Membrane Tethering in Plant Intercellular Communication : Structure-Function of Multiple C2 domains and Transmembrane Region Proteins (MCTP) at Plasmodesmata ER-PM Membrane Contact Site
Rôle des connexions membranaires dans la communication intercellulaire des plantes : Structure-fonction des protéines MCTPs aux sites de contacts membranaires RE-MP des plasmodesmes
Abstract
Plant multicellularity relies on intercellular communication in order to transmit information from cell to cell and throughout the entire plant body. In land plants, the major line for such cellular conversations is through plasmodesmata (PD) pores, which are nanoscopic membranous tunnels spanning the pecto-cellulosic cell wall. These pores are indeed involved in the transfer of a wide variety of molecules such as transcription factors, RNAs, hormones and metabolites during all stages of plant life, adaptation and responses to their environment. PD are singular amongst other types of intercellular junctions as they provide a direct continuity of the endoplasmic reticulum (ER), the plasma membrane (PM) and the cytosol between neighboring cells. Their architectural organization can be summarized as followed: a thin strand of constricted ER, called desmotubule, is encased in a tube of PM lining the cell wall. PD are seen as a specialized ER-PM membrane contact sites from the very close apposition (2 to 10 nm) of the ER and PM membranes and the presence of tethering elements bridging the two organelles. In this study, we describe the structural organization and function of several members of the MCTP (Multiple C2 domains and Transmembrane region Protein) family which act as ER-PM tethering elements at PD. We show that these proteins possess molecular features capable of transient interaction with anionic lipids of the PM, through their C2 domains, as well as ER membrane shaping, through their transmembrane region which presents homology to a reticulon domain. We further correlate MCTP function with PD architecture and biogenesis, and investigate on the role of the ER inside PD. Altogether, this work provides original data placing MCTPs as core PD proteins that appear to be crucial in the establishment of PD ultrastructure and associated functions.
La multicellularité chez les plantes repose sur une communication intercellulaire qui permette le transfert d'informations à travers l'entièreté de l'organisme. Chez les plantes terrestres, la route principale de ces “conversations cellulaires” est assurée par les plasmodesmes (PD), des canaux nanoscopiques qui traversent la paroi pecto-cellulosique. En effet, ces pores sont impliqués dans la circulation d'une très grande variété de molécules, comme des facteurs de transcription, de l'ARN, des hormones et des métabolites et ceci à tous les stades de la vie végétale, permettant réponses et adaptations à l'environnement. Les PD sont particuliers dans le sens où ils forment une continuité du réticulum endoplasmic (RE), de la membrane plasmique (MP) et du cytoplasme entre les cellules adjacentes. Leur architecture est singulière et consiste en un filament de RE, appelé desmotubule, entouré d'un tube de MP qui, lui, longe la paroi. Les PD sont actuellement décrits comme des sites de contact membranaire, du fait du fort accolement des membranes du RE et de la MP (2 à 10 nm) et de la présence de protéines de jonction qui connectent les deux organelles. Dans la présente étude, nous décrivons au niveau structural et fonctionnel plusieurs membres de la famille des MCTPs (protéine avec de multiples domaines C2 et une région transmembranaire) comme protéines assurant la jonction du RE et de la MP dans les PD. Nous démontrons que ces protéines possèdent les caractéristiques moléculaires nécessaires à l'interaction transitoire avec les lipides anioniques de la MP, via leurs domaines C2, ainsi qu'à l'induction de courbure membranaire au RE, via la région transmembranaire qui agit comme un domaine homologue aux protéines réticulons. Ces données nous ont permis de corréler la fonction des MCTPs à l'architecture et la biogenèse des PD et de réfléchir au rôle du RE à l'intérieur des PD. En conclusion, ce travail a fourni des résultats originaux qui placent les MCTPs comme des protéines centrales dans l'établissement de la structure fine des PD et des fonctions qui y sont associées.
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