A receptor-like kinase mutant with absent endodermal diffusion barrier displays selective nutrient homeostasis defects.

The endodermis represents the main barrier to extracellular diffusion in plant roots, and it is central to current models of plant nutrient uptake. Despite this, little is known about the genes setting up this endodermal barrier. In this study, we report the identification and characterization of a strong barrier mutant, schengen3 (sgn3). We observe a surprising ability of the mutant to maintain nutrient homeostasis, but demonstrate a major defect in maintaining sufficient levels of the macronutrient potassium. We show that SGN3/GASSHO1 is a receptor-like kinase that is necessary for localizing CASPARIAN STRIP DOMAIN PROTEINS (CASPs)--major players of endodermal differentiation--into an uninterrupted, ring-like domain. SGN3 appears to localize into a broader band, embedding growing CASP microdomains. The discovery of SGN3 strongly advances our ability to interrogate mechanisms of plant nutrient homeostasis and provides a novel actor for localized microdomain formation at the endodermal plasma membrane.

Molecular dissection of Arabidopsis thaliana endodermis development, structure and function

In vascular plants, the endodermis establishes a protective diffusion barrier surrounding the vasculature preventing the passive, uncontrolled entry of nutrients absorbed by the plant. It does so by means of a differentiation feature, the "Casparian Strip" (CS), a highly localized cell wall impregnation made of lignin, which seals the extracellular space. Although the existence of this differentiation feature has been intensively described, the mechanisms establishing this hallmark remain obscure. In this work I report, the developmental sequence of events that leads to a differentiated endodermis, in the plant model Arabidopsis thaliana. In addition, my descriptive approach gave important insights as to how these cells define membrane domains involved in the directional transport of nutrients. I also participated in characterizing a new transmembrane protein family, the CASPs, localized to the membrane domain underlying the CS, which we accordingly named the Casparian Strip membrane Domain (CSD). Our molecular analysis indicates that these proteins drive CS establishment. To identify more molecular factors of CS establishment, I performed a forward genetic screen. This screen led to the identification of 11 endodermis permissive mutants, which we named schengen (sgn) mutants. The causative mutations have been mapped to 5 independent loci: SGN1 to SGN5. SGN1 and SGN3 encode Receptor Like Kinases involved in the correct establishment of the CSD. A lack of those kinases leads to an incomplete CSD, which gives rise to interrupted CS barriers. Interestingly, SGN1 seems to also regulate CSD positioning to the middle of endodermal transversal walls. SGN4 encodes an NADPH oxidase involved in lignin polymerization essential for CS formation. The sgn5 mutant induces extra divisions of cortical cells strongly affecting the cell identity, but also leading to incorrect differentiation. A thorough characterization of the sgn2 mutant will follow elsewhere, yet preliminary results indicate that SGN2 encodes an Acyl-CoA N-acyltransferase. . In summary, with my work I have contributed a first set of molecular players of Casparian strip formation and initiated their characterization. Eventually, this might lead to an understanding of the molecular mechanisms of CS establishment in A.thaliana . This in turn will hopefully help to better understand nutrient uptake in higher plants and their response to environmental stresses. - Au sein des plantes vasculaires, l'endoderme représente un tissu protecteur mettant en place une barrière imperméable, empêchant n'importe quel élément de rejoindre les tissus conducteurs par simple diffusion. Cette barrière, appelée « Cadre de Caspary », correspond à une lignification de la paroi de l'endoderme et donne lieu à un cloisonnement de l'espace intercellulaire. Bien que cet élément de différenciation soit décrit en détail, sa mise en place reste incomprise. Cette étude indique la suite d'événements aboutissant à l'établissement du cadre de Caspary chez la plante modèle Arabidopsis thaliana. De plus, ce travail apporte de nouvelles connaissances expliquant comment ces cellules définissent des domaines membranaires importants pour le transport des nutriments. Nous décrivons une nouvelle famille de protéines membranaires, les CASPs (« CAparian Strip membrane domain Proteins »), localisées dans un domaine membranaire longeant le cadre de Caspary : le domaine de Caspary (CSD). L'analyse moléculaire des CASPs indique qu'elles dirigent la formation du cadre de Caspary. Par ailleurs, une approche génétique directe nous a permis d'identifier 11 mutants ayant un endoderme perméable. Nous avons nommé ces mutants Schengen, en référence à la zone de libre échange européenne. Les mutations impliquées dans ces mutants affectent 5 gènes désignés de SGN1 à SGN5. SGN1 et SGN3 produisent des protéines de type kinases (« Receptor-like Kinases », RLK) qui participent à la délimitation du CSD. L'absence de ces kinases aboutit à un domaine CSD incomplet, se traduisant par un cadre de Caspary discontinu. De plus, SGN1 semble réguler le positionnement du CSD au milieu de la paroi transversale de l'endoderme. SGN4 produit une enzyme de type NADPH oxydase impliquée dans la polymérisation du cadre de Caspary. Dans le mutant sgn5, on observe une division anormale des cellules du cortex créant ainsi une nouvelle couche cellulaire incapable d'achever sa différenciation en endoderme. Quant à la mutation sgn2, bien que nous pensons qu'elle affecte une Acyl-CoA N-acyltransferase, sa caractérisation ne sera réalisée que prochainement. Au final, ce travail procure de nouveaux éléments sur l'établissement du cadre de Caspary qui pourraient être importants afin de comprendre comment les plantes sélectionnent leurs nutriments et résistent à des conditions environnementales parfois hostiles. - De par leur immobilité, les plantes terrestres n'ont pas d'autre choix que de puiser leurs ressources dans leur environnement direct. La plante extrait du sol les nutriments qui lui sont nécessaires et les redistribue grâce à des tissus conducteurs. Afin de ne pas s'intoxiquer, il est donc essentiel de pouvoir sélectionner les éléments entrant dans la racine. Etonnement, ce n'est pas la surface des racines qui permet ce contrôle mais un tissu interne appelé endoderme. Ce dernier forme une barrière imperméable qui entoure chaque cellule et crée une jointure permettant de bloquer le passage des éléments entre les cellules. Cette structure, appelée « cadre de Caspary », oblige les éléments à entrer dans les cellules de l'endoderme et à être ainsi sélectionnés. Bien que cette structure soit décrite en détail, sa mise en place reste incomprise. Cette étude indique la suite d'événements qui aboutit à la formation du cadre de Caspary chez la plante modèle Arabidopsis thaliana. Ce travail apporte également de nouvelles connaissances expliquant comment ces cellules définissent, organisent et dirigent le transport des nutriments. Nous décrivons comment certains éléments de la cellule, les protéines CASPs (CAsparian Strip membrane domain Proteins), sont organisées un domaine particulier des membranes afin de créer une plateforme de construction longeant le cadre de Caspary : le domaine de Caspary (CSD). Afin de déterminer ce qu'il se passerait si une plante ne possédait pas de cadre de Caspary, nous avons réalisé une mutagénèse, ou approche génétique directe, et identifié 11 mutants (individu ayant un gène défectueux conduisant à la perte d'une fonction) ayant un endoderme perméable. Nous avons nommé ces mutants schengen, en référence à la zone de libre échange européenne. Les mutations impliquées dans ces mutants affectent 5 gènes désignés de SGN1 à SGN5. Les gènes SGN1 et SGN3 produisent des protéines de type kinases (« Receptor-like Kinases », RLK) servant à l'établissement de la plateforme de construction. L'absence de ces kinases aboutit à une base incomplète, se traduisant par un cadre de Caspary discontinu. Qui plus est, la kinase SGN1 semble réguler le positionnement de la plateforme au milieu de l'endoderme. Le gène SGN4 est par contre, impliqué dans la construction à proprement dite du cadre de Caspary. Dans le mutant sgn5, on observe une nouvelle couche de cellules ressemblant à de l'endoderme mais incapable de former correctement une barrière identique au cadre de Caspary. Quant au dernier mutant, sgn2, bien que cette étude fournisse des indices permettant de comprendre pourquoi le mutant sgn2 est défectueux, nous n'expliquerons ce cas que prochainement. En résumé, ce travail procure de nouvelles connaissances sur l'établissement du cadre de Caspary qui pourraient être importantes afin de comprendre comment les plantes sélectionnent leurs nutriments et résistent à des conditions environnementales parfois hostiles.

Radial transport of nutrients: the plant root as a polarized epithelium.

In higher plants, roots acquire water and soil nutrients and transport them upward to their aerial parts. These functions are closely related to their anatomical structure; water and nutrients entering the root first move radially through several concentric layers of the epidermis, cortex, and endodermis before entering the central cylinder. The endodermis is the innermost cortical cell layer that features rings of hydrophobic cell wall material called the Casparian strips, which functionally resemble tight junctions in animal epithelia. Nutrient uptake from the soil can occur through three different routes that can be interconnected in various ways: the apoplastic route (through the cell wall), the symplastic route (through cellular connections), and a coupled trans-cellular route (involving polarized influx and efflux carriers). This Update presents recent advances in the radial transport of nutrients highlighting the coupled trans-cellular pathway and the roles played by the endodermis as a barrier.

