Functional characterization of the Arabidopsis HSP70-HSP90 organizing protein (HOP) family in response to stress

Fernández Bautista-Abad, Nuria (2017). Functional characterization of the Arabidopsis HSP70-HSP90 organizing protein (HOP) family in response to stress. Tesis (Doctoral), E.T.S. de Ingeniería Agronómica, Alimentaria y de Biosistemas (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.48105.

Descripción

Título: Functional characterization of the Arabidopsis HSP70-HSP90 organizing protein (HOP) family in response to stress
Autor/es:
  • Fernández Bautista-Abad, Nuria
Director/es:
  • Castellano Moreno, María del Mar
  • Berrocal Lobo, Marta
Tipo de Documento: Tesis (Doctoral)
Fecha: 2017
Materias:
Escuela: E.T.S. de Ingeniería Agronómica, Alimentaria y de Biosistemas (UPM)
Departamento: Biotecnologia [hasta 2014]
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

La proteína organizadora de HSP70 y HSP90 (HOP) es una familia conservada de cochaperonas citosólicas, cuyo papel como proteína de andamio de las chaperonas HSP70 y HSP90 se ha estudiado profundamente en mamíferos y levaduras. A pesar de que la familia HOP también se conserva en plantas, su participación en la formación de diferentes complejos de proteínas y su papel biológico en la fisiología de las plantas se ha mantenido extremadamente difícil de elucidar. El genoma de Arabidopsis codifica tres proteínas HOP: AtHOP1, AtHOP2 y AtHOP3. En un intento de determinar el posible papel de estas proteínas en respuesta a diferentes estreses, hemos comenzado con la caracterización de AtHOP3. HOP3 interactúa in vivo con HSP90 y HSP70 citosólicas, e inesperadamente con la proteína inmunoglobulina (BiP), un miembro de la familia HSP70 que se localiza en el retículo endoplámico (RE). Concordante con esta interacción con BiP, HOP3 se localiza parcialmente en el RE. Por otra parte, HOP3 se induce tanto a nivel transcripcional y traduccional por la respuesta a proteínas desplegadas (“Unfolded Protein Response” (UPR), en inglés) mediante un mecanismo dependiente de la enzima “Inositol-requiring enzyme 1” (IRE1). Es importante destacar que los mutantes de pérdida de función de HOP3 muestran una reducción en la germinación de polen y un fenotipo hipersensible en presencia de agentes inductores de estrés asicado a RE, un fenotipo que se revierte al estar presente la chaperona química, ácido tauroursodeoxicólico (TUDCA). Todos estos datos demuestran, por primera vez en eucariotas, un papel principal de HOP como un importante regulador de la respuesta de estrés del RE. La respuesta al estrés celular relacionado con el RE es un proceso íntimamente asociado a importantes programas específicos de desarrollo y durante la percepción del estrés medioambiental y la consecuente respuesta en plantas, como ocurre durante la infección por patógenos. Por lo tanto, hemos estudiado la implicación de HOP3 en la respuesta de defensa de las plantas a diferentes fitopatógenos, específicamente, al hongo necrotrófo Botrytis cinerea, el hongo vascular y hemibiotrófo Fusarium oxysporum sp conglutinans y la bacteria hemibiotrófa Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000. Este estudio demuestra que HOP3 es necesario para un correcto establecimiento de la respuesta de defensa a estos diferentes patógenos. Además, hemos demostrado que HOP3 interacciona con la proteína CORONATINE INSENSITIVE1 (COI1) mediante un ensayo de doble híbrido en levaduras y que el mutante con pérdida de función de HOP3 muestra una sensibilidad reducida a un precursor de ácido jasmónico (JA). Estos datos indican que la proteína HOP3 es necesaria para la señalización mediada por JA en plantas. Por último, hemos caracterizado el papel molecular de los diferentes miembros de la familia AtHOP en termotolerancia. Este análisis demuestra que los tres miembros de esta familia desempeñan un papel redundante en la adquisición de termotolerancia a largo plazo en Arabidopsis. Además, nuestros datos muestran que estas proteínas interactúan fuertemente con HSP90 y que en respuesta al estrés por calor, una fracción de HOP cambia su localización subcelular del citoplasma a gránulos citoplasmáticos y se transloca al núcleo. Consistente con esta última ubicación y con la formación de un complejo entre HOP y el factor de choque térmico HsfA1a, el triple mutante hop1 hop2 hop3 muestra una respuesta al choque térmico alterada. Este triple mutante también muestra una inusualmente alta acumulación de proteínas insolubles y ubiquitinadas bajo el estrés por calor. Estos