Functional characterization of the arabidopsis hsp70-hsp90 organizing protein (hop) family in response to stress

• Autores: Nuria Fernández Bautista
• Directores de la Tesis: María del Mar Castellano Moreno (dir. tes.), Marta Berrocal Lobo (codir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2017
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: Isabel Díaz Rodríguez (presid.), Vicente Rubio Muñoz (secret.), Antonio Di Pietro (voc.), Miguel A. Botella (voc.), Juan Bautista Jordano Fraga (voc.)
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Archivo Digital UPM
• Resumen
  • español

    La proteína organizadora de HSP70 y HSP90 (HOP) es una familia conservada de cochaperonas citosólicas, cuyo papel como proteína de andamio de las chaperonas HSP70 y HSP90 se ha estudiado profundamente en mamíferos y levaduras. A pesar de que la familia HOP también se conserva en plantas, hasta la fecha se desconoce en gran medida su participación en la formación de diferentes complejos de proteínas y su papel biológico en el desarrollo y en la respuesta de las plantas al estrés.

    El genoma de Arabidopsis codifica tres proteínas HOP: AtHOP1, AtHOP2 y AtHOP3. Con el objeto de determinar el posible papel de estas proteínas en respuesta a diferentes estreses, hemos comenzado con la caracterización de AtHOP3. HOP3 interacciona in vivo con las proteínas HSP90 y HSP70 citosólicas e, inesperadamente, con la proteína inmunoglobulina (BiP), un miembro de la familia HSP70 que se localiza en el retículo endoplámico (RE). Tal como sugiere esta interacción con BiP, HOP3 se localiza parcialmente en el RE. Por otra parte, HOP3 se induce a nivel transcripcional y se acumula a nivel de proteína en condiciones en las que se produce una alta acumulación de proteínas mal plegadas (“Unfolded Protein Response”, UPR), en inglés) mediante un mecanismo dependiente de la enzima “Inositol-requiring enzyme 1” (IRE1). Además el análisis de los mutantes de pérdida de función de HOP3 muestra una reducción en la germinación de polen y un fenotipo hipersensible en presencia de agentes inductores de estrés asociado al RE, un fenotipo que se revierte al estar presente la chaperona química, ácido tauroursodeoxicólico (TUDCA). Todos estos datos demuestran, por primera vez en eucariotas, un papel principal de HOP como un importante regulador de la respuesta de estrés del RE.

    La respuesta al estrés celular relacionado con el RE es un proceso íntimamente asociado a importantes programas específicos de desarrollo y durante la percepción del estrés medioambiental y la consecuente respuesta en plantas. Dado que HOP3 juega un papel esencial en la respuesta a estrés del RE y que dicho estrés se induce durante la infección por patógenos, hemos estudiado la implicación de esta proteína en la respuesta de defensa de las plantas a diferentes fitopatógenos, específicamente, al hongo necrotrófo Botrytis cinerea, el hongo vascular y hemibiotrófo Fusarium oxysporum f. sp. conglutinans y la bacteria hemibiotrófa Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000. Este estudio demuestra que HOP3 es necesario para un correcto establecimiento de la respuesta de defensa a estos diferentes patógenos. Además, hemos demostrado que esta proteína interacciona con la proteína CORONATINE INSENSITIVE1 (COI1) mediante un ensayo de doble híbrido en levaduras y que el mutante con pérdida de función de HOP3 muestra una sensibilidad reducida a un precursor de ácido jasmónico (JA). Estos datos indican que la proteína HOP3 es necesaria para la señalización mediada por JA en plantas.

