Les gènes KNOX (knotted-like homeobox) sont connus pour avoir un rôle dans le développement des plantes.
Ce sont des gènes homéotiques dont les produits ont pour fonction l’élaboration et la conservation des structures aériennes chez toutes les plantes terrestres et certains groupes d'algues vertes. Les gènes et leurs produits (des protéines) sont de type TALE et sont subdivisés en classes, soit les gènes KNOX de classe I, de classe II et les KNATMJ. Gao, X. Yang, W. Zhao, T. Lang, T. Samuelsson, Evolution, diversification, and expression of KNOX proteins in plants, Frontiers in plant science , 2015.. La classification se base sur la séquence, les domaines (modules protéiques retrouvés dans plusieurs protéines et dont la fonction est constante), la disposition des introns et exonsK. Mukherjee, L. Brocchieri, T. R. Bürglin, A comprehensive classification and evolutionary analysis of plant homeobox genes. Molecular biology and evolution, 26(12), 2009 : 2775-2794.T. R. Bürglin, M. Affolter, Homeodomain proteins: an update, Chromosoma, 2015, . entre autres.
Les produits de gènes homéotiques, dont les gènes KNOX, sont des facteurs de transcription dont la fonction est la régulation (activation/répression) des gènes de développement. Ils contiennent généralement tous un homéodomaine, domaine spécifique de liaison à l'ADN dont la séquence est bien conservée chez les Animaux, les Plantes et les Mycètes (ie. chez les Eucaryotes).
L'équivalent des gènes homéotiques chez les animaux est les gènes Hox (HOX genes).
Les études dans le règne végétal sont principalement effectuées chez l'organisme modèle Arabidospis thaliana. Le séquençage du génome a révélé, chez cette espèce, homéotiques, mais les experts mentionnent que ce nombre devrait être assez constant chez toutes les plantes.
Structure et fonctions L’homéoboîte (normalement présente dans les gènes homéotiques) code typiquement une séquence de de nucléotides dont l’homéodomaine protéique résultant est constitué de aminés ayant pour fonction la liaison à l’ADN. La liaison a pour fonction la régulation (activation ou inhibition) de gènes en cascade, dont l’expression résulte en la formation d’une structure entière et fonctionnelle (e.g. un bras fonctionnel chez les animaux, ou une tige fonctionnelle chez les plantes terrestres).
La liaison à l’ADN de l’homéoprotéine seule ne procure pas assez de spécificité pour réguler l’activité des gènes récepteurs. Ainsi, il y a nécessité de l’ajout de domaines et de l’interaction complexe avec des cofacteurs dont les sites peuvent être à faible ou forte affinité (donc où la liaison des protéines peut respectivement se faire avec une plus grande variété de séquences de l’ADN ou une plus faible variété de séquences de l’ADN, voire une seule séquence), en plus de l’arrangement de l’ADN lui-même qui, tous ensemble, procurent une grande spécificité protéique.
Un phénomène couramment observé dans l’évolution est tendance à la multiplication du nombre de gènes homéotiques, donc de protéines homéotiques, avec la complexification et la multiplication fonctionnelle de la vie (des eucaryotes unicellulaires aux plantes et animaux multicellulaires modernes). La section « Classification » traitera plus amplement de l’origine et des mécanismes de la diversification des protéines homéotiques, particulièrement des protéines KNOX.
Par ailleurs, il existe une super-classe d’homéoprotéines nommée TALE (three amino-acid loop extension, pouvant être traduit par « extension en boucle de trois acides aminés »). Cette classe code donc pour des protéines contenant un homéodomaine de aminés, en opposition à l'homéodomaine typique de aminés. Les protéines TALE sont subdivisées en deux familles : BELL et KNOX.
Dans la famille KNOX, la majorité des protéines contiennent à la fois un domaine KNOX1, KNOX2, ELK et l’homéoboîte. On distingue toutefois les protéines ne contenant que le domaine KNOX1 et KNOX2, qu’on nomme KNATM. Voir le tableau « Domaines et fonction des protéines KNOX ».
