Identificatie van Plasmodesmal lokalisatie sequenties in eiwitten In Planta
Summary
Plant intercellulaire verbindingen, de plasmodesmata (Pd), spelen een centrale rol in plant fysiologie en plant-virus interacties. Kritische Pd vervoer zijn signalen dat rechtstreekse eiwitten aan Pd sorteren. Onze kennis over deze sequenties is echter nog in de kinderschoenen. Beschrijven we een strategie om te identificeren Pd lokalisatie signalen in Pd-gerichte eiwitten.
Abstract
Plasmodesmata (Pd) zijn cel-naar-cel verbindingen die functioneren als gateways waarmee kleine en grote moleculen worden vervoerd tussen plantencellen. Overwegende dat Pd vervoer van kleine molecules, zoals ionen en water, wordt verondersteld te passief optreden, cel-naar-cel vervoer van biologische macromoleculen, dergelijke eiwitten bevatten, meest waarschijnlijk gebeurt via een actief mechanisme waarbij specifieke targeting signalen op de vervoerde molecuul. De schaarste van geïdentificeerde plasmodesmata (Pd) lokalisatie signalen (PLSs) heeft strenge beperkingen op het begrijpen van de eiwit-sorteren trajecten die betrokken zijn bij plant cel-naar-cel macromoleculaire vervoer en communicatie. Van een rijkdom aan plant endogene en virale eiwitten bekend om verkeer via Pd, slechts drie PLSs hebben gemeld tot op heden, allemaal van endogene plantaardige eiwitten. Dus, is het belangrijk een betrouwbare en systematische experimentele strategie ter identificatie van een functioneel PLS-reeks, die zowel noodzakelijk als voldoende voor Pd targeting, direct in de woonkamer te ontwikkelen plantaardige cellen. Hier beschrijven we een dergelijke strategie als een paradigma met behulp van de cel-naar-cel verkeer proteïne (MP) van de tabak mosaic virus (TMV). Deze experimenten, die geïdentificeerd en gekenmerkt de eerste plant virale PLS, kunnen worden aangepast voor de ontdekking van PLS sequenties in meest Pd-gerichte eiwitten.
Introduction
Plasmodesmata (Pd) fungeren als leidingen voor intercellulaire vervoer van belangrijke regelgevende instanties van de ontwikkeling van planten en voedselproductie, variërend van transcriptiefactoren tot mRNA en kleine molecules van RNA. Bovendien, deze macromoleculaire transportcapaciteit van Pd wordt gebruikt door de meeste plantenvirussen voor hun intercellulaire verspreiding tijdens infectie; Als u wilt verplaatsen door middel van Pd, geëvolueerd plantenvirussen gespecialiseerde eiwitten, genoemd verkeer eiwitten (MPs), die specifiek gericht zijn op Pd1,2,3,4,5,6 , 7. moleculaire pathways van Pd vervoer waarschijnlijk zijn nauw met elkaar verbonden met de specifieke opeenvolgingen die gericht zijn op de vervoerde hoeveelheden eiwitten in deze trajecten. Dus, is identificatie van deze Pd lokalisatie signalen (PLSs) diagnose van het overeenkomstige Pd vervoer traject mogelijk. Dit wil analogie van Pd vervoer8, bijvoorbeeld verschillende nucleaire importeren trajecten, die kunnen wel specifiek voor verschillende nucleaire localisatie signaal (NLS) sequenties9,10. Conceptueel, vertegenwoordigen zowel NLSs als PLSs niet-cleavable subcellular targeting sequenties die noodzakelijk voldoende zijn voor targeting en. Echter, in tegenstelling tot de NLSs11, de opeenvolgingsinformatie over PLSs is zeer beperkt. Specifiek, zijn slechts vier proteïne sequenties die betrokken zijn bij de Pd gericht op gemeld, met allemaal afgeleid van endogene plantaardige eiwitten. De eerste die wordt vertegenwoordigd door een domein van de homeobox van KN112 – een transcriptiefactor waarmee wordt verplaatst van de cel van de binnenste lagen naar de opperhuid van de plant blad13 – en haar KNOX homologen14. In het tweede voorbeeld is ook van een transcriptiefactor, Dof, waarin een vermeende PLS beschreven als de intercellulaire handel (IT) motief15. De derde reeks is uit het PDLP1 plasmodesmata-ingezeten type 1 membraan eiwit, en het wordt vertegenwoordigd door een transmembraan domein16. Tot slot, de vierde Pd gericht op volgorde werd onlangs gemeld voor glycosylphosphatidylinositol (GPI)-verankerd eiwitten en het wordt vertegenwoordigd door de glycosylphosphatidylinositol (GPI) wijziging signaal17.
