Régulation post-transcriptionnelle dans l'adaptation des plantes genes aux stress abiotiques

Post-transcriptional regulation of plant genes in adaptation to abiotic stresses : regulation of target of rapamycin (tor) gene

• Auteur / Autrice : Hany Mahgoub
• Direction : Christophe Robaglia, Benoît Menand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie, Spécialité Biologie végétale
• Date : Soutenance le 05/05/2011
• Etablissement(s) : Aix-Marseille 2
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Sciences de la Vie et de la Santé (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LEMIRE. Laboratoire d'ecologie microbienne de la rhizosphère et d'environnements extrêmes (Cadarache)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Luc Gallois
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Claudine Franche, Christian Meyer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Protéines kinases

Parapoxvirus

Arabidopsis thaliana

Mots clés libres

Arabidopsis thaliana

Target of Rapamicyne

Régulations post transcriptionnelles

5'utr

Micro ORF

Arabaidopsis thaliana

Target of Rapamicyn

Post transcriptional regulations

5'utr

Micro ORF

Résumé

Les plantes sont ancrées au sol pendant la majorité de leur cycle de vie et doivent donc constamment adapter leur croissance et leur métabolisme aux stress abiotiques. Ainsi, la subsistance des plantes dépend de leur capacité à réguler rapidement l’expression des gènes afin d’adapter leur physiologie à l’environnement. L’expression d’un gène peut être contrôlé à plusieurs niveaux; transcriptionnel, post-transcriptionnel, traductionnel et post-traductionnel.De nombreux processus cellulaires vitaux tels que la réplication de l’ADN, la transcription, la synthèse protéique, et la dégradation des protéines, sont régulés par les signaux environnementaux. Des études chez la levure, la drosophile et les animaux ont montré que la protéine kinase TOR (Target Of Rapamycin) est impliquée dans le contrôle de la croissance cellulaire et de la prolifération en réponse à différents signaux tels que les nutriments, les acides aminés, les hormones et les facteurs de croissance. Chez Arabidopsis thaliana, TOR est nécessaire au développement de l’embryon et de l’endosperme. De plus, des modifications du niveau de protéine AtTOR affectent la croissance végétative et la reproduction.Le principal objectif de cette thèse est de caractériser les mécanismes qui contrôlent l’expression de AtTOR en déterminant les éléments de régulation situés sur le la région 5’ non traduite (5′UTR) de l’ARNm de AtTOR, puis de manipuler ces éléments de régulation afin d étudier leur rôle. Nous avons choisi de nous focaliser sur la région 5′UTR de AtTOR, et sur une microORF (uORF) située en amont de l’ORF principale de AtTOR. Il s’agit de la première tentative d’étude de la régulation de l’expression de TOR par ces éléments chez les eucaryotes.Trois constructions chimériques ont été réalisées pour cette étude et transformée transitoirement est de manière stable dans des plantes. La première construction (contrôle positif) incluse le promoteur de AtTOR, la région 5′UTR, le premier intron et le début du premier exon fusionné au gène rapporteur GUS. La seconde construction (microORF mutée) est présente une mutation du codon start de la microORF (ATG changé en TTG). Enfin, la troisième construction (5′UTR délétée) contient la même séquence que le contrôle positif mais sans la région 5′UTR. Ces constructions ont également été placée sous le contrôle du promoteur 35S au lieu du promoteur de AtTOR afin d’étudier un lien éventuel entre la 5′UTR et la microRF et le promoteur de AtTORNos résultats indiquent une régulation généralement négative exercée par la 5′UTR, et dans une moindre mesure par la microORF, sur l’expression de AtTOR. Cette régulation semble avoir lieu au niveau transcriptionnel ou au niveau de la stabilité de l’ARNm, mais pas au niveau de la traduction. En effet, les modifications du niveau de transcrit GUS sont suivie d’un changement équivalent de l’activité GUS. De plus, nous avons observé que l’auxine et le sucrose ont un effet positif sur l’expression de AtTOR. Dans le cas de l’auxine, cet effet semble lié à la présence de la région 5′UTR de AtTOR.D’autres études de la fonction de la région 5’UTR et de la microORF de AtTOR, ainsi que de leur relation avec d’autres éléments régulateurs localisée dans le promoteur de AtTOR, permettront de mieux comprendre comment ces éléments régulateurs contrôlent finement l’expression de AtTOR.

Land plants are anchored in one place for most of their life cycle and therefore must constantly adapt their growth and metabolism to abiotic stresses. Thus, plants’ subsistence depends on their ability to regulate rapidly gene expression in order to adapt their physiology to their environment. The expression of a gene can be controlled at many levels, including transcription, post-transcription, translation, and post-translation.Many vital cellular processes like DNA replication, transcription, protein synthesis, and protein degradation are regulated by environmental signals. Studies in yeast, Drosophila, and mammals showed that the target of rapamycin (TOR) protein is involved in control of cell growth and cell proliferation in response to different types of environmental signals such as nutrients, amino acids, hormones, and growth factors. In Arabidopsis thaliana, TOR is necessary for both embryo and endosperm development in, and changes of TOR protein level affect both vegetative and reproductive growth.The main purpose from this thesis is to highlight the mechanisms that control AtTOR expression at the post-transcriptional level through determination of the possible regulatory elements within the 5′ untranslated region (5′UTR) or the first intron of AtTOR mRNA itself, and through manipulation of these regulatory elements to study their precise role. We have chosen to focus on the small upstream open reading frame (uORF) as well as the 5′UTR region. This is the first attempt to study the regulation of TOR kinase expression in eukaryotes through these small uORF or the sequence of 5′ untranslated region (5′UTR).To achieve this purpose, three chimeric constructs have been established and transformed in Nicotiana benthamiana leaves and Arabidopsis thaliana plants. The first construct (the positive control) contains the AtTOR promoter, the 5′UTR, the first intron, and the beginning of the second exon fused to the GUS reporter gene. The second construct (mutated uORF) have the same sequence as the positive control construct except the start codon of uORF was changed from ATG to TTG. The third construct (deleted 5′UTR) have the same sequence as the positive control construct without the 5′UTR. These constructs have also been placed under the activity of CaMV 35S promoter instead of AtTOR promoter to investigate whether there is a link between the 5′UTR/or uORF and the promoter.Our work show an overall negative regulation exerted by the 5′UTR and, to a lesser extent, by the uORF on AtTOR gene regulation. This regulation is likely at the level of transcription or mRNA stability, since the changes in GUS transcript level was followed by the same changes in GUS activity. In addition we found that external inducers like auxin or sucrose exert a positive effect on AtTOR expression. This effect appears somehow linked to the presence of the 5′UTR of AtTOR mRNA.Greater insight into the molecular mechanisms of AtTOR 5′UTR/or uORF function and its relationship with other regulatory elements located in AtTOR promoter will be required to understand how these regulatory elements work either individually or in combination to achieve the fine and accurate regulation of their gene expression.