Deciphering the role of the Arabidopsis thaliana METACASPASE I (AtMC1) as a stress granule protein in proteotoxic stress responses

Abstract

[eng] Rising temperatures pose a significant challenge for plant growth, metabolism, and productivity worldwide. One of the most detrimental consequences of heat stress is the accumulation of misfolded proteins into aggregates, which disrupt cellular homeostasis and can ultimately result in cell death. To counteract this phenomenon, cells activate sophisticated proteostasis mechanisms that aid in maintaining protein quality and eliminating aggregates. A crucial component of this response is the formation of stress granules (SGs), which are biomolecular condensates that assemble in response to diverse environmental stresses, such as heat, oxidative stress, and infections. Although SGs are highly conserved across eukaryotic organisms including mammals, plants, yeast, and protozoa, their precise functions in plants remain poorly understood. However, emerging evidence suggests that SGs play a central role in coordinating plant stress responses. This thesis aims to expand our understanding of SGs in plants, focusing on the Arabidopsis thaliana type I metacaspase 1 (MC1). In Chapter 1, we characterized the function and activity of MC1, demonstrating that it localizes to SGs during proteotoxic stress. Using predictive software, we identified two intrinsically disordered regions (IDRs) in the amino acid sequence of MC1 that regulate its recruitment to SGs. This discovery enabled us to generate and purify a recombinant version of MC1 (rMC1), overcoming previous limitations in isolating type I metacaspases in vitro. Functional assays revealed that rMC1 exhibits a strong and evolutionary conserved capacity to clear protein aggregates, including those formed by pathological protein forms that cause a diversity of life-threatening diseases in humans. We further studied the role of MC1 in proteostasis in aging tissues. Notably, we showed that plant overexpressing MC1 present a delay in leaf aging. Based on this data and previous evidences, we infer that MC1 has an important pro-life function linked to its disaggregase activity and its ability to form SGs. In Chapter 2, we explored the role of MC1 in heat stress responses. Heat shock proteins (HSPs) are crucial for protecting cells from heat-induced damage by maintaining correct protein folding and unfolding, and promoting aggregate degradation. In Arabidopsis, HSP101 is a key component in thermotolerance that participates in aggregate clearance and localizes to SGs under heat stress. Given the similarities between MC1 and HSP101 in terms of their localization and function, we examined their interplay. Our findings demonstrate that MC1 and HSP101 colocalize in SGs under heat stress, and that MC1 is necessary to stabilize and maintain the structural properties of HSP101 SGs.

Furthermore, we elucidated that MC1 facilitates HSP101 degradation via autophagy. As HSP101 is essential for seedling thermotolerance, we assessed whether MC1 influences this process. Indeed, MC1 overexpression significantly enhances seedling survival under heat stress, confirming the pro-life function of this metacaspase. In Chapter 3, we expanded our investigation to encompass all type I metacaspases in Arabidopsis and examined their potential functional redundancy. We observed that all three type I metacaspases were recruited to SGs under heat stress. Additionally, MC2, but not MC3, was capable of clearing Serpin1, a known substrate of MC1. However, genetic analyses revealed that the autoimmune phenotype observed in mc1 mutant plants is not exacerbated by additional mutations in MC2 or MC3, nor does the deletion of all three genes affect seedling thermotolerance. These results suggest that Arabidopsis type I metacaspases have diverged functionally over the course of evolution, acquiring specialized roles rather than exhibiting redundancy. In conclusion, this thesis provides novel insights into how SGs contribute to plant stress tolerance. Our findings underscore the significance of SGs in plant proteostasis and elucidate new avenues for research on plant stress biology. Moreover, the discovery that MC1 can disassemble human protein aggregates opens the door for potential therapeutic uses in human diseases.

