BRS1, a serine carboxypeptidase, regulates BRI1 signaling in Arabidopsis thaliana

Brassinosteroid-insensitive 1 (BRI1) of Arabidopsis thaliana encodes a cell surface receptor for brassinosteroids. Mutations in BRI1 severely affect plant growth and development. Activation tagging of a weak bri1 allele (bri1-5) resulted in the identification of a new locus, brs1-1D. BRS1 is predicted to encode a secreted carboxypeptidase. Whereas a brs1 loss-of-function allele has no obvious mutant phenotype, overexpression of BRS1 can suppress bri1 extracellular domain mutants. Genetic analyses showed that brassinosteroids and a functional BRI1 protein kinase domain are required for suppression. In addition, overexpressed BRS1 missense mutants, predicted to abolish BRS1 protease activity, failed to suppress bri1-5. Finally, the effects of BRS1 are selective: overexpression in either wild-type or two other receptor kinase mutants resulted in no phenotypic alterations. These results strongly suggest that BRS1 processes a protein involved in an early event in the BRI1 signaling.

Quantifying degradation rates of transmembrane receptor kinases.

Transmembrane receptor-kinases are widespread throughout eukaryotes and their activities are known to regulate all kinds of cellular responses in diverse organs and cell types. In order to guarantee the correct amplitude and duration of signals, receptor levels at the cellular surface need to be tightly controlled. The regulation of receptor degradation is the most direct way to achieve this and elaborate mechanisms are in place to control this process. Therefore, the rate of receptor degradation is a parameter of central importance for understanding the dynamics of a signal transduction cascade. Unfortunately, degradation of transmembrane receptors is a complicated multistep process that involves internalization from the plasma membrane, invagination into the lumen of endosomal compartments, and finally fusion with the vacuole for degradation by vacuolar proteases. Therefore, degradation should be measured in an as noninvasive way as possible, such as not to interfere with the complicated transport processes. Here, a method for minimally invasive, in vivo turn-over measurements in intact organs is provided. This technique was used for quantifying the turn-over rates of the Brassinosteroid receptor kinase BRI1 (BRASSINOSTEROID INSENSITIVE 1) in Arabidopsis thaliana root meristems. Pulse-chase expression of a fluorescently labeled BRI1 variant was used and its turn-over rate was determined by quantitative confocal microscopy. This method is well suited to measure turn-over of transmembrane kinases, but can evidently be extended to measure turn-over of any types of transmembrane proteins.

Identificació i caracterització funcional dels complexes proteics dels receptors BRL1 i BRL3 en el teixit vascular d’Arabidopsis Thaliana

Els esteroids juguen papers clau en el creixement I el desenvolupament d’eucariotes multicel•lulars. En plantes, aquestes hormones, anomenades Brassinosteroides (BRs), estan involucrades en una gran varietat de processos biològics essencials per a les plantes. S’han descrit anteriorment dos receptors de BRs del tipus Leucine Rich Repeat Receptor Like Kinase LRR-RLK, BRASSINOSTEROID RECEPTOR LIKE 1 i 3 (BRL1 i BRL3 respectivalemt) que són homòlegs al receptor principal BRI1 i són necessaris pel desenvolupament vascular. Tot i que els principals components de la senyal ja han estat identificats pel seu homòleg més pròxim, el receptor BRI1, els complexes de BRL1 i BRL3 juntament amb els candidats co-receptors així com els components de la ruta de senyalització encara no han sigut identificats. Per tal d’entendre millor la funció molecular d’aquests receptors de BRs en la planta aquesta tesis doctoral planteja dues aproximacions: com a primera aproximació, vaig realitzar un estudi fenotípic del desenvolupament del teixit vascular a la planta model Arabidopsis thaliana (Arabidopsis). Disposant d'una amplia bateria de mutants de síntesis de la hormona i senyalització del receptor BRI1, vam analitzar quantitativament el seu patró vascular a la tija d'Arabidopsis. Vam establir els paràmetres en les plantes silvestres [Col-0 wild type, (WT)] i els vam analitzar a tots i cadascun dels mutants. Això conjuntament amb una col•laboració amb la Dr. Marta Ibañes, física de la Universitat de Barcelona que va construir un model matemàtic per simular la formació del patró vascular ens va permetre el•laborar una hipòtesis que vam demostrar experimentalment i va ser publicada a la revista PNAS. Posteriorment vam observar que les plantes knock-out d'aquests dos receptors BRL1 y BRL3 a diferència de BRI1, no tenien cap fenotip obvi en el teixit vascular de la planta adulta. Així, a continuació, per entendre quina necessitat té la planta de disposar de tres receptors tant altament homòlegs que poden percebre la mateixa hormona, vam utilitzar una aproximació bioquímica en col•laboració amb el Prof. de Vries de la Universitat de Wageningen (Holanda) per tal de purificar els complexes dels receptors in vivo i els seus interactors. Això ens ha permès entendre millor el paper funcional d'aquests receptors en la planta. Els resultats d’aquests experiments estan resumits en un article en preparació que aviat estarà en revisió.

