Metabolic engineering of plants using a disarmed potyvirus vector

Abstract

[EN] Plant viruses are obligate intracellular parasites which were used to develop recombinant plant virus vectors to express heterologous proteins and to modify endogenous metabolic pathways of natural products in plants. The main limitation of many plant virus-based systems is the difficulty to co-express various heterologous proteins in the same cell with proper subcellular localization, which is a crucial question in metabolic engineering. This work provides a solution to overcome this problem by using a potyvirus-based vector system. Potyviruses (genus Potyvirus, family Potyviridae) are plus-strand single-stranded RNA viruses, which have a genome expression strategy that allows the equimolar production of most viral proteins. On the basis of an infectious clone of Tobacco etch virus (TEV), Bedoya et al. (2010) developed an expression system in which the RNA-dependent RNA polymerase (NIb) gene was replaced by an expression cassette, harboring several heterologous proteins. This viral vector was able to express three fluorescent proteins with nucleocytoplasmic localization in equimolar amounts in transgenic tobacco plants in which NIb was supplemented in trans. Despite of the apparent simplicity of potyvirus genome expression strategy, foreign cDNA insertion is a complicated task. Thus, our first goal was to analyze the effect of gene insertion on TEV genome stability. As a result of this work, a novel insertion position was discovered at the amino-terminal end of the potyvirus polyprotein, which opened the possibility to explore new questions of recombinant protein expression. Since metabolic pathways are highly compartmentalized, proper subcellular targeting of enzymes is an essential task. Thus, our second objective centralized on the subcellular targeting of expressed proteins from the TEV-based viral vector. cDNAs coding for the green fluorescent protein (GFP) fused to chloroplast, nucleus and mitochondria targeting signal sequences were inserted into the newly described amino-terminal insertion position or into an internal site, replacing the NIb cistron. Our results showed that for protein delivery to chloroplasts and mitochondria, foreign genes have to be inserted at the amino-terminal site of the viral vector, but for nuclear delivery, both insertion positions are suitable. The last objective of this work was to investigate whether the potyvirus-based vector was able to express an entire heterologous multistep biosynthetic pathway in plant cells. For this aim we purposed to produce lycopene, a plant pigment with health promoting properties. To do so, we inserted cDNAs coding for the enzymes of a three-step metabolic pathway of bacterial origin into the potyvirus-based vector. Infected tobacco plants developed orange symptoms indicating lycopene accumulation, which was confirmed by high-performance liquid chromatography analysis and microscopy observations. Our results also illustrated that the sole expression of Pantoea ananatis phytoene synthase, crtB, is enough to induce carotenoid accumulation, conferring yellow coloration to the infected tissue and serves as reporter system to visually track viral infection in several plant species.

[ES] Los virus de plantas son parásitos intracelulares obligados que han sido utilizados para desarrollar vectores virales y expresar proteínas heterólogas y modificar rutas metabólicas endógenas de productos naturales. La principal limitación de muchos sistemas basados en virus de plantas es la dificultad de coexpresar diversas proteínas heterólogas en la misma célula con la localización subcelular apropiada, lo cual es una cuestión crucial en ingeniería metabólica. Este trabajo presenta una solución para superar este problema mediante el uso de un vector viral basado en un potyvirus. Los potyvirus (género Potyvirus, familia Potyviridae) son virus de RNA de cadena positiva simple que tienen una estrategia de expresión génica que permite la producción de la mayoría de las proteínas virales en cantidades equimolares. Basado en un clon infeccioso del virus del grabado del tabaco (Tobacco etch virus, TEV) Bedoya et al. (2010) desarrollaron un sistema de expresión en el que el gen de la RNA polimerasa dependiente de RNA (NIb) fue sustituido por un casete de expresión, que albergaba varias proteínas heterólogas. Este vector viral fue capaz de expresar tres proteínas fluorescentes con localización nucleocitoplásmica en cantidades equimolares en plantas de tabaco transgénicas que complementaban el cistron NIb en trans. A pesar de la aparente simplicidad de la estrategia de expresión génica de los potyvirus, la inserción de un cDNA foráneo es una tarea complicada. Por lo tanto, nuestro primer objetivo fue analizar el efecto de la inserción en la estabilidad del genoma de TEV. Como resultado de este trabajo, descubrimos una nueva posición de inserción en el extremo amino-terminal de la poliproteína viral que nos permitió explorar otras cuestiones sobre la expresión de proteínas recombinantes. Dado que las vías metabólicas son muy compartimentalizadas, la adecuada localización subcelular de enzimas es una tarea esencial en ingeniería metabólica. Por eso, nuestro segundo objetivo se centró en la distribución de las proteínas heterológas expresadas con el vector viral a diferentes orgánulos subcelulares. cDNAs que codificaban la proteína fluorescente verde (green fluorescent protein, GFP) fusionada a péptidos señal se insertaron en la nueva posición amino-terminal y en un sitio interno, sustituyendo el cistrón NIb, para enviarla al cloroplasto, núcleo y a la mitocondria. Nuestros resultados mostraron que para la distribución de proteínas al cloroplasto y mitocondria, los genes foráneos deben ser insertados en el sitio amino-terminal del vector viral, pero para la distribución nuclear, ambas posiciones son adecuadas. El último objetivo de este trabajo fue estudiar si el vector viral basado en potyvirus es capaz de expresar una ruta biosíntética de múltiples pasos en células vegetales. Para ello nos propusimos producir licopeno, un pigmento vegetal con propiedades beneficiosas para la salud humana. Para ello, insertamos un cDNA que codificaba las enzimas de una ruta metabólica de tres pasos de origen bacteriano en el vector viral. Las plantas de tabaco infectadas con el vector viral desarrollaron síntomas de color naranja indicando la acumulación de licopeno, que fue confirmado por análisis de cromatografía líquida de alta eficacia y observaciones de microscopía. Nuestros resultados también ilustraron que la sola expresión de la fitoeno sintasa de Pantonea ananatis, crtB, es suficiente para inducir la acumulación de carotenoides que confieren una coloración amarilla al tejido infectado y sirve como sistema reportero visual en varias especies de plantas.

