Caractérisation biochimique de deux protéines PPR mitochondriales de la sous famille Rf-like chez Arabidopsis thaliana

Biochemical caracterization of two PPR proteins of Rf-like subfamily in Arabidopsis thaliana

• Auteur / Autrice : Noelya Planchard
• Direction : Hakim Mireau, Olivier Vallon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie
• Date : Soutenance le 28/09/2017
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences du végétal : du gène à l'écosystème (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean-Pierre Bourgin (Versailles ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Christopher Herbert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hakim Mireau, Olivier Vallon, Christopher Herbert, Géraldine Bonnard, David Macherel
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Géraldine Bonnard, David Macherel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ribosomes

Protéines

Mitochondries végétales

Mots clés libres

Mitochondries

Arabidopsis thaliana

Protéines PPR

Traduction

Mitochondria

Arabidopsis thaliana

PPR proteins

Translation

Résumé

Les mitochondries sont le siège de la respiration cellulaire et possèdent un petit nombre de gènes essentiels dont l’expression est dirigée presque exclusivement par des protéines d’origine nucléaire. Les protéines de la famille PPR (PentatricoPeptide Repeat) font partie de ces acteurs et interviennent à toutes les étapes de l’expression des ARNs des organites, allant de la transcription à la traduction. De manière intéressante, les végétaux codent de nombreuses protéines PPR (environ 500 chez l’espèce modèle Arabidopsis thaliana), et sont de fait des modèles idéaux pour comprendre le rôle et le fonctionnement de ces protéines. Elles correspondent à des protéines de liaison aux ARNs très spécifiques, caractérisées par la présence de répétitions en tandem d’environ 35 acides aminés. Au sein de la famille PPR, le sous-groupe de gènes appelé « Restorer of Ferility Like » (ou RFL) s’oppose aux autres PPR car ils subissent une sélection diversifiante, et non purifiante, comme c’est le cas pour les PPR classiques. Certaines protéines RFL décrites chez d’autres espèces modèles telles que le riz ou encore le radis, appelées restauratrices de fertilité, inhibent l’expression de gènes mitochondriaux inducteurs de stérilité mâle. La famille RFL comporte 26 membres chez Arabidopsis thaliana.Afin de mieux comprendre la diversité fonctionnelle des gènes RFL, notre équipe a procédé à la caractérisation de l’ensemble des mutants rfl chez Arabidopsis, et seules les lignées affectées dans les gènes RFL22 et RFL23 affichent des altérations phénotypiques remarquables. Au cours de ma thèse, j’ai caractérisé les protéines RFL22 et RFL23 pour comprendre leur rôle et leur mécanisme d’action moléculaire. L’étude des mutants rfl22 et rfl23 a montré que ces gènes sont essentiels pour la mise en place de la chaine respiratoire. Le mutant rfl22 ne produit plus de cytochromes de type c matures (ce qui affecte l’activité des complexes respiratoires III et IV), tandis que le mutant rfl23 n’accumule plus de complexe I de la chaine respiratoire.Après avoir adapté le protocole de profilage de ribosomes aux mitochondries de plantes, j’ai pu découvrir que les protéines RFL22 et RL23 étaient indispensables à la traduction d’ARNm mitochondriaux spécifiques : ccmFn₂ codant une sous-unité du complexe hème lyase et nad4L codant une sous-unité du complexe I, respectivement. D’autre part, j’ai pu cartographier in vivo et in vitro une région pouvant correspondre au site de liaison de la protéine RFL22 sur l’ARNm ccmFN2.Mes résultats révèlent que quelques rares gènes RFL remplissent des fonctions essentielles chez les Arabidopsis. Contrairement aux autres gènes PPR, la conservation fonctionnelle des gènes RFL22 et RFL23 apparait toutefois limitée aux Brassicaceae. Des modifications particulières dans l’organisation ou l’expression des génomes mitochondriaux de cette famille de plantes pourraient être à l’origine du recrutement de gènes RFL à évolution rapide pour maintenir une expression appropriée de certains gènes mitochondriaux.

Mitochondria are the siege of cellular respiration and code a small number of essential genes whose expression is governed almost exclusively by nuclear-encoded proteins. The proteins PPR family (PentatricoPeptide Repeat) belong to these actors and intervene at all stages of RNAs expression in organelles, from transcription to translation. Interestingly, plants encode numerous PPR proteins (about 500 in the model specie Arabidopsis thaliana), and are therefore ideal models for understanding the role and function of these proteins. They correspond to very specific RNA binding proteins, characterized by the presence of tandem repeats of about 35 amino acids. Within the PPR family, a subgroup of genes called Restorer of Ferility Like (RFL) is opposed to other PPR because they undergo a diversifying, non-purifying selection, as is the case for classical PPR. Some RFL proteins described in other model species such as rice or radish, are known as fertility restorers, and inhibit the expression of mitochondrial genes inducing male sterility. The RFL family consists in 26 members in Arabidopsis thaliana.In order to better understand the functional diversity of RFL genes, our team has characterized all rfl mutants in Arabidopsis, and only two of them, affected in RFL22 and RFL23 genes display remarkable phenotypic alterations. During my thesis, I characterized RFL22 and RFL23 proteins to understand their role and molecular mode of action. The study of the mutants rfl22 and rfl23 showed that these genes are essential for the establishment of the respiratory chain. The mutant rfl22 no longer produces mature c-type cytochromes (which affects the activity of respiratory complexes III and IV), whereas the mutant rfl23 no longer accumulates complex I of the respiratory chain.After adjusting the ribosome profiling protocol to plant mitochondria, I discovered that RFL22 and RL23 proteins were essential for specific mitochondrial mRNAs translation : ccmFN2 mRNA encoding a subunit of heme lyase complex and nad4L transcript encoding a subunit of complex I. Furthermore, I was able to map a region in vivo and in vitro that could correspond to the binding site of the RFL22 protein on the ccmFN2 mRNA.My results show that a few rare RFL genes perform essential functions in Arabidopsis. By opposition to other PPR genes, the functional conservation of RFL22 and RFL23 genes appears limited to Brassicaceae. Specific modifications in organization or expression of the mitochondrial genomes of this family of plants could be at the origin of the recruitment of rapidly changing RFL genes to maintain proper expression of certain mitochondrial genes.