Plant major intrinsic proteins - functional implications of expression and localisation studies

Abstract

Plant water channels are members of the very old Major Intrinsic Protein (MIP) family, with representatives in bacteria, fungi, animals, and plants. The genome of the model plant Arabidopsis thaliana contains 35 MIP genes. Based on protein sequence comparisons, the MIP family has been divided in four subfamilies: the PIP (Plasma membrane Intrinsic Protein), the TIP (Tonoplast Intrinsic Protein), the NIP (NOD26-like Intrinsic Protein), and the SIP (Small basic Intrinsic Protein) subfamilies. In order to harmonise the names of MIP members in all plant species, a nomenclature has been proposed, which is now broadly accepted. The increasing number of sequences from various plant species, including non-vascular plants, angiosperms, and conifers, provides information concerning the evolution of the MIP family in plants. In particular, the highly conserved PIP subfamily is divided into two groups, PIP1 and PIP2. The relatively large number of PIPs (13 in Arabidopsis) and the high degree of conservation within this subfamily point to important roles for these proteins in plants and to the existence of a high selective pressure on genes of both the PIP1 and the PIP2 groups in evolution. The recently solved structures of a mammal aquaporin, AQP1, and a bacterial glycerol facilitator, GlpF indicate that the overall fold of all members of the MIP family is likely to be conserved. However, a comparison of the sequences of these proteins and that of plant MIPs from different subfamilies indicates that members of the different MIP subfamilies probably exhibit different substrate specificities. Interestingly, PIP1 and PIP2 proteins purified from spinach show clear structural differences, implying that members of the two different groups in the PIP subfamily have different transport properties. MIP genes have been shown to be regulated at the transcriptional level by abiotic and biotic factors. Microarrays have been designed in order to investigate the expression of all Arabidopsis MIP genes. Data from a study of the organ specificity of MIP genes are presented. Results of reverse genetics studies suggest that the major substrate of PIPs is water. Immunolabelling studies of two PIP1 isoforms in spinach, together with similar studies in other species, indicate that PIP1 homologues are involved in phloem transport and guard cell movements. Future work should address the roles of the PIP1 proteins in these cells, and possible modes of post-translational regulation in planta.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Vattentransporten i växter är viktig för en mängd olika processer. De flesta fritidsodlare vet att vattentillgången påverkar växternas utveckling i stor utsträckning. För att solros ska kunna gro, växa, vända sig mot solen och bilda nya frön, behöver vatten flöda på ett kontrollerat sätt genom olika celltyper i växten. Växter transporterar vatten på olika sätt. Över långa avstånd, finns avlånga döda celler, som ansvarar för transporten av vatten och näringsämnen (mineraler) från rötterna till bladen och andra växtdelar. För transport över korta avstånd, går vattnet ofta genom cellernas membran (som består av lipider och proteiner). I cellmembranet, eller plasmamembran som det också heter, sitter många proteiner, som till exempel gör det permeabelt för olika molekyler, eller fungerar som receptorer för signaler från andra celler. Vissa plasmamembranproteiner har fortfarande en okänd funktion. Proteiner som tillhör Major Intrinsic Protein (MIP)-familjen finns i plasmamembranet. För elva år sedan visades att medlemmar av denna proteinfamilj kan transportera vatten genom plasmamembranet hos grodägg. Grodägg är runda celler, som är ungefär en millimeter stora i diameter, vilket gör det möjligt att injicera proteiner eller RNA i dem. Dessutom har de förhållandevis låg membranpermeabilitet, som gör dem lämpliga att mäta transportaktiviteten hos olika proteiner. För att testa om ett MIP protein fungerar som vattenkanal (aquaporin), injicerar man ett RNA motsvarande den gen som kodar för det MIP proteinet. Som i alla celler, RNAt fungerar som budbärare för MIP-genen och översätts till MIP-proteinet inne i grodäggcellen. Efter några dagar, flyttar man ägget till en svag vattenlösning av salt. Koncentrationsskillnaden mellan grodäggcellerna och omgivningen gör att vatten flödar in i grodäggcellerna, och de sväller. Celler som uttrycker aquaporiner sväller snabbare än kontrollceller, som injicerats med vatten i stället för RNA. De flesta medlemmar av MIP-familjen är aquaporiner, medan några få transporterar andra molekyler som glycerol och urea. Backtrav (Arabidopsis thaliana) är en av de modellväxter som används mest i nutida forskning. Sekvenseringen av hela dess arvsmassa (DNA) slutfördes nyligen. Tack vare att DNA-sekvensen är känd har vi kunnat identifiera alla medlemmar av MIP-familjen, som visade sig bestå av 35 gener (Paper I). I denna artikel, har vi också delat in MIP-familjen hos växter i fyra olika syskongrupper, genom att jämföra hur lika medlemmarna är. Många medlemmar av familjen har identifierats i andra växtarter, och namngivits av olika forskargrupper på olika sätt. För att göra det lättare att jämföra studier i olika växtarter har vi föreslagit en generell nomenklatur för MIP-gener (Paper I). Denna nomenklatur har accepterats i stort sett av alla MIP-forskare. Namnen för MIP-gener och motsvarande proteiner, anger vilken syskongrupp de tillhör. MIP-familjen är mycket gammal. Liknande proteiner förekommer i exempelvis människa, jästsvampar och bakterier (Fig. 1). Som i andra familjer, finns det mer eller mindre likheter mellan medlemmar av proteinfamiljer. Inom MIP-familjen är medlemmarna anmärkningsvärt lika, även jämfört mellan djur- och bakterie-MIPar. Strukturerna av ett aquaporin i däggdjur och en glycerolkanal i en bakterie blev nyligen bestämda (Fig. 4). Genom att jämföra växt-MIParna med dessa två proteiner kan man identifiera delar av proteinerna som är viktiga för funktionen. På det viset kan man försöka förutsäga vilken molekyl (exempelvis vatten) en viss MIP transporterar. De likheter som finns mellan medlemmar av olika syskongrupper gör att alla växt-MIPar förmodligen är kanaler. Däremot verkar det inte som att alla transporterar vatten, utan medlemmar av en viss grupp misstänks vara glycerolkanaler medan proteiner av en annan grupp har ett okänt substrat. Sammanfattningsvis besitter medlemmar av MIP-familjen egenskaper, som gör att de strukturellt är mycket lika men samtidigt transporterar olika molekyler. För att få bättre grepp om deras roller i växter, är det viktigt att veta var och när dessa proteiner uttrycks. Ett sätt att ta reda på det är att mäta hur mycket MIP generna uttrycks i olika delar av växten. Tack vare teknisk utveckling, kan man nu mäta uttrycks-nivåer (ett mått på aktiviteten hos gener) för tusentals gener samtidigt. Vi använde oss av denna teknik för att uppskatta aktiviteten hos alla MIP-gener i blad, rot och blomma (Fig. 6 och 7). Resultaten visar vilka gener som är mer aktiva i blad, blomma och rot. Sedan tidigare är det känt att vissa vattenkanaler produceras i större utsträckning när växter har brist på vatten eller utsätts för annan stress, medan mängden av andra minskar. Med vårt system för mätning av MIP-genernas aktivitet, kan vi få en god bild över hur MIP-genernas uttryck påverkas av olika förhållanden i Arabidopsis. Med den teknik som vi använder för att mäta uttrycks-nivåer, kan vi inte avgöra vilken celltyp generna uttrycks i. En annan metod gör det möjligt att se var enskilda proteiner finns. Först producerar man specifika antikroppar som endast känner igen det protein man vill studera. Sedan snittar man växtvävnader, och inkuberar snitten med antikropparna. Med hjälp av ljus- och elektronmikroskopi kan man urskilja de olika celltyperna och se i vilken celltyp och var i cellen proteinet finns. Med denna teknik, har vi lokaliserat två olika spenat-MIPar i två olika celltyper (Paper III): - celler som bildar klyvöppningar, vilka kan öppnas eller stängas för att justera gasutbytet (vatten, koldioxid, syrgas) mellan växten och luften (Fig. 8), - och celler som transporterar produkter från fotosyntesen, t.ex. socker, i bladen till behövande vävnader. Dessa två proteiner tillhör en och samma syskongrupp av proteiner som sitter i plasmamembranet, och transporterar huvudsakligen vatten. Deras aktivitet som vattenkanaler regleras troligen av strukturförändringar. Proteinstrukturer av olika medlemmar av denna syskongrupp visar skillnader som tyder på att de inte fungerar på samma sätt (Paper II). Det vore intressant att studera hur små specifika strukturförändringar påverkar deras vattenkanalaktiviteter, och om de samverkar med varandra.

