Summary

Glycan profilering af plantecellevægge Polymerer med Microarrays

Published: December 17, 2012
doi:

Summary

En teknik kaldet<strong> C</strong> Omprehensive<strong> M</strong> Icroarray<strong> P</strong> Olymer Profiling (CoMPP) til karakterisering af plantecellevægge glycans er beskrevet. Denne metode kombinerer af monoklonale antistoffer rettet mod definerede glycan-epitoper med en miniature microarray analytisk platform tillader screening af glycan forekomst i en bred vifte af biologiske sammenhænge.

Abstract

Plant cellevægge er komplekse matricer af heterogene glycaner, som spiller en vigtig rolle i fysiologi og udvikling af planter og give de råvarer til menneskelige samfund (f.eks træ, papir, tekstil-og biobrændstof industri) 1,2. At forstå biosyntesen og funktionen af ​​disse komponenter er fortsat udfordrende.

Cellevæg glycans er kemisk og konformationelt forskelligartede på grund af kompleksiteten af ​​deres byggesten, de glycosylrester. Disse danner bindinger ved flere positioner og afviger i ringstruktur, isomer eller anomere konfiguration, og endvidere substitueret er med et array af ikke-sukkerrester. Glycan sammensætning varierer i forskellige celle-og / eller vævstyper eller sub-domæner af en enkelt celle væg 3. Desuden er deres sammensætning også ændret under udvikling 1, eller som svar på miljømæssige signaler 4.

I exces af 2.000 gener har Plantecellekulturer vægge er komplekse matricer af heterogene glycaner blevet forudsagt at være involveret i cellevæg glycan biosyntese og modifikation i Arabidopsis 5. Imidlertid har relativt få af de biosyntetiske gener blevet funktionelt karakteriseret 4,5. Omvendt genetik fremgangsmåder vanskelige, fordi de gener ofte udtrykkes forskelligt, ofte i lave niveauer, mellem celletyper 6. Også, er mutant undersøgelser ofte hindres af gen-redundans eller kompenserende mekanismer, der sikrer passende cellevæg funktion opretholdes 7. Således nye metoder er nødvendige for hurtigt at karakterisere de mange forskellige glycan strukturer og lette funktionelle genomiktilgange at forstå cellevægsbiosyntesen og modifikation.

Monoklonale antistoffer (mAbs) 8,9 er dukket op som et vigtigt redskab til at bestemme glycan struktur og fordeling i planter. Disse anerkender distinct epitoper til stede i større klasser af plantecellevægge glycans, herunder pectiner, xyloglucans, xylaner, mannaner, glucaner og Arabinogalactaner. For nylig deres anvendelse er blevet udvidet til store screening eksperimenter for at bestemme den relative forekomst af glycaner i en bred vifte af plante-og vævstyper samtidigt 9,10,11.

Her præsenterer vi en microarray-baseret glycan screeningsmetode kaldet Omfattende Microarray Polymer Profiling (CoMPP) (figur 1 & 2) 10,11, som giver flere prøver (100 sek) skal screenes ved hjælp af en miniaturiseret microarray platform med reduceret reagens og prøvevolumener. The Spot signalerne på microarray formelt kan kvantificeres for at give semi-kvantitative data om glycan epitop forekomst. Denne fremgangsmåde er velegnet til at spore glycan ændringer i komplekse biologiske systemer 12 og giver et samlet overblik over cellevæggen præparat især når forudgående kendskab of dette er ikke tilgængelig.

Protocol

1. Tissue Collection & Forberedelse Collect 100 mg frisk vægt af plantevæv (minimum 10 mg tørvægt) i mindst tre eksemplarer for hvert væv af interesse. De følgende trin beskriver fremstillingen af ​​cellevæggen materiale fra vegetative væv. I tilfælde af storage væv, er un-ønskede stivelse enzymatisk fjernet før man går videre med udvinding af cellevægsbestanddele polymerer som tidligere beskrevet 13. Homogeniser prøverne til et fint pulver med flydende nitrogen und…

Representative Results

Den relative forekomst af glycaner i seks vævstyper (anther filamenter, pollen, æggestokke, kronblade, bægerblade og stigmatisering) fra Nicotiana alata blomster blev bestemt ved anvendelse CoMPP. Figur 3A viser et repræsentativt microarray, der er probet med mAb JIM5 specifikt for delvist (lav) methylesterified homogalacturonan (HG), en epitop der forekommer på pectinstoffer polysaccharider 14. Den JIM5 epitopen påvises i CDTA ekstrakter af alle blomster væv men er størst i pollen og mindst …

