Ubiquitin-mediated endocytosis of the plant steroid hormone receptor BRI1 and regulation by elevated ambient temperature

par Sara Martins

Thèse de doctorat en Biologie

Sous la direction de Grégory Vert.

Le président du jury était Herman Höfte.

Le jury était composé de Grégory Vert, Herman Höfte, Nathalie Leborgne, Benoît Lefèbvre, Kian Hématy, Yvon Jaillais.

Les rapporteurs étaient Nathalie Leborgne, Benoît Lefèbvre.

  • Titre traduit

    Étude de l'endocytose dépendante de l'ubiquitine du récepteur aux hormones stéroïdes végétales BRI1 et de sa régulation par la température


  • Résumé

    Les brassinostéroïdes (BR) sont des hormones stéroïdes végétales qui jouent un rôle dans la croissance et le développement des plantes. Ils sont perçus à la surface cellulaire par le récepteur kinase BRI1 (BR insensitive 1) situé au niveau de la membrane plasmique. La voie de signalisation des BRs implique la cis et trans-phosphorylation de BRI1 et de son corécepteur BAK1 (BRI1 Associated Receptor Kinase 1) et aboutit à la déphosphorylation des facteurs de transcription BZR1 (Brassinazole Resistant 1) et BES1 (bri1-EMS-Supressor 1) et l’activation des réponses génomiques aux BRs. Les mécanismes permettant la dé-activation du complexe de perception des BRs sont encore peu connus mais peuvent impliquer la déphosphorylation de BRI1, la fixation de régulateur négatif comme BKI1, et l’endocytose de BRI1. Mon travail de doctorat a consisté à étudier les mécanismes d’endocytoses et de dégradation de BRI1 et leurs régulations par les conditions environnementales.L’ubiquitination est une modification post-traductionnelle impliquant l’attachement d’un polypeptide d’ubiquitine (Ub) sur une ou plusieurs lysines (K) d’une protéine cible. L’ubiquitine elle-même peut être sujette à l’ubiquitination, créant ainsi des chaînes de poly-ubiquitine (polyUb) qui peuvent adopter des topologies différentes selon le résidu K de l’ubiquitine impliqué dans la formation de la chaîne. Parmi ces chaînes de polyUb, la chaîne impliquant la lysine-63 (K63) est connue pour être impliquée dans la dégradation des protéines par endocytose chez les levures et les mammifères. Néanmoins, peu de choses sont connues sur l’endocytose dépendante de l’ubiquitine chez les plantes. Durant la première partie de ma thèse, j’ai démontré que BRI1 est modifié in vivo par des chaînes de polyUb K63 et j’ai pu identifier des sites putatifs d’ubiquitination dans BRI1. En utilisant une forme artificiellement ubiquitinée de BRI1 ainsi qu’une forme non ubiquitinable de BRI1, j’ai montré que l’ubiquitination joue un rôle sur l’internalisation de BRI1 à la surface cellulaire et est essentielle pour son adressage à la vacuole. Par ailleurs, j’ai établi que la dynamique de la protéine BRI1 médiée par son ubiquitination joue un rôle important dans le contrôle des réponses des BR.La deuxième partie de ma thèse m’a permis de découvrir une connexion entre l’endocytose dépendante de l’ubiquitine de BRI1 et la réponse des plantes à une élévation de température. J’ai notamment montré que l’accumulation de la protéine BRI1 est réduite dans les racines lorsque les plantes sont cultivées à une température plus élevée (i.e. 26°C). Cependant, la forme non ubiquitinable de BRI1 ne répond pas à cette élévation de la température suggérant une implication de l’endocytose dépendant de l’ubiquitine dans de telles conditions. Cette déstabilisation de BRI1 observée à température plus élevée se traduit au niveau moléculaire par une inhibition de la voie de signalisation des BRs et une hypersensibilité à des traitements BRs exogènes. Les plantes répondent à une montée subite de la température par une augmentation de la longueur de l’hypocotyle, des pétioles et de la racine principale ; processus largement sous le contrôle de l’auxine. J’ai accumulé au cours de ma thèse des évidences génétiques et génomiques montrant que la déstabilisation du BRI1 et l’inhibition de la signalisation des BR à plus hautes températures contrôle l’élongation des racines indépendamment de l’auxine. En conclusion, les résultats obtenus indiquent que BRI1 intègre les informations de température et de signalisation des BRs pour ajuster la croissance des racines lors de variations des conditions environnementales.


  • Résumé

    Brassinosteroids (BRs) are plant steroid hormones that play important roles on plant growth and development, and that are perceived at the plasma membrane (PM) by the receptor kinase BRI1 (BR insensitive 1). The perception of BRs by BRI1 triggers the cis and trans-phosphorylation of BRI1 and its co-receptor BAK1 (BRI1 Associated Receptor Kinase 1) initiating this way the BR signaling cascade that culminates with the de-phosphorylation of the transcription factors BZR1 (Brassinazole Resistant 1) and BES1 (bri1-EMS-Supressor 1), allowing these transcription factors to activate the transcription of thousands of BR-responsive genes. The mechanisms allowing the deactivation of the BR receptor complex are still elusive but may involve dephosphorylation, binding to negative regulators such as BKI1 and endocytosis. My PhD work focused on the endocytosis and the degradation of BRI1, and its regulation by environmental conditions.Ubiquitination is a post-translational modification that consists of the attachment of ubiquitin (Ub) polypeptides to one or several lysine (K) of a target protein. Ubiquitin itself can undergo self-ubiquitination thereby creating polyubiquitin (polyUb) chains that can harbor different topologies depending on the lysine residue from ubiquitin involved in the chain formation. Among these, polyUb chains involving lysine-63 (K63) are known to be involved in the degradation of proteins by endocytosis in yeast and mammals, while very little is known in plants. On a first part of my thesis, I demonstrated that BRI1 is post-translationally modified by K63 poly-ubiquitin chains and I identified putative ubiquitination sites in BRI1. Using both artificial ubiquitination of BRI1 and the generation of an ubiquitination-defective BRI1, I showed that ubiquitination plays a role on the internalization of BRI1 from the cell-surface, and is essential for its vacuolar targeting. Furthermore, ubiquitin-mediated BRI1 protein dynamics was also shown to play an important role in the control of BR responses by stabilizing BRI1 at the PM.The second part of the PhD uncovered a connection between BRI1 ubiquitin-mediated endocytosis and plant responses to elevated ambient temperature. I showed that BRI1 protein accumulation is lower at elevated temperature (i.e. 26°C) in roots, while the ubiquitin-defective form of BRI1 failed to respond, indicating a role of the BRI1 ubiquitin-mediated endocytosis in temperature responses. This temperature-mediated destabilization of BRI1 correlates with a downregulation of BR signaling and BR responses. Plants respond sudden rise in temperature by increasing their primary root length, a process that is under the control of auxin. Importantly, I accumulated genetic and genomic evidence that BRI1 destabilization and downregulation of BR signaling controls root elongation upon elevated ambient growth temperature, with little or no contribution of auxin. Altogether, our results establish that BRI1 integrates temperature and BR signaling to regulate root growth upon long-term changes in environmental conditions.


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