La plupart des gens ne pensent pas beaucoup au zinc. Mais tous les êtres vivants ont besoin de zinc pour survivre. Cet oligo-élément aide de nombreuses protéines à se replier dans les bonnes formes pour faire leur travail. Et dans les protéines connues sous le nom d'enzymes, le zinc aide à catalyser les réactions chimiques, dont beaucoup sont importantes pour fournir de l'énergie aux cellules. Si le zinc est absent, les gens, les animaux domestiques et les plantes ne prospèrent pas.

C'est l'une des raisons pour lesquelles les biologistes du laboratoire national de Brookhaven du département américain de l'énergie s'intéressent tant à cet élément.

"Nous cherchons des moyens de cultiver des plantes bioénergétiques - soit des plantes qui produisent des biocarburants, soit dont la biomasse peut être convertie en carburant - et de le faire sur des terres qui ne conviennent pas à la culture de cultures vivrières", a déclaré le biologiste du Brookhaven Lab, Crysten Blaby, qui a également est titulaire d'un poste d'auxiliaire à l'Université Stony Brook. "Nous nous intéressons donc aux stratégies que la nature utilise pour survivre lorsque le zinc et d'autres micronutriments manquent."

Dans un article qui vient d'être publié dans la revue Cell Reports, Blaby et ses collègues décrivent une de ces stratégies :une protéine dite "chaperone" qui apporte du zinc là où il est nécessaire, ce qui pourrait être particulièrement important lorsque l'accès au zinc est limité. Bien que les scientifiques, dont Blaby, soupçonnent depuis longtemps l'existence d'un chaperon de zinc, la nouvelle recherche fournit la première preuve définitive en identifiant une "destination" pour ses livraisons.

Grâce à une série d'essais biochimiques et d'expériences génétiques, l'équipe a identifié une protéine dépendante du zinc qui ne peut pas fonctionner correctement sans le chaperon. Cette protéine, appelée MAP1, existe dans toutes les espèces, des levures et des souris aux plantes et aux humains. Cela signifie que les résultats sont pertinents non seulement pour les plantes, mais aussi pour la santé humaine, où une carence en zinc entraîne des troubles de la croissance et du développement.

"Nos objectifs sont la durabilité des cultures bioénergétiques, mais comme les protéines que nous étudions se trouvent presque partout, nos recherches ont des applications très larges", a déclaré Blaby.

Tracer une découverte

D'autres métaux traces, comme le nickel et le cuivre, sont transportés dans les cellules par des chaperons car ils peuvent être toxiques. Les chaperons empêchent les métaux réactifs de s'engager dans des "associations indésirables". Les réactions entre certains métaux traces et l'oxygène génèrent des radicaux libres qui endommagent les cellules. Mais le zinc ne semble pas avoir la propension à des liaisons aussi dangereuses.

"Le zinc est un ion métallique relativement inoffensif. Puisqu'il ne réagit pas avec l'oxygène pour créer des espèces réactives de l'oxygène, nous avons pensé qu'il se diffusait peut-être simplement pour aller là où il devait aller sans avoir besoin d'un chaperon", a déclaré Blaby. Mais cela n'a pas empêché les scientifiques d'en chercher un.

Lorsque Blaby était étudiante diplômée à l'Université de Floride au début des années 2000, elle a travaillé avec le professeur Valérie de Crécy-Lagard, qui a d'abord prédit que les membres d'une famille de protéines appelée CobW étaient les chaperons de zinc manquants. "Mes recherches dans le cadre de ce groupe ont fourni la preuve que s'il en existait une, il s'agissait probablement d'une protéine de cette famille. Mais pour prouver qu'elle fonctionne comme un chaperon de zinc, nous devions identifier la destination - la protéine à laquelle elle livrait du zinc, " dit Blaby.

De nombreux groupes ont travaillé sur ce défi pendant des années, mais n'ont toujours pas pu trouver et prouver la cible du prétendu chaperon.

L'exploration de données révèle des indices

Avance rapide jusqu'au moment où Blaby a commencé à construire son groupe de recherche à Brookhaven en 2016. Alors qu'elle explorait des données sur les interactions entre les protéines qui avaient été déposées dans des bases de données consultables au cours de la dernière décennie, elle a trouvé des preuves d'une interaction entre une protéine de la prétendue famille des chaperons de zinc et une protéine appelée méthionine aminopeptidase, ou MAP1. Et elle a trouvé l'interaction chez les levures et les humains.

"Chaque fois que vous voyez une interaction protéique conservée comme celle-ci, dans des organismes très différents, cela signifie généralement que c'est important", a déclaré Blaby.

Il s'avère que MAP1 modifie de nombreuses protéines dans la cellule, dans presque toutes les espèces. Si MAP1 ne fonctionne pas, les protéines non modifiées ont des problèmes. Et MAP1 dépend du zinc pour fonctionner.

"Les pièces commençaient à se mettre en place", a déclaré Blaby. "Puis le vrai plaisir a commencé - qui consistait à tester notre hypothèse très spécifique :que cette protéine que nous appelons ZNG1 (prononcé zing 1) est le chaperon qui fournit le zinc à MAP1."

