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Signalisation sphingolipidique et mort cellulaire : régulation par le calcium

Contacts : mail to Valérie COTELLE, mail to Christian MAZARS, mail to Patrice THULEAU

L’étude de la signalisation calcique nucléaire nous a conduit à considérer les sphingolipides comme activateurs potentiels de canaux calciques nucléaires car ces molécules avaient été montrées comme jouant le rôle d’agonistes de canaux calciques de type TRP chez les animaux (Grimm et al., 2005). La classe particulière de sphingolipides composée des Bases à Longues Chaînes (LCBs), précurseurs des céramides et de molécules plus complexes, est maintenant reconnue comme une classe de molécules de signalisation contrôlant le devenir cellulaire chez les eucaryotes.

_Notre groupe et d’autres équipes ont montré que les LCBs sont capables d’induire des réponses de mort cellulaire programmée (PCD) lorsqu’ils sont appliqués à des plantes ou des cellules végétales en culture. Nous avons montré que parmi ces LCBs, seuls les composés non-phosphorylés (sphingosine, dihydrosphingosine, diméthylsphingosine) sont capables d’induire des variations calciques nucléaires dans les cellules entières ou les noyaux isolés présentant des caractéristiques différentes selon le composé et l’environnement du noyau (Xiong et al., 2008).

_Nous avons par ailleurs démontré que les deux LCBs les plus abondants chez les végétaux, la phytosphingosine et la dihydrosphingosine, sont capables d’induire une mort cellulaire programmée de cellules d’Arabidopsis ou de tabac et nous avons cherché à comprendre comment le calcium contrôle cette PCD.

_D’autre part, un analogue structural naturel de ces LCBs, la mycotoxine fumonisine B1 (FB1) induit des symptômes de mort lorsqu’elle est infiltrée dans des feuilles d’Arabidopsis. Nous avons contribué à décrire les premiers évènements moléculaires associés à la signalisation cellulaire des LCBs ou de FB1. Ainsi l’application de FB1 ou des LCBs est suivie d’une augmentation immédiate de la concentration en calcium cytosolique et d’une augmentation de la teneur en LCBs dans la cellule tandis qu’une augmentation de la concentration en calcium nucléaire survient ultérieurement. De même, des bursts oxydatifs de H2O2 et de monoxyde d’azote (NO) ont été observés. Une approche pharmacologique nous a conduits à démontrer que les augmentations de calcium nucléaire sont essentielles au développement des symptômes de PCD (Lachaud et al. 2010), tandis que les bursts oxydatifs de H2O2 et de NO ne seraient pas impliqués dans ce processus (Lachaud et al. 2011, Da Silva et al. 2011).

_Les signatures calciques activent une kinase calcium-dépendante (CPK3) sequestrée par un dimère de protéines 14-3-3s. En présence de LCBs ou de FB1, CPK3 phosphoryle un site impliqué dans la dimérisation des 14-3-3s, ce qui permet sa libération et entraîne son clivage. Une approche de génétique inverse en utilisant des mutants KO cpk3 nous a permis de démontrer que CPK3 joue le rôle de régulateur positif dans la PCD induite par la mycotoxine FB1 (Lachaud et al. 2013). L’augmentation de NO observée en réponse au traitement de cellules de tabac par les LCBs conduit, quant à elle, à l’accumulation de glycéraldehyde-3-phosphate deshydrogénase (GAPDH) dans le noyau où elle est retrouvée nitrosylée.

L’ensemble des résultats nous a conduits au modèle suivant :

En nous recentrant sur la plante modèle Arabidopsis, nos objectifs actuels et futurs sont :

  1. Comprendre comment le calcium et sa compartimentation controlent via des interactions proteine-protéine (14-3-3 – CPK3) et des évènements de phosphorylation la voie des sphingolipides conduisant à la PCD.
  2. Caractériser les processus de régulation ainsi que le rôle des protéines 14-3-3 et de leurs protéines cibles dans la PCD induite par les LCBs.
  3. Comprendre le rôle de la GAPDH dans la PCD et élucider les mécanismes impliqués.

Collaborations

Le Ru A. : http://www.fraib.fr/fraib_eng/Techn...

Xiong T.C. : http://www1.montpellier.inra.fr/ibi...

Boudsocq M. : http://www.ips2.u-psud.fr/spip.php?...

Van der Hoorn R. : http://www.plantchemetics.org/index...

Bibliographie afférente (externe)

Grimm C, Kraft R, Schultz G, Harteneck C. (2005). Activation of the melastatin-related cation channel TRPM3 by D-erythro-sphingosine [corrected]. Mol Pharmacol. 67(3):798-805

Bibliographie afférente (groupe)

Ranty B, Aldon D, Cotelle V, Galaud JP, Thuleau P, Mazars C. (2016) Calcium sensors as key hubs in plant responses to biotic and abiotic stresses. Front. Plant Sci 7 : 327

Cotelle V, Leonhardt N. (2016). 14-3-3 proteins in guard cell signaling. Front. Plant Sci. 6:12 Lachaud C, Prigent E, Thuleau P, Grat S, Da Silva D, Brière C, Mazars C, Cotelle V. (2013). 14-3-3-regulated Ca(2+)-dependent protein kinase CPK3 is required for sphingolipid-induced cell death in Arabidopsis. Cell Death Differ. 20(2):209-17

Thuleau P, Aldon D, Cotelle V, Brière C, Ranty B, Galaud JP, Mazars C. (2013) Relationships between calcium and sphingolipid-dependent signalling pathways during the early steps of plant-pathogen interactions. Biochim Biophys Acta. 7:1590-4.

Da Silva D, Lachaud C, Cotelle V, Brière C, Grat S, Mazars C, Thuleau P. (2011) Nitric oxide production is not required for dihydrosphingosine-induced cell death in tobacco BY-2 cells. Plant Signal Behav. 6(5):736-9.

Lachaud C, Da Silva D, Cotelle V, Thuleau P, Xiong TC, Jauneau A, Brière C, Graziana A, Bellec Y, Faure JD, Ranjeva R, Mazars C. (2011). Nuclear calcium controls the apoptotic-like cell death induced by d-erythro-sphinganine in tobacco cells. Cell Calcium. 47(1):92-100.

Lachaud C, Da Silva D, Amelot N, Béziat C, Brière C, Cotelle V, Graziana A, Grat S, Mazars C, Thuleau P. (2011). Dihydrosphingosine-induced programmed cell death in tobacco BY-2 cells is independent of H₂O₂ production .Mol Plant. 4(2):310-8.

Xiong TC, Coursol S, Grat S, Ranjeva R, Mazars C.(2008) Sphingolipid metabolites selectively elicit increases in nuclear calcium concentration in cell suspension cultures and in isolated nuclei of tobacco. Cell Calcium. (1):29-37.