Los péptidos DEVIL: estudio de su papel en el control de la proliferación celular y la morfogénesis de las plantas

Abstract

[ES] Los péptidos DEVIL/ROTUNDIFOLIA (DVL/RTFL) constituyen una familia de péptidos de pequeño tamaño codificados por la familia génica DVL/RTFL de 24 miembros en A. thaliana. Estos genes fueron caracterizados por los fenotipos que confiere su sobreexpresión, que provoca cambios pronunciados en la morfología de la planta con hojas de roseta más redondeadas, plantas de menor estatura, peciolos cortos e inflorescencias compactas. Estos fenotipos afectan de un modo fascinante a la morfología de los frutos, que varía según qué miembro de la familia se sobreexprese, demostrando tener un papel en el desarrollo de múltiples órganos de la planta. Se ha visto que los péptidos DVL/RTFL se localizan en la membrana plasmática y que comparten homología en sus secuencias, con un dominio conservado en el extremo C-terminal, estando además ampliamente conservados en el mundo vegetal. Tanto su localización como dominio funcional conservado resultan ser esenciales para su actividad. Sin embargo y, a pesar de los fenotipos sorprendentes causados por la sobreexpresión de diferentes genes DVL/RTFL, las líneas de pérdida de función no aportan información sobre la función biológica de la familia DVL/RTFL. En el laboratorio donde se ha realizado este trabajo, se ha avanzado en los últimos años en la caracterización de estos péptidos, su modo de interacción con la membrana celular y la determinación de sus patrones de expresión, así como en la identificación de mutantes de pérdida de función. Para continuar en estas direcciones, en este proyecto se generaron combinaciones de mutantes múltiples estables en diferentes genes DVL/RTFL combinando mutantes de inserción de T-DNA con mutantes generados por CRISPR/Cas9 (dvl3dvl5dvl6dvl1dvl4rtfl9dvl8dvl11rtfl11dvl19). A pesar de que la pérdida de función de múltiples genes DVL/RTFL no mostró fenotipos morfológicos evidentes, análisis transcriptómicos y proteómicos apoyaron la hipótesis de la elevada redundancia génica entre los miembros de esta familia y de que podrían tener un papel en la regulación de procesos como el crecimiento y desarrollo del tubo polínico o el crecimiento distal de la célula. Experimentos donde analizamos la germinación de polen, el crecimiento de tubo polínico o el desarrollo de pelos radiculares no mostraron que los péptidos DVL/RTFL afectaran de un modo significativo estos procesos , pero sí sugirieron que tienen un rol generalizado aportando estabilidad o robustez al proceso de morfogénesis vía elongación celular. Adicionalmente se llevaron a cabo estudios de topología de membrana que permitieron confirmar su localización en la membrana plasmática, de tal manera que estos péptidos no se integraban en la membrana, sino que estarían asociados a su interfase. La posibilidad de que la asociación se llevase a cabo a través de otras proteínas hizo que se comprobasen in planta interacciones de los péptidos DVL1 y DVL11 con proteínas candidatas identificadas en un escrutinio de doble híbrido de levadura y relacionadas con procesos de tráfico intra e intercelular, división y elongación celular. Su interacción confirmada con proteínas como SRC2, BSK6 o CDC48 llevó a estudiar la posible relación funcional con éstas y en especial con CDC48 por su implicación en procesos de división, expansión y diferenciación celular, sin obtener resultados concluyentes. Los escasos resultados obtenidos en Arabidopsis nos condujo a estudiar el papel del único homólogo DVL/RTFL en M. polymorpha. Tras generar y caracterizar líneas de pérdida de función y sobreexpresoras MpDVL, hemos podido confirmar la conservación funcional de los péptidos DVL/RTFL en especies de plantas tan alejadas evolutivamente, así como determinar que no se trata de péptidos esenciales para el desarrollo de la planta pero que sí parecen tener un papel en los procesos de morfogénesis vía elongación celular aportando robustez al sistema. Este trabajo pone de manifiesto que la necesidad de profundizar en el estudio de los péptidos DVL/RTFL.

