Estudi dels mecanismes moleculars de la regulació de la SUMOilació i les seves implicacions biològiques

Abstract

En les cèl·lules eucariotes, les modificacions post-traduccionals per ubiquitina (Ub) i per polipèptids similars a ubiquitina (UBL, ubiquitin-like) controlen l'activitat proteica mitjançant diferents mecanismes moleculars. SUMO (Small ubiquitin-like modifier) és el membre més estudiat dins de la família de les Ubl i modula l'activitat de les proteïnes regulant la seva localització subcel·lular, l'activitat i l'estabilitat, així com les interaccions proteïna-proteïna. Des del seu descobriment, molts estudis han abordat la funció biològica de SUMO en plantes utilitzant principalment Arabidopsis i l'arròs com a models d'estudi, i demostrant, en tots dos models, que SUMO està implicat en el desenvolupament i creixement de les plantes, així com en respostes a estrès biòtic i abiòtic. No obstant això i malgrat la seva importància, els mecanismes moleculars que permeten la regulació de la SUMOilació in vivo són fins ara poc coneguts. En aquest sentit, el present treball se centra en l'estudi i caracterització dels processos de regulació de la SUMOilació i les seves implicacions biològiques a partir del desenvolupament de noves estratègies i eines moleculars, generades a partir del coneixement bioquímic i molecular dels diferents components de la maquinària de conjugació de SUMO. En concret, s’ha descobert un nou mecanisme que regula la SUMOilació a nivell subcel·lular, el qual facilita la conjugació de proteïnes citosòliques. L’increment de la conjugació citosòlica mostra un efecte antagònic al de la conjugació nuclear en certs estadi del desenvolupament i respostes a estrès salí. A més, fent servir eines moleculars desenvolupades prèviament, s’ha establert el paper rellevant de SUMO en la resposta de defensa de les plantes enfront a patògens necròtrofs. Ambdós descobriments han generat noves línies d’investigació amb un elevat interès biotecnològic.

En las células eucariotas, las modificaciones post-traduccionales por ubiquitina (ub) y por polipéptidos similares a ubiquitina (Ubl de ubiquitin-like) controlan la actividad proteica mediante diferentes mecanismos moleculares. SUMO (Small Ubiquitin-like MOdifier) es el miembro más estudiado dentro de la familia de las Ubl y modula la actividad de las proteínas regulando la localización subcelular, la actividad y la estabilidad proteica, así como las interacciones proteína-proteína. Desde su descubrimiento, muchos estudios han abordado la función biológica de SUMO en plantas utilizando principalmente Arabidopsis y arroz como modelos de estudio, demostrándose, en ambos modelos, que SUMO está implicado en el desarrollo y crecimiento de las plantas, así como en respuestas a estrés biótico y abiótico. Sin embargo y a pesar de su importancia, los mecanismos moleculares que permiten la regulación de la SUMOylación in vivo son hasta ahora poco conocidos. En este sentido, el presente trabajo se centra en el estudio y caracterización de los procesos de regulación de la SUMOylación y sus implicaciones biológicas a partir del desarrollo de nuevas estrategias y herramientas moleculares, generadas a partir del conocimiento bioquímico y molecular de los diferentes componentes de la maquinaria de conjugación de SUMO. En concreto, se ha descubierto un nuevo mecanismo que regula la SUMOylación a nivel subcelular, el cual facilita la conjugación de proteínas citosólicas. El incremento de la conjugación citosólica muestra un efecto antagónico al de la conjugación nuclear en ciertos estadíos del desarrollo y respuestas a estrés salino. Además, utilizando herramientas moleculares desarrolladas previamente, se ha establecido el papel relevante de SUMO en la respuesta de defensa de las plantas frente a patógenos necrótrofos. Ambos descubrimientos han generado nuevas líneas de investigación con un elevado interés biotecnológico.

In eukaryotic cells, post-translational modifications by ubiquitin (Ub) and by ubiquitin-like polypeptides (ubiquitin-like Ubl) control protein activity through different molecular mechanisms. SUMO (Small Ubiquitin-like MOdifier) is the most studied member within this family of Ubl proteins and modulates the activity of proteins through regulation of subcellular localization, activity and protein stability, as well as protein-protein interactions. Since its discovery, many studies have addressed the biological function of SUMO in plants using mainly Arabidopsis and rice as model organisms, demonstrating in both models that SUMO is involved in plant development as well as in responses to biotic and abiotic stress. However, and despite their importance, the molecular mechanisms that allow the regulation of in vivo SUMOylation are not well characterized. This dissertation focuses on the study and characterization of processes which regulate SUMOylation and its biological implications using new strategies and molecular tools, developed from the biochemical and molecular knowledge of the different components of the SUMO machinery. Specifically, it has been uncovered a novel mechanism that regulates SUMOylation at the subcellular level, which facilitates the conjugation of cytosolic proteins. Increment of cytosolic conjugation results in an antagonistic effect to that of the nuclear conjugation in some developmental stages and salt stress responses. Moreover, by using molecular tools previously developed, we have stablished a major role of SUMO in defense responses against necrotrophic fungal pathogens. Both findings have provided novel research lines of high biotechnological interest.