A novel protein family mediates Casparian strip formation in the endodermis.

Polarized epithelia are fundamental to multicellular life. In animal epithelia, conserved junctional complexes establish membrane diffusion barriers, cellular adherence and sealing of the extracellular space. Plant cellular barriers are of independent evolutionary origin. The root endodermis strongly resembles a polarized epithelium and functions in nutrient uptake and stress resistance. Its defining features are the Casparian strips, belts of specialized cell wall material that generate an extracellular diffusion barrier. The mechanisms localizing Casparian strips are unknown. Here we identify and characterize a family of transmembrane proteins of previously unknown function. These 'CASPs' (Casparian strip membrane domain proteins) specifically mark a membrane domain that predicts the formation of Casparian strips. CASP1 displays numerous features required for a constituent of a plant junctional complex: it forms complexes with other CASPs; it becomes immobile upon localization; and it sediments like a large polymer. CASP double mutants display disorganized Casparian strips, demonstrating a role for CASPs in structuring and localizing this cell wall modification. To our knowledge, CASPs are the first molecular factors that are shown to establish a plasma membrane and extracellular diffusion barrier in plants, and represent a novel way of epithelial barrier formation in eukaryotes.

Hidden branches: developments in root system architecture.

The root system is fundamentally important for plant growth and survival because of its role in water and nutrient uptake. Therefore, plants rely on modulation of root system architecture (RSA) to respond to a changing soil environment. Although RSA is a highly plastic trait and varies both between and among species, the basic root system morphology and its plasticity are controlled by inherent genetic factors. These mediate the modification of RSA, mostly at the level of root branching, in response to a suite of biotic and abiotic factors. Recent progress in the understanding of the molecular basis of these responses suggests that they largely feed through hormone homeostasis and signaling pathways. Novel factors implicated in the regulation of RSA in response to the myriad endogenous and exogenous signals are also increasingly isolated through alternative approaches such as quantitative trait locus analysis.

Cereal mycorrhiza: an ancient symbiosis in modern agriculture.

The majority of terrestrial plants live in association with symbiotic fungi that facilitate mineral nutrient uptake. The oldest and most prevalent of these associations are the arbuscular mycorrhizal (AM) symbioses that first evolved approximately 400 million years ago, coinciding with the appearance of the first land plants. Crop domestication, in comparison, is a relatively recent event, beginning approximately 10000 years ago. How has the dramatic change from wild to cultivated ecosystems impacted AM associations, and do these ancient symbioses potentially have a role in modern agriculture? Here, we review recent advances in AM research and the use of breeding approaches to generate new crop varieties that enhance the agronomic potential of AM associations.

Casparian strip diffusion barrier in Arabidopsis is made of a lignin polymer without suberin.

Casparian strips are ring-like cell-wall modifications in the root endodermis of vascular plants. Their presence generates a paracellular barrier, analogous to animal tight junctions, that is thought to be crucial for selective nutrient uptake, exclusion of pathogens, and many other processes. Despite their importance, the chemical nature of Casparian strips has remained a matter of debate, confounding further molecular analysis. Suberin, lignin, lignin-like polymers, or both, have been claimed to make up Casparian strips. Here we show that, in Arabidopsis, suberin is produced much too late to take part in Casparian strip formation. In addition, we have generated plants devoid of any detectable suberin, which still establish functional Casparian strips. In contrast, manipulating lignin biosynthesis abrogates Casparian strip formation. Finally, monolignol feeding and lignin-specific chemical analysis indicates the presence of archetypal lignin in Casparian strips. Our findings establish the chemical nature of the primary root-diffusion barrier in Arabidopsis and enable a mechanistic dissection of the formation of Casparian strips, which are an independent way of generating tight junctions in eukaryotes.

A developmental framework for endodermal differentiation and polarity.