Blaby a travaillé avec les post-doctorants de Brookhaven Miriam Pasquini et Nicolas Grosjean, qui ont conçu et mené une série d'expériences pour clouer l'affaire. Les deux partagent la première paternité de l'article.

"C'était une équipe vraiment formidable à réunir pour faire à la fois le in vivo et iin vitro travail nécessaire pour enfin fournir des preuves expérimentales de la fonction de ces protéines », a déclaré Blaby.

La preuve est dans la fiole

Tout d'abord, en utilisant des cellules de levure à croissance rapide, Grosjean a éliminé le gène qui indique aux cellules comment fabriquer le ZNG1. Si cette protéine est le chaperon qui délivre le zinc à MAP1, alors MAP1 ne devrait pas fonctionner correctement dans les cellules knock-out.

Et lorsque le zinc manque dans l'environnement, le défaut de fonctionnement de MAP1 devrait s'aggraver.

"Lorsque de nombreuses protéines sont en concurrence pour un zinc limité, c'est une situation où, s'il y a un chaperon, cela pourrait aider à choisir laquelle des nombreuses protéines dépendantes du zinc devrait obtenir cette précieuse ressource", a expliqué Grosjean. Autrement dit, lorsque le zinc est limité, l'absence de l'accompagnateur devrait se faire davantage sentir.

Les résultats sont sortis comme prévu :les cellules sans le gène de ZNG1 présentaient des défauts dans l'activité de MAP1, et le niveau de défaut a augmenté dans l'environnement à faible teneur en zinc.

Ensuite, Pasquini a dirigé un projet visant à purifier les deux protéines - ZNG1 et MAP1 - de manière isolée. Tout d'abord, elle a montré que lorsqu'il n'y a pas de zinc, comme prévu, MAP1 par lui-même ne fonctionne pas.

Puis elle a mélangé MAP1 avec ZNG1 qui avait été chargé de zinc. Mais encore une fois, il n'y avait pas d'activité MAP1. Les scientifiques ont pensé qu'il devait manquer quelque chose d'autre.

Grâce à une série d'expériences, ils ont démontré que ZNG1 doit être activé pour livrer sa cargaison de zinc. Cette activation provient d'une molécule d'énergie connue sous le nom de GTP.

"Ce que nous pensons qu'il se passe, c'est que le chaperon se lie au GTP et a une certaine conformation ou forme", a déclaré Pasquini. "Lorsqu'il libère l'énergie du GTP, il change de forme. Nous pensons que le changement de conformation pourrait être important pour lier et libérer le zinc."

Lorsque Pasquini a ajouté du GTP au mélange de ZNG1 et de MAP1 chargés de zinc, elle a finalement observé l'activité de MAP1.

"Ce n'est qu'après avoir ajouté la molécule d'énergie que vous voyez la preuve que le zinc est transféré à MAP1", a-t-elle déclaré.

Ensemble, ces expériences ont fourni la preuve que la protéine longtemps suspectée maintenant connue sous le nom de ZNG1 fonctionne comme un chaperon pour fournir du zinc à MAP1.

Implications à plus grande échelle

L'équipe a également collaboré avec des scientifiques du Laboratoire des sciences moléculaires de l'environnement, une installation utilisateur du Bureau des sciences du DOE au Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique, sur des expériences de « protéomique » à plus grande échelle. Et ils ont travaillé avec Estella Yee au National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) du Brookhaven Lab, une autre installation utilisateur du DOE Office of Science, sur des études de modélisation informatique pour comprendre le complexe protéique qui se forme entre le zinc chaperon et MAP1.

"Notre in vivo et in vitro les expériences ne concernaient que quelques joueurs. Ce que la protéomique nous a permis de faire, c'est de voir comment la suppression du gène de la zinc transférase affecte tous les protéines et étudier l'impact de ces acteurs sur le reste de la cellule et de l'organisme », a déclaré Blaby.

L'un des principaux impacts est que les cellules ne peuvent plus s'adapter à de faibles niveaux de zinc.

"Les cellules ont évolué de sorte que lorsque les concentrations de zinc deviennent trop faibles, un groupe de gènes s'active pour répondre à ce changement de circonstances. Mais lorsque vous vous débarrassez du ZNG1, bon nombre de ces gènes restent désactivés", a déclaré Blaby.

"Nous nous appuyons maintenant sur ce travail fondamental réalisé dans l'organisme modèle de levure à croissance rapide pour comprendre comment ces protéines et leurs fonctions sont conservées dans les cultures bioénergétiques", a déclaré Blaby. "Ce travail met en lumière une stratégie jusque-là inconnue que les plantes utilisent pour prospérer lorsque le zinc est limité dans le sol. La compréhension de ces stratégies peut nous aider à trouver des moyens d'optimiser la productivité des cultures et d'obtenir une bioénergie durable sur le plan environnemental."

Pasquini a ajouté :« La possibilité pour les plantes d'acquérir de la résilience dans les sols à faible teneur en zinc signifie également que nous serions en mesure d'exploiter des terres non arables pour la culture de cultures bioénergétiques, laissant des sols fertiles dédiés à d'autres fins agricoles. Pousser les cellules végétales à produire plus de ZNG1 permettrait vraisemblablement une croissance supérieure sur des terres marginales appauvries en zinc." + Explorer plus loin

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