The role of the plant cell border in cell fate

Abstract

Molecular condensation is crucial for polarity establishment and stress responses in biological systems. However, the role of condensation in plants is still fragmentary. In the first part of this PhD thesis, I will refer to a cytoplasmic condensate, like the condensate of processing bodies (PBs). I will describe PBs by deciphering at first their protein composition, using the PB core component DECAPPIN PROTEIN 1 (DCP1) as a bait. It is known that PBs reside in the cytoplasm. However, protein datasets revealed a big network of proteins related to the plasma membrane and to the trafficking of vesicles. Thus, I will approach how these condensates can become membrane–bound or be associated with membrane compartments. Additionally, I found that PBs properties can be regulated by the actin polymerization cAMP receptor (SCAR)–WASP family verprolin homologous (WAVE) complex, as another network of proteins in PBs is related to actin remodelling. The SCAR/WAVE complex interacts with DCP1 at cell edges/vertices of the Arabidopsis root and facilitates the actin nucleation process and directional growth. In the second chapter, I will approach the RNA composition of PBs, defining networks related also to hormonal/wounding responses. The SCAR/WAVE complex enables the RNA release from PBs towards the translation machinery modulating hormonal (ethylene) signalling and plant responses to wounding and regeneration. More specifically, RNAs and their cognate proteins are enriched in PBs and comprise of common networks, named “co-regulons”. These co-regulons are processed in PBs through the interplay between decay and storage and RNAs are released to translation upon stress/wounding to facilitate plant responses. In the third chapter, I will try to delineate how a condensate can affect plasma membrane properties. I will refer to the lipid–transferase and condensate Sec14–like nodulin (SEC–FOURTEEN HOMOLOGUE 8) SFH8, which undergoes a liquid–to–solid state transition at the plasma membrane to maintain the polarity of auxin efflux carriers. I will describe the SFH8 interaction with membranes, through its interaction with the specific lipid phosphatidylserine (PS). SFH8 is linked to PS, as removal of SFH8 or vice versa results in compromised PS clustering on the PM. Thus, this PS-SFH8 link can provide an example of how condensates can affect plasma membrane properties and, thus, root development. Finaly, I will try to describe a mechanosensing probe, which can be used to detect changes in plasma membrane properties. This mechanical–stretch activated sensor deriving from the human mechanosensing channel Piezo1 and expressed in Arabidopsis plants, may be a useful tool for the detection of plasma membrane stretching alterations.