The endodermis is a root cell layer common to higher plants and of fundamental importance for root function and nutrient uptake. The endodermis separates outer (peripheral) from inner (central) cell layers by virtue of its Casparian strips, precisely aligned bands of specialized wall material. Here we reveal that the membrane at the Casparian strip is a diffusional barrier between the central and peripheral regions of the plasma membrane and that it mediates attachment to the extracellular matrix. This membrane region thus functions like a tight junction in animal epithelia, although plants lack the molecular modules that establish tight junction in animals. We have also identified a pair of influx and efflux transporters that mark both central and peripheral domains of the plasma membrane. These transporters show opposite polar distributions already in meristems, but their localization becomes refined and restricted upon differentiation. This "central-peripheral" polarity coexists with the apical-basal polarity defined by PIN proteins within the same cells, but utilizes different polarity determinants. Central-peripheral polarity can be already observed in early embryogenesis, where it reveals a cellular polarity within the quiescent center precursor cell. A strict diffusion block between polar domains is common in animals, but had never been described in plants. Yet, its relevance to endodermal function is evident, as central and peripheral membranes of the endodermis face fundamentally different root compartments. Further analysis of endodermal transporter polarity and manipulation of its barrier function will greatly promote our understanding of plant nutrition and stress tolerance in roots.

Role of an LRR receptor-like kinase in the establishment of a functional root endodermal barrier

