Identification of novel factors during the establishment of the Casparian strip in the endodermis

Multicellular organisms rely on specialized tissues that allow for the controlled exchange of matter with their surrounding. In order to function properly, these tissues need to establish a tight connection between the individual cells to prevent uncontrolled passive diffusion across the extracellular space. In animals, these connections are called tight and adherens junctions and are a critical feature of epithelia. These connections, however, rely on direct protein-protein interaction of plasma membrane proteins of adjacent cells. Such a mechanism is not possible in plants due to the cell wall, which encases the individual cells. In order to absorb nutrients, while simultaneously preventing uncontrolled diffusion between cells, land plants have evolved the root endodermis, which is functionally equivalent to animal epithelia. Its cells are surrounded by a precisely localized and aligned, ring-like lignin deposition, called the Casparian strip, and therefore tightly connected between each other. Very little was known about the development of the endodermis and the Casparian strip until recently. In the meantime, however, we have identified a family of endodermis- specific proteins, the CASPs, which recruits extracellular proteins the specific Casparian strip membrane domain (CSD) to locally synthesize lignin in the cell wall. Yet, we hardly knew any specifics on how the CSD is initially defined and how the critically important CASPs are being recruited to it. We therefore conducted a forward genetic screen on the localization of CASPI-GFP in order to identify novel mutants, which lack a defined CSD. We identified 48 mutants, which fell into 15 different complementation groups. While some of the isolated genes had previously been identified through different approaches, nine novel genes, which had never been implicated in CSD development and maintenance, were identified. One of them, LORD OF THE RINGS 2 (.LOTR2) is described to greater detail in this work. LOTR2 encodes for EX070A1, a protein of the evolutionary conserved exocyst complex. This complex has frequently been implicated in various secretory processes across kingdoms. In Arabidopsis, it transiently defines the positioning of CASPI-GFP. We have performed a detailed analysis of the dynamics of EX070A1 and CASPI-GFP, including studies with other markers and propose a mechanism, by which the cytosolic EX070A1 transiently defines a plasma membrane domain to recruit transmembrane proteins, which then recruit extracellular enzymes for localized cell wall modification. Considering the ubiquitous expression of EX070A1, we think that this mechanism is potentially of importance not only for the endodermis and the Casparian strip but also for many other tissues, in which the cell wall becomes locally modified. In fact, many other tissues with secondary cell wall modifications contain proteins very similar to the CASPs. It will be interesting to see to which degree this mechanism is employed in other tissues. As for the endodermis, we have now identified the first gene, which is not specific to the endodermis but shows endodermis-specific dynamics. This might give us a better insight on how the plant modulates this ubiquitously present factor in a cell- or tissue-type specific manner. Considering the knowledge, mutants and tools, which are available to us for investigating the endodermis, the Casparian strip, the exocyst complex and EX070A1 might be just the right experimental system to address these questions. -- Les organismes multicellulaires dépendent des tissues spécialisé pour l'échange contrôlé entre eux et leur environnement. Pour leur bon fonctionnement, les cellules de ces tissus ont besoin d'être très étroitement assemblés afin de prévenir la diffusion non-contrôlée à travers l'espace extracellulaire. Chez les animaux, ces connexions sont appelées jonctions serrées et jonctions adhérentes. Ces jonctions dépendent des interactions directes entre les protéines des cellules voisines. Ceci n'est pas possible chez les plantes à cause de la paroi cellulaire qui recouvre chaque cellule individuellement. Pour absorber les nutriments et en même temps empêcher la diffusion non-contrôlé entre cellules, les plantes ont évolué 1'endoderme dans la racine, qui est fonctionnellement équivalent aux épithéliums des animaux. Les cellules de l'endoderme sont ceinturées par une déposition de lignine très précisément localisées comme un anneau et alignées entre les cellules, et qui, donc, connecte étroitement les cellules avoisinante: Le cadre de Caspary. Peu était connu sur le développement de l'endoderme et le cadre de Caspaiy jusqu'à il y a quelques années. Récemment, pourtant, nous avons