Functional studies on the circadian regulation of mitochondrial activity in Arabidopsis thaliana

Abstract

El reloj circadiano es un mecanismo celular endógeno capaz de medir el paso del tiempo y traducir las señales medioambientales, principalmente luz y temperatura, en respuestas temporales que resultan en ritmos metabólicos y fisiológicos de aproximadamente 24 horas. Esta coordinación temporal les permite a los seres vivos predecir y anticipar cambios periódicos en el medioambiente. A pesar de su importancia para la adaptación y supervivencia de las plantas, la posible función regulatoria del reloj circadiano sobre la actividad y homeostasis mitocondrial ha sido difícil de elucidar. En esta Tesis Doctoral, hemos seguido un enfoque integral para demostrar el mecanismo molecular mediante el cual uno de los componentes clave del reloj circadiano, TOC1 (TIMING OF CAB EXPRESSION 1), controla la actividad mitocondrial. Con este fin, hemos estudiado la fluctuación in vivo de los niveles del ATP citosólico mediante la utilización de un biosensor de ATP basado en la tecnología FRET. También hemos realizado análisis transcriptómicos correlacionándolos con datos de los cambios en la acumulación de metabolitos observados en plantas sobre-expresantes y mutantes de TOC1. Hemos identificado el mecanismo molecular por el cual TOC1 regula la actividad mitocondrial a través de la unión directa al promotor del gen relacionado con el ciclo del ácido tricarboxílico, FUMARASE 2. Nuestros estudios de interacción genética también han validado este mecanismo. Las plantas que sobre-expresan TOC1 acumulan menos biomasa y tienden a presentar un fenotipo similar al de plantas sometidas a inanición. La sobre-expresión del gen FUMARASE 2 en estas plantas ayuda a la recuperación de la biomasa y alivia el fenotipo de inanición. En general, con este estudio se ha demostrado el papel que ejerce el reloj circadiano en la regulación de la demanda energética celular en sincronización con el medioambiente.

Circadian clocks are molecular timekeeping mechanisms that translate environmental cues, mostly light and temperature, into temporal information to generate ~24h rhythms in metabolism and physiology. The temporal coordination by the clock enables organisms to predict and anticipate periodic changes in the environment. Despite its importance for plant fitness and survival, the possible role of the circadian clock directly regulating plant mitochondrial activity and energy homeostasis has remained elusive. In this Doctoral Thesis, we have followed a comprehensive approach to demonstrate the molecular mechanism by which the key clock component TOC1 (TIMING OF CAB EXPRESSION 1) sets the time of mitochondrial activity. To that end, we have followed the in vivo dynamics of cytosolic ATP production using a FRET-based ATP biosensor. We have also performed transcriptomic analyses and examined their correlation with actual changes in metabolite content using plants miss-expressing TOC1. We have identified the molecular mechanism by which TOC1 regulates the mitochondrial activity through direct binding to the promoter of the tricarboxylic acid cycle related gene FUMARASE 2. Our genetic interaction studies have validated this mechanism, as over-expression of FUMARASE 2 in TOC1 over-expressing plants alleviates the reduced biomass and the starvation-like phenotypes observed in TOC1 overexpressing plants. Overall, ours studies uncover the role of the circadian clock controlling the cell energetic demands in synchronization with the environment.