[cat] L'augment global de temperatures representa un repte per al creixement i la productivitat de les plantes. Un dels efectes més perjudicials és l'acumulació de proteïnes mal plegades en agregats, que poden alterar l'homeòstasi cel·lular i causar la mort cel·lular. Per contrarestar-ho, les cèl·lules activen mecanismes de proteòstasi capaços d’eliminar aquests agregats. Un component crucial d'aquesta resposta és la formació de grànuls d'estrès, uns condensats biomoleculars molt dinàmics que es formen en resposta a situacions ambientals adverses. Aquests grànuls estan molt conservats evolutivament, ja que es troben en organismes tan diversos com els mamífers, les plantes, els fongs i els protozous. Tot i que la seva funció exacte no es coneix, es creu que podrien tenir un paper molt important en la coordinació i la regulació de les respostes de les plantes a les situacions d’estrès. En aquesta tesi ens vam proposar ampliar la nostra comprensió sobre els grànuls d’estrès de les plantes, centrant-nos en la metacaspasa 1 (MC1), de la planta model Arabidopsis thaliana. En el capítol 1, vam caracteritzar la funció i l'activitat de MC1, demostrant que es localitza en grànuls durant una situació de xoc tèrmic, també anomenada estrès tèrmic. Utilitzant softwares predictius, vam identificar dues regions intrínsecament desordenades (IDR) en la seqüència d'aminoàcids de MC1 que regulen el seu reclutament als grànuls d’estrès. Aquest descobriment ens va permetre purificar una versió recombinant de MC1 (rMC1). Els assaigs funcionals van revelar que la rMC1 mostra activitat de desagregasa, sent capaç d’eliminar agregats, incloent-hi aquells formats per proteïnes patològiques que causen malalties greus en humans. Tenint en compte l'impacte perjudicial de l'agregació de proteïnes, vam investigar si la sobreexpressió de MC1 podria incrementar la supervivència de les plantes en condicions d'estrès com ara l'envelliment. Vam observar que les plantes que sobreexpressen MC1 presenten un endarreriment en l’envelliment de les fulles. A partir d’aquests resultats, considerem que la MC1 juga un paper clau en la proteòstasi de les plantes, que està lligat a la seva capacitat de desagregasa així com al fet que es localitzi en grànuls d’estrès. En el capítol 2, vam explorar el paper de MC1 en les respostes de les plantes a l’estrès tèrmic. Les xaperones moleculars són unes proteïnes crucials per protegir les cèl·lules del dany induït per la calor, ja que asseguren el correcte plegament de proteïnes i participen en l’eliminació dels agregats proteics. En Arabidopsis, la xaperona molecular HSP101 és un component clau en la termotolerància de les plàntules i també es localitza

en grànuls d’estrès. Donades les similituds entre MC1 i HSP101 pel que fa a la seva localització i funció, en aquest capítol vam examinar-ne la relació. Les nostres investigacions van demostrar que MC1 i HSP101 colocalitzen i interactuen als grànuls en condicions d’estrès tèrmic. Així mateix, MC1 és necessària per estabilitzar HSP101 als grànuls d’estrès i per mantenir les propietats estructurals d’aquests. Com que HSP101 és essencial per a la termotolerància, vam avaluar si MC1 també influeix en aquest procés. Així, vam determinar que la sobreexpressió de MC1 millora significativament la supervivència de les plàntules en condicions de xoc tèrmic, confirmant la funció pro-vida d’aquesta proteïna. En el capítol 3, vam ampliar el nostre focus per abastar totes les metacaspases tipus I d’Arabidopsis i examinar la seva potencial redundància funcional. Vam observar que les tres metacaspases de tipus I són reclutades als grànuls d’estrès en condicions de xoc tèrmic. A més, vam determinar que MC2, però no MC3, és capaç de tallar la Serpin1, un substrat de MC1. Les anàlisis genètiques van revelar, però, que el fenotip d’autoimmunitat observat en plantes mutants en mc1 no era exacerbat per mutacions addicionals en MC2 o MC3. Per tant, els nostres resultats indiquen que les metacaspases de tipus I d'Arabidopsis no presenten redundància funcional, sinó que han adquirit funcions especialitzades al llarg de l'evolució. En conclusió, aquesta tesi proporciona nous coneixements sobre com els grànuls d’estrès contribueixen a la tolerància de les plantes a les situacions adverses. Els nostres resultats subratllen la importància d’aquests grànuls en la proteòstasi de les plantes i obren noves vies per a generar cultius més resilients. A més, el descobriment que MC1 pot eliminar agregats de proteïnes humanes obre la porta a possibles aplicacions terapèutiques d’aquesta proteïna d’origen vegetal.