identifié une famille de protéines spécifiques à l'endoderme, les CASPs, qui définissent le domaine membranaire du cadre de Caspaiy (CSD). Les CASPs recrutent les protéines extracellulaires nécessaire à la synthèse du cadre de Caspary vers une région limité dans la paroi cellulaire. Pourtant, on connaît très peu les processus spécifiques concernant la définition initiale du CSD et comment les CASPs, qui ont une importance cruciale, sont recrutées vers ce domaine. Par conséquent nous avons mené un crible génétique sur la localisation du CASPI- GFP, qui sert comme marqueur pour le CSD. Notre but étant d'isoler de nouveaux mutants affectés dans l'établissement du CSD. Nous avons identifié 48 mutants, en 15 groupes de complémentation. Bien que certains des gènes isolés étaient déjà impliqué dans la formation du cadre de Caspary, neuf nouveaux gènes n'ayant jamais été impliqués dans le développement ou la maintenance du CSD ont pu être identifiés. Un de ces gènes, LORD OF THE RINGS2 (LOTR2) sera décrit plus en détail dans cette étude. LOTR2 code pour EX070A1, qui est une protéine, du complexe exocyste. Ce complexe de protéines a très bien été conservé au cours de l'évolution. Il était souvent impliqué dans plusieurs processus de sécrétion dans toutes les branches de la vie. Chez Arabidopsis, EX070A1 définit la position du CSD d'une façon transitoire et recrute CASP1- GFP. Nous avons mené une analyse détaillée des dynamiques d'EX070Al et CASPI-GFP ainsi que, des études avec des autres mutants. Nous proposons un mécanisme, d'après lequel EX070A1, recruté du cytosol, définit un domaine dans la membrane plasmique pour localiser des protéines transmembranaires, ces dernières ensuite recruteront des enzymes extracellulaires pour la modification locale de la paroi cellulaire. Vu qu'EX070A1 est exprimé dans toute dans la plante, nous pensons que ce mécanisme est potentiellement important non seulement pour l'endoderme et le cadre de Caspary, mais aussi pour les autres tissus où la paroi cellulaire doit être localement modifiée. En effet, plusieurs autres tissus contiennent des protéines très similaires aux CASPs. Il serait intéressant de voir à quelle dégrée ce mécanisme est également utilisé dans ces tissues. En ce qui concerne l'endoderme, nous avons maintenant identifié le premier gène qui n'est pas exprimé spécifiquement dans l'endoderme, mais qui montre tout de même une dynamique caractéristique dans ce tissu. Il serait intéressant de voir comment la plante peut moduler ce facteur omniprésent d'une façon spécifique. Vu les connaissances, les mutants et les outils qu'on a maintenant à notre disposition, l'endoderme et son cadre de Caspary, le complexe exocyste et EX070A1 sont probablement des bons systèmes expérimentaux pour étudier ces questions. -- Identification des nouveaux facteurs pendant l'établissement du cadre de Caspary dans l'endoderme. Lothar Kalmbach, Département de Biologie Moléculaire Végétale (DBMV), Université de Lausanne. Comme tous les autres organismes multicellulaires, les plantes terrestres dépendent de tissus spécialisés pour l'échange contrôlé avec leur environnement. Ces tissus sont importants pour l'absorption des nutriments mais également pour éviter l'influx de composés toxiques. Chez les plantes, ce tissu se trouve dans la racine. C'est l'endoderme. Grâce au cadre de Caspary, qui permet une forte connexion entre les cellules au niveau de leur paroi, l'endoderme empêche les éléments toxiques d'entrer dans le système vasculaire. Depuis quelques années, nous comprenons de plus en plus la nature et la biosynthèse, ainsi que les protéines impliquées dans l'ancrage des enzymes à la membrane plasmique. Nous n'avons eu, par contre, aucune idée sur le mécanisme qui d'abord définit cet endroit dans la membrane plasmique. Nous avons mené un crible génétique sur la localisation de CASPI-GFP, une protéine, qui recrute les enzymes extracellulaires pour la synthèse du cadre de Caspary. Nous avons identifié plusieurs nouveaux gènes qui sont impliqués dans l'intégrité du cadre de Caspary. L'un de ces gènes est EX070A1, qui est un facteur ayant un rôle important lors de la sécrétion des protéines dans tous les organismes eukaryotes. Ces mutants sont gravement affectés au niveau du cadre de Caspary, mais surtout ils ne sont plus capables de localiser CASPI-GFP. Nous avons suivi la dynamique d'EX070Al et de CASP1-GFP en combinaison avec d'autres marqueurs. Nous avons pu montrer que l'accumulation d'EX070Al est spécifique pour l'endoderme et essentielle pour bien localiser CASPI-GFP et donc, le cadre de Caspary. Ces résultats nous aident à mieux comprendre le développement de l'endoderme mais peuvent potentiellement aussi être utilisés pour étudier les modifications de la paroi cellulaire dans d'autres cellules de la plante.

