RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
pl_PL
Menu
Menu
Menu
Menu
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Połączenia międzykomórkowe roślin, plazmodesmaty (Pd), odgrywają kluczową rolę w fizjologii roślin i interakcjach między roślinami a wirusami. Kluczowe znaczenie dla transportu Pd mają sygnały sortujące, które kierują białka do Pd. Jednak nasza wiedza na temat tych sekwencji jest wciąż w powijakach. Opisujemy strategię identyfikacji sygnałów lokalizacji Pd w białkach docelowych Pd.
Plasmodesmata (Pd) to połączenia między komórkami, które funkcjonują jako bramy, przez które małe i duże cząsteczki są transportowane między komórkami roślinnymi. Podczas gdy zakłada się, że transport Pd małych cząsteczek, takich jak jony i woda, zachodzi pasywnie, transport makrocząsteczek biologicznych z komórki do komórki, takich białek, najprawdopodobniej zachodzi poprzez aktywny mechanizm, który obejmuje specyficzne sygnały celowania w transportowaną cząsteczkę. Niedobór zidentyfikowanych sygnałów lokalizacji plazmodesmatów (Pd) (PLS) poważnie ograniczył zrozumienie szlaków sortowania białek zaangażowanych w transport i komunikację makromolekularną między komórkami roślinnymi. Spośród bogactwa roślinnych białek endogennych i wirusowych, o których wiadomo, że przemieszczają się przez PD, do tej pory zgłoszono tylko trzy PLS, wszystkie z nich pochodzą z endogennych białek roślinnych. Dlatego ważne jest, aby opracować wiarygodną i systematyczną strategię eksperymentalną w celu zidentyfikowania funkcjonalnej sekwencji PLS, która jest zarówno niezbędna, jak i wystarczająca do celowania w Pd, bezpośrednio w żywych komórkach roślinnych. W tym miejscu opisujemy jedną z takich strategii, wykorzystując jako paradygmat białko ruchu między komórkami (MP) wirusa mozaiki tytoniu (TMV). Eksperymenty te, które zidentyfikowały i scharakteryzowały pierwszego roślinnego wirusa PLS, mogą być przystosowane do odkrycia sekwencji PLS w większości białek ukierunkowanych na PD.
Plasmodesmaty (Pd) funkcjonują jako kanały do transportu międzykomórkowego kluczowych regulatorów rozwoju i morfogenezy roślin, począwszy od czynników transkrypcyjnych, a skończywszy na mRNA i małych cząsteczkach RNA. Co więcej, ta makromolekularna zdolność transportowa Pd jest wykorzystywana przez większość wirusów roślinnych do ich międzykomórkowego rozprzestrzeniania się podczas infekcji; aby przemieszczać się przez Pd, wirusy roślinne wyewoluowały wyspecjalizowane białka, zwane białkami ruchu (MP), które są specjalnie ukierunkowane na Pd1,2,3,4,5,6,7. Molekularne szlaki transportu Pd najprawdopodobniej są ściśle powiązane z określonymi sekwencjami, które kierują transportowane białka do tych szlaków. W związku z tym identyfikacja tych sygnałów lokalizacyjnych Pd (PLS) może być diagnostyką odpowiadającego im szlaku transportu Pd. Jest to analogia do transportu Pd8, na przykład do różnych ścieżek importu jądrowego, które mogą być specyficzne dla różnych sekwencji sygnału lokalizacji jądrowej (NLS)9,10. Koncepcyjnie zarówno NLS, jak i PLS reprezentują nierozszczepialne subkomórkowe sekwencje celowania, które są niezbędne i wystarczające do celowania. Jednak w przeciwieństwie do NLSs11, informacje o sekwencji PLS są poważnie ograniczone. W szczególności opisano tylko cztery sekwencje białek zaangażowane w celowanie w Pd, z których wszystkie pochodzą z endogennych białek roślinnych. Pierwsza z nich jest reprezentowana przez domenę homeoboxa KN112 – czynnik transkrypcyjny, który przemieszcza się z wewnętrznych warstw komórkowych do naskórka liścia rośliny13 – i jego homologi KNOX14. Drugi również pochodzi od czynnika transkrypcyjnego, Dof, który zawiera przypuszczalny PLS opisany jako motyw transportu międzykomórkowego (IT)15. Trzecia sekwencja pochodzi z białka błonowego typu 1 rezydującego w plazmodesmacie PDLP1 i jest reprezentowana przez domenę transbłonową16. Wreszcie, czwarta sekwencja celująca w Pd została niedawno zgłoszona dla białek zakotwiczonych w glikozylofosfatydyloinozytolu (GPI) i jest reprezentowana przez sygnał modyfikacji glikozylofosfatydyloinozytolu (GPI)17.
