New mechanisms of DELLA protein regulation and activity in Arabidopsis

Abstract

[EN] DELLA proteins are plant-specific transcriptional regulators known to relay environmental information to the transcriptional networks to modulate growth and development accordingly. The view of DELLAs as signalling hubs is justified by two characteristics: first, they control the activity of a large number of transcriptional factors (TFs) and other transcriptional regulators through physical interaction; and, second, they are degraded by the 26S proteasome in response to the phytohormone gibberellin (GA), whose metabolism is very sensitive to environmental stimuli (e.g. light, temperature, salt stress). However, at least two observations indicate that this mechanistic framework is still incomplete: (i) warm temperature destabilizes the GA-insensitive DELLA rga-¿17, indicating that DELLAs cannot be destabilized only by changes in GA levels; and (ii) when found at the chromatin, DELLAs are localized not only in gene promoters, but also in gene bodies, suggesting that DELLAs may regulate transcription through interactions with proteins other than TFs. In this Thesis, we provide evidence that shows how a different E3 ubiquitin ligase controls the stability of DELLAs in a GA-independent manner, and how DELLAs regulate gene expression by directly interacting with the basal transcriptional machinery. In the first chapter, using a combination of genetic, physiological, and molecular approaches we demonstrate that DELLAs are targeted to proteolytic degradation by the E3 ubiquitin ligase CONSTITUTIVELY PHOTOMORPHOGENIC 1 (COP1). We show that COP1 interacts with the DELLAs GAI and RGA in vitro and in vivo, and that it promotes their polyubiquitination. We propose that COP1 represents a major pathway to degrade DELLAs in response to shade or to warm temperature. In the second chapter, we describe the interaction between DELLAs and the transcription elongation complex Polymerase-Associated Factor 1 (Paf1c). We show that Paf1c is required for the genome-wide deposition of monoubiquitinated H2B (H2Bub), a mark necessary for the progression of RNA polymerase II (RNAPII), and that this function is largely dependent on the presence of DELLAs. Likewise, impaired Paf1c or DELLA function results in a similar alteration in the accumulation and distribution of RNAPII in the Paf1c-target genes. We propose that DELLAs would exert this action by modulating the recruitment of Paf1c to the chromatin. These two new mechanisms underscore the importance of DELLAs as a central node in the environmental signalling network and should be considered in any potential application of DELLAs as biotechnological targets.

[ES] Las proteínas DELLA son reguladores transcripcionales específicos de plantas que transmiten información ambiental a las redes transcripcionales que modulan el crecimiento y el desarrollo. La propuesta de que las DELLAs actúan como "hubs" en redes de señalización se justifica por dos razones: primero, controlan la actividad de un gran número de factores de transcripción (FTs) y otros reguladores transcripcionales mediante interacción física; y segundo, son degradadas por el proteosoma 26S en respuesta a la fitohormona giberelina (GA), cuyo metabolismo es muy sensible a los estímulos ambientales (p. ej. luz, temperatura, estrés salino). Sin embargo, al menos dos observaciones sugieren que la información relativa a estos mecanismos no es completa: (i) las temperaturas altas desestabilizan incluso a rga-¿17, una versión de DELLA insensible a GAs, lo que indica que la estabilidad de las DELLAs no depende sólo de cambios en los niveles de GAs; y (ii) cuando se encuentran en la cromatina, las DELLAs no solo se posicionan en los promotores, sino también a lo largo de las regiones codificantes, lo que sugiere que las DELLAs podrían regular la transcripción mediante interacciones con otras proteínas diferentes a FTs. En esta Tesis, proporcionamos evidencia sobre una nueva E3 ubicuitina ligasa que controla la estabilidad de las DELLAs de una manera independiente a las GAs, y cómo las DELLA regulan la expresión génica interaccionando directamente con la maquinaria de transcripción basal. En el primer capítulo, usando una combinación de aproximaciones genéticas, fisiológicas y moleculares, demostramos que las DELLAs son marcadas para su degradación proteolítica por la E3 ubicuitina ligasa CONSTITUTIVELY PHOTOMORPHOGENIC 1 (COP1). Mostramos que COP1 interacciona al menos con las DELLAs GAI y RGA in vitro e in vivo, y que promueve su poliubicuitinación. Proponemos que COP1 representa una vía importante de degradación de DELLAs en respuesta a sombra y temperaturas altas. En el segundo capítulo, describimos la interacción entre las DELLAs y el complejo de elongación transcripcional Polymerase-Associated Factor 1 (Paf1c). Mostramos que, como en animales, Paf1c se requiere para la deposición a nivel genómico de la H2B monoubiquitinada (H2Bub), una marca necesaria para la progresión de la RNA polimerasa II (RNAPII), y que esta función depende en gran medida de la presencia de DELLAs. Asimismo, la reducción de la función de las DELLAs provoca defectos equivalentes a los de la pérdida de función de Paf1c en cuanto a la acumulación y distribución de la RNAPII en los genes diana de Paf1c. Proponemos que las DELLAs podrían por tanto regular la transcripción modulando el reclutamiento de Paf1c a la cromatina. Estos nuevos mecanismos inciden en la importancia de las DELLAs como nodos centrales en las redes de señalización al ambiente y podrían ser considerados como dianas biotecnológicas en aproximaciones futuras.

