Выявление Plasmodesmal локализации последовательностей белков в Planta
Summary
Завод межклеточных соединений, plasmodesmata (Pd), играют центральную роль в заводе физиологии и завод вирус взаимодействий. Важнейшее значение для Pd транспорта производится сортировка сигналы, которые направляют белки для Pd. Однако, наши знания об этих последовательностей все еще находится в зачаточном состоянии. Мы описываем стратегию для выявления локализации сигналы Pd Pd целевых белков.
Abstract
Plasmodesmata (Pd) являются соединения к ячейке, которые функционируют как шлюзы, через которые перевозятся мелких и крупных молекул между растительных клеток. Pd транспорта малых молекул, ионов и воды, предположительно происходит пассивно, в то время как к ячейке транспорт биологических макромолекул, такие белки, наиболее вероятно происходит через активный механизм, который включает в себя конкретные определения сигналов на перевозимых молекулы. Нехватка выявленных plasmodesmata (Pd) локализация сигналов (PLSs) строго ограниченных понимание белка сортировка пути, участвующие в завод в ячейке макромолекулярных транспорта и связи. С обилием растений эндогенного и вирусные белки, известный трафик через Pd, только три PLSs поступили на сегодняшний день, все из них от эндогенных растительных белков. Таким образом, она имеет важное значение для разработки надежных и систематических экспериментальной стратегии для выявления функциональных PLS последовательности, что является необходимым и достаточным для Pd ориентации, непосредственно в живых растительных клеток. Здесь мы описываем одной такой стратегии, используя в качестве парадигмы к ячейке движение белка (МП) вирус мозаики табака (ПДЦ). Эти эксперименты, которые выявлены и охарактеризованы первый завод вирусный PLS, могут быть приспособлены для обнаружения последовательностей PLS в наиболее Pd целевых белков.
Introduction
Plasmodesmata (Pd) функционировать в качестве каналов для межклеточных транспорта ключевых регуляторов развития растений и морфогенеза, начиная от факторов транскрипции мРНК и малых молекул РНК. Кроме того этот макромолекулярных транспортного потенциала Pd используется большинство вирусов растений для их межклеточных распространения во время инфекции; для перемещения по Pd, вирусов растений развивались специализированные белки, называются движения белки (MPs), которые специально направлены Pd1,,2,3,4,5,,6 , 7. молекулярные пути переноса Pd скорее тесно взаимосвязана с специфических последовательностей, которые предназначены перевозимые белков в эти пути. Таким образом идентификация этих сигналов локализации Pd (PLSs) может быть диагностических соответствующего пути транспорта Pd. Это по аналогии Pd транспорта8, например, различных ядерных импорт путей, которые могут быть специфическими для различных ядерной локализации сигнала (NLS) последовательности9,10. Концептуально ОУЖН и PLSs представления не горные субцеллюлярные таргетинга последовательностей, которые являются необходимыми и достаточными для ориентации. Однако в отличие от ОУЖН11, последовательностью информацию о PLSs крайне ограничена. В частности были зарегистрированы только четыре белковых последовательностей, участвующих в Pd ориентации, со всеми из них производные от эндогенных растительных белков. Первый из них представляет гомеобокс домен KN112 – транскрипционный фактор, который перемещается из внутренней ячейки слоев эпидермиса листа растений13 – и его Нокс гомолог14. Второй тоже от транскрипционный фактор, глубина резкости, который содержит предполагаемый PLS, описывается как межклеточных людьми, (она) мотив15. Третьего последовательности от PDLP1 plasmodesmata резидентов типа 1 Мембранный белок, и оно представлено трансмембранных доменов16. Наконец, четвертый Pd, ориентация последовательность недавно сообщалось за glycosylphosphatidylinositol (GPI)-якорь белков и он представлен сигнала модификации glycosylphosphatidylinositol (GPI)17.
Интересно, что до совсем недавнего времени, были зарегистрированы не PLSs для вирусных депутатов. Предыдущие исследования показали наличие предполагаемого PLS последовательностей в завод вирусных м/с18,19, но не верно PLS, т.е., минимальный аминокислотная последовательность необходимых и достаточных для Pd ориентации молекулы (не связанных грузовые например., CFP) была обнаружена в Вирусный MP. Еще один из этих белков, депутат вирус мозаики табака (ПДЦ), был первым, для которых Pd локализации и транспорта были показали20.
