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Tipo: Tese
Título: Integração dos estresses osmótico e do RE no processo de morte celular: reguladores positivos e negativos da via de sinalização são conservados em plantas
Título(s) alternativo(s): Integration of osmotic­ and ER­stress into a cell death response: positive and negative regulators of the signaling pathway are conserved in plants
Autor(es): Reis, Pedro Augusto Braga dos
Primeiro Orientador: Fontes, Elizabeth Pacheco Batista
Primeiro avaliador: Martins, Gilberto Sachetto
Segundo avaliador: Nesi, Adriano Nunes
Terceiro avaliador: Araujo, Wagner Luiz
Quarto avaliador: Ramos, Humberto Josué de Oliveira
Abstract: A via de resposta mediada por proteinas ricas em asparagina (NRPs), as quais apresentam o dominio de desenvolvimento e morte celular (DCD), foi primeiramente identificadas em soja (Glycine max), pela capacidade de mediar o processo de morte celular derivado de um prolongado estresse no retículo endoplasmatico (RE), estresse osmótico, seca ou senescencia foliar associada ao desenvolvimento. Como um braço da via de resposta de estresse no RE que se conecta com outras respostas induzidas pelo ambiente, a via de morte celular mediada por NRP/DCD permite a celula uma adaptação versatil a diferentes estresses. Assim, a modulação desta via pela expressão constitutiva do chaperone molecular BiP promove uma melhor adaptação de linhagens transgenicas à seca. BiP alivia a propagação do sinal de morte celular pela modulação da expressão e atividade de componentes da via de morte celular GmNRP-A, GmNRP-B and GmNAC81.. Neste trabalho, nós apresentamos varias linhas de evidencia que a via de morte celular mediada por NRP/DCD também se propaga em arabidopsis com caracteristicas de morte celular programada. Primeiramente, o genoma de arabidopsis apresenta sequencias conservadas de GmNRPs e GmNAC81, denominadas AtNRP-1, AtNRP-2, ANAC036 e VPE-γ, as quais compartilham analogia funcional com os genes de soja. Como os ortologos em soja, tanto AtNRPs quanto ANAC036 induzem morte celular programada quando expressos ectopicamente em folhas ou protoplastos de tabaco. Além disso, a linhagem mutante nula de AtNRP1 apresenta hipersensibilidade ao estresse osmotico induzido por PEG, um fenótipo que pode ser complementado pela expressão ectopica de ou GmNRP-A ou GmNRP-B. Segundo, AtNRPs e ANAC036 são induzidos por estresses osmotico e do RE em nivel que foi modulado, similarmente em soja , pela superexpressão de BiP. Terceiro, como componente da via de morte celular mediada por NRP/DCD, a indução induzida por estresse de ANAC036 foi relacionada à função de AtNRPs. Finalmente, a superexpressão de BiP também confere tolerancia a estresse hídrico em arabidopsis, provavelmente devido à capacidade de inibir a via de morte celular mediada por NRP/DCD induzida por seca. Nós mostramos que soyBiPD modula tanto a expressão quanto a tividade dos componentes da via de morte celular mediada por NRP/DCD. Por serem componentes upstream da via, NRP-B em soja e AtNRP1 em arabidopsis, são prováveis alvos da UPR, devido a presença de cis- elementos regulatorios em seus promotores. Assim, nós propomos que BiP pode inibir a expressão da via de sinalização mediada por NRP/DCD por meio de sua capacidade de regular a UPR. A regulação da atividade de componentes da via mediada por BiP pode ser associada com a interação do mesmo com VPE. Nós encontramos que BiP interage com Caspase-1-like VPE (Vacuolar Processing Enzyme), a qual tem sido proposta ser executora o processo de morte. A interação entre VPE-BiP foi modulada por ATP, uma caracteristica de interações produtivas entre BiP e proteinas alvo. Além disso, a deficiencia na atividade de chaperone de BiP, que retêm a atividade de ligação foram capazes de modular a via de morte celular mediada por NRP/DCD e conferir tolerancia a déficit hídrico. Estes resultados indiam que a atividade de ligação, ao contrario da atividade chaperone, pode ser o mecanismo para atenuação de via de NRP/DCD por BiP. Nós também identificamos que a subunidade B da proteína G heterotrimérica, AGB1, pode modular a via de resposta mediada por NRP/DCD. O mutante nulo para agb1 apresenta menor expressão dos genes NRP/DCD em condições de estresse osmótico e do RE, além de ser mais tolerante ao estresse hídrico. Coletivamente nossos resultados indicam que a via de morte celular mediada por NRP/DCD é conservada em plantas. Baseado nos resultados nós propomos que o modelo de mecanismo para atenuação de morte celular mediada por BiP atua regulando a expressão da via de morte celular mediada por NRP/DCD como um regulador da UPR. Uma vez que genes upstream da via podem ser alvos diretos da UPR. Assim, BiP pode modular a atividade dos componentes da via de morte celular por meio da retenção de VPE no interior do RE. Usando o organismo modelo arabidopsis podemos decifrar as ligações que conectam estresse no RE, níveis de BiP e sua modulação no processo de morte celular.