Discussion

CoMPP er en hurtig og følsom fremgangsmåde til profilering af glycan sammensætning af hundreder plante-afledte prøver i løbet af få dage. Denne fremgangsmåde supplerer de allerede tilgængelige bakterier eller pattedyr glycan array-platforme til high-throughput screening af kulhydrat interaktioner med glycan-bindingsproteiner, såsom lectiner, receptorer og antistoffer 16. Med en stor mangfoldighed af prober er tilgængelige til påvisning af cellevægs-glycans, er det muligt at opnå oplysninger om gl…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

IEM vil gerne anerkende det danske Forskningsråd (FTP og FNU) til finansiering. ERL anerkender støtte fra en ARC DP tilskud. AB anerkender støtte fra ARC Centre of Excellence i Plant Cell Walls tilskud.

Materials

Name of the reagent Company Catalogue number Comments (optional)
3 mm Tungsten Carbide beads Qiagen 69997  
Collection microtubes (1.2 mm) Qiagen 19560 1.5 ml microfuge tubes can also be used
Qiagen TissueLyser II Qiagen 85300  
3 mm glass beads Sigma Aldrich Z143928  
CDTA Sigma Aldrich 34588  
Cadmium oxide Sigma Aldrich 202894  
1,2-diaminoethane Sigma Aldrich 03550  
Nitrocellulose membrane (0.22 μm pore size) GE-water & process technologies EP2HY00010 different pore sized membranes are suitable for different pin types
Xact II microarrayer robot Labnext 001A the Xact II robot was fitted with a custom 20 x 20 cm ceramic plate to which the nitrocellulose membrane is attached
Xtend RM microarray pins Labnext 0037-350 pins must be suitable for spotting on membranes
384 well microtiter plates (polypropylene) Greiner 781207  
Anti-glycan monoclonal antibodies Plant Probes/
CarboSource/Biosupplies
  Websites; PlantProbes (www.plantprobes.net), Carbosource (www.carbosource.net) and Biosupplies (www.biosupplies.com.au).
Anti-Rat IgG (whole molecule) – Peroxidase antibody produced in goat. Sigma A9037 the type of secondary antibodies depends on the primary antibody used (e.g. raised in rat, mouse, goat etc).
SIGMAFAST 3,3′-Diaminobenzidine tablets Sigma D4293 the type of developing reagent depends on the secondary antibodies used and the detection method (colourmetric, or chemiluminecent).
SuperSignal West Pico Chemiluminescent Substrate Thermoscientific 34080 see above
Xplore Image Processing Software LabNext 008 many software types with automatic gridding tools are available to measure pixel value of microarray spots.
Plant polysaccharides Sigma/Megazyme    