Τα μοριακά συμπυκνώματα (molecular condensates) είναι ζωτικής σημασίας στα βιολογικά συστήματα, για τη δημιουργία πολικότητας και τις αποκρίσεις αυτών σε καταπονήσεις. Ωστόσο, ο ρόλος του φαινομένου αυτού (της συμπύκνωσης) στα φυτά είναι ακόμα υπό διερεύνηση. Στο πρώτο μέρος αυτής της διδακτορικής διατριβής, αναφέρομαι σε ένα κυτταροπλασματικό μοριακό συμπύκνωμα, όπως το συμπύκνωμα των Processing Bodies (PBs). Θα περιγράψω τα PBs μέσω τεχνικών πρωτεομικής, χρησιμοποιώντας ως δόλωμα ένα βασικό συστατικό τους, την πρωτεΐνη DECAPPING PROTEIN 1 (DCP1). Είναι γνωστό από τη βιβλιογραφία ότι τα PBs βρίσκονται στο κυτταρόπλασμα. Ωστόσο, τα δεδομένα του πρωτεόματος των PBs αποκάλυψαν ένα μεγάλο δίκτυο πρωτεϊνών που σχετίζονται με την πλασματική μεμβράνη και τη διακίνηση κυστιδίων. Έτσι, δείχνω συνδυαστικά με μεθόδους απεικονιστικής ότι αυτά τα συμπυκνώματα μπορούν να δεσμευτούν στην πλασματική μεμβράνη ή ακόμη να συσχετιστούν με διάφορα μεμβρανικά οργανίδια. Επιπλέον, ανακάλυψα ότι οι ιδιότητες των PBs μπορούν να ρυθμιστούν από το σύμπλεγμα πολυμερισμού cAMP υποδοχέα cAMP (SCAR) – WASP οικογένειας βερπρολίνης (WAVE), καθώς δείχνω ότι ένα άλλο δίκτυο πρωτεϊνών στα PB σχετίζεται με την αναδιαμόρφωση της ακτίνης. Το σύμπλεγμα SCAR/WAVE αλληλεπιδρά με το DCP1 στις ακμές/γωνίες των κυττάρων της ρίζας Αραβίδοψις και έτσι διευκολύνεται η διαδικασία της πυρηνοποίησης της ακτίνης και συνεπώς η κατευθυνόμενη/ανισότροπη ανάπτυξη των κυττάρων της ρίζας. Στο δεύτερο κεφάλαιο, προσεγγίζω τη σύνθεση RNA των PBs, καταλήγοντας σε ομάδες RNA που σχετίζονται επίσης με αποκρίσεις των φυτών σε καταπονήσεις/ορμονικά ερεθίσματα ή σε αναγέννηση του φυτικού ιστού ύστερα από τραυματισμό. Δείχνω επίσης ότι το σύμπλεγμα SCAR/WAVE επιτρέπει την απελευθέρωση RNA από τα PBs προς τον μηχανισμό μετάφρασης που ρυθμίζει την απόκριση στο αιθυλένιο και τις αποκρίσεις των φυτών σε τραυματισμούς και αναγέννηση. Πιο συγκεκριμένα, τα RNA και οι πρωτεΐνες που κωδικοποιούν βρίσκονται ταυτόχρονα στα PBs και αποτελούνται από κοινά δίκτυα, που ονομάζω «co-regulons». Μέσω των διαδικασιών αποδόμησης και αποθήκευσης, τα RNA απελευθερώνονται για μετάφραση κατά την ορμονική απόκριση/τραυματισμό για να διευκολυνθούν οι αντιδράσεις των φυτών σε αυτά. Στο τρίτο κεφάλαιο, περιγράφω πώς ένα μοριακό συμπύκνωμα μπορεί να επηρεάσει τις ιδιότητες της πλασματικής μεμβράνης. Θα αναφερθώ στη λιπιδική τρανσφεράση και το συμπύκνωμα που δημιουργεί η nodulin πρωτεΐνη Sec14 (SEC–FOURTEEN HOMOLOGUE 8) SFH8, η οποία υφίσταται αλλαγή φάσης από υγρό σε στερεό στην πλασματική μεμβράνη με σκοπό τη διατήρηση της πολικότητας των φορέων εκροής αυξίνης. Περιγράφω την αλληλεπίδραση της SFH8 με τις μεμβράνες, μέσω της αλληλεπίδρασής του με ένα συγκεκριμένο λιπίδιο της μεμβράνης, τη φωσφατιδυλοσερίνη (phosphatidylserine, PS). Η SFH8 αλληλεπιδρά με το PS, καθώς η αφαίρεση της SFH8 ή το αντίστροφο (δηλαδή η αφαίρεση του PS) έχει ως αποτέλεσμα την απάλειψη της δημιουργίας νανοδομών στην πλασματική μεμβράνη. Έτσι, αυτή η σύνδεση PS-SFH8 μπορεί να παρέχει ένα παράδειγμα του τρόπου με τον οποίο τα συμπυκνώματα μπορούν να επηρεάσουν τις ιδιότητες της πλασματικής μεμβράνης και, κατά συνέπεια, την ανάπτυξη της ρίζας. Τέλος, για τη μελέτη των ιδιοτήτων της πλασματικής μεμβράνης, περιγράφω έναν ανιχνευτή μηχανικής καταπόνησης, ο οποίος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση αλλαγών στις ιδιότητες της πλασματικής μεμβράνης. Αυτός ο ενεργοποιούμενος από μηχανική τάση αισθητήρας προέρχεται από το ανθρώπινο κανάλι Piezo1 και χρησιμοποιήθηκε επιτυχώς σε ρίζες Αραβίδοψις. Συνεπώς, μπορεί να είναι ένα χρήσιμο εργαλείο για την ανίχνευση αλλαγών τάσης της πλασματικής μεμβράνης και της μηχανικής καταπόνησης.