Etude moléculaire et fonctionnelle du rôle des isoprénoïdes cytosoliques (dolichol et stérol) au cours du développement chez Arabidopsis thaliana

Molecular and functional studies of the role of two cytosolic isoprenoids (dolichol and sterol) in the development of Arabidopsis thaliana

• Auteur / Autrice : Nurul Jadid
• Direction : Bilal Camara, Florence Bouvier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Aspects moléculaires et cellulaires de la biologie
• Date : Soutenance le 02/07/2013
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des Sciences de la vie et de la santé (Strasbourg ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de biologie moléculaire des plantes (Strasbourg)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Hugueney
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Max Henry
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Peter Beyer, Patrick Saindrenan

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métabolisme -- Génétique

Arabidopsis thaliana

Protéines -- Modifications posttraductionnelles

Biosynthèse

Isoprénoïdes

Mots clés libres

Isoprénoïdes

Dolichol phosphate mannose synthase

Complexe enzymatique de déméthylation en 1 C-4 des stérols (SC4DM)

ERG28

Méthylène-cycloartanol-4-carboxy-4-méthyl

Transport polaire de l'auxine (PAT)

Isoprénoïds

Dolichol phosphate mannose synthase

SC4DM

ERG28

Polar auxin transport (PAT)

Résumé

Les isoprénoïdes constituent une vaste famille de constituants cellulaires synthétisés chez la plupart des organismes vivants. Chez les plantes, la biosynthèse des isoprénoïdes est réalisée dans trois compartiments : le plaste, le cytoplasme-réticulum endoplasmique et la mitochondrie. Nous avons orienté nos travaux vers l'étude moléculaire et fonctionnelle du rôle de 2 types d'isoprénoïdes cytosoliques (dolichols et stérols) au cours du développement chez les plantes. Pour mener à bien notre étude, nous avons créé des lignées mutantes « knockdown » via la technique de !'ARN interférence (RNAi) et caractérisé des mutant~d'insertion T-DNAs « knockout » pour les gènes d'intérêt chez Arabidopsis.Dans le premier chapitre, nous montrons que les isoprénoïdes sont impliqués de façon indirecte dans la Nglycosylation de protéines via le Dolichol-P-Mannose (Dol-P-Man) dont la synthèse est catalysée par la dolichol phosphate mannose synthase (DPMS). Nous démontrons que chez les plantes, la DPMS est organisée en un complexe hétéromérique localisé dans le réticulum endoplasmique (RE) qui comprend 3 sous unités DPMS1, DPMS2 et DPMS3 codées par 3 gènes. Seule DPMS1 possède une activité catalytique. Les lignées DPMS 1-RNAi et dpms 1 présentent une hypo N-glycosylation des protéines, une forte chlorose et une inhibition de la croissance racinaire. Ces traits sont associés à une hypersensibilité à l'ammonium et à une induction de la« unfolded protein response »au niveau du RE. L'ensemble de ces données montrent que les gènes DPMS jouent un rôle important dans la N-glycosylation des protéines et le développement des plantes.Dans le deuxième chapitre, nous avons porté notre attention sur le rôle des intermédiaires de biosynthèse des stérols («SBls») dans la régulation du développement des plantes en choisissant comme cible ERG28,une protéine impliquée dans le complexe enzymatique de déméthylation en C-4 des stérols « SC4DM ». Nous montrons que ERG28 est localisée dans le RE et assemble 3 enzymes du complexe« SC4DM », la«sterol 4a-methyl oxidase ». la « 4a-carboxysterol-C3-dehydrogenase/C4-decarboxylase » et la « sterone ketoreductase ». Nous démontrons que la perte de fonction de ERG28 dans les lignées ERG28-RNAi eterg28 se traduit par des phénotypes caractéristiques d'une inhibition du transport polaire de l'auxine« PAT»(différenciation d'inflorescence de type «PIN», perte de dominance apicale, fusion des feuilles et inhibition du développement racinaire ... ). Ces phénotypes sont corrélés à l'accumulation de méthylène-cycloartanol-4-carboxy-4-méthyl (MCCM), un« SBI »qui inhibe de façon spécifique le« PAT». Ces données mettent en évidence un nouveau type d'interaction entre l'auxine et les stérols.

Isoprenoids represent important cell constituents synthesized in many living organisms. ln plants, isoprenoid biogenesis occurs in three compartments : plastids, the endoplasmic reticulum-cytosol and mitochondrie.We focused on the molecular and functional studies of the role of Iwo cytosolic isoprenoids ( dolichol andsterol) in the development of plants. The key Io our strategy is the targeted silencing of specific Arabidopsis genes using the RNAi technology (knockdown) and the identification of T-DNA insertion mutants (knockout). ln the first chapter, we show that isoprenoids are involved indirectly in protein N-glycosylation via Dolichol P-Mannose derived from dolichol phosphate mannose synthase (DPMS). We demonstrate that plant DPMSis organized as a heteromeric enzyme complex localized in the endoplasmic reticulum (ER) and consists of DPMS1 acting as the catalytic core and two interacting subunits DPMS2 and DPMS3. The DPMS1-RNAiand dpms1 lines display an altered N-glycosylation pattern and exhibit extensive chlorosis, strong inhibition of root growth and hypersensitivity to ammonium. These phenotypic defects are associated with an «unfolded protein response» in the ER. These data demonstrate that the DPMS genes are essential for the protein N-glycome and plant development. ln the second chapter, we focused on the potentiel roles of sterol biosynthetic intermediates (SBls) in plant development using ERG28 protein, a component of the sterol C-4 demethylation (SC4DM) complex, as a target. We demonstrate that ERG28 is localized in ER and tethers 3 enzymes, sterol 4alpha-methyl oxidase, 4alpha carboxysterol-C3-dehydrogenase/C4- decarboxylase and sterone ketoreductase. We show that the Arabidopsis ERG28-RNAi and erg28 lines develop the hallmarks of altered polar auxin transport (PAT) including the differentiation of pin-like inflorescences, the loss of apical dominance, leaf fusion and inhibition root growth. The observed phenotypes correlate with the accumulation of methylene-cycloartanol-4-carboxy-4-methyl, a cryptic SBI. Our data provide a new level of interaction between sterols and auxin.