Structure-function analysis of the key cell cycle regulator CDKB2 in Arabidopsis

par Muhammad Azeem

Thèse de doctorat en Aspects moléculaires et cellulaires de la biologie

Sous la direction de Arp Schnittger.

Le jury était composé de Patrick Achard.

Les rapporteurs étaient Holger Puchta, Christian Chevalier.

  • Titre traduit

    Analyse structurale et fonctionnelle du régulateur clef du cycle cellulaire CDKB2 chez Arabidopsis thaliana


  • Résumé

    Le cycle cellulaire est fermement contrôlé par l’activité de kinases cycline dépendantes (CDKs). Les CDKs d’Arabidopsis, plante à fleur, ont été classées en six types, parmi lesquels les CDKs de type A- et B- sont les acteurs pajeurs du cycle cellulaire végétal. Les CDKs de type B sont spécifiques aux plantes, alors que les CDKs de type A sont des homologues fonctionnels des cdc2/Cdc28p de levure et contiennent un motif conservé PSTAIRE. Il a récemment été observé que, même si les plantes mutantes cdka;1-/- sont viables, elles sont naines et ne peuvent survivre en culture sur sol. La restauration de cette croissance en terre de culture peut néanmoins être obtenue par expression des CDKs de type B. Mais ce sauvetage est incomplet et n’a pu être observé que pour l’expression de CDKB1 et non CDKB2. Ce résultat soulignant le fait que les CDKA;1, CDKB1 et CDKB2 ont des fonctions différentes. Ici, nous avons réalisé une analyse de corrélation entre structure et fonction en échangeant des acides aminés clefs ou domaines entres ces différentes kinases. Les résultats obtenus ont mis en exergue le fait que la structure dans son intégralité est importante pour la fonction de chaque CDK et que les domaines ne peuvent être facilement échangés au sein des différentes CDKs. De plus, la non complémentation des plantes mutantes cdka;1-/- par l’expression des protéines cdc2/CDC28 de levure ou Cdk1 et Cdk2 humaines, démontre le rôle spécifique de la CDK1;1 de plante. Fait intéressant, des plantes qui surexpriment CDK2;2 montrent une croissance accélérée du système racinaire et aérien conduisant à une floraison précoce de 10-15 jours par rapport à une plante sauvage et à une augmentation significative du poids sec de la partie aérienne de la plante et de ses graines. Ces dernières, semées et cultivées sur un milieu contenant de la Bléomycine (composé domageant l’ADN) ont à nouveau montré une meilleure croissance racinaire que des plantes sauvages. Ce résultat indique donc que la répression de l’expression des protéines CDKB2 suivant des dommages à l’ADN n’est pas essentielle. La modulation de l’activité des protéines CDKB2 représente ainsi une nouvelle possibilité d’augmenter la croissance végétale en condition de culture rude.


  • Résumé

    The cell cycle is tightly controlled through the activities of cyclin-dependent kinases (CDKs). CDKs in the flowering plant Arabidopsis have been classified into six types, among which the A- and B-type CDKs are key players of the plant cell cycle. While B-type CDKs are plant specific, A-type CDKs are functional homologs of yeast cdc2/Cdc28p and contain a conserved PSTAIRE motif. It has been recently observed that, although cdka;1-/- mutant plants are viable, they are extremely dwarfed and cannot survive on soil.. Growth on soil of cdka;1-/- mutants can be restored by the expression of B-type CDKs. However, this rescue was incomplete and was only observed when CDKB1 and not CDKB2 was expressed. These results pointed at distinct features of the three kinases CDKA;1, CDKB1, and CDKB2. Here, exchanging key amino acids and swapping domains between these kinases performed a structure-function analysis. However, the obtained results emphasize that structural integrity of each CDK is delicate and that individual domains cannot be easily exchanged between different CDKs. Moreover, the failure of yeast cdc2/CDC28 and human Cdk1 and Cdk2 to rescue cdka;1-/- mutants stresses the plant specific role of CDKA;1. Interestingly, plants expressing CDKB2;2 showed accelerated growth of the root and the shoot leading to flowering at approximately 10-15 days earlier than the wild type with a significant increase in aboveground dry biomass and seed weight. Remarkably, the roots of CDKB2;2 overexpression lines grew even on DNA damage-inducing media faster than wild-type roots, indicating that the previously observed down-regulation of CDKB2 expression after DNA damage is not essential in the DNA damage response. Thus, modulation of CDKB2 activity represents a novel possibility to enhance plant growth even on adversary conditions.

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