Investigating Phototropin-dependent responses in Chlamydomonas reinhardtii - Laboratoire de Physiologie Cellulaire & Végétale (LPCV)
Thèse Année : 2022

Investigating Phototropin-dependent responses in Chlamydomonas reinhardtii

Etude des réponses dépendantes de la phototropine chez Chlamydomonas reinhardtii

Georgios Kepesidis
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1480744
  • IdRef : 263618749

Résumé

Light is crucial for life on earth, especially for photosynthetic organisms; it is a source of spatiotemporal information perceived by photoreceptor proteins, as well as the energy source that fuels photosynthesis. However, when absorbed in excess, it can be toxic for the photosynthetic cells leading to reactive oxygen species formation; this is avoided by the photoprotective mechanism qE (quenching of energy). Chlamydomonas reinhardtii is a model unicellular green alga, which is widely used for genetic and cellular studies, including those concerning light perception and utilization. Chlamydomonas accurately senses the information provided by light and regulates important cellular functions, including gene expression, sexual life cycle, phototaxis, photosynthesis, and photoprotection, using a network of specialized photoreceptors. It is equipped with a single-copy phototropin, four cryptochromes, eight rhodopsin-like proteins, as well as the UV-B photoreceptor UVR8.Among these photoreceptors, phototropin (PHOT) appears to have a multifaceted role in Chlamydomonas physiology; it has been shown to control gametogenesis at low nitrogen availability, expression of genes encoding chlorophyll and carotenoid biosynthesis, the size of the eyespot and photoprotection. Specifically on the later, under high light PHOT regulates positively the induction of LHCSR3, a nucleus-encoded and chloroplast-localized protein, which is the main actor of qE.PHOT is a blue-light activated, plasma membrane associated Serine/ Threonine kinase, that undergoes phosphorylation upon irradiation with UVA and blue light. Only a handful of substrates of PHOT have been identified in higher plants, but not in Chlamydomonas. My goal was to elucidate the PHOT-dependent responses in Chlamydomonas reinhardtii and to identify possible interactors of the protein. For this, I employed a strategy involving comparative phosphoproteomic analyses, as well as targeted mutant strain screening.On this Thesis, I am presenting data from two comparative phosphoproteomic analyses. On the first I compared the phosphoproteome of low- and high-light acclimated WT and PHOT-deficient cells (Δphot). The second phosphoproteomic analysis allowed the comparison of the phosphoproteome of dark-acclimated and shortly blue-light-exposed wild-type (WT) and Δphot cells in order to elucidate the early PHOT-dependent phosphorylating events.I am also presenting the involvement of a PHOT-regulated serine/threonine protein kinase, hereafter FLKIN, in the control of LHCSR3 accumulation and the Carbon Concentrating Mechanism (CCM). The mutant lacking FLKIN induces the transcripts of proteins involved in the CCM in higher levels than the WT. Additionally, the Δflkin strain shows a growth defect in autotrophic medium, as well as bigger cell size and higher chlorophyl content. Δflkin has also higher photosynthetic capacity than the WT in all growth conditions.I, finally, revealed the involvement of PHOT in the Chloroplast Unfolded Protein Response (cpUPR) in response to proteotoxic stress.
La lumière est cruciale pour la vie sur terre, en particulier pour les organismes photosynthétiques ; elle est une source d'informations spatio-temporelles perçues par les protéines photoréceptrices, ainsi que la source d'énergie qui alimente la photosynthèse. Cependant, lorsqu'elle est absorbée en excès, elle peut être toxique pour les cellules photosynthétiques, entraînant la formation d'espèces réactives de l'oxygène ; ce phénomène est évité par le mécanisme photoprotecteur qE (quenching of energy). Chlamydomonas reinhardtii est une algue verte unicellulaire modèle, largement utilisée pour les études génétiques et cellulaires, notamment celles concernant la perception et l'utilisation de la lumière. Chlamydomonas détecte avec précision les informations fournies par la lumière et régule d'importantes fonctions cellulaires, notamment l'expression génétique, le cycle de vie sexuel, la phototaxie, la photosynthèse et la photoprotection, à l'aide d'un réseau de photorécepteurs spécialisés. Il est équipé d'une phototropine à copie unique, de quatre cryptochromes, de huit protéines de type rhodopsine, ainsi que du photorécepteur UV-B UVR8.Parmi ces photorécepteurs, la phototropine (PHOT) semble avoir un rôle multiple dans la physiologie de Chlamydomonas ; il a été démontré qu'elle contrôle la gamétogenèse à faible disponibilité en azote, l'expression des gènes codant pour la biosynthèse de la chlorophylle et des caroténoïdes, la taille du point oculaire et la photoprotection. Plus précisément sur ce dernier point, sous une lumière élevée, PHOT régule positivement l'induction de LHCSR3, une protéine codée dans le noyau et localisée dans le chloroplaste, qui est le principal acteur de qE.PHOT est une sérine/thréonine kinase activée par la lumière bleue, associée à la membrane plasmique, qui subit une phosphorylation lors de l'irradiation par les UVA et la lumière bleue. Seule une poignée de substrats de PHOT ont été identifiés chez les plantes supérieures, mais pas chez Chlamydomonas. Mon objectif était d'élucider les réponses dépendantes de PHOT chez Chlamydomonas reinhardtii et d'identifier les éventuels interagisseurs de la protéine. Pour cela, j'ai employé une stratégie impliquant des analyses phosphoprotéomiques comparatives, ainsi que le criblage ciblé de souches mutantes.Dans cette thèse, je présente les données de deux analyses phosphoprotéomiques comparatives. Dans la première, j'ai comparé le phosphoprotéome de cellules WT et de cellules déficientes en PHOT (Δphot) acclimatées à une lumière faible ou forte. La seconde analyse phosphoprotéomique a permis de comparer le phosphoprotéome de cellules de type sauvage (WT) et Δphot acclimatées à l'obscurité et exposées brièvement à la lumière bleue, afin d'élucider les événements de phosphorylation PHOT-dépendants précoces.Je présente également l'implication d'une protéine kinase sérine/thréonine régulée par PHOT, ci-après FLKIN, dans le contrôle de l'accumulation de LHCSR3 et du mécanisme de concentration du carbone (CCM). Le mutant dépourvu de FLKIN induit les transcrits des protéines impliquées dans le CCM à des niveaux plus élevés que le WT. De plus, la souche Δflkin présente un défaut de croissance en milieu autotrophe, ainsi qu'une taille de cellule plus importante et une teneur en chlorophylle plus élevée. Δflkin a également une capacité photosynthétique supérieure à celle de la souche WT dans toutes les conditions de croissance.Enfin, j'ai révélé l'implication de PHOT dans la réponse aux protéines non repliées du chloroplaste (cpUPR) en réponse au stress protéotoxique.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04846086 , version 1 (18-12-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04846086 , version 1

Citer

Georgios Kepesidis. Investigating Phototropin-dependent responses in Chlamydomonas reinhardtii. Biochemistry, Molecular Biology. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2022. English. ⟨NNT : 2022GRALV034⟩. ⟨tel-04846086⟩
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