• author: Fraysse, Laure
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Prof. Kaldenhoff, Ralf, Technical University of Darmstadt, Institute of Botany, Applied plant sciences, Schnittspahnstrasse 10, D-64287 Darmstadt, Germany
• organization: Biochemistry and Structural Biology
• publishing date: 2003
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Biological Sciences
• keywords: Plant biochemistry, immunolabelling, microarray, plasma membrane, aquaporins, plant, water, Växtbiokemi
• pages: 75 pages
• defense location: Kemicentrum, lecture hall B
• defense date: 2003-10-10 10:30:00
• ISBN: 91-973969-6-6
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: The complete set of genes encoding major intrinsic proteins in Arabidopsis provides a framework for a new nomenclature for major intrinsic proteins in plants.Johanson U, Karlsson M, Johansson I, Gustavsson S, Sjövall S, Fraysse L, Weig AR andKjellbom P.Plant Physiology, 126: 1358-1369, 2001 Article: Structural characterization of two aquaporins isolated from native spinach leaf plasma membranes.Fotiadis D, Jenö P, Mini T, Wirtz S, Müller SA, Fraysse L, Kjellbom P and Engel A.Journal of Biological Chemistry, 276: 1707-1714, 2001 Article: Two different plasma membrane aquaporins are specifically expressed in sieve elements and guard cells.Fraysse L, Wells B, McCann MC and Kjellbom P.Manuscript
• id: 3ce48d58-8154-461e-ac95-eeaf8da00d5a (old id 466187)
• date added to LUP: 2016-04-04 09:53:09
• date last changed: 2018-11-21 20:55:32