The endodermis is a highly conserved cell layer present in the root of all vascular plants, except Lycophytes. This tissue layer establishes a protective diffusion barrier surrounding the vasculature and is expected to prevent passive, uncontrolled flow of nutrients through the root. This barrier property is achieved by the production of Casparian strips (CS), a localized cell wall impregnation of lignin in the anticlinal walls of each endodermal cell, forming a belt-like structure sealing the extracellular space. The CS act as a selective barrier between the external cell layers and the vascular cylinder and are thought to be important in many aspects of root function. For instance, selective nutrient uptake and sequestration from the soil, resistance to different abiotic and biotic stresses are expected to involve functional CS. Although discovered 150 years ago, nothing was known about the genes involved in CS establishment until recently. The use of the model plant Arabidopsis thaliana together with both reverse and forward genetic approaches led to the discovery of an increasing number of genes involved in different steps of CS formation during the last few years. One of these genes encodes SCHENGEN3 (SGN3), a leucine-rich repeat receptor-like kinase (LRR-RLK). SGN3 was discovered first by reverse genetic due to its endodermis-enriched expression, and the corresponding mutant displays strong endodermal permeability of the apoplastic tracer Propidium Iodide (PI) indicative of defective CS. One aim of this thesis is to study the role of SGN3 at the molecular level in order to understand its involvement in establishing an impermeable CS. The endodermal permeability of sgn3 is shown to be the result of incorrect localization of key proteins involved in CS establishment (the "Casparian strip domain proteins", CASPs), leading to non-functional CS interrupted by discontinuities. CASPs localize in the plasma membrane domain subjacent to the CS, named the Casparian Strip membrane Domain (CSD). The CSD discontinuities in sgn3 together with SGN3 localization in close proximity to the CASPs lead to the assumption that SGN3 is involved in the formation of a continuous CSD. In addition, SGN3 might have a second role, acting as a kinase reporting CSD integrity leading to lignin and suberin production in CSD/CS defective plants. Up to now, sgn3 is the strongest and most specific CS mutant available, displaying tracer penetration along the whole length of the seedling root. For this reason, this mutant is well suited in order to characterize the physiological behaviour of CS affected plants. Due to the lack of such mutants in the past, it was not possible to test the presumed functions of CS by using plants lacking this structure. We decided to use sgn3 for this purpose. Surprisingly, sgn3 overall growth is only slightly affected. Nevertheless, processes expected to rely on functional CS, such as water transport through the root, nutrient homeostasis, salt tolerance and resistance to an excess of some nutrients are altered in this mutant. On the other hand, homeostasis for most elements and drought tolerance are not affected in sgn3. It is surprising to observe that homeostatic defects are specific, with a decrease in potassium and an increase in magnesium levels. It indicates a backup system, set up by the plant in order to counteract free diffusion of nutrients into the stele. For instance, potassium shortage in sgn3 upregulates the transcription of potassium influx transport proteins and genes known to be induced by potassium starvation. Moreover, sgn3 mutant is hypersensitive to low potassium conditions. Hopefully, these results about SGN3 will help our understanding of CS establishment at the molecular level. In addition, physiological experiments using sgn3 should give us a framework for future experiments and help us to understand the different roles of CS and their involvement during nutrient radial transport through the root. -- L'endoderme est un tissu présent dans les racines de toutes les plantes vasculaires à l'exception des Lycophytes. Ce tissu établit une barrière protectrice entourant les tissus vasculaires dans le but d'éviter la diffusion passive et incontrôlée des nutriments au travers de la racine. Cette propriété de barrière provient de la production des cadres de Caspary, une imprégnation localisée de lignine des parties anticlinales de la paroi de chaque cellule d'endoderme. Cela donne naissance à un anneau/cadre qui rend étanche l'espace extracellulaire. Les cadres de Caspary agissent comme une barrière sélective entre les couches externes de la racine et le cylindre central et sont supposés être importants dans beaucoup d'aspects du fonctionnement de la racine. Par exemple, l'absorption sélective de nutriments et leur séquestration à partir du sol ainsi que la résistance contre différents stress abiotiques et biotiques sont supposés impliquer des cadres de Caspary fonctionnels. Bien que découverts il y a 150 ans, rien n'était connu concernant les gènes impliqués dans Ja formation des cadres de Caspary jusqu'à récemment. Durant ces dernière années, l'utilisation de la plante modèle Arabidopsis thaliana ainsi que des approches de génétique inverse et classique ont permis la découverte d'un nombre croissant de gènes impliqués à différentes