Functional network of gem, a novel regulator of arabidopsis root development

Abstract

[ES] El desarrollo de los organismos multicelulares complejos requiere la precisa especificación de diversos tipos celulares en momentos y localizaciones específicas. La coordinación entre la especificación de la identidad celular y la progresión a lo largo del ciclo celular es necesaria para un asegurar un correcto desarrollo. En la epidermis de la raíz de Arabidopsis thaliana, la expresión del gen homeobox GLABRA2 (GL2) determina la identidad celular pelo/no pelo radicular. Hemos identificado una nueva proteína, GEM (GL2 expression modulator), que interacciona con los dos homólogos de Cdt1 en Arabidopsis y que regula el patrón epidérmico de la raíz durante su desarrollo. GEM interacciona con TTG1 (TRANSPARENT TESTA GLABRA 1), una proteína de repeticiones WD40 involucrada en la toma de decisiones de identidad que modula tanto la división celular como la expresión de GL2. Nuestros estudios revelan que GEM es necesaria para la correcta reorganización de la cromatina en los loci que controlan la especificación de la identidad celular dependiente de posición. En particular, parece responsable de reclutar factores que modifican la acetilación y metilación de la H3K9 en los promotores de los genes de especificación de identidad celular como mecanismo para el control de su expresión. GEM es un represor general de la división celular en el meristemo radicular. Reprime las divisiones transversales y, consecuentemente, reduce el tamaño del meristemo. Además, GEM inhibe específicamente el cambio en el plano de división que origina las divisiones longitudinales (anticlinales y periclinales) responsables del incremento en grosor de la raíz. GEM también reduce el potencial de división de células madre y, en conjunto, estos datos confirman que GEM es una proteína crítica para asegurar la correcta formación de patrón y desarrollo de la raíz.

Geminina es una proteína de metazoos que inhibe Cdt1 tras la iniciación de la replicación del DNA y que además controla la expresión génica y la proliferación celular durante la embriogénesis. Nuestra hipótesis es que animales y plantas han desarrollado dos proteínas no relacionadas, geminina y GEM respectivamente, que durante la organogénesis juegan papeles homólogos en la regulación de la transición de células precursoras en estado indiferenciado a células diferenciadas con identidades específicas. Estas proteínas regulan, probablemente en fase G1 del ciclo celular, la expresión de genes involucrados en identidad celular e iniciación de la diferenciación. También interaccionan con Cdt1, un componente de los complejos pre-replicativos involucrado en el licenciamiento de orígenes para la replicación. La interacción de geminina y GEM con Cdt1 y los reguladores transcripcionales es competitiva, lo que sugiere que estas interacciones pueden jugar un papel crítico en la coordinación de la replicación del DNA, la división celular y las decisiones de identidad celular. Una homología interesante entre GEM y geminina se refiere a su capacidad para interaccionar con Cdt1. Cdt1 es un factor conservado en eucariotas y cuya función está estrictamente controlada para mantener la integridad genómica. En la mayoría de los organismos eucariotas, Cdt1 es una diana clave regulada por diversas vías. Es interesante comentar que plantas con exceso de CDT1 no poseen un fenotipo de re-replicación, sino que sufren un cambio al programa de endociclo. CDT1 es redundantemente enviado a degradación vía proteosoma por complejos que contienen SKP2 o CUL4. El mecanismo de inhibición de CDT1 presente en metazoos, sin embargo, parece no encontrarse presente en plantas, al menos como control de la replicación. Es posible que existan otras estrategias que aún desconocemos, puesto que la eliminación de los mecanismos de degradación no es suficiente para producir un fenotipo de endoreplicación elevada en plantas de Arabidopsis en desarrollo.

[EN] The development of complex multicellular organisms requires the precise specification of diverse cell types at specific times and locations. The coordination of cell fate specification and progression throughout the cell cycle is necessary to achieve a correct developmental progression. In the Arabidopsis thaliana root epidermis, expression of the homeobox GLABRA2 (GL2) gene determines the hair/non-hair cell fate. We have identified a GL2- expression modulator, GEM, a novel protein that interacts with the two Cdt1 homologues in Arabidopsis and that is responsible for changes in epidermal cell patterning during root development. GEM interacts with TTG1 (TRANSPARENT TESTA GLABRA1), a WD40-repeat protein involved in GL2-dependent cell fate decisions, and modulates both cell division and GL2 expression. Our studies reveal that GEM is required for a correct chromatin reorganization at loci controlling position-dependent cell fate specification. In particular, it may be responsible for recruiting factors that modify histone H3K9 acetylation and methylation of cell fate specification promoters, as a mechanism to control the expression of patterning genes. GEM is a general repressor of cell division in the Arabidopsis root meristem. It represses transversal cell division and consequently, reduces meristem size. GEM also specifically inhibits the change in the division plane necessary to generate the longitudinal divisions (anticlinal and periclinal) responsible for the increase in thickness of the root. GEM restricts stem cell division potential too, and altogether, these data confirm that GEM is a critical protein for assuring a proper root patterning and development.

Geminin is a metazoan protein involved in the regulation of DNA replication through its inhibitory activity on Cdt1, but current evidence supports a dual role of geminin as a cellular switch that controls gene expression, DNA replication events and cell proliferation during animal embryogenesis. We suggest animals and plants have evolved two unrelated proteins, geminin and GEM, respectively, that play analogous roles in regulating the transition of precursor cells from an undifferentiated proliferative state to differentiated cells with specific fates during organogenesis. These proteins are involved, probably in early G1 phase of the cell cycle, in regulating the expression of genes involved in cell fate and initiation of differentiation. They also interact with Cdt1, a component of the pre-replication complexes involved in DNA replication licensing in early G1 phase. The interaction of geminin and GEM with Cdt1 and transcriptional regulators is competitive, suggesting that these interactions can play a pivotal role in coordinating DNA replication, cell division and cell fate decisions. An intriguing analogy between GEM and geminin refers to their ability to interact with Cdt1. In most eukaryotic organisms, Cdt1 is tightly controlled being a key target over which the main control pathways to maintain genome integrity are established. Interestingly, plants with excess of CDT1 do not trigger a re-replication phenotype, but instead they switch to the endocycle program. Arabidopsis CDT1 is redundantly targeted for proteolysis by SKP2- and CUL4-based complexes. The CDT1 inhibition mechanism present in metazoans, however, does not seem to exist in plant cells, at least as a replication control pathway, but other redundant strategies might exist that still remain unknown, since an abrogation of the degradation systems is not enough to produce an endoreplication phenotype in developing Arabidopsis plants.