Study of the TOR (Target Of Rapamycin) kinase signaling pathway in Arabidopsis thaliana and medical applications
Étude de la voie de signalisation de la kinase TOR (Target Of Rapamycin) chez Arabidopsis thaliana et applications médicales
Résumé
The TOR (Target Of Rapamycin) protein kinase is conserved in eukaryotes. It forms two complexes, TORC1 and TORC2 in animals and yeast, but only the TORC1 complex has been identified in photosynthetic organisms. The TORC1 pathway is essential for the development of organisms because it allows a precise regulation of many biological processes (mRNA translation, cell divisions, metabolism) in response to various endogenous or exogenous factors (nutrients, hormones, stress). The TORC1 pathway is particularly involved in the perception of nitrogen nutrients in yeast and animals, but this aspect is poorly studied in photosynthetic organisms. Given the importance of nitrogen nutrition in plants, the first part of my thesis project focused on the regulation of nitrogen metabolism by the TORC1 complex in the model plant Arabidopsis thaliana. I have shown that the activity of TOR responds to variations in the nitrogen supply. Inhibition of TOR decreases ammonium uptake by the plant in non-limiting conditions, suggesting that the TORC1 pathway regulates low affinity ammonium transporters. In yeast and mammals, glutamine has a predominant role in the activation of TORC1. I then studied the connections between TORC1 and glutamine metabolism by using Glufosinate-Ammonium (GA), the active component of herbicides targeting Glutamine Synthetase (GS). It appears that mutants of the TORC1 complex (lst8 and raptor) are resistant to inhibition of GS at the root level. Metabolomic analyses have shown that inhibition of TOR leads to an accumulation of glutamine in plant tissues, which appears to be GS-dependent. In addition, I conducted a study at the Institut Necker des Enfants Malades (INEM), in collaboration with Dr Ganna Panasyuk and Dr Mario Pende. In cancer, the glutamine metabolism can be deregulated. The goal of this collaboration was to study the effect of GA on the TOR pathways in different cancer lines. GA appears to have an effect on the mTORC2 pathway in particular for hepatic cancerous cell lines. The last objective of my thesis was to characterize a new component of the TOR pathway in plants, which had been identified by a genetic screen. This mutant has a different sensitivity to AZD, a TOR inhibitor, and exhibits ectopic cell clusters on its aerial part. These cell clusters are dependent on the inhibition of TOR and the presence of sugar. The causal gene mutation responsible for this phenotype was identified by sequencing. It encodes a protein which exact function is not known but an orthologous protein in yeast is known to be involved in the regulation of the vacuolar V-ATPase. My work consisted in characterizing this mutant called loki (LOcalised proliferation depending on TOR Kinase Inhibition) and the nature of the ectopic cell clusters. Histological observations showed that these clusters are dense and composed of swollen and disorganized cells. Their localization in vascular tissue suggests that the nutrient supply of these cell clusters may be similar to the angiogenesis seen in cancerous processes. Metabolomic and transcriptomic analyses were performed to understand this phenotype and determine the precise origin of these cells. Further analyses also revealed defects in the composition of the cell wall leading to defects in cell adhesion. By comparing loki to known mutants, I demonstrated that a mutant affected in V-ATPase also exhibits ectopic clusters when TOR is inhibited, thus suggesting a link between the TOR pathway and V-ATPases in plants.
La protéine kinase TOR (Target Of Rapamycin) est conservée au sein des eucaryotes. Elle forme deux complexes, TORC1 et TORC2 chez les animaux et la Levure mais seul le complexe TORC1 a été identifié chez les organismes photosynthétiques. La voie TORC1 est essentielle au développement des organismes puisqu’elle permet de réguler finement de nombreux processus biologiques (traductions des ARNm, divisions cellulaires, métabolisme) en fonction de facteurs endogènes ou exogènes variés (nutriments, hormones, stress). La voie TORC1 est notamment impliquée dans la perception de l’environnement nutritionnel azoté chez la Levure et les animaux mais cet aspect est peu étudié chez les organismes photosynthétiques. Compte tenu de l’importance du métabolisme azoté chez les plantes, la première partie de mon projet de thèse a porté sur les régulations du métabolisme azoté par le complexe TORC1 chez la plante modèle Arabidopsis thaliana. J’ai ainsi montré que l’activité de TOR répond aux variations de l’alimentation azotée. L’inhibition de TOR diminue le prélèvement d’ammonium par la plante pour des conditions non limitantes, suggérant que la voie TORC1 régulerait les transporteurs d’ammonium à faible affinité. Chez la Levure et les mammifères, la glutamine a un rôle prédominant dans l’activation de TORC1. J’ai ensuite étudié les connexions entre TORC1 et le métabolisme de la glutamine, en utilisant du Glufosinate d’Ammonium (GA), composant actif d’herbicide ciblant la Glutamine Synthétase (GS). Il en ressort que les mutants du complexe TORC1 (lst8 et raptor) sont résistants à l’inhibition de la GS au niveau racinaire. Des analyses métabolomiques ont montré que l’inhibition de TOR conduit à une accumulation de glutamine dans les tissus de la plante, qui semble être GS-dépendante. En complément de cette première partie, j’ai mené une étude à l’Institut Necker des Enfants Malades (INEM), en collaboration avec le Dr Ganna Panasyuk et le Dr Mario Pende. Lors de cancer, le métabolisme de la glutamine peut être dérégulé. L’objectif de cette collaboration était d’étudier l’effet du GA sur les voies TOR dans différentes lignées cancéreuses. Le GA semble avoir un effet sur la voie mTORC2 pour certaines lignées cancéreuses, notamment hépatiques. Le dernier objectif de ma thèse consistait à caractériser un nouveau composant de la voie TOR chez les plantes, qui avait été identifié par un crible génétique. Ce mutant a une sensibilité différente à l’AZD, un inhibiteur de TOR, et présente des amas cellulaires ectopiques au niveau de sa partie aérienne. Ces amas sont dépendants de l’inhibition de TOR et de la présence de sucre. Le gène muté responsable de ce phénotype a été identifié par séquençage et code pour une protéine dont la fonction n’est pas connue mais dont l’orthologue chez la Levure serait impliqué dans la régulation de l’ATPase vacuolaire V-ATPase. Mon travail a consisté à caractériser ce mutant appelé loki (LOcalised proliferation depending on TOR Kinase Inhibition) et ses amas. Des observations histologiques montrent que ces amas sont denses et composés de cellules gonflées et désorganisées. Leur localisation au niveau des tissus vasculaires suggère que l’apport en nutriment de ces amas pourrait être similaire à l’angiogenèse observée dans les processus cancéreux. Des analyses métabolomiques et transcriptomiques ont été réalisées pour comprendre ce phénotype et déterminer l’origine précise de ces cellules. Des analyses pariétales démontrent également des défauts de la composition de la paroi cellulaire, notamment en cellulose, conduisant à des défauts d’adhésion cellulaire chez ce mutant. En comparant loki à des mutants connus, j’ai mis en évidence qu’un mutant affecté dans la V-ATPase présente aussi des amas ectopiques lorsque TOR est inhibé, suggérant donc un lien entre la voie TOR et les V-ATPases chez les plantes.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
|---|