étapes de la formation de cette structure. Un des ces gènes code pour SCHENGEN3 (SGN3), un récepteur kinase "leucine-rich repeat receptor-like kinase" (LRR-RLK). SGN3 a été découvert en premier par génétique inverse grâce à son expression enrichie dans l'endoderme. Les cadres de Caspary ne sont pas fonctionnels dans le mutant correspondant, ce qui est visible à cause de la perméabilité de l'endoderme au traceur apoplastique Propidium Iodide (PI). Un des objectifs de cette thèse est d'étudier la fonction de SGN3 au niveau moléculaire dans le but de comprendre son rôle dans la formation des cadres de Caspary. J'ai pu démontrer que la perméabilité de l'endoderme du mutant sgn3 est le résultat de la localisation incorrecte de protéines impliquées dans la formation des cadres de Caspary, les "Casparian strip domain proteins" (CASPs). Cela induit des cadres de Caspary non fonctionnels, contenant de nombreuses interruptions. Les CASPs sont localisés à la membrane plasmique dans un domaine sous-jacent les cadres de Caspary appelé Casparian Strip membrane Domain (CSD). Les interruptions du CSD dans le mutant sgn3, ainsi que la localisation de SGN3 à proximité des CASPs nous font penser à un rôle de SGN3 dans l'élaboration d'un CSD ininterrompu. De plus, SGN3 pourrait avoir un second rôle, agissant en tant que kinase reportant l'intégrité du CSD et induisant la production de lignine et de subérine dans des plantes contenant des cadres de Caspary non fonctionnels. Jusqu'à ce jour, sgn3 est le mutant en notre possession le plus fort et le plus spécifique, ayant un endoderme perméable tout le long de la racine. Pour cette raison, ce mutant est adéquat dans le but de caractériser la physiologie de plantes ayant des cadres de Caspary affectés. De manière surprenante, la croissance de sgn3 est seulement peu affectée. Néanmoins, des processus censés nécessiter des cadres de Caspary fonctionnels, comme le transport de l'eau au travers de la racine, l'homéostasie des nutriments, la tolérance au sel et la résistance à l'excès de certains nutriments sont altérés dans ce mutant. Malgré tout, l'homéostasie de la plupart des nutriments ainsi que la résistance au stress hydrique ne sont pas affectés dans sgn3. De manière surprenante, les altérations de l'ionome de sgn3 sont spécifiques, avec une diminution de potassium et un excès de magnésium. Cela implique un système de compensation établi par la plante dans le but d'éviter la diffusion passive des nutriments en direction du cylindre central. Par exemple, le manque de potassium dans sgn3 augmente la transcription de transporteurs permettant l'absorption de cet élément. De plus, des gènes connus pour être induits en cas de carence en potassium sont surexprimés dans sgn3 et la croissance de ce mutant est sévèrement affectée dans un substrat pauvre en potassium. Ces résultats concernant SGN3 vont, espérons-le, aider à la compréhension du processus de formation des cadres de Caspary au niveau moléculaire. De plus, les expériences de physiologie utilisant sgn3 présentées dans cette thèse devraient nous donner une base pour des expériences futures et nous permettre de comprendre mieux le rôle des cadres de Caspary, et plus particulièrement leur implication dans le transport radial des nutriments au travers de la racine. -- Les plantes terrestres sont des organismes puisant l'eau et les nutriments dont elles ont besoin pour leur croissance dans le sol grâce à leurs racines. De par leur immobilité, elles doivent s'adapter à des sols contenant des quantités variables de nutriments et il leur est crucial de sélectionner ce dont elles ont besoin afin de ne pas s'intoxiquer. Cette sélection est faite grâce à un filtre formé d'un tissu racinaire interne appelé endoderme. L'endoderme fabrique une barrière imperméable entourant chaque cellule appelée "cadre de Caspary". Ces cadres de Caspary empêchent le libre passage des nutriments, permettant un contrôle précis de leur passage. De plus, ils sont censés permettre de résister contre différents stress environnementaux comme la sécheresse, la salinité du sol ou l'excès de nutriments. Bien que découverts il y a 150 ans, rien n'était connu concernant les gènes impliqués dans la formation des cadres de Caspary jusqu'à récemment. Durant ces dernière années, l'utilisation de la plante modèle Arabidopsis thaliana a permis la découverte d'un nombre croissant de gènes impliqués à différentes étapes de la formation de cette structure. Un de ces gènes code pour SCHENGEN3 (SGN3), un récepteur kinase "leucine-rich repeat receptor-like kinase" (LRR- RLK). Nous montrons dans cette étude que le gène SGN3 est impliqué dans la formation des cadres de Caspary, et que le mutant correspondant sgn3 a des cadres de Caspary interrompus. Ces interruptions rendent l'endoderme perméable, l'empêchant de bloquer le passage des molécules depuis le sol vers le centre de la racine. En utilisant ce mutant, nous avons pu caractériser la physiologie de plantes ayant des cadres de Caspary affectés. Cela a permis de découvrir que le transport de l'eau au travers de la racine était affecté dans le mutant sgn3. De plus, l'accumulation de certains éléments dans les feuilles de ce mutant est altérée. Nous avons également pu montrer une sensibilité de ce mutant à un excès de sel ou de certains nutriments comme le fer et le manganèse.