Ciekawe, że do niedawna nie zgłoszono żadnych PLS dla wirusowych MP. Wcześniejsze badania wykazały obecność przypuszczalnych sekwencji PLS w wirusach roślinnych MPS18,19, ale w wirusowym MP nie zidentyfikowano prawdziwej sekwencji aminokwasów, tj. minimalnej sekwencji aminokwasów, zarówno koniecznej, jak i wystarczającej do celowania w Pd niepowiązanej cząsteczki ładunku (np. CFP). Jednak jedno z tych białek, MP wirusa mozaiki tytoniu (TMV), było pierwszym, dla którego wykazano lokalizację i transport Pd20.
Aby wypełnić tę lukę, opracowaliśmy eksperymentalną strategię identyfikacji TMV MP PLS. Strategia ta opierała się na trzech koncepcjach. (i) Zdefiniowaliśmy PLS jako minimalną sekwencję aminokwasów, która jest zarówno niezbędna, jak i wystarczająca do kierowania białka do Pd21. (ii) Ponieważ TMV MP najpierw atakuje Pd, a następnie translokuje się przez te kanały22, naszym celem było rozdzielenie tych dwóch działań i zidentyfikowanie działającego w dobrej wierze PLS, który działa tylko do namierzania Pd, a nie do późniejszego transportu. (iii) Przeanalizowaliśmy zidentyfikowany PLS pod kątem reszt aminokwasowych ważnych dla jego aktywności ukierunkowanej na Pd, zarówno strukturalnie, jak i funkcjonalnie. Korzystając z tego podejścia, nakreśliliśmy sekwencję 50-aminokwasowych reszt na końcu aminowym TMV MP, która działa jak bona fide PLS. Dokonano tego poprzez wyprodukowanie serii fragmentów TMV MP, które nasyciły całą długość białka, oznaczając ich końce karboksylowe CFP i przejściowo eksprymując je w tkankach roślinnych. Lokalizację Pd każdego z badanych fragmentów określono poprzez ich koekspresję z białkiem markerowym Pd, PDCB1 (Pd callose binding protein 1)23. Najmniejszy fragment, który nadal znajdował się w Pd, ale nie przechodził przez Pd, został uznany za reprezentujący PLS. Na koniec PLS został zeskanowany alaniną w celu określenia kluczowych reszt aminokwasowych wymaganych do jego struktury i/lub funkcji.
Podczas gdy tutaj ilustrujemy to podejście, opisując identyfikację TMV MP PLS, może ono być wykorzystane do odkrycia PLS w innych białkach ukierunkowanych na Pd, czy to kodowanych przez patogeny roślinne, czy przez same rośliny; dzieje się tak dlatego, że nasza metoda nie wykorzystuje żadnych unikalnych cech wirusowych MP w odniesieniu do ich zdolności do kierowania na Pd.
1. Materiał roślinny
2. Konstrukcja wektora wyrażenia
3. Agroinfiltracja
4. Mikroskopia konfokalna
5. Identyfikacja PLS
6. Identyfikacja kluczowych pozostałości PLS za pomocą skanowania alaniny42
Reprezentatywne dane, które wiernie ilustrują oczekiwane wyniki z opisanych protokołów i identyfikują TMV MP PLS, zostały zaadaptowane z Yuan et al.21. Rysunek 1A najpierw podsumowuje główne konstrukty wyrażające pełnowymiarowe TMV MP (1-268), TMV MP PLS (zawierające pierwsze 50 reszt aminokwasowych białka, 1-50) i jego pochodne V4A skanujące alaninę połączone z CFP (wygenerowane zgodnie z opisem w krokach 2.2, 5.2 i 6), podczas gdy Rysunek 1B podsumowuje i określa ilościowo subkomórkową lokalizację tych oznakowanych białek. Rysunek 1C ilustruje charakterystyczne obwodowe punktowe wzorce lokalizacji Pd obserwowane dla TMV MP-CFP i dla TMV MP PLS-CFP, a także dla koeksprymowanego markera Pd, PDCB1-DsRed2 (patrz krok 5.1). Rysunek 2A ilustruje celowanie w Pd TMV MP-CFP i dla TMV MP PLS-CFP oraz rozkład nukleocytoplazmatyczny koeksprymowanego wolnego DeRed2 (patrz krok 5.1). Wreszcie, rysunek 2B ilustruje utratę celowania Pd zarówno przez TMV MP, jak i TMV MP PLS z pojedynczą podstawionką alaniny V4A, co wskazuje, że ta reszta jest ważna dla struktury lub funkcji PLS; w tych samych komórkach koeksprymowany marker Pd PDCB1 nadal lokalizuje się w Pd (patrz Krok 6).
