Régulation de l'expression du gène de ferritine AtFer1 en réponse au fer chez Arabidopsis thaliana

Regulation of Arabidopsis AtFer1 ferritin gene expression in response to iron

• Auteur / Autrice : Nicolas Arnaud
• Direction : Frédéric Gaymard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physiologie
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Montpellier 2

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ferritine

Arabidopsis

Plantes -- Effets du fer

Mots clés libres

Régulation

Fer

Signalisation

Arabidopsis

Ferritine

Résumé

Parmi les minéraux essentiels, le fer joue un rôle important dans de nombreux processus biologiques fondamentaux. De par sa réactivité avec l'oxygène, le fer est aussi toxique pour la cellule. Cette dualité du fer nécessite un strict contrôle de son homéostasie. Les ferritines sont des protéines ubiquitaires de stockage du fer sous forme non-toxique et remobilisable. L'objectif de ma thèse était d'identifier des éléments moléculaires impliqués dans la signalisation du statut nutritionnel en fer, en utilisant le gène AtFer1 d'Arabidopsis thaliana comme la cible terminale de cette voie de transduction. Chez les animaux, la synthèse des ferritines en réponse au fer est contrôlée au niveau post-transcriptionnel par le système IRE/IRP où IRP1 est une aconitase cytosolique. Chez Arabidopsis, nous avons identifié des trois homologues à IRP1 (ACO1 à -3) et par des approches de génétique inverse nous avons montré que les aconitases végétales ne sont pas impliquées dans la régulation de la synthèse des ferritines en réponse au fer. Chez les végétaux, la synthèse des ferritines est principalement régulée au niveau transcriptionnel par un excès de fer par l'intermédiaire d'une séquence cis-régulatrice particulière, l'IDRS. Par des approches pharmacologiques couplées à des analyses de microscopie nous avons identifié plusieurs éléments impliqués dans cette voie de signalisation. Le fer provoque une production de NO dans les plastes des cellules d'Arabidopsis. En aval de cette production de NO, une phosphatase de type PP2A est un régulateur positif dans la voie de signalisation. Un répresseur, actif en absence de fer, est dégradé par la voie dépendante de l'ubiquitine et du protéasome 26S en présence de fer et un facteur de transcription est fixé sur la séquence IDRS indépendamment du statut nutritionnel en fer. Ces approches nous ont également conduit à la mise en évidence d'un autre mécanisme de régulation de l'expression d'AtFer1 au niveau post-transcriptionnel. Ce mécanisme régule négativement l'accumulation des transcrits en réponse au fer en contrôlant la stabilité des transcrits AtFer1. Deux éléments (séquences DST et/ou ARN antisens) sont potentiellement impliqués dans cette dégradation des transcrits AtFer1. L'intégration de ces différents niveaux de régulation permet de contrôler finement la synthèse des ferritines en réponse au fer. Ce travail a permis d'appréhender les mécanismes de signalisation du statut en fer des plantes aboutissant in fine à la régulation de programmes génétiques permettant l'adaptation à des conditions environnementales fluctantes

Among essential mineral element, iron plays an important role in many biological processes. However, iron physicochemical properties leads to cellular toxicity. Iron homeostasis needs to be tightly controlled. Among the mechanisms involved in iron homeostasis, ferritins are of major importance. Ferritins are ubiquitous multimeric proteins able to store iron in a soluble and non-toxic form. My work aims at identifying molecular elements involved in sensing and signaling of iron nutrient status in plant cells by using the promoter of the ferritin encoding gene AtFer1 as the terminal target of this transduction pathway. In animals, ferritin synthesis is controlled by iron at post-transcriptional level via IRE/IRP binding where IRP1 is a cytosolic aconitase. In the model plant Arabidopsis thaliana, we have identified three IRP1 homologues, named ACO1 to –3. By reverse genetic approaches, Taken together, our results demonstrate that, in plants, the cytosolic ACO is not converted into an IRP and does not regulate iron homoeostasis. Indeed, in plants, ferritin synthesis is induced by iron excess, mainly at transcriptional level. A cis regulatory sequence (IDRS) is involved in this mechanism. By combining pharmacological and imaging approaches in an Arabidopsis cell culture system, we have identified several elements in the signal transduction pathway leading to the increase of AtFer1 transcript level after iron treatment. Nitric oxide quickly accumulates in the plastids after iron treatment. This compound acts downstream of iron and upstream of a PP2A-type phosphatase to promote an increase of AtFer1 mRNA level. A repressor acts in low iron condition and is ubiquitinated upon iron treatment and subsequently degraded through a 26 S proteasome-dependent pathway. A nuclear factor, different from the repressor, is able to bind the IDRS independently of iron status. These approaches allow us to discover another regulation mechanism occuring at the post-transcriptional level. Surprisingly, in Arabidopsis cells, iron treatment leads to rapid destabilization of AtFer1 mRNA. The increase of the degradation rate impacts strongly the half-life of ferritin transcripts. Two putative elements (DST sequences and/or antisense RNA) could be involved in this degradation mechanism of AtFer1 mRNA. This new post-transcriptional regulatory mechanism seems to be involved in the tightly control of ferritin expression in response to environmental variations. This work should contribute to understand molecular events involved in iron homeostasis in plant, therefore controlling the plant adaptation to fluctuation of environmental conditions