DAMPs, MAMPs, et NAMPs dans l’immunité innée des plantes

Tous les organismes vivants ont évolué de manière à se protéger contre les assauts abiotiques et biotiques. Par exemple, les microbes utilisent des systèmes de restriction/modification de l’ADN pour se protéger contre l’ADN étranger ; ils contiennent également des systèmes pour détoxifier et/ou extruder les xénobiotiques ou les espèces réactives de l’oxygène (ROS) excessives. Les organismes multicellulaires utilisent d’autres systèmes, et la participation d’un ou plusieurs niveaux d’immunité est souvent impliquée. Le plus étudié et le plus apprécié chez les vertébrés à mâchoires est le système immunitaire acquis/adaptatif, avec ses cellules B et T bien connues et ses anticorps spécifiques des antigènes. Ce niveau d’immunité se superpose au système immunitaire inné, beaucoup plus fondamental et séculaire, qui est présent non seulement chez les mammifères mais aussi chez d’autres animaux et chez les plantes. Ce n’est qu’au cours des dernières décennies que l’on a commencé à apprécier l’importance de l’immunité innée pour la survie des organismes multicellulaires. Elle protège les humains, les autres animaux et les plantes des milliers de microbes potentiellement dangereux rencontrés quotidiennement. Le développement de l’immunité innée chez les organismes multicellulaires a nécessité l’évolution de récepteurs à la surface des cellules capables de reconnaître et de lier des molécules dont la structure chimique est généralement conservée dans diverses classes d’organismes étrangers, mais absente dans les molécules du « soi ». Ces molécules étrangères (non-soi) conservées sont appelées motifs moléculaires associés aux microbes (MAMP), également appelés motifs moléculaires associés aux agents pathogènes (PAMP), et leur présence est détectée par les membres d’une grande famille de récepteurs de reconnaissance des motifs (PRR). Les PRR activent une ou plusieurs voies de signalisation, souvent avec l’aide de corécepteurs, pour induire des réponses de défense en aval. Les exemples de MAMPs incluent le lipopolysaccharide bactérien, la flagelline, l’EF-Tu, l’ADN, les lipoprotéines, les peptidoglycanes et la chitine fongique. Plusieurs excellentes revues des MAMPs sont disponibles .

En plus des agressions biotiques, les organismes doivent faire face à une variété d’agressions abiotiques telles que des dommages mécaniques ou cellulaires, ainsi que des stress environnementaux comme la sécheresse et la salinité. Certaines molécules endogènes activent le système immunitaire inné lorsqu’elles sont libérées dans l’espace extracellulaire (y compris l’apoplaste des plantes) à partir de leur emplacement normal en raison d’un dommage (traumatisme) ; ces molécules sont appelées modèles moléculaires associés aux dommages (DAMP). Les DAMP sont libérés passivement par les cellules mourantes suite à un dommage, un traumatisme, une ischémie ou une nécrose induite par une infection. En outre, ils peuvent être activement sécrétés par certaines cellules immunitaires ou par des cellules gravement stressées (par exemple, certaines cellules cancéreuses). Alors que les MAMPs sont dérivés de micro-organismes et activent le système immunitaire inné, les DAMPs sont dérivés de la cellule hôte et initient et perpétuent les réponses immunitaires innées. Il est généralement admis que ces défenses contribuent à protéger les tissus endommagés, qui sont vulnérables à l’infection en raison de la perturbation des barrières physiques qui empêcheraient autrement l’entrée des microbes. Chez les mammifères, l’inflammation est une autre composante de la réponse immunitaire innée ; elle contribue non seulement à prévenir/supprimer l’infection, mais aussi à la guérison.

Cette revue se concentrera sur les DAMPs, en particulier ceux des plantes. Les DAMPs seront comparés aux MAMPs et à une classe nouvellement identifiée d’activateurs de l’immunité innée appelée Nematode-Associated Molecular Patterns (NAMPs ) puisque ces trois classes induisent beaucoup des mêmes réponses de défense et partagent certains composants de transduction du signal.