Referências

  1. Carpita, N. C., Gibeaut, D. M. Structural models of primary cell walls in flowering plants: consistency of molecular structure with the physical properties of the walls during growth. Plant J. 3, 1-30 (1993).
  2. Somerville, C. Biofuels. Curr. Biol. 17, 115-119 (2007).
  3. Willats, W. G., Orfila, C., Limberg, G., et al. Modulation of the degree and pattern of methyl-esterification of pectic homogalacturonan in plant cell walls. implications for pectin methyl esterase action, matrix properties, and cell adhesion. J. Biol. Chem. 276, 19404-19413 (2001).
  4. Doblin, M. S., Pettolino, F., Bacic, A. Plant cell walls: the skeleton of the plant world. Functional Plant Biology. 37, 357-381 (2010).
  5. Carpita, N., Tierney, M., Campbell, M. Molecular biology of the plant cell wall: searching for the genes that define structure, architecture and dynamics. Plant Molecular Biology. 47, 1-5 (2001).
  6. Sarria, R., Wagner, T. A., O’Neill, M. A., Faik, A., et al. Characterization of a family of Arabidopsis genes related to xyloglucan fucosyltransferase1. Plant Physiol. 127, 1595-1606 (2001).
  7. Somerville, C., Bauer, S., Brininstool, G. Toward a systems approach to understanding plant cell walls. Science. 306, 2206-2211 (2004).
  8. Willats, W. G. T., Knox, J. P., Rose, J. K. C. Molecules in context: probes for cell wall analysis. The Plant Cell Wall. , 92-110 (2003).
  9. Pattathil, S., Avci, U., Baldwin, D., et al. A Comprehensive Toolkit of Plant Cell Wall Glycan-Directed Monoclonal Antibodies. Plant Physiology. 153, 514-525 (2010).
  10. Moller, I. E., Sørensen, I., Bernal, A. J., et al. High-throughput mapping of cell-wall polymers within and between plants using novel microarrays. The Plant J. 50, 1118-1128 (2007).
  11. Sørensen, I., Willats, W. G. T. Screening and characterization of plant cell walls using carbohydrate microarrays. Methods Mol. Biol. 715, 115-121 (2011).
  12. Moller, I. E., Licht, D. e. F. i. n. e., Harholt, H. H., J, , et al. The dynamics of plant cell-wall polysaccharide decomposition in leaf-cutting ant fungus gardens. PLoS One. 6 (3), e17506 (2011).
  13. Pettolino, F. A., Walsh, C., Fincher, G. B. Chemical procedures for the determination of polysaccharide composition of plant cell walls. Nature Protocols. , (2012).
  14. Clausen, M. H., Willats, W. G. T., Knox, J. P. Synthetic methyl hexagalacturonate hapten inhibitors of anti-homogalacturonan monoclonal antibodies LM7, JIM5 and JIM7. Carbohydrate Res. 338, 1797-1800 (2003).
  15. Verhertbruggen, Y., Marcus, S. E., Haeger, A., et al. Developmental complexity of arabinan polysaccharides and their processing in plant cell walls. Plant J. 59, 413-425 (2009).
  16. Heimburg-Molinaro, J., Song, X., Smith, D. F. UNIT 12.10 Preparation and Analysis of Glycan Microarray. Current Protocols in Protein Science. , (2011).
  17. McCartney, L., Blake, A., Flint, J., et al. Differential recognition of plant cell walls by microbial xylan-specific carbohydrate-binding modules. PNAS. 103, 4765-4770 (2006).
  18. Caño-Delgado, A. I., Metzlaff, K., Bevan, M. W. The eli1 mutation reveals a link between cell expansion and secondary cell wall formation in Arabidopsis thaliana. Development. 127, 3395-3405 (2000).
  19. Manabe, Y., Nafisi, M., Verhertbruggen, Y., et al. Loss-of-Function Mutation of REDUCED WALL ACETYLATION2 in Arabidopsis Leads to Reduced Cell Wall Acetylation and Increased Resistance to Botrytis cinerea. Plant Physiology. 155, 1068-1078 (2011).
  20. Updegraff, D. Semimicro determination of cellulose in biological materials. Anal. Biochem. 32, 420-424 (1969).
  21. 21Moller, I., Marcus, S. E., Haeger, A., et al. High-throughput screening of monoclonal antibodies against plant cell wall glycans by hierarchial clustering of their carbohydrate microarray binding profiles. Glycoconjugate Journal. 25, 37-48 (2007).
  22. Sørensen, I., Pettolino, F. A., Wilson, S. M., et al. Mixed linkage (1→3),(1→4)-β-D-glucan is not unique to the Poales and is an abundant component of Equisetum arvense cell walls. Plant J. 54 (13), 510-521 (2008).
  23. Domozych, D. S., Sørensen, I., Willats, W. G. T. The distribution of cell wall polymers during antheridium development and spermatogenesis in the Charophycean green alga, Chara. 2104, 1045-1056 (2009).
  24. Singh, B., Avci, U., Eichler Inwood, S. E. A specialized outer layer of the primary cell wall joins elongating cotton fibers into tissue-like bundles. Plant Physiol. 150, 684-699 (2009).
  25. Øbro, J., Sørensen, I., Derkx, P., et al. High-throughput screening of Erwinia chrysanthemi pectin methylesterase variants using carbohydrate microarrays. Proteomics. 9, 1861-1868 (2009).
check_url/pt/4238?article_type=t

Play Video

Citar este artigo
Moller, I. E., Pettolino, F. A., Hart, C., Lampugnani, E. R., Willats, W. G., Bacic, A. Glycan Profiling of Plant Cell Wall Polymers using Microarrays. J. Vis. Exp. (70), e4238, doi:10.3791/4238 (2012).

View Video