datos revelan que las proteínas HOPs están involucradas en dos aspectos diferentes de la respuesta al calor: el mantenimiento de la homeostasis proteica y en el establecimiento adecuado de la respuesta al choque térmico, afectando la capacidad de la planta para aclimatarse al estrés por calor durante largos períodos de tiempo. Los datos presentados en esta Tesis proporcionan nuevas evidencias para comprender el papel esencial de los diferentes miembros de la familia HOP de Arabidopsis en respuesta a diferentes estreses medioambientales ----------ABSTRACT---------- HSP70-HSP90 organizing protein (HOP) is a conserved family of cytosolic cochaperones, whose role as scaffolding proteins of the chaperones HSP70 and HSP90 has been profusely studied in mammals and yeast. Although HOP family is also conserved in plants, their involvement in different protein complexes and their biological role in plant physiology has remained extremely elusive. Arabidopsis genome codes for three AtHOP proteins, AtHOP1, AtHOP2 and AtHOP3. In an attempt to determine the possible role of these proteins in response to different stresses, we started with the characterization of AtHOP3. HOP3 interacts in vivo with cytosolic HSP90 and HSP70, and, unexpectedly, with binding immunoglobulin protein (BiP), a member from the HSP70 family located in the endoplasmic reticulum (ER). Consistent with this interaction with BiP, HOP3 is partially localized at the ER. Moreover, HOP3 is induced both at transcript and protein levels by unfolded protein response (UPR) inducer agents by a mechanism dependent on inositol-requiring enzyme 1 (IRE1). Importantly, hop3 loss-of-function mutants show a reduction in pollen germination and a hypersensitive phenotype in the presence of ER stress inducer agents, a phenotype that is reverted by the addition of the chemical chaperone tauroursodeoxycholic acid (TUDCA). All these data demonstrate, for the first time in any eukaryote, a main role of HOP as an important regulator of the ER stress response. ER stress response is a process intimately associated with important specific developmental programs and to environmental stress sensing and response in plants, such as during pathogen infection. Therefore, we have studied the involvement of HOP3 in plant defense response to different phytopathogens, specifically, to the necrotrophic fungus Botrytis cinerea, the vascular and hemibiotrophic fungus Fusarium oxysporum sp conglutinans and the hemibiotrophic bacteria Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000. This study demonstrates that HOP3 is required for the establishment of the defense response to these different pathogens. In addition, we have demonstrated that HOP3 interacts with CORONATINE INSENSITIVE1 (COI1) in the yeast two-hybrid system and that the hop3-1 loss-of-function mutant shows a reduced sensitivity to MeJA. These data indicate that HOP3 is required for jasmonic acid (JA) signaling in plants. Finally, we have characterized the molecular role of the different members of the AtHOP family in thermotolerance. This analysis demonstrates that the three members of this family play a redundant role in the acquisition of long-term thermotolerance in Arabidopsis. Additionally, our data show that these proteins interact strongly with HSP90 and that part of the bulk of HOP shuttles from the cytoplasm to cytoplasmic foci and to the nucleus in response to heat stress. Consistent with this latter location and with the formation of a HOP complex with the heat shock factor HsfA1a, the heat shock response is altered in the hop1 hop2 hop3 triple mutant. This triple mutant also displays an unusual high accumulation of insoluble and ubiquitinated proteins under the heat challenge. These data reveal that HOPs are involved in two different aspects of the response to heat: the maintenance of protein homeostasis and the proper establishment of heat shock response, affecting the plant capacity to acclimate to heat stress for long periods. The data presented in this Thesis provides new evidences for the essential role of different members of the HOP family in response to different environmental stresses.

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ID de Registro: 48105
Identificador DC: http://oa.upm.es/48105/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:48105
Identificador DOI: 10.20868/UPM.thesis.48105
Depositado por: Archivo Digital UPM 2
Depositado el: 16 Oct 2017 10:49
Ultima Modificación: 11 Abr 2018 22:30
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