Mécanismes moléculaires du trafic intracellulaire du transporteur de fer IRT1 chez Arabidopsis thaliana
Résumé
Iron is an essential element for plants but toxic when present in excess. IRT1 is the major root iron transporter responsible for iron uptake from the soil under iron limitation in Arabidopsis thaliana. IRT1 is transcriptionally regulated by iron, resulting in a high IRT1 expression in iron-starved root epidermal cells. In addition, IRT1 was suggested to be controlled at the post-translational level, with iron affecting IRT1 protein stability, in a similar fashion with the yeast ZRT1 zinc transporter. To shed light on two poorly-understood phenomena in plants, endocytosis and degradation of plasma membrane proteins, we studied the proposed post-translational regulation of IRT1 in Arabidopsis thaliana. Interestingly IRT1 protein is found in early endosomes of root hair cells. Pharmacological approaches reveal that IRT1 cycles back and forth with the plasma membrane to perform iron uptake, and is sent to the vacuole for proper turnover. We also demonstrate that iron nutrition have no effect on the levels and the subcellular localization of IRT1 protein. The internalization of IRT1 is dependent on the monoubiquitination of several cytosol-exposed lysine residues. Together, these data suggest a model where monoubiquitin-dependent endocytosis/recycling of IRT1 keeps the plasma membrane pool of IRT1 low, to better deal with metal uptake. Finally, in order to indentify genes involves in IRT1 endocytosis/recycling and turnover, we perform a yeast two-hybrid screen with IRT1 cytosolic loop. This screen allows the identification of a FYVE domain-containing protein localized in endocytic compartment which functional characterization was initiated.
Le fer est un élément essentiel pour les plantes, mais toxique lorsqu'il est accumulé en excès. Chez Arabidopsis thaliana, le transporteur IRT1 joue un rôle essentiel dans l'acquisition du Fe depuis la solution du sol, en conditions limitantes en cet élément. Le gène IRT1 est régulé transcriptionnellement par le fer conduisant à une accumulation des transcrits IRT1 dans l'épiderme des racines carencées en fer. Par homologie avec les mécanismes décrits pour le transporteur de zinc ZRT1 de levure, une régulation post-traductionnelle d'IRT1, contrôlant la stabilité de celui-ci en présence de fer a été envisagée. IRT1 a donc été utilisé comme modèle pour caractériser le système endocytique des plantes. Nos travaux révèlent que la protéine IRT1 est localisée au niveau des endosomes précoces (TGN/EE) des cellules de poils racinaires. Des approches pharmacologiques ont permis de révéler un cyclage d'IRT1 entre la membrane plasmique et le TGN/EE ainsi qu'une dégradation vacuolaire. Nous avons également pu montrer que l'internalisation et la dégradation d'IRT1 ne sont pas affectées par la disponibilité en fer et sont sous le contrôle de la monoubiquitination de résidus lysines présents dans les parties cytosoliques de la protéine IRT1. Nos travaux suggèrent un modèle où l'internalisation d'IRT1 depuis la membrane plasmique, contrôlée par monoubiquitination, permet aux plantes de se prémunir contre la toxicité des métaux transportés par IRT1. Enfin, nous avons réalisé un crible double hybride en utilisant la boucle cytosolique d'IRT1 afin d'identifier des protéines contrôlant son trafic et/ou sa dégradation. Ce crible a permis notamment l'identification d'une protéine à domaine FYVE, localisée aux endosomes et dont la caractérisation fonctionnelle a été initiée.