Чтобы устранить этот разрыв, мы разработали экспериментальный стратегию для выявления TMV MP PLS. Эта стратегия основана на трех концепций. (i) мы определили PLS как минимальный аминокислотной последовательности, которая является необходимым и достаточным для белка ориентации Pd21. (ii) потому что TMV MP впервые предназначено Pd и затем translocates через эти каналы22, мы нацелены на расцеплять эти два вида деятельности и выявления добросовестных PLS, который работает только для Pd ориентации и не для последующей перевозки. (iii) мы проанализировали выявленных PLS для аминокислотных остатков важное для его Pd, ориентация деятельности, будь то структурно и функционально. Используя этот подход, мы определены последовательность 50-амино кислоты вычетов в амино terminus TMV MP, который действует как bona fide PLS. Это было сделано путем подготовки серии TMV MP фрагментов, которые насыщенных по всей длине белка, пометки их карбоксильные Термини с CFP и временно выражая их в тканях растений. PD локализации каждого из протестированных фрагментов определяется coexpressing их с белками маркер Pd, PDCB1 (Pd callose белок, связывающий 1)23. Считается, что маленький фрагмент, который по-прежнему локализованы для Pd, но не передаются Pd, представляют PLS. Наконец PLS был аланин сканирования для определения ключевых аминокислотных остатков, необходимых для его структуры или функции.
Тогда как здесь мы иллюстрируют этот подход, описывая идентификации TMV MP PLS, он может использоваться для обнаружения PLSs в любой другой Pd целевых белков, ли закодированные патогенов растений или растения сами; Это потому, что наш метод не воспользоваться любой уникальные особенности вирусных депутатов в отношении их способности целевой Pd.
Protocol
Representative Results
Discussion
Этот протокол имеет четыре основных составляющих: концепция определения последовательности, которая является необходимым и достаточным для ориентации Pd, систематическое разделение протеина интереса на фрагменты, которые постепенно сокращается в длину, фьюзинг испытанные фрагменты …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
За неимением места мы упоминали главным образом обзор статей, и мы приносим извинения нашим коллегам, чьи оригинальные работы не упоминалась. Работа в лаборатории V.C. поддерживается грантов из низ, NSF, USDA/НИФА, Бард и ФСБ V.C., и S.G.L. Лаборатория поддерживается низ и средств от департаментов растений патологии и биологии растений-микробных S.G.L.
Materials
| Confocal laser scanning microscope (CLSM) | Zeiss | LSM5 | Any CLSM with similar capabilities is appropriate |
| Zen software for confocal microscope imaging | Zeiss | 2009 version | The software should be compatible with the CLSM used |
| Quickchange II site-directed mutagenesis kit | Agilent | 200523 | |
| Acetosyringone | Sigma-Aldrich | D134406 | |
| MES | Sigma-Aldrich | 69892 | |
| Syringes without needles | BD | 309659 | |
| MgCl2 | FisherScientific | M33-500 | |
| Spectinomycin | Sigma-Aldrich | S4014 | |
| Rifampicin | Sigma-Aldrich | R3501 | |
| Ampicillin | Sigma-Aldrich | A0166 |
References
- Lee, J. Y. Plasmodesmata: a signaling hub at the cellular boundary. Curr. Opin. Plant Biol. 27, 133-140 (2015).
- Kumar, D., Kumar, R., Hyun, T. K., Kim, J. Cell-to-cell movement of viruses via plasmodesmata. J. Plant Res. 128, 37-47 (2015).
- Kitagawa, M., Paultre, D., Rademaker, H. Intercellular communication via plasmodesmata. New Phytol. 205, 970-972 (2015).
- Jackson, D. Plasmodesmata spread their influence. F1000Prime Rep. 7, 25 (2015).
- Brunkard, J. O., Runkel, A. M., Zambryski, P. C. The cytosol must flow: intercellular transport through plasmodesmata. Curr. Opin. Cell Biol. 35, 13-20 (2015).
- Yadav, S. R., Yan, D., Sevilem, I., Helariutta, Y. Plasmodesmata-mediated intercellular signaling during plant growth and development. Front. Plant Sci. 5, 44 (2014).
- Sager, R., Lee, J. Y. Plasmodesmata in integrated cell signaling: insights from development and environmental signals and stresses. J. Exp. Bot. 65, 6337-6358 (2014).