Te dane pokazują, że ta koncepcyjnie i technicznie prosta procedura systematycznej produkcji fragmentów białka, ich fuzji z autofluorescencyjnym markerem-białkiem ładunkowym oraz testowania zdolności do lokalizacji do Pd może zidentyfikować minimalną sekwencję białka niezbędną i wystarczającą do celowania w Pd, tj.PLS. Dla prawidłowej interpretacji tych danych lokalizacyjnych kluczowe znaczenie ma przeprowadzenie eksperymentów kolokalizacyjnych ze znanym białkiem Pd, np. PDLP lub członkami rodziny PDCB16,23 lub jednym z wirusów roślinnych, które sortują do Pd44. Oczywiście kolokalizacja nie musi być całkowita, ponieważ nie wszystkie białka lokalizujące P mogą być ukierunkowane na tę samą Pd, ale statystycznie istotny stopień kolokalizacji z co najmniej jednym z białek markerowych Pd jest niezbędny do zdefiniowania aktywności PLS.

Rysunek 1: Identyfikacja TMV MP PLS. (A) Podsumowanie głównych konstruktów CFP-fuzja stosowanych do identyfikacji TMV MP PLS. Sekwencje TMV MP, zielone pola; WPRyb, skrzynki niebieskie; P, promotor; T, terminator. Liczby po lewej stronie wskazują reszty aminokwasowe zawarte w każdym fragmencie TMV MP. (B) Podsumowanie subkomórkowej lokalizacji białek fuzyjnych pokazanych w (A). Lokalizację Pd lub lokalizację nukleocytoplazmatyczną określono na podstawie lokalizacji odpowiednich markerów subkomórkowych, odpowiednio PDCB1-DsRed2 i wolnego DsRed2. Odsetek komórek wykazujących każdy wzorzec lokalizacji jest pokazany na podstawie oceny 100 komórek wyrażających ekspresję na konstrukt w trzech niezależnych eksperymentach. Dane są średnimi ± błędami standardowymi (SE). (C) Ukierunkowanie na Pd TMV MP-CFP, TMV MP PLS-CFP i marker Pd PDCB1-DsRed2. Sygnał CFP jest w kolorze niebieskim; Sygnał DsRed2 jest w kolorze fioletowym; Autofluorescencja plastydów została odfiltrowana. Obrazy są pojedynczymi sekcjami konfokalnymi. Podziałka = 10 μm. DIC, Mikroskopia kontrastu różnicowego z interferencją. Ten rysunek jest zaadaptowany z Yuan et al.21. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rycina 2: Celowanie w Pd TMV MP, TMV MP PLS i ich mutanty skanujące alaninę. (A) Subkomórkowa lokalizacja TMV MP-CFP, TMV MP PLS-CFP i markera nukleocytoplazmatycznego DsRed2. (B) Utrata zdolności namierzania Pd przez mutanty V4A skanujące alaninę TMV MP-CFP i TMV MP PLS-CFP. Pd wizualizowano przez koekspresję markera Pd PDCB1-DsRed2. Sygnał CFP jest w kolorze niebieskim; Sygnał DsRed2 jest w kolorze fioletowym; Autofluorescencja plastydów została odfiltrowana. Obrazy są pojedynczymi sekcjami konfokalnymi. Podziałka = 10 μm. DIC, Mikroskopia kontrastu różnicowego z interferencją. Ten rysunek jest zaadaptowany z Yuan et al.21. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
Nie stwierdzono konfliktu interesów.
Połączenia międzykomórkowe roślin, plazmodesmaty (Pd), odgrywają kluczową rolę w fizjologii roślin i interakcjach między roślinami a wirusami. Kluczowe znaczenie dla transportu Pd mają sygnały sortujące, które kierują białka do Pd. Jednak nasza wiedza na temat tych sekwencji jest wciąż w powijakach. Opisujemy strategię identyfikacji sygnałów lokalizacji Pd w białkach docelowych Pd.
Z braku miejsca, cytowaliśmy głównie artykuły przeglądowe i przepraszamy naszych kolegów, których oryginalne prace nie zostały zacytowane. Prace w laboratorium V.C. są wspierane przez granty z NIH, NSF, USDA/NIFA, BARD i BSF dla V.C., a laboratorium SGL jest wspierane przez NIH oraz fundusze z Zakładów Patologii Roślin i Biologii Mikroorganizmów dla S.G.L.
| Konfokalny laserowy mikroskop skaningowy (CLSM) | Zeiss | LSM5 | Każdy CLSM o podobnych możliwościach jest odpowiedni |
| Oprogramowanie Zen do obrazowania mikroskopem konfokalnym | Wersja Zeiss | 2009 | Oprogramowanie powinno być kompatybilne z używanym przez CLSM |
| zestawem do mutagenezy ukierunkowanej na miejsce Quickchange II | Agilent | 200523 | |
| Acetosyringone | Sigma-Aldrich | D134406 | |
| MES | Sigma-Aldrich | 69892 | |
| Strzykawki bez igieł | BD | 309659 | |
| MgCl2 | FisherScientific | M33-500 | |
| Spectinomycin | Sigma-Aldrich | S4014 | |
| Ryfampicyna | Sigma-Aldrich | R3501 | |
| Ampicylina | Sigma-Aldrich | A0166 |