[CA] Les proteïnes DELLA són reguladors transcripcionals específics de les plantes conegudes per transmetre informació mediambiental a les xarxes transcripcionals per modular el creixement i desenvolupament. La visió actual de DELLAs com a "hubs" de senyalització es justifica per dues característiques: en primer lloc, controlen l'activitat d'un gran nombre de factors transcripcionals (FTs) i d'altres reguladors transcripcionals mitjançant la interacció física; i, en segon lloc, es degraden pel proteosoma 26S en resposta a la fitohormona giberel.lina (GA), el metabolisme de la qual és molt sensible als estímuls ambientals (per exemple, la llum, la temperatura, l'estrès salí). No obstant això, almenys dues observacions indiquen que aquest marc mecanicista encara és incomplet: (i) la temperatura càlida desestabilitza la DELLA rga-¿17, que és insensible a GAs, indicant que les DELLA no es desestabilitzen només per canvis en els nivells d'aquesta fitohormona; i (ii) quan es troben a la cromatina, les DELLA no només es localitzen en els promotors dels gens, sinó també a la regió que es transcriu, cosa que suggereix que poden regular la transcripció mitjançant interaccions amb proteïnes diferents de FTs. En aquesta tesi, proporcionem evidències que mostren com una ubiquitina E3 lligasa diferent controla l'estabilitat de les proteïnes DELLA de manera independent de GAs, i com les DELLA regulen l'expressió gènica interactuant directament amb la maquinària transcripcional basal. En el primer capítol, mitjançant una combinació d'enfocaments genètics, fisiològics i moleculars, demostrem que les DELLA s'envien a la degradació proteolítica mitjançant la ubiquitina E3 lligasa CONSTITUTIVELY PHOTOMORPHOGENIC 1 (COP1). Mostrem que la COP1 interacciona amb els DELLA GAI i RGA in vitro i in vivo, i que afavoreix la seva poliubiquitinació. Proposem que COP1 representa la via principal per degradar les DELLA en resposta a l'ombra o a la temperatura càlida. Al segon capítol, es descriu la interacció entre les DELLA i el complex d'allargament de transcripció Polymerase Associated Factor 1 (Paf1c). Mostrem que Paf1c es requereix per a la deposició a tot el genoma de H2B monoubiquitinada (H2Bub), una marca necessària per a la progressió de l'ARN Polimerasa II (RNAPII), i que aquesta funció depèn en gran part de la presència de DELLA. De la mateixa manera, quan la funció Paf1c o DELLA està deteriorada, es produeix una alteració similar en l'acumulació i distribució de RNAPII als gens diana de Paf1c. Proposem que les DELLA realitzen aquesta acció modulant el reclutament de Paf1c a la cromatina. Aquests dos nous mecanismes posen de manifest la importància de les proteïnes DELLA com a node central de la xarxa de senyalització ambiental i haurien de ser considerats en qualsevol aplicació potencial de DELLA com a objectius biotecnològics.