Les cellules végétales utilisent des signaux électriques pour traiter et transmettre des informations. En 1987, en tant que post-doctorant d'Erwin Neher à Göttingen, le biophysicien Rainer Hedrich a découvert un canal ionique dans la vacuole centrale de la cellule végétale, qui est activé par le calcium et la tension électrique, en utilisant la technique du patch-clamp (Prix Nobel pour Neher et Sakmann 1991).

En 2019, l'équipe d'Hedrich de la Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) a identifié ce canal TPC1 comme un élément important pour la communication électrique dans les usines. Si le canal tombe en panne, la transmission du signal est ralentie. S'il est hyperactif, c'est-à-dire ouvert trop longtemps, la plante est fortement stressée et a des problèmes de croissance.

Ces réactions le montrent clairement :les plantes doivent contrôler strictement le temps d'ouverture du canal ionique TPC1 afin que la communication électrique entre leurs cellules se déroule sans heurts.

La structure explique comment la chaîne est activée

Une publication dans la revue PNAS fournit désormais de nouvelles informations sur la fonction moléculaire et la régulation du canal TPC1. Ceci a été réalisé en combinant deux domaines d'expertise :une équipe JMU dirigée par Rainer Hedrich et Irene Marten était responsable de la biophysique végétale, et un groupe dirigé par Robert M. Stroud et Sasha Dickinson de l'Université de Californie à San Francisco était responsable de la structure biologie.

En utilisant l'imagerie microscopique cryo-électronique à haute résolution, l'équipe américaine démontre clairement que des changements conformationnels massifs se produisent dans plusieurs domaines protéiques avant l'ouverture du canal. Un stimulus électrique initie un mouvement de rotation du domaine du capteur de tension. Cela élimine les résidus d'acides aminés qui servent de sites de liaison pour les ions calcium inhibiteurs dans la région d'entrée vacuolaire du canal, ouvrant la voie au flux d'ions.

La teneur en calcium vacuolaire maintient le capteur de tension sous contrôle

L'équipe de Hedrich et Marten a pu montrer que le canal TPC1 est activé lorsque le niveau de calcium dans le plasma cellulaire augmente en réponse à des stimuli externes. Une augmentation du niveau de calcium dans la vacuole, d'autre part, ralentit un flux ionique excessif à travers le canal et rend pratiquement la membrane vacuolaire insensible aux stimuli électriques dépendant du calcium.

Le site de liaison nouvellement découvert pour les ions calcium vacuolaires dans le pore conducteur d'ions du canal joue un rôle crucial dans ce processus.

"Nous avons pu élucider la fonction de ce domaine de canal avec des mesures de patch-clamp", explique le professeur JMU Irene Marten. "Lorsque le calcium se lie au site de liaison des pores vacuolaires, une rétroaction négative avec le capteur de tension se produit, ce qui signifie que le mouvement du domaine du capteur de tension est fortement altéré. En conséquence, le canal reste fermé et il n'y a pas d'excitation électrique du vacuole. Si, d'autre part, les résidus d'acides aminés des pores sont retirés de la voie de transport des ions, aucune liaison vacuolaire au calcium ne se produit et l'ouverture du canal est fortement facilitée."

Question sur l'évolution des chaînes TPC1

La publication dans PNAS contribue en outre au fait que le canal ionique végétal TPC1 est désormais l'un des canaux ioniques dépendant de la tension les mieux compris. Ces connaissances peuvent également aider à mieux comprendre les processus dépendants de TPC1 dans les cellules animales.

Que feront ensuite les scientifiques ? "Nous examinons la question de savoir si les canaux TPC1 de différentes espèces végétales diffèrent en termes de régulation et également dans d'autres propriétés, et si cela ouvre de nouvelles possibilités d'adaptation à l'environnement", déclare Rainer Hedrich. "Ce faisant, nous prenons également en compte les régulateurs qui jouent un rôle dans les canaux TPC1 animaux. Les études devraient également nous donner un aperçu de l'évolution des canaux TPC1."