Aplicaciones del factor de transcripción Rosea1 de la ruta de las antocianinas como marcador visual en virología molecular y biotecnología de plantas.

Abstract

[ES] Los virus de plantas poseen la capacidad de parasitar células vegetales y poner a su disposición la maquinaria celular de la planta para la síntesis de sus propias proteínas. Aprovechando esta capacidad, la ingeniería genética ha dirigido muchos de sus esfuerzos en la modificación del genoma viral para utilizar los virus de plantas como vectores de expresión de proteínas de interés humano. Los potyvirus son un grupo de virus de plantas ampliamente estudiado y utilizado en biotecnología. Su genoma está formado por un RNA de cadena sencilla que codifica, principalmente, una poliproteína que se procesa para dar aproximadamente 10 proteínas maduras. En diferentes posiciones intercistrónicas se pueden insertar cDNAs que codifican proteínas de interés, las cuales se producen junto al resto de productos de la poliproteína. Si además estos cDNAs se flanquean por secuencias que codifican los sitios de procesamiento específicos de las proteasas virales, las proteínas heterólogas se liberan eficientemente de la poliproteína viral. Así, la inserción de un cDNA correspondiente al factor de transcripción Rosea1 de la ruta de las antocianinas en distintos potyvirus resulta en la biosíntesis de estos compuestos en las células vegetales infectadas. Las antocianinas son compuestos flavonoides coloreados que se pueden observar a simple vista, por lo que la expresión de Rosea1 es una herramienta biotecnológica muy útil para seguir la infección de virus de plantas. En esta Tesis se han investigado diferentes aplicaciones biotecnológicas basadas en la expresión del factor de transcripción Rosea1 y la consecuente acumulación de antocianinas en el contexto de la biología de los potyvirus. Primero, se construyó un clon del virus del mosaico amarillo del calabacín (ZYMV) etiquetado con Rosea1 (ZYMV-Ros1). El ZYMV es capaz de replicarse a nivel local pero no de moverse a larga distancia en plantas de Nicotiana benthamiana. Un análisis de la infección por ZYMV-Ros1 en una serie de plantas transgénicas de N. benthamiana silenciadas en distintas RNasas de tipo Dicer (DCL) permitió profundizar en el conocimiento de los mecanismos defensivos de la planta frente a este virus. Los resultados indicaron que DCL4 está implicada en restringir el movimiento sistémico del virus, ya que en plantas con este gen silenciado el virus es capaz de moverse a larga distancia. Además, las antocianinas tienen un gran interés nutricional, farmacéutico e incluso industrial, por su gran actividad antioxidante. Un clon viral derivado del virus Y de la patata (PVY) que expresaba Rosea1 (PVY-Ros1) indujo la acumulación de más antocianinas que las que contienen frutas y verduras que son fuente rica de estos valiosos antioxidantes. Este mismo clon PVY-Ros1 también se utilizó para estudiar la transmisión del virus mediante áfidos vectores, observándose como estos provocan frecuentemente el inicio de la infección en el tejido vascular. Este mismo clon viral permitió mostrar visualmente el efecto antiviral que tienen las nanopartículas de plata en plantas. Por último, en esta Tesis se combinó el factor de transcripción Rosea1 con distintas proteasas de los potyvirus para crear circuitos lógicos de regulación génica en plantas. Se observó que la fusión de distintas proteínas virales, como la proteína de inclusión nuclear b (NIb) de los potyvirus o fragmentos de ella, al extremo carboxilo terminal de Rosea1 inhibía la actividad del factor de transcripción. Sin embargo, la acumulación de antocianinas se pudo restablecer insertando sitios de reconocimiento de proteasas virales entre ambas partes y coexpresando tales proteasas. La especificidad de corte y la eficiente actividad catalítica de las proteasas de inclusión nuclear a (NIaPro) del virus del grabado del tabaco (TEV) y del virus de las venas moteadas del tabaco (TVMV) permitió construir circuitos genéticos basados en regulación postranscripcional que son capaces de realizar algunas operaciones lógicas básicas (YES, OR y AND) en tejidos vegetales.