+ Domaines et fonction des protéines KNOX Domaine Fonction Apparition Retrouvé dans les protéines KNOX KNOX 1/A Peu d'études existent - peuvent avoir un lien avec les homo et hétéro-dimérisations (BELL) procurant la spécificité de liaison à l'ADN, ou agir comme compétiteur au site de liaison à l’ADN Avant la divergence des animaux et des plantes (sous la forme ancestrale MEINOX), modifié en KNOX chez tous les végétaux Classe I, Classe II et KNATM KNOX 2/B Classe I, Classe II (dans cette classe, insertion de 30 acides aminés et KNATM KNOX CChez les plantes à fleurs, avant la divergence des eudicotylédones et monocotylédones Classe II seulement ELK Localisation nucléaire pour la protéine J. Hofer, C. Gourlay, A. Michael, T. N. Ellis, Expression of a class 1 knotted1-like homeobox gene is down-regulated in pea compound leaf primordia, Plant molecular biology, 45(4), 2001 : 387-398. Avant la divergence des animaux et des plantes Classe I et Classe II seulement Homéoboîte de type TALE (présentant une insertion homologue de trois acides aminés) Liaison spécifique à l’ADN Chez les eucaryotes, avant la divergence des animaux, mycètes et plantes Classe I et Classe II seulement
KNOX et le développement Les plantes terrestres présentent à ce jour entre 5 et 13 protéines KNOX dans leur génome. Parmi ces protéines, on dénote trois groupes : la classe I, la classe II et les KNATM (ces dernières ne sont pas des protéines homéotiques à proprement parler car elles ne présentent pas d’homéodomaine).
Classe I Les gènes des protéines de la classe I, chez les plantes à fleur dont l’espèce modèle Arabidospis thaliana, sont subdivisés en différents groupes : KNAT2/6, STM (shoot meristemless) et KNAT 1. Les protéines de la classe I sont exprimées dans la région restreinte du méristème apical caulinaire (MAC, ou SAM en anglais). Ils régulent la formation, la maintenance, le bon fonctionnement du MAC, chez toutes les plantes vasculaires, incluant les Lycophytes, et Euphylophytes (fougères), Angiospermes et Gymnospermes. La classe I jouerait un rôle dans le maintien de la bonne identité cellulaire dans le tissu méristématique durant la vie de la plante et aurait également un lien avec le développement des fleurs et des feuilles.
Par exemple, on note que le premier gène homéotique à être exprimé dans les plantes est le gène Kn1 (chez Arabidospis thaliana, on utilise l’appellation KNAT 1), au niveau de la germination de la graine. On le retrouve ensuite normalement dans le site du MAC. On constate que dès qu’il y a initiation de la feuille en position apicale, le gène est réprimé, mais que dans la formation de structure en position latérale, le gène est expriméM. Bellaoui, M. S. Pidkowich, A. Samach, K. Kushalappa, S. E. Kohalmi, Z. Modrusan, G. W. Haughn, The Arabidopsis BELL1 and KNOX TALE homeodomain proteins interact through a domain conserved between plants and animals, The Plant Cell, 13(11), 2001 : 2455-2470.. Puis, la mutation des gènes STM résulte en l'absence complète du MAC chez A. thalianaN. Sinha, Leaf development in angiosperms, Annual review of plant biology, 50(1), 1999 : 419-446., indiquant qu’ils ont un rôle crucial dans la formation de cette structure.
Le méristème apical caulinaire vignette|Structures et régions typiques du MAC (méristème apical caulinaire) chez les plantes terrestres. Régions d'expression de quelques gènes du développement. Le méristème apical caulinaire ou MAC est la structure initiatrice du développement de toutes les structures caulinaires et des organes chez les plantes terrestres (ou plantes vasculaires). Très dynamique, il est formé de indifférenciées et multipotentes (des cellules souches), dont l’élongation et la différenciation résultent en la tige, les feuilles et fleurs ainsi que d’autres structures reproductrices de la plante.