    Por último, hemos caracterizado el papel molecular de los diferentes miembros de la familia AtHOP en termotolerancia. Este análisis demuestra que los tres miembros de esta familia desempeñan un papel redundante en la adquisición de termotolerancia a largo plazo en Arabidopsis. Además, nuestros datos muestran que estas proteínas interaccionan fuertemente con HSP90 y que una fracción de HOP cambia su localización subcelular del citoplasma a gránulos citoplasmáticos y se transloca al núcleo, en respuesta al estrés por calor. Consistentemente con esta última ubicación y con la formación de un complejo entre HOP y el factor de choque térmico HsfA1A, el triple mutante hop1 hop2 hop3 posee una alterada respuesta al choque térmico. Este triple mutante también muestra una exacerbada acumulación de proteínas insolubles y ubiquitinadas bajo el estrés por calor. Estos datos revelan que las proteínas HOPs están involucradas en dos aspectos diferentes de la respuesta al calor: el mantenimiento de la homeostasis proteica y en el establecimiento adecuado de la respuesta al choque térmico, afectando la capacidad de la planta para aclimatarse al estrés por calor durante largos períodos de tiempo.

    Por todo lo anteriormente expuesto, los datos presentados en esta tesis proporcionan nuevas evidencias para comprender el papel esencial de los diferentes miembros de la familia HOP de Arabidopsis en respuesta a diferentes estreses medioambientales.

  • English

    ABSTRACT HSP70-HSP90 organizing protein (HOP) is a conserved family of cytosolic cochaperones, whose role as scaffolding proteins of the chaperones HSP70 and HSP90 has been profusely studied in mammals and yeast. Although HOP family is also conserved in plants, their involvement in different protein complexes and their biological role in plant physiology has remained extremely elusive.

    Arabidopsis genome codes for three AtHOP proteins, AtHOP1, AtHOP2 and AtHOP3. In an attempt to determine the possible role of these proteins in response to different stresses, we started with the characterization of AtHOP3. HOP3 interacts in vivo with cytosolic HSP90 and HSP70, and, unexpectedly, with binding immunoglobulin protein (BiP), a member from the HSP70 family located in the endoplasmic reticulum (ER). Consistent with this interaction with BiP, HOP3 is partially localized at the ER. Moreover, HOP3 is induced both at transcript and protein levels by chemical agents inducing the unfolded protein response (UPR) through a mechanism dependent on inositol-requiring enzyme 1 (IRE1). Importantly, hop3 loss-of-function mutants show a reduction in pollen germination and a hypersensitive phenotype in the presence of ER stress inducer agents, a phenotype that is reverted by the addition of the chemical chaperone tauroursodeoxycholic acid (TUDCA). All these data demonstrate, for the first time in any eukaryote, a main role of HOP as an important regulator of the ER stress response.

    ER stress response is a process intimately associated with important specific developmental programs and to environmental stress sensing and response in plants. Since HOP3 plays a main role during ER stress and this process is highly induced during pathogen infection, we have studied the involvement of HOP3 in the plant defense response to different phytopathogens, specifically, to the necrotrophic fungus Botrytis cinerea, the vascular and hemibiotrophic fungus Fusarium oxysporum f. sp. conglutinans and the hemibiotrophic bacteria Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000. This study demonstrates that HOP3 is required for the establishment of the defense response to these different pathogens. In addition, our data shows that HOP3 interacts with CORONATINE INSENSITIVE1 (COI1) in the yeast two-hybrid system and that the hop3-1 loss-of-function mutant shows a reduced sensitivity to MeJA. These data indicate that HOP3 is required for jasmonic acid (JA) signaling in plants.

    Finally, we have characterized the molecular role of the different members of the AtHOP family in thermotolerance. This analysis demonstrates that the three members of this family play a redundant role in the acquisition of long-term thermotolerance in Arabidopsis. Additionally, our data show that these proteins interact strongly with HSP90 and that part of the bulk of HOP shuttles from the cytoplasm to cytoplasmic foci and to the nucleus in response to heat stress. Consistent with this latter location and with the formation of a HOP complex with the heat shock factor HsfA1A, the heat shock response is altered in the hop1 hop2 hop3 triple mutant. This triple mutant also displays an unusual high accumulation of insoluble and ubiquitinated proteins under the heat challenge. These data reveal that HOPs are involved in two different aspects of the response to heat: the maintenance of protein homeostasis and the proper establishment of heat shock response, affecting the plant capacity to acclimate to heat stress for long periods.

    For all of it, the data presented in this thesis provide new evidences for the essential role of different members of the HOP family in response to different environmental stresses.