Characterization of the ferredoxin/thioredoxin system and its targets in Physcomitrella patens

par Desirée Gütle

Thèse de doctorat en Biologie végérale et forestière

Sous la direction de Jean-Pierre Jacquot et de Ralf Reski.

  • Titre traduit

    Caractérisation de mutants du système ferrédoxine-thiorédoxine chez Physcomitrella patens


  • Résumé

    La régulation redox est un mécanisme ancien présent chez les organismes biologiques et impliquée dans diverses voies métaboliques. En particulier chez les organismes photosynthétiques elle est responsable des mécanismes d‘adaptation rapide dans un environnement constamment modifié. Dans les chloroplastes le système ferrédoxine/thiorédoxine est la cascade redox principale qui relie l‘activité de plusieurs enzymes plastidiales à la source lumineuse. Le rôle central dans ce système est joué par la ferrédoxine-thiorédoxine réductase (FTR), une protéine hétérodimérique qui récupère des électrons à partir de la ferrédoxine photoréduite et les transfère pour réduire des thiorédoxines plastidiales. Ces protéines peuvent alors réduire des enzymes cibles, requérant l‘accessibilité de paires de cystéines dans un disulfure dont la réduction résulte en une activation/ inactivation de la cible. Jusqu‘à présent des plantes viables n‘ont pu être obtenues en l‘absence de ce système de régulation. Dans cette thèse des secteurs du système redox ont été explorés chez la plante modèle Physcomitrella patens (une mousse). Par manipulation de gènes l‘influence de l‘enzyme FTR sur la croissance et le développement de la plante a été analysée suivant différents paramètres. De manière à impacter la fonction de la réductase des changements nucléotidiques simples ont été introduits au niveau des codons programmant les cystéines catalytiques et dans un deuxième temps le gène complet a été supprimé. De façon inattendue nous n‘avons observé aucun effet significatif sur la viabilité et le développement des plantes mutantes. De plus, nous avons détecté dans P. patens des thiorédoxines additionnelles absentes chez les plantes à graine qui sont fonctionnelles vis à vis des enzymes cibles mais non-réduites par la FTR. Ceci rend possible un scénario de compensation chez les mutants via un système de réduction FTR-indépendant qui reste à caractériser. Deux des cibles photorégulées, la fructose-1,6-bisphosphatase (FBPase) et la sédoheptulose-1,7-bisphosphatase (SBPase), fonctionnent dans la phase de régénération du cycle de Calvin-Benson cycle et elles possèdent plusieurs caractéristiques de catalyse et de régulation similaires. En combinant des approches biochimiques et structurales, une comparaison fonctionnelle et structurale des deux phosphatases de P. patens a été conduite. De plus l‘analyse phylogénétique a révélé une origine procaryotique indépendante des deux séquences en dépit de leurs similitudes structurales et catalytiques. De plus trois articles de revue résument la plasticité et la représentativité du modèle P. patens pour la recherche forestière, les principes généraux de la régulation redox relativement aux aspects évolutifs et fonctionnels chez les plantes ainsi que l‘ état de l‘art de la régulation redox chez les espèces ligneuses en utilisant principalement le peuplier comme modèle


  • Résumé

    Redox regulation is an ancient mechanism present in biological organisms and is involved in diverse cellular pathways. In particular in photosynthetic organisms it is responsible for fast adaption mechanisms to a constantly changing environment. In chloroplasts the ferredoxin/thioredoxin system represents the main redox regulatory cascade which links the activity of several plastid enzymes to the energy source, light. A central role in this system is played by the heterodimeric ferredoxin-thioredoxin reductase (FTR), which gains electrons from the photo-reduced ferredoxin and transfers those further on via reduction to plastidal thioredoxins. Those proteins in turn reduce their target enzymes and require therefore the availability of redox sensitive cysteine pairs whose reduction results in an inactivation/activation switch of the targets. So far no viable plants could be obtained in complete absence of this redox regulation system. In this thesis single sections of the system were explored in the model plant Physcomitrella patens. Through gene manipulation the influence of the FTR enzyme on plant growth and development was analysed. In order to impact on the function of the reductase, firstly single nucleotide exchange of the catalytic cysteines was performed and later on the gene was completely deleted. Surprisingly, no significant effect could be observed on the viability and development of mutant lines compared to WT plants. Furthermore we found that P. patens possesses in contrast to seed plants additional thioredoxins which are functional for reduction of FTR target enzymes but are most likely not supplied with electrons by this reductase. Thus a possible rescue scenario independent of FTR could be assumed for P. patens and also by other redox regulation systems present in chloroplasts. Two of the FTR target enzymes, fructose-1,6-bisphosphatase and sedoheptulose-1,7-bisphosphatase, are functional in the regeneration phase of the Calvin-Benson cycle and share similar characteristics in regulation and catalysis. By combining biochemical and structural approaches, a functional comparison of both phosphatases was conducted using cDNAs from P. patens. A stricter TRX-dependent regulation and catalytic cleavage ability for both substrates, FBP and SBP, could be observed for PpSBPase, whereas PpFBPase is only capable of cleaving FBP. By obtaining the oxidized X-ray structure of both enzymes these observations can be associated with the distinct positions of regulatory sites and the various sizes of the substrate binding pocket. In addition, the phylogenetic analysis revealed an independent prokaryotic origin for both phosphatases. Furthermore we summarized in three review articles the amenability of P. patens as model plant for forest research, the general principles of redox regulation in respect of evolution and functional mechanisms in plants, and the current state of the art in forest redox regulation using poplar as exemplary model


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