Genomic insights into the Ixodes scapularis tick vector of Lyme disease.

Ticks transmit more pathogens to humans and animals than any other arthropod. We describe the 2.1 Gbp nuclear genome of the tick, Ixodes scapularis (Say), which vectors pathogens that cause Lyme disease, human granulocytic anaplasmosis, babesiosis and other diseases. The large genome reflects accumulation of repetitive DNA, new lineages of retro-transposons, and gene architecture patterns resembling ancient metazoans rather than pancrustaceans. Annotation of scaffolds representing ∼57% of the genome, reveals 20,486 protein-coding genes and expansions of gene families associated with tick-host interactions. We report insights from genome analyses into parasitic processes unique to ticks, including host 'questing', prolonged feeding, cuticle synthesis, blood meal concentration, novel methods of haemoglobin digestion, haem detoxification, vitellogenesis and prolonged off-host survival. We identify proteins associated with the agent of human granulocytic anaplasmosis, an emerging disease, and the encephalitis-causing Langat virus, and a population structure correlated to life-history traits and transmission of the Lyme disease agent.

Genomic and transcriptomic analysis of the streptomycin-dependent Mycobacterium tuberculosis strain 18b.

The ability of Mycobacterium tuberculosis to establish a latent infection (LTBI) in humans confounds the treatment of tuberculosis. Consequently, there is a need to discover new therapeutic agents that can kill M. tuberculosis both during active disease and LTBI. The streptomycin-dependent strain of M. tuberculosis, 18b, provides a useful tool for this purpose since upon removal of streptomycin (STR) it enters a non-replicating state that mimics latency both in vitro and in animal models. The 4.41 Mb genome sequence of M. tuberculosis 18b was determined and this revealed the strain to belong to clade 3 of the ancient ancestral lineage of the Beijing family. STR-dependence was attributable to insertion of a single cytosine in the 530 loop of the 16S rRNA and to a single amino acid insertion in the N-terminal domain of initiation factor 3. RNA-seq was used to understand the genetic programme activated upon STR-withdrawal and hence to gain insight into LTBI. This revealed reconfiguration of gene expression and metabolic pathways showing strong similarities between non-replicating 18b and M. tuberculosis residing within macrophages, and with the core stationary phase and microaerophilic responses. The findings of this investigation confirm the validity of 18b as a model for LTBI, and provide insight into both the evolution of tubercle bacilli and the functioning of the ribosome.