DAMPs animaux

Nous commençons notre discussion avec les DAMPs animaux puisqu’ils ont été reconnus en premier et les plus étudiés. Le terme DAMPs a été inventé par Seong et Matzinger en 2004 . Le tableau 1 énumère 26 DAMP, dont les purines, les pyrimidines, l’ADN (CpG non méthylée), les lipoprotéines de basse densité oxydées, les peptides N-formyl et une variété de protéines. Des récepteurs cognitifs ont été identifiés pour la plupart d’entre eux (tableau 1). En outre, certains DAMPs forment des complexes avec des molécules partenaires/interacteurs pour améliorer ou faciliter la signalisation. Parmi ceux-ci figure le High Mobility Group Box 1 (HMGB1), qui est l’un des premiers DAMP identifiés et les mieux caractérisés. L’HMGB1 est une protéine très abondante, associée à la chromatine, qui est présente dans toutes les cellules animales. Elle est constituée de deux domaines de base de liaison à l’ADN, appelés boîtes HMG A et B, et d’une queue C-terminale très acide qui participe à des interactions intramoléculaires spécifiques. Dans le noyau, l’HMGB1 se lie au sillon mineur de l’ADN pour faciliter la condensation de l’ADN, la formation des nucléosomes et la liaison des facteurs de transcription. Lorsqu’il est libéré dans le milieu extracellulaire par des cellules nécrosées, endommagées ou gravement stressées, il fonctionne comme un DAMP avec des activités chimio-attractives et inductrices de cytokines .

Tableau 1 DAMPs humains

L’HMGB1 extracellulaire médiatise une gamme de réponses biologiques en association avec de multiples récepteurs, tels que le récepteur des produits finaux de glycation avancée (RAGE), le récepteur Toll-like 2 (TLR2), TLR4, TLR9, le récepteur de la chimiokine C-X-C de type 4 (CXCR4), Siglec-10 et le récepteur 3 de l’immunoglobuline mucine des cellules T (TIM3) . La formation d’hétérocomplexes spécifiques entre l’HMGB1 et divers interacteurs, tels que l’adaptateur MD-2 ou les ligands pro-inflammatoires que sont les lipopolysaccharides et les oligodéoxynucléotides CpG, améliore ou facilite la signalisation et, dans certains cas, est essentielle à la reconnaissance de l’HMGB1 par des récepteurs distincts (tableau 1). La formation spécifique de l’hétérocomplexe semble être au moins partiellement régulée par les différents états redox de l’HMGB1, qui dépendent en partie d’un lien disulfure intramoléculaire réversible formé entre les résidus cystéine 23 et 45 . Des études récentes ont montré que l’HMGB1 réduit forme un hétérocomplexe avec CXCL12, qui favorise le recrutement de cellules inflammatoires dans les tissus endommagés par reconnaissance du récepteur CXCR4 . L’HMGB1 contenant des liaisons disulfure se lie spécifiquement à MD-2, ce qui facilite la reconnaissance par TLR4, conduisant à l’induction de l’activation transcriptionnelle des cytokines pro-inflammatoires médiée par NF-κB. L’HMGB1 interagit également avec plusieurs autres récepteurs, dont RAGE et TLR2 ; on ne sait pas encore si des états redox spécifiques sont nécessaires à sa reconnaissance par ces récepteurs. Les diverses activités, molécules partenaires et récepteurs de l’HMGB1 expliquent probablement ses rôles multiples dans de nombreuses maladies humaines prévalentes et dévastatrices.