- Jans, D. A., Xiao, C. Y., Lam, M. H. Nuclear targeting signal recognition: a key control point in nuclear transport?. BioEssays. 22, 532-544 (2000).
- Miyamoto, Y., et al. Different modes of nuclear localization signal (NLS) recognition by three distinct classes of NLS receptors. J. Biol. Chem. 272, 26375-26381 (1997).
- Nair, R., Carter, P., Rost, B. NLSdb: database of nuclear localization signals. Nucleic Acids Res. 31, 397-399 (2003).
- Lee, J. Y., Yoo, B. C., Lucas, W. J. Parallels between nuclear-pore and plasmodesmal trafficking of information molecules. Planta. 210, 177-187 (2000).
- Kim, J. Y., Rim, Y., Wang, J., Jackson, D. A novel cell-to-cell trafficking assay indicates that the KNOX homeodomain is necessary and sufficient for intercellular protein and mRNA trafficking. Genes Dev. 19, 788-793 (2005).
- Lucas, W. J., et al. Selective trafficking of KNOTTED1 homeodomain protein and its mRNA through plasmodesmata. Science. 270, 1980-1983 (1995).
- Chen, H., Jackson, D., Kim, J. Y. Identification of evolutionarily conserved amino acid residues in homeodomain of KNOX proteins for intercellular trafficking. Plant Signal. Behav. 9, e28355 (2014).
- Chen, H., Ahmad, M., Rim, Y., Lucas, W. J., Kim, J. Y. Evolutionary and molecular analysis of Dof transcription factors identified a conserved motif for intercellular protein trafficking. New Phytol. 198, 1250-1260 (2013).
- Thomas, C. L., Bayer, E. M., Ritzenthaler, C., Fernandez-Calvino, L., Maule, A. J. Specific targeting of a plasmodesmal protein affecting cell-to-cell communication. PLOS Biol. 6, e7 (2008).
- Zavaliev, R., Dong, X., Epel, B. L. Glycosylphosphatidylinositol (GPI) modification serves as a primary plasmodesmal targeting signal. Plant Physiol. 172, 1061-1073 (2016).
- Sasaki, N., Park, J. W., Maule, A. J., Nelson, R. S. The cysteine-histidine-rich region of the movement protein of Cucumber mosaic virus contributes to plasmodesmal targeting, zinc binding and pathogenesis. Virology. 349, 396-408 (2006).
- Kaido, M., Funatsu, N., Tsuno, Y., Mise, K., Okuno, T. Viral cell-to-cell movement requires formation of cortical punctate structures containing Red clover necrotic mosaic virus movement protein. Virology. 413, 205-215 (2011).
- Creager, A. N. H., Scholthof, K. B. G., Citovsky, V., Scholthof, H. B. Tobacco mosaic virus: pioneering research for a century. Plant Cell. 11, 301-308 (1999).
- Yuan, C., Lazarowitz, S. G., Citovsky, V. Identification of a functional plasmodesmal localization signal in a plant viral cell-to-cell movement protein. mBio. 7, e02052-e02015 (2016).
- Ueki, S., Citovsky, V. To gate, or not to gate: regulatory mechanisms for intercellular protein transport and virus movement in plants. Mol. Plant. 4, 782-793 (2011).
- Simpson, C., Thomas, C. L., Findlay, K., Bayer, E., Maule, A. J. An Arabidopsis GPI-anchor plasmodesmal neck protein with callose binding activity and potential to regulate cell-to-cell trafficking. Plant Cell. 21, 581-594 (2009).
- Maule, A. J. Plasmodesmata: structure, function and biogenesis. Curr. Opin. Plant Biol. 11, 680-686 (2008).
- Roberts, I. M., et al. Dynamic changes in the frequency and architecture of plasmodesmata during the sink-source transition in tobacco leaves. Protoplasma. 218, 31-44 (2001).
- Tzfira, T., et al. pSAT vectors: a modular series of plasmids for fluorescent protein tagging and expression of multiple genes in plants. Plant Mol. Biol. 57, 503-516 (2005).
- Chakrabarty, R., et al. pSITE vectors for stable integration or transient expression of autofluorescent protein fusions in plants: probing Nicotiana benthamiana-virus interactions. Mol. Plant-Microbe Interact. 20, 740-750 (2007).
