Ils décryptent les mécanismes d’un processus clé pour la biologie végétale et la performance des cultures

Dans une nouvelle étude, il a été possible de révéler des détails jusqu’alors inconnus sur un processus fondamental du développement des plantes, qui affecte le rendement des cultures d’intérêt agronomique. Il s’agit du traitement des microARN, de petites molécules (présentes dans les plantes et les animaux) chargées de contrôler précisément la quantité d’expression des gènes. L’étude apporte de nouvelles connaissances sur le fonctionnement de ce mécanisme moléculaire de contrôle de l’expression des gènes chez les plantes.

L’étude a été réalisée par une équipe dirigée par Javier Palatnik, chercheur au Conseil National de Recherche Scientifique et Technique (CONICET) et directeur de l’Institut de Biologie Moléculaire et Cellulaire de Rosario (IBR, centre commun du CONICET et de l’Université Nationale de Rosario (UNR)).

«Les informations dont nous disposons, grâce à ces recherches sur les mécanismes de génération des microARN, nous permettraient de contrôler facilement des processus biologiques complexes dans les plantes cultivables», s’enthousiasme Palatnik.

Réponses moléculaires à la vie : de l’ADN aux microARN

Depuis la découverte de la double hélice de l’ADN (acide désoxyribonucléique) en 1959, un nouveau monde de possibilités est apparu pour comprendre le fonctionnement des êtres vivants : le monde de la biologie moléculaire. Depuis lors, les questions et les expériences de centaines de groupes de recherche à travers le monde se sont entremêlées, donnant lieu à de nombreuses réponses sur le rôle des acides nucléiques.

Les bases fondamentales de la biologie moléculaire établissent que dans l’ADN se trouvent des fragments délimités de séquences qui contiennent des informations spécifiques pour la synthèse d’une protéine particulière, appelées gènes. Comme l’ADN est une énorme molécule qui ne peut pas quitter le noyau des cellules, il existe des molécules d’ARN (acide ribonucléique), également appelées messagers, qui copient la séquence des gènes en transportant cette information en dehors du noyau où se trouve la machinerie cellulaire nécessaire. fabriquer des protéines.

Cependant, seulement 1,5 pour cent de l’ADN total d’une cellule correspond à des gènes et un grand pourcentage restant est constitué de séquences nécessaires pour contrôler où, comment et dans quelle mesure chaque gène est exprimé. Au début du nouveau millénaire, un groupe de très petites molécules d’ARN a attiré l’attention de la communauté scientifique, car leurs séquences ne codaient pas pour des protéines, et pourtant on les retrouvait dans tous les modèles d’étude, des mouches aux humains en passant par les vers. et les plantes.

Il a été démontré qu’ils remplissaient divers rôles dans le développement et que certains étaient même essentiels à la vie de ces organismes, on les appelait microARN. « J’ai vu naître cette histoire, lors de mes travaux postdoctoraux nous avons réussi à caractériser la fonction biologique du premier microARN chez les plantes », se souvient fièrement Palatnik. La découverte a été publiée dans la revue universitaire Nature et a également été mise en avant sur la couverture.

Il s’est avéré que ce qui rendait ces petites molécules si importantes était « qu’elles constituent comme une couche supplémentaire dans la régulation du degré d’expression d’un gène », explique Santiago Rosatti, qui a terminé sa thèse de doctorat à l’IBR avec la recherche récemment publiée. . et ajoute : « Il existe de nombreux processus biologiques dans lesquels les niveaux d’expression d’un gène doivent être précisément régulés quantitativement, ce n’est pas tout ou rien et les microARN sont très utiles pour cela. »

Santiago Rosatti et Javier Palatnik. (Photo : IBR/CONICET. CC BY 2.5 AR)

À mesure que des séquences de microARN complémentaires aux séquences d’ARN messager ont été découvertes, un modèle d’action a commencé à être élucidé par lequel les microARN pourraient se lier spécifiquement à leurs messagers cibles et induire leur destruction, diminuant ainsi la synthèse de certaines protéines. Autrement dit, plus la quantité de microARN est grande, plus les messagers sont détruits et plus la quantité de protéines pouvant être fabriquée est faible. “C’est pourquoi il est important de savoir comment le régulateur est régulé, comment est définie la quantité de microARN produite, et de là naît l’idée principale de ce travail”, explique Palatnik.

