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Post-translational modifications of TOC 159 at early developmental stages in “Arabidopsis thaliana”
Abstract Les cellules végétales sont eucaryotes et contiennent des chloroplastes, un organite à double membrane spécialisé dans la photosynthèse. Les proplastides non photosynthétiques se transforment en chloroplastes photosynthétiquement actifs pendant la germination ou lorsque des semis cultivés à l'obscurité sont transférés à la lumière. La biogenèse des chloroplastes nécessite l'importation de différentes protéines précurseurs du cytoplasme. Les protéines précurseurs sont synthétisées dans le cytosol avec une séquence de ciblage amino-terminale clivable appelée peptide de transit. Elles sont importées post-traductionnellement dans le chloroplaste par le complexe protéique TOC-TIC (Translocon des membranes externe et interne du chloroplaste, respectivement). Le complexe TOC est composé de deux récepteurs homologues des GTPases, Toc33 et Toc159, et d'un canal conducteur de protéines, Toc75. Ensemble, ces protéines forment le noyau du complexe TOC. Des facteurs supplémentaires dirigent les préprotéines du cytosol vers le complexe TOC: le complexe dit de guidage se lie aux récepteurs TOC de manière dépendante des GTP pour délivrer les protéines précurseurs. La biogenèse des chloroplastes nécessite de l'acide gibbérellique (AG), tandis que les protéines DELLA agissent comme des régulateurs négatifs de la signalisation de l'AG, connus pour inhiber la germination des graines, la croissance des graines et d'autres voies dépendantes de l'AG. Mes résultats montrent que Toc159 se lie directement à DELLA et est ciblé pour la dégradation par la voie ubiquitine-protéasome. L'accumulation de Toc159 dépend de l'acide gibbérellique pendant les premiers stades du développement de la plante, car elle conduit à la dégradation de DELLA, libérant ainsi le TOC159 de la dégradation médiée par le protéasome pour favoriser la biogenèse du chloroplaste. Outre l'ubiquitination, Toc159 est également connu pour être modifié post-traductionnellement par phosphorylation, bien que l'on ne comprenne pas la signification fonctionnelle de ce phénomène.

Une partie importante de ma thèse est dédiée à un troisième type de modification post-traductionnelle, la SUMOylation. Le TOC159 se lie à l'isoforme SUMO3 dans son domaine de liaison au GTP (G-) et est modifié de manière covalente par SUMO3 dans son domaine membranaire (M-). Les résultats montrent que la SUMOylation covalente augmente la stabilité de Toc159 dans des conditions de faible teneur en acide gibbérellique. Bien que le rôle de la liaison non covalente de SUMO ne soit pas clair, je suppose que la SUMOylation covalente au niveau du domaine M affine la stabilité et les concentrations de Toc159 en fonction des conditions internes et externes.

Abstract
Plant cells are eukaryotic and contain chloroplasts, a double-membrane-bound organelle specialized in photosynthesis. Non-photosynthetic proplastids convert into photosynthetically active chloroplasts during germination or when dark-grown seedlings are transferred to the light. Chloroplast biogenesis requires the import of different precursor proteins from the cytoplasm. Precursor proteins are synthesized in the cytosol with a cleavable amino-terminal targeting sequence called transit peptide. They are imported post-translationally into the chloroplast through the TOC-TIC protein complex (Translocon of the Outer and Inner membranes of the Chloroplast, respectively). The TOC complex is composed of two homologous receptor GTPases, Toc33 and Toc159, and a protein-conducting channel, Toc75. Together these proteins form the core of the TOC complex. Additional factors direct the preproteins from the cytosol to the TOC complex: the so-called guidance complex binds to TOC receptors in a GTP-dependent manner to deliver precursor proteins. Chloroplast biogenesis requires gibberellic acid (GA), whereas DELLA proteins act as negative regulators of GA signaling, known to inhibit seed germination, seed growth, and other GA-dependent pathways. My results show that Toc159 binds directly to DELLA and is targeted for degradation by the ubiquitin-proteasome pathway. Accumulation of Toc159 depends on gibberellic acid during early stages of plant development, as it leads to the degradation of DELLA thereby releasing TOC159 from proteasome-mediated degradation to promote chloroplast biogenesis. Apart from ubiquitination, Toc159 is also known to be post-translationally modified by phosphorylation although the functional significance of this is not understood.

An important part of my thesis is dedicated to a third type of post-translational modification, SUMOylation. TOC159 both binds the SUMO3 isoform at its GTP-binding (G-) domain and is covalently modified by SUMO3 at its membrane (M-) domain. The results show that covalent SUMOylation increases the stability of Toc159 under low gibberellic acid conditions. While it is not clear what the role of non-covalent SUMO-binding is, I hypothesize that covalent SUMOylation at the M-domain finetunes Toc159 stability and concentrations depending on internal and external conditions.
   
Keywords Biogénèse des chloroplastes; TOC159; SUMOylation; Arabidopsis thaliana; Chloroplast biogenesis; TOC159; SUMOylation; Arabidopsis thaliana
   
Citation Accossato, S. (2020). Post-translational modifications of TOC 159 at early developmental stages in “Arabidopsis thaliana”. Doctorat, Université de Neuchâtel, Neuchâtel.
   
Type Thesis (English)
Year 2020
Academic department Institut de biologie
University Université de Neuchâtel (Neuchâtel)
Degree Doctorat