The stress-induced asparagine-rich proteins (NRPs), which harbor a developmental and cell death (DCD) domain, were first identified in soybean (Glycine max) by their capacity to mediate programmed cell death derived from prolonged endoplasmic reticulum (ER) stress, osmotic stress, drought or developmentally-programmed leaf senescence. As a branch of the ER stress response that connects with other environmentally induced responses, the NRP-mediated cell death signaling pathway may allow for the versatile adaptation of cells to different stresses. Accordingly, we showed in this investigation that the modulation of this pathway by the constitutive expression of the ER molecular chaperone BiP promotes a better adaptation of transgenic lines to drought. BiP overexpression increased tolerance of soybean transgenic seedlings to tunicamycin, an inducer of ER stress, and to PEG, which induces osmotic stress. We also showed that BiP attenuates the propagation of the cell death signal in soybean by modulating the expression and activity of the components of the cell death pathway GmNRP-A, GmNRP-B and GmNAC81. We also provided several lines of evidence revealing that the NRP-mediated cell death pathway also propagates a stress-induced cell death signal in Arabidopsis with features of a PCD response First, the Arabidopsis genome harbors GmNRPs GmNAC81and VPE conserved sequences, designated as AtNRP-1, AtNRP-2, ANAC036 and VPE-γ, which share functional analogy with the soybean counterparts. Like the soybean orthologs, both AtNRPs and ANAC036 induced PCD when ectopically expressed in tobacco leaves and tobacco protoplast. Furthermore, AtNRP-1 knockout mutants displayed enhanced sensitivity to PEG-induced osmotic stress, a phenotype that could be complemented with ectopic expression of either GmNRP-A or GmNRP-B. Second, AtNRPs and ANAC36 were induced by osmotic and ER stress to an extent that was modulated by BiP overexpression similarly as in soybean. Third, as putative downstream components of the NRP-mediated cell death signaling, the stress induction of AtNRP2, ANAC36 and VPE-γ was dependent on the AtNRP1 function. Finally, BiP overexpression also conferred tolerance to water stress in Arabidopsis, most likely due to its capacity to inhibit the drought-induced NRP-mediated cell death response. We showed that soyBiPD modulates both the expression and activity of the NRP/DCD cell death signaling components. Because the upstream components of the pathway, NRP-B in soybean and AtNRP1 in Arabidopsis, are likely UPR targets, due to the presence of conserved UPR cis-regulatory elements in their promoter, we proposed that BiP may inhibit the expression of the NRP/DCD cell death signaling genes through its capacity to regulate the UPR. The BiP-mediated regulation of the cell death activity of the NRP/DCD cell death signaling components may be associated with the BiP interaction with VPE. We found that BiP interacts with the Caspase-1-like VPE (Vacoular Processing Enzyme), which has been proposed to be the executioner of the cell death process. The VPE-BiP interaction was modulated by ATP, a feature of productive interactions between BiP and client proteins. Furthermore, chaperone activity deficient mutants that retain ligand binding activity were capable of modulating the NRP/DCD cell death response and of conferring tolerance to water deficit. These results indicated that the ligand binding activity rather than the chaperone activity may underlie the mechanism for BiP attenuation of the NRP/DCDC cell death signaling response. We also identified that the subunit B of G heterotrimeric protein, AGB1, can modulate the NRP/DCD-mediated cell death response. The agb1 null mutant line displayed lower expression of NRP/DCD genes upon osmotic and ER stress and also was more tolerant to water stress. Collectively, our results indicated that the plant-specific NRP-mediated cell death signaling is conserved in other plant species. Based on our results we propose a mechanistic model for the BiP-mediated attenuation of stress cell death response. We propose that BiP regulates the expression of NRP/DCD cell death signaling genes as a regulator of the UPR, since upstream genes of the pathway may be UPR direct targets. BiP may also modulate the activity of the cell death pathway components by controlling the retention of VPE into the ER lumen. We are currently using the plant model system Arabidopsis to decipher the molecular links connecting ER stress, BiP levels and modulation of this programmed cell death response.
Palavras-chave: Bilologia molecular
Morte celular programada
Estresse osmótico
Proteína
Estresse no retículo endoplasmático
BiP
Molecular biology
Programmed cell death
Osmotic stress
Protein
Stress in the endoplasmic reticulum
BiP
CNPq: CNPQ::CIENCIAS BIOLOGICAS::BIOQUIMICA
Idioma: por
País: BR
Editor: Universidade Federal de Viçosa
Sigla da Instituição: UFV
Departamento: Bioquímica e Biologia molecular de plantas; Bioquímica e Biologia molecular animal
Programa: Doutorado em Bioquímica Agrícola
Citação: REIS, Pedro Augusto Braga dos. Integration of osmotic­ and ER­stress into a cell death response: positive and negative regulators of the signaling pathway are conserved in plants. 2014. 120 f. Tese (Doutorado em Bioquímica e Biologia molecular de plantas; Bioquímica e Biologia molecular animal) - Universidade Federal de Viçosa, Viçosa, 2014.
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: http://locus.ufv.br/handle/123456789/340
Data do documento: 17-Fev-2014
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