Insulin secretion in health and disease: nutrients dictate the pace.

NlmCategory="UNASSIGNED">Insulin is a key hormone controlling metabolic homeostasis. Loss or dysfunction of pancreatic β-cells lead to the release of insufficient insulin to cover the organism needs, promoting diabetes development. Since dietary nutrients influence the activity of β-cells, their inadequate intake, absorption and/or utilisation can be detrimental. This review will highlight the physiological and pathological effects of nutrients on insulin secretion and discuss the underlying mechanisms. Glucose uptake and metabolism in β-cells trigger insulin secretion. This effect of glucose is potentiated by amino acids and fatty acids, as well as by entero-endocrine hormones and neuropeptides released by the digestive tract in response to nutrients. Glucose controls also basal and compensatory β-cell proliferation and, along with fatty acids, regulates insulin biosynthesis. If in the short-term nutrients promote β-cell activities, chronic exposure to nutrients can be detrimental to β-cells and causes reduced insulin transcription, increased basal secretion and impaired insulin release in response to stimulatory glucose concentrations, with a consequent increase in diabetes risk. Likewise, suboptimal early-life nutrition (e.g. parental high-fat or low-protein diet) causes altered β-cell mass and function in adulthood. The mechanisms mediating nutrient-induced β-cell dysfunction include transcriptional, post-transcriptional and translational modifications of genes involved in insulin biosynthesis and secretion, carbohydrate and lipid metabolism, cell differentiation, proliferation and survival. Altered expression of these genes is partly caused by changes in non-coding RNA transcripts induced by unbalanced nutrient uptake. A better understanding of the mechanisms leading to β-cell dysfunction will be critical to improve treatment and find a cure for diabetes.

Phosphate import at the arbuscule: just a nutrient?

Central to the mutualistic arbuscular mycorrhizal symbiosis is the arbuscule, the site where symbiotic phosphate is delivered. Initial investigations in legumes have led to the exciting observation that symbiotic phosphate uptake not only enhances plant growth but also regulates arbuscule dynamics and is, furthermore, required for maintenance of the symbiosis. This review evaluates the possible role of the phosphate ion, not only as a nutrient but also as a signal that is necessary for reprogramming the host cortex cell for symbiosis.

Proteomics fingerprinting of phagosome maturation and evidence for the role of a Galpha during uptake.

Phagocytosis, whether of food particles in protozoa or bacteria and cell remnants in the metazoan immune system, is a conserved process. The particles are taken up into phagosomes, which then undergo complex remodeling of their components, called maturation. By using two-dimensional gel electrophoresis and mass spectrometry combined with genomic data, we identified 179 phagosomal proteins in the amoeba Dictyostelium, including components of signal transduction, membrane traffic, and the cytoskeleton. By carrying out this proteomics analysis over the course of maturation, we obtained time profiles for 1,388 spots and thus generated a dynamic record of phagosomal protein composition. Clustering of the time profiles revealed five clusters and 24 functional groups that were mapped onto a flow chart of maturation. Two heterotrimeric G protein subunits, Galpha4 and Gbeta, appeared at the earliest times. We showed that mutations in the genes encoding these two proteins produce a phagocytic uptake defect in Dictyostelium. This analysis of phagosome protein dynamics provides a reference point for future genetic and functional investigations.