IMP2 provides an alternative to LIN28B for LET-7 target gene protection and glioma stem cell maintenance

Glioblastoma multiforme (GBM) is the most frequent and lethal primary brain tumor in adults. Accumulating evidence suggests that tumors comprise a hierarchical organization that is, at least partially, not genetically driven. Cells that reside at the apex of this hierarchy are commonly referred to as cancer stem cells (CSCs) and are believed to largely contribute to recurrence and therapeutic failure. Although the complexity of epigenetic regulation of the genome precludes prediction as to which epigenetic changes dominate CSC specification in different cancer types, the ability of microRNAs (miRNAs) to fine-tune expression of entire gene networks places them among prime candidates for establishing CSC properties. In this study we characterized the miRNA expression profile of primary GBM grown either under conditions that enrich for GSCs or their differentiated non-tumorigenic progeny (DGCs). Although, we identified a subset of miRNAs that was strongly differentially expressed between GSCs and DGCs, we observed that in GSCs both let-7 and, paradoxically, their target genes are highly expressed, suggesting protection against let-7 action. Using PAR-CLIP we show that insulin-like growth factor-2 mRNA-binding protein 2 (IMP2) provides a mechanism for let-7 target gene protection that represents an alternative to LIN28A/B, which abrogates let-7 biogenesis in normal embryonic and certain malignant stem cells. By direct binding to miRNA recognition elements, IMP2 protects its targets from let-7 mediated decay. Importantly, depletion of IMP2 in GSCs strongly impairs their self- renewal properties and tumorigenicity in vivo, a phenotype that can be rescued by expression of LIN28B, suggesting that IMP2 mainly contributes to GSC maintenance by protecting let-7 target genes from silencing. Using mouse models, we show that depletion of IMP2 in neural stem cells (NSCs) induces let-7 target gene down-regulation, impairs their clonogenic capacity, and affects differentiation. Taken together, our observations describe a novel regulatory function of IMP2 in the let-7 axis whereby it supports GSC and NSC specification. Résumé (Français) Le glioblastome (GBM) est la tumeur primaire maligne du cerveau la plus fréquente. De nombreuses études ont démontré l'existence d'une organisation hiérarchique des cellules cancéreuses liée à des mécanismes épigénétiques. Les cellules qui se trouvent au sommet de cette hiérarchie sont appelées cellules souches cancéreuses (CSC), et contribuent à l'échec thérapeutique. Bien que la complexité des régulateurs épigénétiques permette difficilement de prédire quel mécanisme contribue le plus aux propriétés des CSC, la capacité des microRNAs (miRNAs) de réguler des réseaux entiers de gènes, les placent comme des candidats de premiers choix. Ici, nous avons caractérisé le profil d'expression des miRNAs dans des tumeurs primaires de GBM cultivées dans des conditions qui enrichissent soit pour les CSC, soit pour leur contrepartie de cellules cancéreuses différences (CCD). De manière surprenante et paradoxale la famille de miRNA let-7 et leurs gènes cibles étaient hautement exprimés dans les CSC, suggérant un mécanisme de protection contre l'action des let-7. Avec l'aide de la technologie PAR-CLIP, nous démontrons que la protéine IMP2, protège les mRNAs de l'action des let-7 et représente une alternative à Lin28A/B, qui d'ordinaire réprime fortement la maturation des let-7 dans les cellules souches embryonnaires et divers cancers. En se liant à la région ciblée par les let-7, IMP2 protège ses transcrits de l'action de cette classe de microRNA qui est tumoro-supressive. La déplétion d'IMP2 dans des CSC de GBM réduit fortement leur clonogénicité in vitro et leur tumorigénicité in vivo. Ceci peut être reversé en introduisant Lin28B dans des CSC de GBM, suggérant qu'IMP2 exerce ses fonctions pro-tumorigéniques en modulant l'axe let-7. Avec l'aide de modèles murins, nous observons que la déplétion de IMP2 dans les cellules souches neurales (CSN) induit une baisse de leur clonogénicité et des cibles des miRNAs let-7, suggérant une conservation de ce mécanisme entre les CSC de GBM et les CSN. En résumé, nos observations définissent une nouvelle fonction de IMP2 dans l'axe let-7 par lequel il contribue au maintien des propriétés des CSC et des CSN.