[CA] Els virus de plantes són paràsits intracel·lulars obligats que han estat utilitzats per a desenvolupar vectors virals i expressar proteïnes heteròlogues y modificar rutes metabòliques endògenes de productes naturals silenciant certs gens o expressant factors de transcripció i enzims metabòlics. La principal limitació de molts sistemes basats en virus de plantes és la dificultat de coexpressar diverses proteïnes heteròlogues en la mateixa cèl·lula amb la localització subcel·lular apropiada, cosa que és una qüestió crucial en enginyeria metabòlica. Aquest treball presenta una solució per a superar aquest problema mitjançant l'ús d'un vector viral basat en un potyvirus. Els potyvirus (gènere Potyvirus, família Potyviridae) són virus d'RNA de cadena positiva simple que tenen una estratègia d'expressió gènica que permet la producció de la majoria de les proteïnes virals en quantitats equimolars. Basat en un clon infecciós del virus del gravat del tabac (Tobacco etch virus, TEV) Bedoya et al. (2010) van desenvolupar un sistema d'expressió en el qual el gen de l'RNA polimerasa depenent d'RNA (NIb) va ser substituït per un casset d'expressió, que albergava diverses proteïnes heteròlogues. Aquest vector viral va ser capaç d'expressar tres proteïnes fluorescents amb localització nucleocitoplàsmica en quantitats equimolars en plantes de tabac transgèniques que complementaven el cistró NIb en trans. Malgrat l'aparent simplicitat de l'estratègia d'expressió gènica dels potyvirus, la inserció d'un cDNA forà és una tasca complicada. Per tant, el nostre primer objectiu va ser analitzar l'efecte de la inserció en l'estabilitat del genoma de TEV. Com a resultat d'aquest treball, hem descobert una nova posició d'inserció en l'extrem amino terminal de la poliproteïna viral que ens va permetre explorar altres qüestions sobre l'expressió de proteïnes recombinants. Atès que les vies metabòliques són molt compartimentalitzades, l'adequada localització subcel·lular d'enzims és una tasca essencial en enginyeria metabòlica. Per açò, el nostre segon objectiu es va centrar en la distribució de les proteïnes heteròlogues expressades amb el vector viral a diferents orgànuls subcelul·lars. cDNAs que codificaven la proteïna fluorescent verda (green fluorescent protein, GFP) fusionada a pèptids senyal es van inserir en la nova posició amino terminal i en un lloc intern, substituint el cistró NIb, per a enviar-la al cloroplast, nucli i al mitocondri. Els nostres resultats van mostrar que per a la distribució de proteïnes al cloroplast i mitocondri, els gens forans han de ser inserits en el lloc amino terminal del vector viral, però per a la distribució nuclear, ambdues posicions són adequades. El lloc amino terminal va resultar ser més adequat per a produir quantitats més grans de proteïnes recombinants, però el lloc d'inserció intern va demostrar ser més estable. Sobre la base d'aquests resultats, hem sigut capaços de distribuir dues proteïnes fluorescents diferents als cloroplasts i nuclis des d'un únic vector viral. L'últim objectiu d'aquest treball va ser estudiar si el vector viral basat en potyvirus és capaç d'expressar una ruta biosintètica de múltiples passos en cèl·lules vegetals. Per açò ens vam proposar produir licopè, un pigment vegetal amb propietats beneficioses per a la salut humana. Per això inserírem un cDNA que codificaba els tres enzims de una ruta metabòlica de tres passos d'origen bacterià en el vector viral. Les plantes de tabac infectades amb el vector viral van desenvolupar símptomes de color taronja indicant l'acumulació de licopè, que va ser confirmat per anàlisi de cromatografia líquida d'alta eficàcia i observacions de microscòpia. Els nostres resultats també van il·lustrar que la sola expressió de fitoè sintasa de Pantonea ananatis, crtB, és suficient per a induir l'acumulació de carotenoides que confereixen una colora