Élaboration d’un bioessai à haut débit pour la découverte de nouveaux ligands péptidiques chez les végétaux

Suite au projet de séquençage du génome d’Arabidopsis thaliana, plus de 400 récepteurs de types serine/thréonine kinases (Protein Receptor Kinase ou PRK) ont été prédits. Par contre, seulement sept paires de récepteurs/ligands ont été caractérisées jusqu’à présent par des techniques de biochimie et d’analyse, de mutants. Parmi ceux-ci figurent les PRK : BRI1, CLV1, SRK, SR160, Haesa-IDA et PEPR1 qui jouent un rôle important dans le développement, l’auto-incompatibilité sporophytique et les mécanismes de défense. Le but de mon projet de maîtrise était de développer un bioessai à haut débit qui permettra la découverte de ligands peptidiques. Le bioessai utilisera des PRK chimériques composés du domaine extracellulaire (l’ectodomaine) de la PRK à l’étude fusionnée au domaine intracellulaire d’une PRK qui agira comme rapporteur. Deux stratégies sont présentement développées dans notre laboratoire : la première consiste à fusionner la PRK à l’étude avec le domaine intracellulaire (l’endodomaine) du récepteur tyrosine kinase animal EGFR (Epidermal Growth Factor Receptor). Suite à l’interaction avec une fraction protéique contenant un ligand correspondant à la PRK étudiée, une transphosphorylation de l’endodomaine (le domaine kinase) serait détectable. La seconde stratégie utilise l’endodomaine du récepteur BRI1, un récepteur répondant aux brassinostéroïdes. Suite à l’interaction avec une fraction protéique contenant un ligand correspondant à la PRK étudiée, cette fois-ci nous devrions être en mesure de mesurer l’activation d’un gène rapporteur répondant normalement à une activation par les brassinostéroïdes.

The Arabidopsis dwarf1 Mutant Is Defective in the Conversion of 24-Methylenecholesterol to Campesterol in Brassinosteroid Biosynthesis1

Since the isolation and characterization of dwarf1-1 (dwf1-1) from a T-DNA insertion mutant population, phenotypically similar mutants, including deetiolated2 (det2), constitutive photomorphogenesis and dwarfism (cpd), brassinosteroid insensitive1 (bri1), and dwf4, have been reported to be defective in either the biosynthesis or the perception of brassinosteroids. We present further characterization of dwf1-1 and additional dwf1 alleles. Feeding tests with brassinosteroid-biosynthetic intermediates revealed that dwf1 can be rescued by 22α-hydroxycampesterol and downstream intermediates in the brassinosteroid pathway. Analysis of the endogenous levels of brassinosteroid intermediates showed that 24-methylenecholesterol in dwf1 accumulates to 12 times the level of the wild type, whereas the level of campesterol is greatly diminished, indicating that the defective step is in C-24 reduction. Furthermore, the deduced amino acid sequence of DWF1 shows significant similarity to a flavin adenine dinucleotide-binding domain conserved in various oxidoreductases, suggesting an enzymatic role for DWF1. In support of this, 7 of 10 dwf1 mutations directly affected the flavin adenine dinucleotide-binding domain. Our molecular characterization of dwf1 alleles, together with our biochemical data, suggest that the biosynthetic defect in dwf1 results in reduced synthesis of bioactive brassinosteroids, causing dwarfism.