Nous avons récemment découvert que l’HMGB1 se lie à l’acide salicylique (SA) ; cela supprime à la fois l’activité chimio-attractante de l’HMGB1 réduit et la capacité de l’HMGB1 contenant un lien disulfure à induire l’expression de gènes de cytokines pro-inflammatoires et de COX-2 . Les sites de liaison au SA sur HMGB1 ont été identifiés dans les domaines HMG-box par des études de RMN et confirmés par une analyse mutationnelle. Une protéine HMGB1 mutée dans l’un des sites de liaison au SA a conservé son activité chimio-attractante, mais a perdu sa liaison au SA et son inhibition par celui-ci, établissant ainsi fermement que la liaison du SA à HMGB1 supprime directement ses activités pro-inflammatoires. Des dérivés naturels et synthétiques de SA ayant une puissance beaucoup plus grande pour l’inhibition de HMGB1 ont également été identifiés, fournissant ainsi la preuve de concept que de nouvelles molécules à base de SA avec une grande efficacité sont réalisables.

Plantes DAMPs

Contrairement aux animaux, beaucoup moins de DAMPs ont été identifiés dans les plantes à ce jour (tableau 2). La classe la plus importante et sans doute la mieux caractérisée est celle des polypeptides/peptides produits à partir de protéines précurseurs plus grandes. Il s’agit notamment de trois familles découvertes par Ryan et ses collègues au cours de leurs études visant à identifier la systémine – un terme « utilisé pour décrire les signaux de défense polypeptidiques qui sont produits par la plante en réponse à des dommages physiques et qui induisent des gènes de défense, soit localement, soit de manière systémique ». Un polypeptide de 18 acides aminés (aa) a été isolé à partir de 60 lb de plantules de tomates et il a été démontré qu’il induit la synthèse de protéines inhibitrices de protéinase inductibles par blessure. Cette systémine de tomate est générée par le traitement induit par la blessure d’une prohormone de 200 aa, la prosystémine, qui est située dans le cytoplasme des cellules du parenchyme vasculaire du phloème. La systémine incite les cellules compagnes voisines et les éléments criblés du faisceau vasculaire à synthétiser de l’acide jasmonique (JA), qui à son tour active de manière systémique l’expression des gènes inhibiteurs de protéinase .

Tableau 2 DAMPs végétaux

Alors que la systémine est présente dans de nombreuses autres espèces solanacées, notamment la pomme de terre, le poivron et la morelle , on ne la trouve pas dans le tabac. Cette découverte a incité le groupe de Ryan à rechercher un autre type de systémine. En fin de compte, deux polypeptides de 18 aa riches en hydroxyproline, qui sont traités à partir d’une préprotéine de 165 aa mais qui ne partagent aucune homologie de séquence avec la systémine de la tomate, ont été identifiés .

Une troisième famille de DAMPs à base de peptides a été découverte chez Arabidopsis . Ces peptides éliciteurs de plantes (Peps) de 23 aa sont dérivés d’un précurseur de 92 aa. Deux récepteurs ont été identifiés pour les AtPepl, PEPR1 et PEPR2 . Les AtPep induisent une variété de réponses immunitaires innées et une résistance accrue, et il a été récemment démontré qu’une forme du précurseur ProPep3 est libérée dans l’espace extracellulaire lors de l’infection d’Arabidopsis par Pseudomonas syringae hémi-biotrophique. Un orthologue du maïs (Zea mays), ZmPep1, a été identifié par la suite et il a été démontré qu’il renforce la résistance aux pathogènes microbiens, tout comme AtPepl . Pour une discussion plus approfondie des éliciteurs peptidiques endogènes, voir Yamaguchi et Huffaker .

