Exploring the diversity of geranylgeranyl diphosphate synthases in Arabidopsis thaliana and Solanum lycopersicum

Abstract

Los isoprenoides forman la familia más amplia de metabolitos naturales y son especialmente diversos en el reino vegetal. Muchos isoprenoides vegetales con funciones esenciales y especializadas derivan del geranilgeranil difosfato (GGPP). La biosíntesis de este precursor es catalizada por la familia de proteínas GGPP sintasa (GGPPS), que ha sido estudiada principalmente en Arabidopsis thaliana. Esta planta modelo consta de cinco genes parálogos que codifican para GGPPSs con diferentes localizaciones subcelulares. Curiosamente, sólo la ausencia del gen que codifica para la isoforma AtG11 produce letalidad, ya que es esencial para el desarrollo embrionario y del cloroplasto. Poco se sabe acerca de las enzimas GGPPS y su regulación en especies vegetales de interés humano. Los objetivos de esta tesis han sido (1) descifrar el mecanismo molecular responsable de la dualidad de fenotipos letales observados en diferentes alelos de pérdida de función del gen AtG11, y (2) identificar los miembros de la familia GGPPS en tomate (Solanum lycopersicum) y caracterizar el papel de las isoformas plastídicas en la biosíntesis de nutrientes beneficiosos para la salud que derivan del GGPP como son los carotenoides. En la primera parte de la tesis demostramos que el gen AtG11 produce tránscritos de diferente longitud que resultan en dos enzimas GGPPS diferencialmente localizadas. Las transcripciones largas se traducen en una proteína de localización plastídica que produce GGPP para la síntesis de isoprenoides involucrados en la fotosíntesis, como clorofilas y carotenoides. La pérdida de función de esta isoforma resulta en un fenotipo albino letal. Los tránscritos cortos, en cambio, carecen del primer codón ATG pero se traducen a partir de un segundo codón ATG que mantiene el marco de lectura. La proteína resultante mantiene la actividad GGPPS pero permanece en el citoplasma debido a la pérdida del péptido de tránsito al plasto en la región N terminal. Esta isoforma corta produce GGPP citosólico que es necesario para la progresión del desarrollo embrionario más allá de la etapa de corazón. En el segundo capítulo mostramos que los cinco genes que codifican para posibles GGPPSs en tomate dan lugar a proteínas con diferente distribución subcelular. Entre ellos encontramos que tres isoformas se localizan en plastos (SlG1, SlG2 y SlG3) y que están asociadas a la síntesis de carotenoides de forma específica en diferentes tejidos vegetales. El gen SlG1 se induce durante la micorrización donde se necesitan metabolitos derivados de carotenoides. La expresión de SlG2 se asocia principalmente a procesos fotosintéticos donde los carotenoides actúan como fotoprotectores. Finalmente, encontramos que el gen SlG3 se activa mayoritariamente durante la maduración del fruto donde se acumulan pigmentos de tipo carotenoide de alto valor nutricional. Los perfiles de expresión específicos y la localización subcelular diferencial sugieren una fuerte subfuncionalización de estos genes. Los datos presentados en esta tesis contribuyen a entender mejor la complejidad de la familia GGPPS en plantas. Esta información será útil para diseñar estrategias genéticas para generar plantas que produzcan metabolitos derivados de GGPP de alto interés en tejidos o compartimentos celulares particulares de forma más sostenible.

Isoprenoids form the largest family of metabolites in nature and are especially abundant and diverse in the plant kingdom. Many plant isoprenoids with essential and specialized functions derive from geranylgeranyl diphosphate (GGPP). The biosynthesis of this isoprenoid precursor is catalyzed by the GGPP synthase (GGPPS) protein family. The GGPPS family has been most studied in Arabidopsis thaliana. In this model plant, five gene paralogs encode differentially localized GGPPS isoforms. Strikingly, only the disruption of the gene encoding the AtG11 isoform results in lethality as it is essential for chloroplast and embryo development. Little is known about GGPPS enzymes and their regulation in other plant species of human interest. The goals of this thesis have been (1) to unveil the molecular mechanism responsible for the duality of lethal phenotypes observed in AtG11 loss-of-function alleles, and (2) to identify the members of the GGPPS family in Solanum lycopersicum (tomato) and characterize the contribution of the plastidial isoforms to the biosynthesis of GGPP-derived health-promoting nutrients such as carotenoids. In the first part of the thesis we demonstrate that the AtG11 gene produces transcripts of different lengths that result in two differentially targeted GGPPS enzymes. Longer transcripts encode a plastid-targeted enzyme that produces GGPP for isoprenoids involved in photosynthesis, including chlorophylls and carotenoids. Loss of function of this activity results in an albino-lethal phenotype. Shorter transcripts, instead, lack the first ATG codon but are translated from a second in-frame ATG codon. The resulting protein retains GGPPS activity but remains in the cytosol due to the loss of the N-terminal plastid-targeting peptide. This shorter isoform produces GGPP that is required for the progression of embryo development beyond the heart stage. In the second chapter, we show that the five putative GGPPS-encoding genes that are present in the tomato genome encode proteins with different subcellular localizations. Among them, three GGPPS isoforms were found to be targeted to plastids (SlG1, SlG2 and SlG3) and to be specifically associated with carotenoid biosynthesis in particular plant tissues. The SlG1 gene was induced during root mycorrhization where carotenoid-derived metabolites are required. SlG2 expression was mainly associated to photosynthetic processes, where carotenoids act as photoprotectants. Finally, SlG3 was mostly activated during fruit ripening, when carotenoid pigments with high nutritional value are accumulated. The isoform-specific transcriptional profiles and the differential subcellular distribution suggest a strong subfunctionalization of these paralog genes. The data provided in this thesis contribute to understand the complexity of the GGPPS protein family in plants. This information will be useful to design sustainable strategies to manipulate plants for optimal production of specific groups of GGPP-derived metabolites in particular tissues and subcellular compartments.