Bien que chez les différents groupes de plantes, le MAC présente différentes zones et différentes stratifications, les experts s’entendent pour dire qu’il possède toujours la même fonction. On pense toutefois que son apparition commune chez les différents groupes est due à l’évolution parallèle (trois différentes apparitions, respectivement chez les fougères, les Lycophytes et les plantes à graines) et ne serait donc pas apparu avant la divergence des différents groupesR. Imaichi, R. Hiratsuka, Evolution of shoot apical meristem structures in vascular plants with respect to plasmodesmatal network, American journal of botany, 94(12), 2007 : 1911-1921..
La structure MAC comprend un centre organisateur, une région d’accumulation de cytokinine (phytohormone), une zone centrale où le gène CLV3 (famille CLAVATA) est exprimé (division cellulaire de cellules souches), des régions d’expression de différents gènes de la classe TALE.
La régulation de l’activité du MAC est assurée par les protéines TALE, voir plus bas dans la section « Régulation ».
Les experts mentionnent que la densité des plasmodesmes sur les parois cellulaires des cellules du MAC varie entre les différents groupes de végétaux. La densité (nombre par unité d’aire) de plasmodesmes peut en effet être qualifiée de haute ou basse, et cette variable joue un rôle important dans la régulation des activités, notamment dans le transfert entre cellules d’ARNm, de facteurs de transcription, phytohormones et morphogènes.
Classe II Les gènes des protéines de la classe 2, chez les plantes à fleurs, sont par ailleurs subdivisés en deux groupes : KNAT7 et KNAT3/4/5. La classe II des protéines KNOX est mieux conservée chez les plantes terrestres, ce qui indique qu’elle est soumise à une plus grande force sélective. Elle est connue pour être exprimée de manière plus étendue dans la plante, c’est-à-dire incluant les racines et les feuilles, ainsi que dans des tissus haploïdes, c’est-à-dire reproducteurs.
Peu d’études ont été menées pour élucider leurs rôles. Des expériences de knock-out (où le gène cible est éliminé du génome pour pouvoir en déterminer les effets résultants sur l'organisme) ont été effectuées et les plantes dont on élimine l’expression des protéines KNOX de classe II ne montrent pas un phénotype anormal. Ainsi, leurs rôles n’ont pu être clairement démontrés. Malgré tout, des études ont démontré que ces protéines semblent favoriser la transition du tissu somatique vers le tissu reproducteur, semblent avoir une fonction dans la régulation de la déposition de la paroi secondaire des cellules végétales, dans l'établissement du site d’initiation de la feuille et semblent également avoir un lien avec la régulation de la réponse à l’acide abscissique (une phytohormone) dans les processus initiaux de développement de la graine.
KNATM ou Classe III Les KNATM sont impliquées dans la régulation de la transcription, la détermination de l'axe de la feuille, l’initiation du méristème floral, dans les hydathodes (pores sur l’écorce sécrétant des liquides de composition variable) et on note que son expression est strictement exclue du MAC. Ses domaines KNOX 1 et 2 lui permettent, comme dans le cas des KNOX de classe I et II, d’interagir avec les protéines BELL. Ainsi, on présume que son importance réside dans le rôle de cofacteur de transcription ou comme régulateur de l’expression des autres protéines de la famille TALE. Chez Glycine max, une eudicotylédone, on dénote la présence de nombreux paralogues (copies du/des gènes, dans une espèce, issues de la duplication antérieure de leur séquence) des protéines KNATM, résultant d’événement(s) de duplication. Chez cette espèce, les experts constatent que ces paralogues de KNATM sont très modestement exprimées dans la plante. En effet, leur expression se résumerait seulement à l’axe de la plumule, au moment de la germination.
Classification et ancestralité