Les microARN sont générés dans le noyau, en principe sous la forme d’une molécule précurseur plus grande appelée prémicroARN, qui, en raison des caractéristiques de sa séquence, se replie sur elle-même et acquiert une conformation « en épingle à cheveux ». Celui-ci est ensuite traité (découpé en fragments plus petits) donnant naissance à des microARN qui sont exportés vers le cytoplasme où ils remplissent enfin leur fonction. Chez les plantes, le traitement des prémicroARN peut se faire de deux manières différentes : le processus dit en deux étapes, où deux coupes dans le précurseur sont nécessaires pour obtenir un microARN mature, et le processus séquentiel, lorsque plus de deux sites de coupe sont nécessaires. .

Lors de l’analyse des séquences de prémicroARN, Palatnik et son équipe ont observé que beaucoup étaient hautement conservées au cours de l’évolution : « Nous avions l’hypothèse que la modification de la structure du précurseur devait affecter d’une manière ou d’une autre le traitement et la quantité de microARN produit », précise Palatnik. Les premières expériences mettant cette idée à l’épreuve ont été réalisées en 2016. Ils ont commencé à travailler avec le précurseur du microARN miR319 d’Arabidopsis thaliana (la plante modèle la plus répandue en recherche). Selon Rosatti, ils ont apporté des modifications spécifiques à la séquence du prémicroARN qui ont modifié sa structure, mais ils n’ont pas eu le résultat escompté : la quantité de microARN n’a pas changé du tout.

« À l’époque, le projet semblait être un échec. Mais ensuite, lorsque nous avons essayé des précurseurs d’autres microARN, le résultat des mêmes expériences était totalement différent », révèle Palatnik. En suivant cet indice avec un plan expérimental méticuleux, ils ont pu découvrir que ces résultats opposés étaient dus au fait que le type de traitement que subit le précurseur détermine si la quantité de microARN produite est réglable ou non.

« Nous avons compris que la grande complexité du traitement des microARN dans les plantes était logique. Le premier précurseur que nous avions choisi était le traitement séquentiel, et nous y avons vu que quelles que soient les modifications apportées, la même quantité de microARN était toujours générée. En revanche, dès que nous avons modifié la structure des précurseurs du traitement en deux étapes, l’efficacité du traitement et la quantité de microARN ont beaucoup changé », explique le chercheur. À partir de ces résultats inattendus, ils ont pu établir deux modèles de régulation de la production de microARN chez les plantes, où la séquence (et la structure) de son précurseur joue des rôles jusqu’alors inconnus.

“L’étude des précurseurs des microARN et de leurs modes de traitement fait partie de ce que nous pourrions appeler la recherche scientifique fondamentale”, explique Rosatti, tandis que Palatnik souligne qu’après avoir élucidé ce mécanisme, ils possèdent “les connaissances qui nous permettent d’appliquer facilement des outils d’édition génétique pour augmenter ou augmenter”. diminuer l’expression de certains gènes, définissant la quantité de microARN produite dans une plante et, par exemple, contrôlant des processus biologiques très complexes chez une espèce d’intérêt commercial, comme la floraison.

La recherche est également un processus complexe, prend du temps et peut mettre à l’épreuve la résilience et la persévérance de ceux qui y consacrent leur vie. Selon les mots de Palatnik : « Même lorsque les résultats ne sont pas ceux attendus, ils ont une grande valeur. Il est important de toujours rester curieux, car si l’expérience est bien conçue, à un moment donné, les pièces commencent à s’assembler, formant une histoire encore plus intéressante, et c’est l’une des choses les plus excitantes de ces découvertes.

Palatnik précise que les expériences ont été réalisées par Rosatti, en collaboration avec Arantxa Rojas et Belén Moro, alors boursières CONICET de l’IBR, et la chercheuse du Conseil Irina Suarez. L’équipe a été complétée par Nicolás Bologna et Uciel Chorostecki, chercheurs respectivement du Centre de Recherche en Génomique Agricole (CRAG) de Barcelone et de la Faculté de Médecine et des Sciences de la Santé, de l’Université Internationale de Catalogne, qui ont également bénéficié de bourses du CONICET pour réaliser des étapes de leur formation scientifique au laboratoire Palatnik.

L’étude s’intitule « Principes de la fonction des miARN/miARN* dans le traitement des MIARN végétaux ». Et il a été publié dans la revue Nucleic Acids Research, illustrant également sa couverture comme une étude vedette. (Source : Elizabeth Karayekov/IBR/CONICET. CC BY 2.5 AR)