Une autre classe de DAMPs que l’on trouve chez les plantes, ainsi que chez les animaux, est dérivée de la matrice extracellulaire. Chez les vertébrés, des fragments d’hyaluronane, un polysaccharide linéaire simple constitué de répétitions d’acide D-glucuronique et de D-N-acétylglucosamine, induisent une immunité innée lorsqu’ils sont libérés par des dommages mécaniques ou des enzymes hydrolytiques . Ces fragments sont perçus par les récepteurs TLR2 et TLR4 contenant des répétitions riches en leucine. De même, les plantes contiennent le polysaccharide pectique homogalacturonane, un polymère linéaire d’acide α-D galacturonique lié en 1, 4, qui contribue à maintenir l’intégrité de la paroi cellulaire. Des fragments de ce polymère, appelés oligogalacturonides (OG), peuvent être libérés mécaniquement ou, plus souvent, par des enzymes hydrolytiques codées par des agents pathogènes. Les OGs induisent des réponses immunitaires innées, notamment l’activation des MAPK, le dépôt de callose, la production de ROS, l’élévation du Ca2+ cytosolique et l’activation des gènes de défense. La kinase 1 associée à la paroi (WAK1) a été identifiée comme un récepteur probable des OG.

L’ATP extracellulaire (eATP) comprend encore une autre classe de DAMPs végétaux que l’on retrouve à la fois chez les plantes et les animaux. Malgré des décennies de preuves croissantes que l’eATP agit comme une molécule de signalisation, cette fonction a été largement écartée ou discréditée, probablement en raison de la nature omniprésente de l’ATP et de son rôle central en tant que devise énergétique universelle dans tous les organismes vivants, des bactéries aux humains. Ce n’est qu’avec l’identification de ses récepteurs localisés dans la membrane plasmique, d’abord chez les animaux (voir ), puis chez les plantes, que sa fonction de signalisation a été acceptée dans les deux règnes. Chez les animaux, l’eATP agit comme un neurotransmetteur et une molécule de signalisation qui participe à la contraction musculaire, à la mort cellulaire et à l’inflammation. Deux types de récepteurs sont impliqués : un récepteur P2Y couplé à une protéine G et un récepteur P2X à canal ionique fixé par un ligand. Chez les plantes, le rôle de signalisation de l’eATP a été confirmé plus récemment par l’identification de son récepteur, Does not Respond to Nucleotides 1 (DORN1 ). La désignation de l’eATP comme un DAMP végétal repose sur les observations combinées suivantes : i) le mutant dorn1 présente une réponse transcriptionnelle supprimée non seulement à l’ATP mais aussi à la blessure, ii) la plupart des gènes induits par l’application de l’eATP sont également inductibles par la blessure, et iii) le traitement par l’eATP induit des réponses immunitaires innées typiques, y compris l’afflux de Ca2+ cytosolique, l’activation des MAPK et l’induction de gènes associés à la densité, dont certains sont impliqués dans la biosynthèse du JA et de l’éthylène. Cependant, on ne sait pas encore si elle contribue à la résistance aux pathogènes.

Nous avons récemment identifié une quatrième classe de DAMPs végétaux, la protéine HMGB d’Arabidopsis AtHMGB3 . Toutes les cellules eucaryotes, y compris les plantes, possèdent des protéines liées à HMGB1. Chez Arabidopsis, 15 gènes codent pour des protéines contenant le domaine HMG-box. Elles ont été subdivisées en quatre groupes : (i) les protéines de type HMGB, (ii) les protéines HMG à domaine d’interaction riche A/T (ARID), (iii) les protéines 3xHMG qui contiennent trois boîtes HMG, et (iv) la protéine de reconnaissance spécifique de structure 1 (SSRP1) . Sur la base de leur localisation nucléaire et de la structure de leur domaine, on pense que les huit protéines de type HMGB (HMGB1/2/3/4/5/6/12/14) fonctionnent comme des protéines chromosomiques architecturales, similaires aux HMGB1 des mammifères. Notamment, les AtHMGB2/3/4 sont présentes dans le cytoplasme et dans le noyau. La fonction cytoplasmique de ces protéines n’est pas connue. Cependant, les sous-populations cytoplasmiques devraient avoir un meilleur accès à l’espace extracellulaire (apoplaste) après un dommage cellulaire, par rapport aux AtHMGB situées exclusivement dans le noyau, puisqu’elles ne sont pas liées à l’ADN et n’ont besoin que de traverser la membrane plasmique pour entrer dans l’apoplaste. Étant donné le rôle bien établi de l’HMGB1 des mammifères en tant que DAMP prototypique, la présence d’une sous-population cytoplasmique d’AtHMGB3 a soulevé la possibilité que cette protéine ait une fonction similaire. En effet, lorsque l’AtHMGB3 recombinante a été infiltrée dans les feuilles d’Arabidopsis, elle a présenté des activités de type DAMP similaires à celles de l’AtPep1. Le traitement avec l’une ou l’autre des protéines a induit l’activation de MAPK, le dépôt de callose, l’expression de gènes liés à la défense et une résistance accrue au Botrytis cinerea nécrotique.