Glutamatergic regulation of mitochondrial ion dynamics in astrocytes

Résumé grand public :Le cerveau se compose de cellules nerveuses appelées neurones et de cellules gliales dont font partie les astrocytes. Les neurones communiquent entre eux par signaux électriques et en libérant des molécules de signalisation comme le glutamate. Les astrocytes ont eux pour charge de capter le glucose depuis le sang circulant dans les vaisseaux sanguins, de le transformer et de le transmettre aux neurones pour qu'ils puissent l'utiliser comme source d'énergie. L'astrocyte peut ensuite utiliser ce glucose de deux façons différentes pour produire de l'énergie : la première s'opère dans des structures appelées mitochondries qui sont capables de produire plus de trente molécules riches en énergie (ATP) à partir d'une seule molécule de glucose ; la seconde possibilité appelée glycolyse peut produire deux molécules d'ATP et un dérivé du glucose appelé lactate. Une théorie couramment débattue propose que lorsque les astrocytes capturent le glutamate libéré par les neurones, ils libèrent en réponse du lactate qui servirait de base énergétique aux neurones. Cependant, ce mécanisme n'envisage pas une augmentation de l'activité des mitochondries des astrocytes, ce qui serait pourtant bien plus efficace pour produire de l'énergie.En utilisant la microscopie par fluorescence, nous avons pu mesurer les changements de concentrations ioniques dans les mitochondries d'astrocytes soumis à une stimulation glutamatergique. Nous avons démontré que les mitochondries des astrocytes manifestent des augmentations spontanées et transitoires de leur concentrations ioniques, dont la fréquence était diminuée au cours d'une stimulation avec du glutamate. Nous avons ensuite montré que la capture de glutamate augmentait la concentration en sodium et acidifiait les mitochondries des astrocytes. En approfondissant ces mécanismes, plusieurs éléments ont suggéré que l'acidification induite diminuerait le potentiel de synthèse d'énergie d'origine mitochondriale et la consommation d'oxygène dans les astrocytes. En résumé, l'ensemble de ces travaux suggère que la signalisation neuronale impliquant le glutamate dicte aux astrocytes de sacrifier temporairement l'efficacité de leur métabolisme énergétique, en diminuant l'activité de leurs mitochondries, afin d'augmenter la disponibilité des ressources énergétiques utiles aux neurones.Résumé :La remarquable efficacité du cerveau à compiler et propager des informations coûte au corps humain 20% de son budget énergétique total. Par conséquent, les mécanismes cellulaires responsables du métabolisme énergétique cérébral se sont adéquatement développés pour répondre aux besoins énergétiques du cerveau. Les dernières découvertes en neuroénergétique tendent à démontrer que le site principal de consommation d'énergie dans le cerveau est situé dans les processus astrocytaires qui entourent les synapses excitatrices. Un nombre croissant de preuves scientifiques a maintenant montré que le transport astrocytaire de glutamate est responsable d'un coût métabolique important qui est majoritairement pris en charge par une augmentation de l'activité glycolytique. Cependant, les astrocytes possèdent également un important métabolisme énergétique de type mitochondrial. Par conséquent, la localisation spatiale des mitochondries à proximité des transporteurs de glutamate suggère l'existence d'un mécanisme régulant le métabolisme énergétique astrocytaire, en particulier le métabolisme mitochondrial.Afin de fournir une explication à ce paradoxe énergétique, nous avons utilisé des techniques d'imagerie par fluorescence pour mesurer les modifications de concentrations ioniques spontanées et évoquées par une stimulation glutamatergique dans des astrocytes corticaux de souris. Nous avons montré que les mitochondries d'astrocytes au repos manifestaient des changements individuels, spontanés et sélectifs de leur potentiel électrique, de leur pH et de leur concentration en sodium. Nous avons trouvé que le glutamate diminuait la fréquence des augmentations spontanées de sodium en diminuant le niveau cellulaire d'ATP. Nous avons ensuite étudié la possibilité d'une régulation du métabolisme mitochondrial astrocytaire par le glutamate. Nous avons montré que le glutamate initie dans la population mitochondriale une augmentation rapide de la concentration en sodium due à l'augmentation cytosolique de sodium. Nous avons également montré que le relâchement neuronal de glutamate induit une acidification mitochondriale dans les astrocytes. Nos résultats ont indiqué que l'acidification induite par le glutamate induit une diminution de la production de radicaux libres et de la consommation d'oxygène par les astrocytes. Ces études ont montré que les mitochondries des astrocytes sont régulées individuellement et adaptent leur activité selon l'environnement intracellulaire. L'adaptation dynamique du métabolisme énergétique mitochondrial opéré par le glutamate permet d'augmenter la quantité d'oxygène disponible et amène au relâchement de lactate, tous deux bénéfiques pour les neurones.Abstract :The remarkable efficiency of the brain to compute and communicate information costs the body 20% of its total energy budget. Therefore, the cellular mechanisms responsible for brain energy metabolism developed adequately to face the energy needs. Recent advances in neuroenergetics tend to indicate that the main site of energy consumption in the brain is the astroglial process ensheating activated excitatory synapses. A large body of evidence has now shown that glutamate uptake by astrocytes surrounding synapses is responsible for a significant metabolic cost, whose metabolic response is apparently mainly glycolytic. However, astrocytes have also a significant mitochondrial oxidative metabolism. Therefore, the location of mitochondria close to glutamate transporters raises the question of the existence of mechanisms for tuning their energy metabolism, in particular their mitochondrial metabolism.To tackle these issues, we used real time imaging techniques to study mitochondrial ionic alterations occurring at resting state and during glutamatergic stimulation of mouse cortical astrocytes. We showed that mitochondria of intact resting astrocytes exhibited individual spontaneous and selective alterations of their electrical potential, pH and Na+ concentration. We found that glutamate decreased the frequency of mitochondrial Na+ transient activity by decreasing the cellular level of ATP. We then investigated a possible link between glutamatergic transmission and mitochondrial metabolism in astrocytes. We showed that glutamate triggered a rapid Na+ concentration increase in the mitochondrial population as a result of plasma-membrane Na+-dependent uptake. We then demonstrated that neuronally released glutamate also induced a mitochondrial acidification in astrocytes. Glutamate induced a pH-mediated and cytoprotective decrease of mitochondrial metabolism that diminished oxygen consumption. Taken together, these studies showed that astrocytes contain mitochondria that are individually regulated and sense the intracellular environment to modulate their own activity. The dynamic regulation of astrocyte mitochondrial energy output operated by glutamate allows increasing oxygen availability and lactate production both being beneficial for neurons.