Interessant, tot voor kort geen PLSs gemeld voor virale MPs. Eerdere studies aangegeven de aanwezigheid van vermeende PLS sequenties in plant virale MPs18,19, maar geen echte PLS, dat wil zeggen, een minimale aminozuur reeks zowel noodzakelijk als voldoende voor Pd targeting van een ongerelateerde lading molecuul ( bijv., GVB) in een virale MP is geconstateerd. Nog was een van deze proteïnen, MP van het tabak mosaic virus (TMV), de eerste die Pd lokalisatie en vervoer al aangetoond dat20.
Om deze leemte, ontwikkelden we een experimentele strategie ter identificatie van TMV MP PLS. Deze strategie was gebaseerd op drie concepten. (i) we PLS gedefinieerd als een minimale aminozuur-reeks die noodzakelijk en voldoende zijn voor het targeten van eiwit Pd21. (ii) omdat TMV MP eerst Pd richt en vervolgens translocates via deze kanalen22, we gericht op het afkoppelen van deze twee activiteiten en het identificeren van de bonafide PLS, welke functies alleen voor Pd targeting, en niet voor het latere vervoer. (iii) we geanalyseerd de geïdentificeerde PLS voor aminozuurresidu’s belangrijk voor haar Pd gerichte activiteit, structureel of functioneel. Met behulp van deze aanpak, we een 50-amino acid residu-reeks op de amino-terminus van TMV MP die als bonafide PLS fungeert afgebakend. Dit werd gedaan door de productie van een reeks van TMV MP fragmenten die verzadigd van de gehele lengte van het eiwit, tagging hun carboxyl-termini met GVB en Transient uiten ze in plantaardige weefsels. PD lokalisatie van elk van de geteste fragmenten werd bepaald door coexpressing hen met een Pd marker eiwit, PDCB1 (Pd callose bindende eiwitten 1)23. Het kleinste fragment dat nog steeds gelokaliseerd op Pd, maar deed niet doorkruisen Pd, werd beschouwd als PLS vertegenwoordigen. Ten slotte was het PLS alanine-gescand om te bepalen van de belangrijkste aminozuurresidu’s nodig zijn voor de structuur en/of functie.
Overwegende dat hier we deze benadering illustreren door de identificatie van TMV MP PLS beschrijven, kan het worden gebruikt om te ontdekken PLSs in elke andere Pd-gerichte eiwitten, of gecodeerd door plant ziekteverwekkers of door de planten zelf; Dit is omdat onze werkwijze niet van eventuele unieke kenmerken van virale MPs met betrekking tot hun vermogen om doel te Pd profiteren doet.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit protocol heeft vier kern bestanddelen: het concept van de identificatie van een reeks die noodzakelijk en voldoende voor targeting te Pd, systematische indeling van de proteïne van belang in fragmenten worden geleidelijk verlaagd in lengte, smelten de geteste fragmenten aan een autofluorescent eiwit, die fungeert als label én als macromoleculaire lading, en/of functionele assay voor Pd targeting in levende planten weefsels na voorbijgaande expressie van de geteste fusie-eiwitten. Merk op dat Agrobacterium-gemedieer…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Voor het gebrek aan ruimte, we meestal review artikelen genoemd, en wij verontschuldigen ons aan onze collega’s wier oorspronkelijke werk werd niet genoemd. Het werk in het laboratorium V.C. wordt ondersteund door subsidies van NIH, NSF, USDA/NIFA, BARD en BSF aan V.C., en het S.G.L. laboratorium wordt ondersteund door de NIH en middelen van de diensten van Plant Pathology en Plant-Microbe biologie naar 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).