Contrairement à l’HMGB1 des mammifères, qui peut être activement sécrétée après modification post-traductionnelle, il n’y a aucune preuve de sécrétion de l’AtHMGB3. Il entre probablement dans l’espace extracellulaire de manière passive lorsque les cellules sont endommagées mécaniquement, comme par les insectes, ou lors d’une infection par des pathogènes nécrotrophes. En effet, l’infection par B. cinerea a provoqué la libération d’AtHMGB3 dans l’apoplaste dans les 24 heures suivant l’inoculation. Une telle libération rapide pendant la phase précoce de la nécrose cellulaire induite par les nécrotrophes pourrait renforcer la résistance en activant les réponses immunitaires.

Des analyses supplémentaires ont révélé que AtHMGB3, comme HMGB1, se lie au SA, et que cette interaction, qui est médiée par des résidus Arg et Lys conservés dans la boîte HMG unique de AtHMGB3, inhibe son activité DAMP . Cette découverte semble être en contradiction avec le rôle bien connu du SA en tant que régulateur positif des réponses immunitaires. Cependant, alors que les réponses de défense induites par le SA sont essentielles pour la résistance aux pathogènes biotrophes et hémibiotrophes, la principale hormone responsable de l’activation des défenses contre les pathogènes nécrotrophes et les insectes est le JA . Les voies de signalisation de la défense par JA et SA sont généralement mutuellement antagonistes. L’inhibition de l’activité DAMP d’AtHMGB3 par le SA peut donc constituer un mécanisme par lequel ces voies se croisent. Dans ce scénario, les dommages cellulaires causés par l’infection par des pathogènes nécrotrophes conduiraient à la libération d’AtHMGB3 dans les espaces extracellulaires ; cela activerait les défenses associées au JA/éthylène pour aider à neutraliser cette menace. En revanche, l’infection par des pathogènes biotrophes induit la biosynthèse du SA. L’augmentation des niveaux de SA pourrait alors s’opposer à l’activation des défenses associées au JA en supprimant l’activité DAMP d’AtHMGB3, ainsi que promouvoir l’activation des défenses associées au SA qui sont plus efficaces contre ce type de pathogène .

La découverte que l’AtHMGB3 extracellulaire est un DAMP végétal dont l’activité induisant une réponse immunitaire est inhibée par la liaison au SA fournit des preuves inter-royaumes que les protéines HMGB fonctionnent de manière extracellulaire comme DAMP à la fois chez les plantes et les animaux. En outre, elle met en évidence l’existence de cibles communes et de mécanismes d’action partagés pour le SA chez les plantes et les humains. Il est intéressant de noter que la majorité des DAMPs végétaux identifiés à ce jour ont des équivalents chez les animaux. Nos études ont également indiqué que les plantes et les animaux partagent des cibles communes de l’AS au-delà des HMGB. Par exemple, l’enzyme glycolytique glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase (GAPDH), tant chez les plantes que chez les humains, se lie au SA et, par conséquent, son activité est modifiée. Le SA supprime le rôle de la GAPDH dans la réplication du Tomato Bushy Stunt Virus chez les plantes et peut avoir des effets similaires sur la réplication du virus de l’hépatite C chez les humains. Il supprime également la mort des cellules neuronales médiée par la GAPDH chez les animaux. Les analyses préliminaires des cribles à haut débit suggèrent l’existence de nombreuses autres cibles de l’AS, tant chez les plantes que chez l’homme. Il est possible que la présence de cibles multiples du SA chez les animaux ait évolué en réponse à l’ingestion de faibles niveaux de SA naturellement présents dans la matière végétale ou à la synthèse endogène du SA à partir des benzoates. Des études futures seront nécessaires pour évaluer si ces nouvelles protéines interagissant avec le SA chez les plantes et les animaux fonctionnent comme des DAMP.