Dynamic responses of oxygen uptake at the onset and end of moderate and heavy exercise in trained subjects.

Inconsistencies about dynamic asymmetry between the on- and off-transient responses in VO2 are found in the literature. Therefore the purpose of this study was to examine VO2 on- and off-transients during moderate- and heavy-intensity cycling exercise in trained subjects. Ten men underwent an initial incremental test for the estimation of ventilatory threshold (VT) and, on different days, two bouts of square-wave exercise at moderate (<VT) and heavy (>VT) intensities. VO2 kinetics in exercise and recovery were better described by a single exponential model (<VT), or by a double exponential with two time delays (>VT). For moderate exercise, we found a symmetry of VO2 kinetics between the on- and off-transients (i.e., fundamental component), consistent with a system manifesting linear control dynamics. For heavy exercise, a slow component superimposed on the fundamental phase was expressed in both the exercise and recovery, with similar parameter estimates. But the on-transient values of the time constant were appreciably faster than the associated off-transient, and independent of the work rate imposed (<VT and >VT). Our results do not support a dynamically linear system model of VO2 during cycling exercise in the heavy-intensity domain.

Dynamic responses of O2 uptake at the onset and end of exercise in trained subjects.

Inconsistencies about dynamic asymmetry between the on- and off-transient responses in .VO2 are found in the literature. Therefore the purpose of this study was to examine .VO2on- and off-transients during moderate- and heavy-intensity cycling exercise in trained subjects. Ten men underwent an initial incremental test for the estimation of ventilatory threshold (VT) and, on different days, two bouts of square-wave exercise at moderate (<VT) and heavy (>VT) intensities. .VO2 kinetics in exercise and recovery were better described by a single exponential model (<VT) or by a double exponential with two time delays (>VT). For moderate exercise, we found a symmetry of .VO2 kinetics between the on- and off-transients (i.e., fundamental component), consistent with a system manifesting linear control dynamics. For heavy exercise, a slow component superimposed on the fundamental phase was expressed in both the exercise and recovery, with similar parameter estimates. But the on-transient values of the time constant were appreciably faster than the associated off-transient, and independent of the work rate imposed (<VT and >VT). Our results do not support a dynamically linear system model of .VO2 during cycling exercise in the heavy-intensity domain.