The kiss me deathly family of e3 ubiquitin ligases are involved in nutritional crosstalks, regulating phenylpropanoids biosynthesis in "Arabidopsis thaliana" (L)

• Autores: Mónica Rojas Triana
• Directores de la Tesis: Javier Paz Ares (dir. tes.), Vicente Rubio Muñoz (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2016
• Idioma: inglés
• Tribunal Calificador de la Tesis: Salomé Prat (presid.), Marta Martín Basanta (secret.), Jesús Vicente Carbajosa (voc.), Antonio Leyva Tejada (voc.), Monica Pernas Ochoa (voc.)
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  • Tesis en acceso abierto en: Biblos-e Archivo
• Resumen

  • Phosphorus (P) is an essential element for life as it is a structural component of nucleic acids, membrane lipids, energy metabolites or activated intermediates in the photosynthetic carbon cycle and throughout primary metabolism. Inorganic phosphate (Pi) also plays a crucial role in signal transduction cascades. Pi is a macronutrient for plants and its availability limits plant growth and development in many soils throughout different climatic zones. To cope with growth under a low Pi supply, plants count on a battery of morphological, physiological, metabolic, biochemical and molecular changes collectively called the Pi-starvation response (PSR), that are regulated at the transcriptional level, mainly by the key transcriptional factors (TFs) PHOSPHATE STARVATION RESPONSE1 (PHR1) and PHR1-like1(PHL1), and at the post-transcriptional level by a pool of mechanisms that, together with ubiquitination, affect Pi uptake and long-distance Pi signaling, thus modulating Pi-starvation responses. In this work, we have identified and characterized a family of E3 ubiquitin (Ub) ligases (E3), called KISS ME DEATHDLY (KMDs) that are responsive to Pi-starvation at the transcriptional level and are negatively controlled by PHR1/PHL1. KMD proteins are substrate adaptors into an S-PHASE KINASE-ASSOCIATED PROTEIN1 (SKP1)/Cullin (CUL)/F-box protein (SCF) E3 complex and directly interact with phenylalanine ammonia-lyase 2 (PAL2), mediating PAL2 proteolytic turnover via the ubiquitin-26S proteasome system (UPS). PAL catalyzes the first rate-limiting step in the phenylpropanoids biosynthesis pathway. In Arabidopsis KMD mutants and overexpressors, the biosynthesis of phenylpropanoids is reciprocally impaired at the level of the (i) precursor phenylalanine (L-Phe), (ii) intermediates like ferulic and sinapic acid, and (iii) products like anthocyanin pigments. Moreover, Arabidopsis KMDs mutants and overexpressors displayed hypersensitivity and insensitivity to cytokinin (CK) treatments, respectively, and such an effect is altered according to Pi and sucrose (Suc) availability. Based on our findings, KMDs act as an integrator node of the previously reported (i) bidirectional antagonistic interactions between cytokinin and both sugar and Pi-starvation signaling, as well and more importantly in the focus of this research, of the (ii) positive bidirectional interaction between sugar and Pi-starvation signaling, by means of the post-transcriptional regulation of PAL stability, among others. KMD genes respond to developmental and environmental cues, however the major transcriptional effect over KMDs transcription is produced by the availability of metabolizable sugars in the medium. Thus, we propose that KMDs contribute in sugar and Pi-starvation signaling interaction acting as integrators of the two pathways, by controlling the stability of the common effector PAL, which alters the carbon flux directed to the phenylpropanoids biosynthesis and, in consequence, the fine-tuned balance between Pi and sugar status in the cell.

    El fósforo (P) es un macronutriente esencial para todos los organismos vivos. Las plantas absorben el P como ortofosfato (Pi) y su disponibilidad limita el desarrollo y crecimiento de las plantas en muchos suelos en diferentes zonas climáticas del mundo. Las plantas han desarrollado una serie de respuestas adaptativas, que incluyen cambios metabólicos y en el desarrollo que les permiten sobrellevar situaciones de estrés por carencia de Pi en el suelo. Dichos cambios adaptativos son el producto de variaciones en la expresión génica, reguladas principalmente por los factores de transcripción (TFs; del inglés Transcription Factors) PHOSPHATE STARVATION RESPONSE1 (PHR1) y PHR1-like1 (PHL1), y de modificaciones post-traduccionales, mediadas por un conjunto de mecanismos que junto con la ubiquitinación, afectan la captación y señalización a larga distancia de Pi, modulando así las respuestas adaptativas al ayuno de Pi en plantas. En este trabajo, hemos identificado y caracterizado una familia de E3 ubiquitina (Ub) ligasas (E3), llamada KISS ME DEATHDLY (KMDs) que a nivel transcripcional responden a la carencia de Pi y que son controladas negativamente por PHR1/PHL1. Las proteínas KMD son adaptadores de sustrato en complejos E3 del tipo S-PHASE KINASE-ASSOCIATED PROTEIN1 (SKP1)/Cullin (CUL)/F-box protein (SCF) e interactúan físicamente con la fenilalanina amonia liasa 2 (PAL2; del inglés Phenylalanine Ammonia-Lyase 2), mediando su degradación proteolítica a través del sistema ubiquitina-proteosoma 26S (UPS; del inglés Ubiquitin-26S Proteasome System). PAL cataliza la primera etapa limitante en la biosíntesis de los fenilpropanoides. En los mutantes y sobre-expresores de KMDs de Arabidopsis, la biosíntesis de los fenilpropanoides está recíprocamente alterada a nivel (i) del precursor fenilalanina (L-Phe), (ii) de intermediarios como ácido ferúlico y ácido sinápico, y (iii) de productos tales como las antocianinas. Adicionalmente, los mutantes y sobre-expresores de KMDs muestran hipersensibilidad e insensibilidad a tratamientos con citoquininas (CKs), respectivamente, y este efecto es dependiente de la disponibilidad de Pi y sacarosa (Suc; del inglés Sucrose). Según nuestros hallazgos, las proteínas KMD actúan como un nodo integrador de (i) la interacción antagónica bidireccional entre las CKs y las rutas de señalización de azúcares y Pi y, aún más relevante dentro del foco de esta investigación, de (ii) la interacción positiva bidireccional entre las rutas de señalización de azucares y del ayuno de Pi, por medio de la regulación post-traduccional de la estabilidad de PAL, entre otros. Los genes KMD responden a diferentes estímulos ambientales, sin embargo, la disponibilidad de azúcares metabolizables en el medio surge el mayor efecto transcripcional sobre éstos. Por lo tanto, basados en los resultados obtenidos en esta investigación, proponemos que las proteínas KMD contribuyen en la interacción conocida entre las rutas de señalización del ayuno de Pi y de azucares, actuando como integradores de las dos rutas, mediante el control de la estabilidad del efector común, PAL. Así, KMDs contribuyen en la regulación del flujo de carbón destinado a la biosíntesis de los fenilpropanoides y, en consecuencia, en el mantenimiento del balance entre el Pi y los azucares en la célula.