[CA] Els virus de plantes posseeixen la capacitat de parasitar cèl·lules vegetals i posar a la seva disposició la maquinària cel·lular de la planta per a la síntesi de les seves pròpies proteïnes. Aprofitant aquesta capacitat, l'enginyeria genètica ha dirigit molts dels seus esforços a la modificació del genoma viral per utilitzar els virus de plantes com a vectors d'expressió de proteïnes d'interès humà. Els potyvirus són un grup de virus de plantes àmpliament estudiat i utilitzat en biotecnologia. El seu genoma està format per un RNA de cadena senzilla que codifica, principalment, una poliproteïna que es processa per donar aproximadament 10 proteïnes madures. En diferents posicions intercistróniques es poden inserir cDNAs que codifiquen proteïnes d'interès, les quals es produeixen alhora amb la resta de productes de la poliproteïna. Si a més aquests cDNAs es flanquegen per seqüències que codifiquen els llocs de processament específics de les proteases virals, les proteïnes heteròlogues s'alliberen eficientment de la poliproteïna viral. Així, la inserció d'un cDNA corresponent al factor de transcripció Rosea1 de la ruta de les antocianines en diferents potyvirus resulta en la biosíntesi d'aquests compostos en les cèl·lules vegetals infectades. Les antocianines són compostos flavonoides colorits que es poden observar a simple vista, de manera que l'expressió de Rosea1 és una eina biotecnològica molt útil per seguir la infecció de virus de plantes. En aquesta Tesi s'han investigat diferents aplicacions biotecnològiques basades en l'expressió del factor de transcripció Rosea1 i la conseqüent acumulació d'antocianines en el context de la biologia dels potyvirus. Primer, es va construir un clon del virus del mosaic groc del carbassó (ZYMV) etiquetat amb Rosea1 (ZYMV-Ros1). El ZYMV és capaç de replicar-se a nivell local però no de moure's a llarga distància en plantes de Nicotiana benthamiana. Un anàlisi de la infecció per ZYMV-Ros1 en una sèrie de plantes transgèniques de N. benthamiana silenciades en diferents RNases de tipus Dicer (DCL) va permetre aprofundir en el coneixement dels mecanismes defensius de la planta front aquest virus. Els resultats van indicar que DCL4 està implicada en restringir el moviment sistèmic del virus, ja que en plantes amb aquest gen silenciat el virus és capaç de moure's a llarga distància. A més, les antocianines són objecte d'un gran interès nutricional, farmacèutic i fins i tot industrial, per la seva gran activitat antioxidant. Un clon viral derivat del virus Y de la patata (PVY) que expressava Rosea1 (PVY-Ros1) va induir l'acumulació de més antocianines que les que contenen fruites i verdures que són font rica d'aquests valuosos antioxidants. Aquest mateix clon PVY-Ros1 es va utilitzar per estudiar la transmissió del virus mitjançant àfids vectors, observant com aquests provoquen freqüentment l'inici de la infecció en el teixit vascular. Aquest mateix clon viral també va permetre mostrar visualment l'efecte antiviral que tenen les nanopartícules de plata en plantes. Finalment, en aquesta Tesi es va combinar el factor de transcripció Rosea1 amb diferents proteases dels potyvirus per crear circuits lògics de regulació gènica en plantes. Es va observar que la fusió de diferents proteïnes virals, com la proteïna d'inclusió nuclear b (NIb) dels potyvirus o fragments d'ella, a l'extrem carboxil terminal de Rosea1 inhibia l'activitat del factor de transcripció. No obstant això, l'acumulació d'antocianines es va poder restablir inserint llocs de reconeixement de les proteases virals entre les dues parts i coexpressant aquestes proteases. L'especificitat de tall i l'eficient activitat catalítica de les proteases d'inclusió nuclear a (NIaPro) del virus del gravat del tabac (TEV) i del virus de les venes clapejades del tabac (TVMV) va permetre construir circuits genètics basats en regulació postranscripcional que són capaços de realitzar algunes operacions lògiques bàsiques (YES, OR i AND) en teixits vegetals.

[EN] Plant viruses have the ability to parasitize plant cells and use the plant cellular machinery for the synthesis of their own proteins. Taking advantage of this capacity, genetic engineering has focused many of its efforts in modifying the viral genome in order to use modified plant viruses as expression vectors of proteins of human interest. These proteins are stored in host plants that act as low-cost and highly secure biofactories. Potyviruses are a group of plant viruses widely studied and used in biotechnology. Their genome consist of a single-stranded RNA that mainly encodes a polyprotein that is processed in approximately 10 mature proteins. cDNAs flanked by protease specific processing sequences can be inserted in different intercistronic positions and efficiently processed by the viral proteases to produce proteins of interest together with the rest of the viral polyprotein products. Thus, the insertion of the cDNA corresponding to the transcription factor Rosea1 of the anthocyanin pathway in different potyviruses results in the biosynthesis of these compounds in infected plant cells. Anthocyanins are colored flavonoid compounds that can be observed with the naked eye, and thus, the expression of Rosea1 is a very useful biotechnological tool to follow the infection of plant viruses. In this work, we provided different biotechnological applications based on the expression of this transcription factor and the consequent accumulation of anthocyanins in the context of potyvirus biology. First, a zucchini yellow mosaic virus (ZYMV, genus Potyvirus) clone tagged with Rosea1 (ZYMV-Ros1) was constructed. ZYMV is able to replicate locally but not to move long distances in Nicotiana benthamiana plants. We analyzed the infection by ZYMV-Ros1 in a series of N. benthamiana transgenic plants in which the different Dicer-like (DCL) RNases were slilenced. The results showed that DCL4 is involved in restricting the systemic movement of the virus in N. benthamiana plants. This study allowed to deepen the knowledge of the defense mechanisms of the plant against this virus. Besides their biotechnological potential as markers of biological activities, anthocyanins have great nutritional, pharmaceutical and even industrial interest due to their high antioxidant activity. We found that a potato virus Y clone (PVY; genus Potyvirus) expressing Rosea1 (PVY-Ros1) induced the accumulation of a higher amount of anthocyanins than those contained in fruits and vegetables that are a rich source of these valuable antioxidants. The PVY-Ros1 clone was also used to study the transmission of the virus by aphid vectors. We observed that aphids frequently initiate infection in vascular tissue. This viral clone also allowed to visually show the antiviral effect of silver nanoparticles in plants. Finally, in this work, the Rosea1 transcription factor was combined with different potyvirus proteases to create genetic circuits in plants. We observed that the fusion of the nuclear inclusion protein b (NIb) of potyviruses, or fragments of it, to the carboxyl terminal end of Rosea1 inhibited the activity of the transcription factor. However, the accumulation of anthocyanins could be restored by inserting viral protease recognition sites in between NIb and Rosea1 and co-expressing those proteases. The cleavage specificity and the efficient catalytic activity of nuclear inclusion a proteases (NIaPro) of tobacco etch virus (TEV; genus Potyvirus) and tobacco spotted vein virus (TVMV; genus Potyvirus) allowed the construction of genetic circuits based on post-transcriptional regulation that are capable of performing some basic logical operations (YES, OR and AND) in plant tissues.