Characterization of the circadian clock function in the control of cell cycle progression to modulate growth in Arabidopsis thaliana

Abstract

La función circadiana es esencial para el crecimiento y adaptación de las plantas a su entorno. La maquinaria molecular responsable de la generación de ritmos circadianos está basada en la expresión rítmica de genes cuyo pico de expresión oscila en diferentes fases durante el día y la noche. Los ritmos de expresión génica se traducen en oscilaciones de procesos fisiológicos y de desarrollo. El crecimiento de las plantas está regulado por una plétora de procesos que en última instancia operan a través del control de la proliferación y diferenciación celular. La proliferación celular depende de la progresión del ciclo mitótico, el cual está dividido en 4 fases: S (Síntesis del ADN), M (Mitosis) y de las interfases G1 y G2 (en inglés Gap 1 y 2) que ocurren antes de las fases S y M respectivamente. El proceso de diferenciación celular coincide con el cambio al endociclo, una variante del ciclo mitótico en la que el ADN genómico se duplica pero sin posterior división, es decir en ausencia de fase M. Aunque la regulación circadiana y el ciclo celular han sido individualmente estudiados en plantas, no se ha demostrado hasta la fecha la posible conexión de ambos ciclos en plantas. El trabajo realizado durante esta Tesis Doctoral se ha centrado en el estudio del papel del reloj circadiano en el control del ciclo celular durante la regulación del crecimiento de la planta. Los resultados obtenidos muestran que plantas con un reloj circadiano de ritmo lento desaceleran la progresión del ciclo celular, mientras que un reloj de ritmo rápido lo acelera. El componente esencial del reloj denominado en inglés TIMING OF CAB EXPRESSION 1 (TOC1) controla la transición de la fase G1 a la fase S, regulando así el ritmo del ciclo mitótico durante los estadios tempranos del desarrollo foliar. Asimismo, TOC1 también controla la ploidía somática característica del endociclo durante estadios tardíos del desarrollo foliar y en las células del hipocotilo. Utilizando técnicas de citometría de flujo y parámetros de cinéticas de crecimiento foliar se pudo determinar que en plantas que sobre-expresan TOC1 la fase S es más corta, lo que se correlaciona con la represión diurna del gen CELL DIVISION CONTROL 6 (CDC6). Este gen codifica un factor esencial en la formación de los complejos de pre-replicación que determinan los orígenes de replicación del ADN. Mediante técnicas de inmunoprecipitación de cromatina encontramos que la represión de CDC6 ocurre a través de la unión directa de TOC1 al promotor de CDC6. Los análisis de interacción genética demostraron que los fenotipos de crecimiento reducido y de ploidía somática alterada observados en plantas que sobre-expresan TOC1, quedaban revertidos al sobre-expresarse también CDC6. Estos resultados confirman que la función de TOC1 en el ciclo celular ocurre en gran medida a través de la represión de CDC6. La desaceleración de la progresión del ciclo celular en plantas que sobre-expresan TOC1 afecta no solo el desarrollo de los órganos de la planta, sino también el desarrollo tumoral en los tallos de las inflorescencias. Por lo tanto, nuestros estudios demuestran que la función de TOC1 es importante en la regulación rítmica de la maquinaria pre-replicativa del ADN para controlar el crecimiento de las plantas en resonancia con el medio ambiente.

The circadian function is essential for plant growth and its adaptation to the environment. The molecular machinery responsible for the establishment of the circadian rhythmicity relies on the rhythmic oscillation of differentially expressed genes with different peaks of expression along the day and night. The rhythms in gene expression are translated into oscillations of physiological and developmental processes. Plant growth is controlled by a plethora of different processes that ultimately work through the control of cell proliferation and differentiation. Cell proliferation relies on the proper progression of the mitotic cycle, which is divided in 4 phases: S (DNA synthesis), M (Mitosis) and two gap phases G1 and G2, that take place before S and M phases, respectively. Cell differentiation coincides with the entry into the endocycle, a variant of the mitotic cycle in which genomic DNA duplicates without further division or mitosis. Even though the circadian clock and cell cycle as separate pathways have been well documented in plants, the possible direct interplay between these two cyclic processes has not been previously addressed. The work performed during this Thesis has focused on the characterization of the role of the circadian clock in the control of the cell cycle during plant growth. We found that plants with slower than Wild-Type circadian clocks slow down the progression of the cell cycle, while plants with faster clocks speed it up. The core clock component TIMING OF CAB EXPRESSION 1 (TOC1) controls the G1 to S-phase transition, thereby regulating the rhythm of the mitotic cycle during the early stages of leaf development. Likewise, TOC1 controls somatic ploidy during later stages of leaf development and of hypocotyl cell elongation. The use of flow cytometry analyses and of leaf growth kinetics showed that in plants over-expressing TOC1, the S-phase is shorter, which correlates with the diurnal repression of the CELL DIVISION CONTROL 6 (CDC6) gene. This gene encodes an essential component of the pre-replication complex, which is responsible for the specification of DNA origins of replication. Chromatin immunoprecipitation assays showed that the diurnal repression of CDC6 most likely relies on the direct binding of TOC1 to the CDC6 promoter. Genetic interaction analyses showeed that the reduced growth and altered somatic ploidy phenotypes observed in plants over-expressing TOC1 were reverted when CDC6 was over-expressed. Thus, our results confirm that TOC1 regulation of the cell cycle occurs through CDC6 repression. The slow cell cycle progression in plants over-expressing TOC1 has an impact not only in organ development but also on tumor growth in stems and inflorescences. Thus, TOC1 sets the time of the DNA pre-replicative machinery to control plant growth in resonance with the environment.