Adaptation de certaines espèces de phytoplancton à la carence en fer

Surpris par des observations in situ de l'expression du gène de la ferritine dans le phytoplancton marin, les chercheurs d'un consortium de laboratoires mené par le Laboratoire d'océanographie microbienne (LOMIC/OOB, CNRS / UPMC) ont effectué des études en laboratoire en utilisant de nouveaux outils génétiques. Ils ont ainsi pu mettre en évidence un mécanisme d'adaptation à la carence en fer des cellules de certaines espèces de phytoplancton marin.

Le fer est un élément essentiel au métabolisme des cellules du phytoplancton marin. Il joue en effet un rôle de co-facteur pour de nombreuses protéines impliquées dans des fonctions vitales comme la photosynthèse, la respiration ou encore l'assimilation des nitrates. Le fer est aussi un élément toxique lorsqu'il est présent en trop grande quantité à l'intérieur des cellules. Ceci a conduit, au cours de l'évolution, à la mise en place de mécanismes biochimiques destinés tant à améliorer l'efficacité d'acquisition du fer par les cellules qu'à réguler au mieux son utilisation et son stockage à l'intérieur des cellules.

La ferritine est une protéine présente dans les cellules de très nombreux organismes, de l'homme à la bactérie, qui possède la capacité de stocker de grandes quantités de fer. Des chercheurs ont démontré que certaines espèces de phytoplancton possédant la ferritine géraient les apports épisodiques en fer en le stockant pour pouvoir le réutiliser plus tard lorsque les concentrations en fer diminuaient dans le milieu.

Ayant analysé des données in situ publiées dans la littérature, des chercheurs issus d'un consortium de laboratoires (1) mené par le LOMIC ont été intrigués par les résultats à savoir que l'expression du gène de la ferritine était différente entre le jour et la nuit. En effet, si la ferritine est impliquée dans le stockage à long terme du fer, pourquoi de tels cycles sont-ils observés à l'échelle de la journée ?

Pour répondre à cette question, les chercheurs ont utilisé différents types d'outils génétiques développés au LOMIC depuis plusieurs années. Des cellules de phytoplancton de l'espèce Ostreococcus tauri ont été modifiées génétiquement, soit pour inactiver leur gène de la ferritine (lignées appelées KO pour knock out), soit pour qu'elles produisent un signal luminescent facilement mesurable quand a lieu la synthèse de la ferritine (lignées appelés des rapporteurs luminescents).

En utilisant les rapporteurs luminescents, les chercheurs ont pu confirmer la rythmicité diurne de la synthèse de la ferritine, celle-ci étant synthétisée durant la nuit et se dégradant à la transition nuit - jour.

L'utilisation du radio-isotope Fe leur a en outre permis de montrer que les molécules de ferritine synthétisées durant la nuit se chargeaient très rapidement en fer.

D'après un certain nombre de données expérimentales, il semblerait qu'à l'intérieur de la cellule:
- le fer stocké durant la nuit par la ferritine provienne majoritairement de la dégradation, en fin de journée et durant la nuit, d'autres protéines contenant du fer et impliqués dans la photosynthèse et le métabolisme de l'azote ;
- le fer libéré par la dégradation de la ferritine soit re-transféré vers ces mêmes protéines.

En permettant la réutilisation du fer à l'intérieur même de la cellule, la ferritine participerait à un mécanisme visant à économiser la demande en fer extérieur de la cellule, et donnant de ce fait à celle-ci un avantage compétitif par rapport aux cellules ne synthétisant pas la ferritine. Ceci a été confirmé par l'utilisation d'un KO du gène de la ferritine. Dans des conditions limitantes en fer, la survie de ces cellules est rapidement compromise par rapport à la survie de celles qui synthétisent la ferritine.

Ce travail a également révélé une autre facette intrigante du cycle jour / nuit du métabolisme du fer. En effet, l'acquisition de fer extérieur par la cellule est maximale pendant la nuit et semble être, pour une part, régulée par la ferritine. Comprendre si cette différence d'assimilation du fer entre le jour et la nuit est liée à des raisons chimiques (différentes formes de fer présentes le jour et la nuit) ou écologiques est un défi pour de futurs travaux.