Mécanismes moléculaires contrôlant l’ubiquitination et l’endocytose du transporteur de fer IRON-REGULATED TRANSPORTER 1 d’Arabidopsis thaliana

par Guillaume Dubeaux

Thèse de doctorat en Biologie

Sous la direction de Grégory Vert.

Le président du jury était Anne Krapp.

Le jury était composé de Grégory Vert, Anne Krapp, Bruno André, Laurent Nussaume, Niko Geldner, Doan-Trung Luu.

Les rapporteurs étaient Bruno André, Laurent Nussaume.


  • Résumé

    L’ubiquitination est une modification post-traductionnelle qui joue un rôle majeur chez les organismes vivants. Chez Arabidopsis thaliana, le transporteur de fer racinaire IRT1 est endocyté à la suite de la monoubiquitination de deux résidus lysine situés au niveau de sa grande boucle cytosolique. Cependant, les mécanismes régissant l’endocytose médiée par l’ubiquitine ainsi que son rôle biologique restent flous. Au cours de ma Thèse, j’ai mis en évidence que la dynamique d’IRT1 était contrôlée par les métaux substrats secondaires du transporteur (à savoir le zinc, le manganèse et le cobalt). En l’absence de ces métaux, IRT1 est localisé à la membrane plasmique avec une polarité latérale le positionnant sur la face externe des cellules de l’épiderme racinaire. La présence de ces mêmes métaux à un niveau physiologique entraîne la monoubiquitination d’IRT1 et son internalisation vers les endosomes précoces. J’ai démontré que lorsque les métaux substrats secondaires d’IRT1 sont présents en excès, les modifications monoubiquitine sont alors allongées en chaînes de polyubiquitines liées par le résidu lysine-63, entrainant ainsi son adressage vers la vacuole et sa dégradation. Mes travaux ont par ailleurs permis d’élucider les mécanismes moléculaires impliquées dans la réponse des plantes à l’excès de métaux substrats d’IRT1. J’ai notamment montré que l’endocytose d’IRT1 était dépendante i) d’un motif riche en résidus histidine dans la séquence d’IRT1 qui est capable de fixer ces métaux autres que le fer, ii) de la phosphorylation d’IRT1 au niveau d’un résidu thréonine par une protéine kinase en cours d’investigation, et iii) de l’E3 ligase à domaine RING IDF1. D’un point de vue physiologique, l’endocytose d’IRT1 médiée par l’ubiquitine et dépendante des métaux protège la plante d’une suraccumulation de ces métaux autres que le fer qui sont hautement réactifs.

  • Titre traduit

    Molecular mechanisms driving the ubiquitination and endocytosis of the Arabidopsis iron transporter IRON-REGULATED TRANSPORTER 1


  • Résumé

    Ubiquitination is a post-translational modification playing a major role in living organisms. In Arabidopsis thaliana, the root iron transporter IRT1 is endocytosed following the monoubiquitination of two lysine residues located in its large cytosolic loop. However, the mechanisms driving IRT1 ubiquitin-mediated endocytosis and its biological relevance remains unclear. During my PhD, I uncovered that IRT1 dynamics is controlled by its secondary metal substrates (i.e. zinc, manganese and cobalt). In the absence of these non-iron metals, IRT1 is found at the cell-surface of root epidermal cells with an outer lateral polarity, while their presence at physiological levels triggers IRT1 monoubiquitination, internalization and accumulation in early endosomes. However, upon non-iron metal excess, monoubiquitin modifications are extended into K63 polyubiquitin chains to promote the vacuolar targeting of IRT1 and its degradation. I investigated further the molecular mechanisms driving plant responses to non-iron metal excess. I notably showed that this regulation by non-iron metals is dependent on i) a histidine-rich stretch in IRT1 that is able to directly bind to non-iron metals, ii) the subsequent recruitment of a kinase currently under investigation which phosphorylates IRT1 at a threonine residue, and iii) the RING E3 ligase IDF1. Altogether, the metal-dependent ubiquitin-mediated endocytosis of IRT1 protects the plant from overaccumulation of highly reactive non-iron metals.


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