- Chung, S. M., Frankman, E. L., Tzfira, T. A versatile vector system for multiple gene expression in plants. Trends Plant Sci. 10, 357-361 (2005).
- Lee, L. Y., Gelvin, S. B. T-DNA binary vectors and systems. Plant Physiol. 146, 325-332 (2008).
- Goderis, I. J., et al. A set of modular plant transformation vectors allowing flexible insertion of up to six expression units. Plant Mol. Biol. 50, 17-27 (2002).
- Walhout, A. J., et al. GATEWAY recombinational cloning: application to the cloning of large numbers of open reading frames or ORFeomes. Methods Enzymol. 328, 575-592 (2000).
- Tzfira, T., et al. Transgenic Populus: a step-by-step protocol for its Agrobacterium-mediated transformation. Plant Mol. Biol. Rep. 15 (3), 219-235 (1997).
- Woodman, M. E., Savage, C. R., Arnold, W. K., Stevenson, B. Direct PCR of intact bacteria (colony PCR). Curr. Protoc. Microbiol. 42 (3D), 1-7 (2016).
- Kapila, J., De Rycke, R., Van Montagu, M., Angenon, G. An Agrobacterium-mediated transient gene expression system for intact leaves. Plant Sci. , 101-108 (1997).
- Wroblewski, T., Tomczak, A., Michelmore, R. Optimization of Agrobacterium-mediated transient assays of gene expression in lettuce, tomato and Arabidopsis. Plant Biotechnol. J. 3, 259-273 (2005).
- Boyko, V., Ferralli, J., Ashby, J., Schellenbaum, P., Heinlein, M. Function of microtubules in intercellular transport of plant virus RNA. Nat. Cell Biol. 2, 826-832 (2000).
- Heinlein, M., Epel, B. L., Padgett, H. S., Beachy, R. N. Interaction of tobamovirus movement proteins with the plant cytoskeleton. Science. 270, 1983-1985 (1995).
- Oparka, K. J., Prior, D. A. M., Santa-Cruz, S., Padgett, H. S., Beachy, R. N. Gating of epidermal plasmodesmata is restricted to the leading edge of expanding infection sites of tobacco mosaic virus (TMV). Plant J. 12, 781-789 (1997).
- Crawford, K. M., Zambryski, P. C. Non-targeted and targeted protein movement through plasmodesmata in leaves in different developmental and physiological states. Plant Physiol. 125, 1802-1812 (2001).
- Kotlizky, G., et al. A dysfunctional movement protein of Tobacco mosaic virus interferes with targeting of wild-type movement protein to microtubules. Mol. Plant-Microbe Interact. 14, 895-904 (2001).
- Ueki, S., Lacroix, B., Krichevsky, A., Lazarowitz, S. G., Citovsky, V. Functional transient genetic transformation of Arabidopsis leaves by biolistic bombardment. Nat. Protoc. 4, 71-77 (2009).
- Giesman-Cookmeyer, D., Lommel, S. A. Alanine scanning mutagenesis of a plant virus movement protein identifies three functional domains. Plant Cell. 5, 973-982 (1993).
- Ausubel, F. M., et al. . Current Protocols in Molecular Biology. , (1987).
- Waigmann, E., Ueki, S., Trutnyeva, K., Citovsky, V. The ins and outs of non-destructive cell-to-cell and systemic movement of plant viruses. Crit. Rev. Plant Sci. 23, 195-250 (2004).
- Lee, M. W., Yang, Y. Transient expression assay by agroinfiltration of leaves. Methods Mol. Biol. 323, 225-229 (2006).
- Burch-Smith, T. M., Schiff, M., Liu, Y., Dinesh-Kumar, S. P. Efficient virus-induced gene silencing in Arabidopsis. Plant Physiol. 142, 21-27 (2006).
- Tian, G. W., et al. High-throughput fluorescent tagging of full-length Arabidopsis gene products in planta. Plant Physiol. 135, 25-38 (2004).
- Tian, G. W., Chen, M. H., Zaltsman, A., Citovsky, V. A pollen-specific pectin methylesterase involved in pollen tube growth. Dev. Biol. 294, 83-91 (2006).
- Hunter, C. C., et al. Multiple nuclear localization signals mediate nuclear localization of the GATA transcription factor AreA. Eukaryot. Cell. 13, 527-538 (2014).