NAMPs

Les nématodes, l’un des animaux les plus abondants dans la nature, parasitent à la fois les plantes et les animaux. Plusieurs études ont indiqué que les plantes pouvaient percevoir l’infection par les nématodes , mais l’identité du signal dérivé des nématodes était inconnue. Nous avons récemment identifié un groupe de molécules de signalisation de défense provenant de plusieurs genres de nématodes phytoparasites, y compris les nématodes à galles et les nématodes à kyste. Il s’agit d’une famille de phéromones de nématodes conservées au cours de l’évolution, appelées ascarosides. Ascr#18, l’ascaroside le plus abondant chez les nématodes phytoparasites, induit des réponses immunitaires innées caractéristiques, y compris l’activation i) des MAPK, ii) des gènes de défense et iii) des voies de signalisation de défense SA et JA, ainsi qu’une résistance accrue aux agents pathogènes viraux, bactériens, fongiques et oomycètes et aux nématodes à galles chez plusieurs espèces végétales dicot et monocotylédones.

MAMPs, DAMPs, et NAMPs

Bien que les sources des signaux inducteurs soient très différentes, les MAMPs provenant des microbes, les NAMPs provenant des nématodes, et les DAMPs étant des molécules endogènes localisées de façon aberrante, des études sur Arabidopsis suggèrent que la plupart des membres de ces trois classes de molécules immuno-inductrices activent la signalisation immunitaire innée via des voies qui partagent les mêmes kinases de type récepteur à répétition riche en leucine, BRI1-Associated Kinase1 (BAK1) et BAK1-Like Kinase1 (BKK1) (, pour NAMP résultat non publié M. Manohar, F.C. Schroeder, et D.F. Klessig). En outre, ces molécules induisent un grand nombre des mêmes réponses de défense de l’immunité innée, y compris un influx de Ca+2 dans le cytosol, le dépôt de callose, l’activation des MAPKs MPK3 et MPK6 associées à la défense, la production de ROS, et l’expression accrue de nombreux gènes liés à la défense (Tableau 3). Des récepteurs végétaux ont été identifiés pour plusieurs MAMPs, tels que FLS2 pour la flagelline/flg22 et EFR pour EF-Tu/elf18 . Des récepteurs pour la plupart des DAMPs des plantes ont également été découverts, y compris Arabidopsis PEPR1/2 pour le Peps , Arabidopsis WAK1 pour les OGs , et Arabidopsis DORN1 pour l’eATP . Alors que le SR160 de la tomate a été initialement signalé comme le récepteur de la systémine, deux études récentes soutiennent qu’il ne l’est pas. Les récepteurs végétaux d’AtHMGB3 et de l’ascaroside NAMP ascr#18 restent inconnus (tableau 2). On ne sait pas non plus si la signalisation DAMP d’AtHMGB3 est améliorée ou facilitée par des molécules d’interaction comme cela a été montré pour le HMGB1 des mammifères.

Tableau 3 Comparaison des réponses immunitaires innées et des composants de signalisation chez Arabidopsis qui sont induits ou utilisés par les MAMPs, NAMPs et DAMPs

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