Role of the metacaspase AtMC1 in stress-triggered protein aggregate formation in yeast and plants

Abstract

L’agregació de proteïnes és un fenomen generalitzat a les cèl·lules que es pot associar a condicions patològiques. La formació d’agregats de proteïnes és induïda per múltiples tipus d’estrès, inclosos temperatura, químic, de nutrients i l’envelliment. No obstant això, la maquinària que permet la formació i deposició de proteïnes mal plegades en llocs específics de deposició és poc coneguda en les plantes.

Les metacaspases són factors reguladors crítics que han demostrat que participen en els processos de mort i supervivència cel·lular. Per exemple, s’ha demostrat que la metacaspasa de Saccharomyces cerevisiae ScMCA1 és important per mantenir la proteòstasi cel·lular i limitar l’agregació de proteïnes. De la mateixa manera, la metacaspasa d’Arabidopsis thaliana AtMC1, actua com a regulador positiu de la mort cel·lular programada desencadenada per patògens i també té una funció homeostàtica a favor de la supervivència en plantes envellides en paral·lel a una funció similar a la supervivència de l’autofàgia.

En aquesta tesi, hem utilitzat el llevat com a sistema model per analitzar el paper d’AtMC1 en l’agregació de proteïnes. Els nostres resultats mostren que l’AtMC1 es localitza conjuntament amb marcadors d’agregats en llocs de deposició d’agregats en llevats durant l’estrès i l’envelliment. Es requereix AtMC1 per a una eliminació eficient de proteïnes terminalment mal plegades en llevats i aquest paper és conservat evolutivament.

A més, aprofitant els amplis coneixements sobre control de qualitat de proteïnes i agregació de proteïnes en llevats, hem generat i caracteritzat nous marcadors d’agregació de proteïnes en plantes. Hem identificat els ortòlegs d’Arabidopsis del marcador d’agregats proteics en llevat ScHSP104 i ScUBC9TS, AtHSP101 i AtSCE1TS, respectivament. Mitjançant aquests marcadors, hem caracteritzat la funció d’AtMC1 en el procés d’agregació de proteïnes desencadenada per estrès en plantes. Els nostres resultats mostren que la manca d’AtMC1 condueix a un augment de l’acumulació d’agregats de proteïnes durant l’estrès per calor i l’atac de patògens. També hem trobat que l’AtMC1 co-localitza i co-immunoprecipita amb AtHSP101 in planta.

En resum, aquest treball proporciona una visió més profunda de la funció AtMC1 en el control de qualitat de proteïnes en plantes. Aquestes dades poden contribuir a l’aclariment dels mecanismes que controlen l’agregació de proteïnes en plantes que poden ajudar a desenvolupar noves estratègies per lluitar contra l’estrès ambiental al camp.

La agregación de proteínas es un fenómeno generalizado en las células que se puede asociar a condiciones patológicas. La formación de agregados de proteínas es inducida por múltiples tipos de estrés, incluidos temperatura, químico, de nutrientes y el envejecimiento. Sin embargo, la maquinaria que permite la formación y deposición de proteínas mal plegadas en lugares específicos de deposición es poco conocida en las plantas.

Las metacaspasas son factores reguladores críticos que han demostrado que participan en los procesos de muerte y supervivencia celular. Por ejemplo, se ha demostrado que la metacaspasa de Saccharomyces cerevisiae ScMCA1 es importante para mantener la proteostasis celular y limitar la agregación de proteínas. Del mismo modo, la metacaspasa de Arabidopsis thaliana AtMC1, actúa como regulador positivo de la muerte celular programada desencadenada por patógenos y también tiene una función homeostática a favor de la supervivencia en plantas envejecidas en paralelo a una función similar la supervivencia de la autofagia.

En esta tesis, hemos utilizado la levadura como sistema modelo para analizar el papel de AtMC1 en la agregación de proteínas. Nuestros resultados muestran que el AtMC1 se localiza conjuntamente con marcadores de agregados en lugares de deposición de agregados en levaduras durante el estrés y el envejecimiento. Se requiere AtMC1 para una eliminación eficiente de proteínas terminalmente mal plegadas en levaduras y este papel es conservado evolutivamente.

Además, aprovechando los amplios conocimientos sobre control de calidad de proteínas y agregación de proteínas en levaduras, hemos generado y caracterizado nuevos marcadores de agregación de proteínas en plantas. Hemos identificado los ortólogos de Arabidopsis del marcador de agregados proteicos en levadura ScHSP104 y ScUBC9TS, AtHSP101 y AtSCE1TS, respectivamente. Mediante estos marcadores, hemos caracterizado la función de AtMC1 en el proceso de agregación de proteínas desencadenada por estrés en plantas. Nuestros resultados muestran que la falta de AtMC1 conduce a un aumento de la acumulación de agregados de proteínas durante el estrés por calor y el ataque de patógenos. También hemos encontrado que el AtMC1 co-localiza y co-immunoprecipita con AtHSP101 in planta.

En resumen, este trabajo proporciona una visión más profunda de la función AtMC1 en el control de calidad de proteínas en plantas. Estos datos pueden contribuir al esclarecimiento de los mecanismos que controlan la agregación de proteínas en plantas que pueden ayudar a desarrollar nuevas estrategias para luchar contra el estrés ambiental en el campo.

Protein aggregation is a widespread phenomenon in cells that can be associated with pathological conditions. The formation of protein aggregates is induced by multiple types of stress, including thermal, chemical, nutrient deficiency and aging. However, the machinery that the formation and deposition of misfolded proteins into specific deposition sites is poorly understood in plants.

Metacaspases are critical regulatory factors that have been shown to participate in cell death and cell survival processes. For example, the Saccharomyces cerevisiae metacaspase ScMCA1 has been shown to be important for maintaining cellular proteostasis and limiting protein aggregation. Similarly, the Arabidopsis thaliana metacaspase AtMC1, acts both as a positive regulator of pathogen-triggered programmed cell death and also has a pro-survival homeostatic function in aging plants in parallel to a similar pro-survival function of autophagy.

In this thesis, we have used yeast model system to analyze the role of AtMC1 in protein aggregation. Our results show that the plant AtMC1 co-localized with aggregate markers into aggregate deposition sites in yeast during stress and aging. AtMC1 is required for efficient removal of terminally unfolded proteins in yeast and this role is evolutionarily conserved.

In addition, taking advantage of the extensive knowledge of protein quality control and protein aggregation in yeast, we have generated and characterized new markers of protein aggregation in plants. We have identified the Arabidopsis orthologues of yeast protein aggregate marker ScHSP104 and ScUBC9TS, AtHSP101 and AtSCE1TS. Using these markers, we have characterized the function of AtMC1 in process of stress-triggered protein aggregation in plants. Our results show that the lack of AtMC1 leads to an increase in the accumulation of proteins aggregates during heat stress and pathogen attack. We also found that AtMC1 co-localizes and co-immunoprecipitates with AtHSP101 in planta.

In summary, this work provides a deeper insight of AtMC1 function in protein quality control in plants. These data may contribute to the elucidation of the mechanisms controlling protein aggregation in plants that can help developing new strategies to fight against environmental stresses in the field.