, complexé à ses cibles ADN dans le cadre d’une collaboration avec l’équipe de C. Müller (EMBL Grenoble, aujourd’hui à Heidelberg). LFY possède un mode particulier de reconnaissance de l’ADN qui rappelle, de façon inattendue, celui de certains régulateurs bien connus du développement animal, tels les facteurs à homéodomaine. L’obtention de cette structure a également permis de comprendre la base moléculaire de la coopérativité de liaison : le second monomère interagit à la fois avec l’ADN et avec le premier monomère déjà fixé ce qui explique sa meilleure affinité. La mutation de deux acides aminés impliqués dans l’interface entre monomères suffit à considérablement altérer la coopérativité de liaison in vitro et nous fournit maintenant un outil précieux pour étudier l’importance de cette coopérativité sur la transition florale.
Figure : Structure du dimère de LEAFY lié à l'ADN (en bleu)
Enfin, ces résultats offrent de nouvelles perspectives quant à l’évolution de la protéine LFY. Il devient désormais possible de repérer les acides aminés fonctionnellement importants (pour la reconnaissance de l’ADN ou la dimérisation) et qui ont évolué concomitamment avec l’apparition des fleurs. Il reste maintenant à montrer comment ces variations ont modifié la fonction de LFY et ont pu contribuer à faire émerger la structure florale.
RÉFÉRENCE
- Hamès C, Ptchelkine D, Grimm C, Thevenon E, Moyroud E, Gérard F, Martiel JL, Benlloch R, Parcy F, Müller CW. Structural basis for LEAFY floral switch function and similarity with helix-turn-helix proteins. The EMBO Journal, 2008, 27(19): 2628-2637