[CA] Els pèptids DEVIL/ROTUNDIFOLIA (DVL/DVL) constitueixen una família de pèptids de xicoteta grandària codificats per la família gènica DVL/RTFL de 24 membres en A. thaliana. Aquests gens van ser caracteritzats pels fenotips que confereix la seua sobreexpressió, que provoca canvis pronunciats en la morfologia de la planta amb fulles de roseta més arredonides, plantes de menor alçada, pecíols curts i inflorescències compactes. A més, aquests fenotips afecten d'una manera fascinant a la morfologia dels fruits, que varia segons quin membre de la família es sobreexprese, demostrant tindre un paper en el desenvolupament de múltiples òrgans de la planta. També s'ha vist que els pèptids DVL/RTFL es localitzen en la membrana plasmàtica i que comparteixen homologia en les seues seqüències, amb un domini conservat en l'extrem C-terminal, estant a més àmpliament conservats en el món vegetal. Tant la seua localització com domini funcional conservat resulten ser essencials per a la seua activitat gènica adequada. No obstant això i, malgrat els fenotips sorprenents observats en la sobreexpressió de diferents gens DVL/RTFL, les línies de pèrdua de funció no aporten informació sobre la funció biològica de la família DVL/RTFL. En el laboratori on s'ha fet aquest treball, s'ha avançat en els últims anys en la caracterització d'aquests pèptids, la seua manera d'interacció amb la membrana cel·lular i la determinació dels seus patrons d'expressió, així com en la identificació de mutants de pèrdua de funció. Per a continuar en aquestes direccions, en aquest projecte es van generar combinacions de mutants múltiples estables en diferents gens DVL/RTFL combinant mutants d'inserció de T-DNA amb mutants generats per CRISPR/Cas9 (dvl3dvl5dvl6dvl1dvl4rtfl9dvl8dvl11rtfl11dvl19). A pesar que la pèrdua de funció de múltiples gens DVL/RTFL no va mostrar fenotips morfològics evidents, anàlisis transcriptòmics i proteòmics van donar suport a la hipòtesi de l'elevada redundància gènica entre els membres d'aquesta família i que a més tenen un paper en la regulació de processos com són la morfogènesi, el creixement i desenvolupament del tub pol·línic o el creixement distal de la cèl·lula. Experiments de germinació de pol·len, creixement de tub pol·línic o desenvolupament de pèls radiculars duts a terme van demostrar que els pèptids DVL/RTFL no tenien un paper significatiu en aquests processos, però sí que van suggerir que tenen un rol generalitzat aportant estabilitat o robustesa al procés de morfogènesi via elongació cel·lular. Addicionalment es van dur a terme estudis de topologia de membrana que van permetre confirmar la seua localització en la membrana plasmàtica, de tal manera que aquests pèptids no s'integraven en la membrana si no que estarien associats a la seua interfase. La possibilitat que aquesta associació es duguera a terme a través d'altres proteïnes va fer que es comprovaren in planta interaccions dels pèptids DVL1 i DVL11 amb proteïnes candidates extretes d'un escrutini de doble híbrid de llevat i relacionades amb processos de trànsit intra i intercel·lular, divisió i elongació cel·lular. La seua interacció confirmada amb proteïnes com SRC2, BSK6 o CDC48 va portar a estudiar la possible relació funcional amb aquests i especialment amb CDC48 per la seua implicació en processos de divisió, expansió i diferenciació cel·lular, sense obtindre resultats concloents. Els escassos resultats obtinguts en Arabidopsis ens va conduir a estudiar el paper de l'únic homòleg DVL/RTFL en M. polymorpha. Després de generar i caracteritzar línies de pèrdua de funció i de sobreexpressió MpDVL, hem pogut confirmar la conservació funcional dels pèptids DVL/RTFL en espècies de plantes tan allunyades evolutivament, així com determinar que no es tracta de pèptids essencials per al desenvolupament de la planta però que sí que semblen tindre un paper en els processos de morfogènesis via elongació cel·lular aportant robustesa al sistema.

[EN] DEVIL/ROTUNDIFOLIA (DVL/DVL) peptides constitute a family of small peptides encoded by the 24-member DEVIL/ROTUNDIFOLIA (DVL/RTFL) gene family in Arabidopsis thaliana. These genes were characterized by the phenotypes conferred by their overexpression, which causes pronounced changes in plant morphology with round rosette leaves, shorter plants, short petioles, and compact inflorescences. In addition, these phenotypes dramatically affect fruit morphology, which varies depending on which family member is overexpressed, proving to play a role in the development of multiple plant organs. It has also been shown that DVL/RTFL peptides are located in the plasma membrane, that they share sequence homology, mostly in a conserved C-terminal domain, and that they are also widely conserved among land plants. Both the localization at the membrane and conserved functional domain are essential for proper gene activity. However, despite the surprising overexpression phenotypes observed, the loss-of-function mutants do not provide information on the DVL/RTFL biological function. In the lab where this work has been carried out, progress has been made in the characterization of these peptides, determining how they interact with the plasma membrane, how they are expressed and accumulated, as well as identifying loss-of-function mutants. To continue in these directions, in this project we have generated combinations of multiple stable DVL/RTFL mutants by combining T-DNA insertion mutants with mutants generated by CRISPR/Cas9 (dvl3 dvl5 dvl6 dvl1 dvl4 rtfl9 dvl8 dvl11 rtfl11 dvl19). Even though the loss of function of multiple DVL/RTFL genes did not show evident morphological phenotypes, transcriptomic and proteomic analyzes supported the hypothesis of a high gene redundancy among the members of this family and suggested that they might have a role in the regulation of processes such as pollen tube growth and development or cell tip growth. However, pollen germination, pollen tube growth or root hair development experiments did not demostrate that DVL/RTFL peptides had a significant role in these processes, but they suggested that they may have a general role in providing stability or robustness to the morphogenesis process via cell elongation. Additionally, membrane topology studies were carried out to confirm their location in the plasma membrane, in such a way that these peptides were not integrated but would be associated with the membrane interface. The possibility that this association was carried out through other proteins led to the in planta verification of DVL1 and DVL11 peptide interactions with candidate proteins identified in a previous yeast two-hybrid screening and related to intracellular and intercellular trafficking processes cell division and elongation. The confirmed interaction with proteins such as SRC2, BSK6 or CDC48 led us to study the possible functional relationship with these, and especially with CDC48 due to its involvement in cell division, expansion, and differentiation processes, but unfortunately, we did not obtain conclusive results. The unconclussive results obtained in Arabidopsis led us to study the role of the unique DVL/RTFL homologue in Marchantia polymorpha. After generating and characterizing MpDVL loss-of-function and overexpression lines, we have been able to confirm the functional conservation of the DVL/RTFL peptides in so evolutionarily distant plant species, as well as to determine that they are not essential for plant development, but they seem to have a role in the morphogenesis processes via cell elongation, providing robustness to the system. This work highlights the need of furthering the study of DVL/RTFL peptides to discover the mechanism by which they participate in plant development processes and to determine their biological function in depth.