Etude de la voie de signalisation SnAK/SnRK1 ("SnRK1‐Activating Kinase/SNF1‐Related Kinase 1") chez Arabidopsis thaliana

par Thomas Guérinier

Thèse de doctorat en Biologie

Sous la direction de Martine Thomas.

defended on 18-12-2012

à Paris 11 , dans le cadre de Ecole doctorale Sciences du Végétal (1992-2015 ; Orsay, Essonne) , en partenariat avec Institut de Biotechnologie des Plantes (Orsay) (laboratoire) .

Le président du jury était Guillaume Tcherkez.

Le jury était composé de Martine Thomas, Elena Baena‐gonzalez, Maryse Laloi, Christian Meyer, Guillaume Tcherkez.

Les rapporteurs étaient Elena Baena‐gonzalez, Maryse Laloi.


  • Résumé

    La famille de protéines kinases SNF1/AMPK/SnRK1 (levure/mammifères/plantes) est un régulateur central du métabolisme cellulaire chez l’ensemble des eucaryotes, activant le catabolisme et inhibant l’anabolisme en réponse au stress. Ces hétérotrimères sont composés d’une sous-unité catalytique (kinase α) et de deux sous-unités régulatrices (β et γ). De très nombreux travaux sur l’AMPK (AMP-activated Kinase) chez les mammifères ont révélé l’incroyable complexité de cette voie de signalisation impliquant des régulateurs en amont et une pléthore de cibles.Chez les plantes, les cibles connues de SnRK1 (« SNF1-Related Kinase 1 ») comprennent des facteurs de transcription, imposant une reprogrammation transcriptomique importante, et des enzymes clés du métabolisme telles que la Sucrose Phosphate Synthase et la Nitrate Reductase, conduisant, comme chez l’animal, au contrôle de l’homéostasie énergétique. Toutefois, les mécanismes de régulation de ces complexes sont eux très peu connus.Dans une première partie, nous avons recherché des métabolites capables d’influencer l’activité de SnRK1. L’enrichissement rapide d’extraits végétaux en complexes SnRK1 d’Arabidopsis thaliana, couplé à des mesures spécifiques d’activité kinase in vitro, nous ont permis de montrer que l’ADP, l’AMP et le citrate étaient des inhibiteurs forts de ces enzymes. Ces résultats nous ont permis d’établir un modèle physiologique dans lequel les complexes SnRK1 répondent à la fois au statut carboné de la cellule mais également aux niveaux globaux des adénylates.Dans une seconde partie, nous nous sommes intéressés aux kinases amont AtSnAK1 et AtSnAK2 (activatrices des sous-unités catalytiques AtSnRK1α1). Des essais kinases sur protéines recombinantes ont permis de mettre en évidence de nouveau un effet inhibiteur des adénylates sur l’activité de ces protéines, suggérant que l’ensemble de la voie SnAK/SnRK1 répond à des signaux énergétiques. De plus, la caractérisation de mutants perte-de-fonction a révélé un rôle important des kinases AtSnAK1 et 2 dans la transition hétérotrophie/autotrophie des jeunes plantules.Enfin, nous avons caractérisé un lien inédit chez les plantes entre homéostasie énergétique et prolifération cellulaire en montrant que les kinases AtSnRK1 sont capables de phosphoryler et inhiber les orthologues KRP6 et KRP7 de l’inhibiteur du cycle cellulaire de mammifères p27KIP1.Un modèle global des fonctions de cette kinase à l’échelle de la plante entière et de son développement est proposé en intégrant ces résultats aux connaissances actuelles sur les complexes SnRK1.

  • Titre traduit

    Study of the SnAK/SnRK1 ("SnRK1‐Activating Kinase/SNF1‐Related Kinase 1") signaling pathway in Arabidopsis thaliana


  • Résumé

    The conserved family of protein kinases SNF1/AMPK/SnRK1 (yeast/mammals/plants) is considered as a central element of cell metabolism regulation by controlling both anabolism and catabolism in response to stress conditions. These proteins are complexes composed of three actors, one conferring the catalytic activity (kinase α) and two regulatory subunits (β and γ). A massive interest for the mammalian AMPK (AMP-activated Kinase) during the past two decades has underlined the extreme complexity of this signalling pathway which involves several upstream regulators and multiple targets. In plants, known SnRK1 (SNF1-Related Kinase 1) targets mainly include transcription factors inducing a massive transcriptomic reprogramming, and key metabolic enzymes such as Sucrose Phosphate Synthase and Nitrate Reductase leading, like in mammals, to the control of cellular homeostasis. However, little is known concerning their regulation. In a first axis, we focused on the search for cell components capable of influencing Arabidopsis thaliana SnRK1 activity. Using an in vitro specific peptide-based assay, we have characterized upstream inhibitors including adenylates and citrate. These data allow us to add novel elements to a physiological model where AtSnRK1 coordinates metabolism in response to adenylates and citrate concentrations.The second axis is dedicated to the upstream activating kinases SnAK1 and SnAK2. A biochemical approach with recombinant proteins and in vitro specific peptide-based assays were used to test the effects of metabolites on SnAK1 and SnAK2 activities. By using loss-of-function mutants, we further pointed out a key role for these proteins during the heterotrophic-to-autotrophic transition of the young plantlets.In addition, we have identified a novel target of SnRK1 complexes. The characterisation of the AtSnRK1-dependent phosphorylation of AtKRP6 and AtKRP7, homologous to the p27KIP1 mammalian cell cycle inhibitor, highlighted a novel link between energy homeostasis and cell proliferation in plants.The current knowledge on SnRK1 complexes and the results described above allowed us to provide a global model regarding SnRK1 functions at the whole-plant level.

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