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A Model Analysis of Mechanisms for Radial Microtubular Patterns at Root Hair Initiation Sites
(2016)
Plant cells have two main modes of growth generating anisotropic structures. Diffuse growth where whole cell walls extend in specific directions, guided by anisotropically positioned cellulose fibers, and tip growth, with inhomogeneous addition of new cell wall material at the tip of the structure. Cells are known to regulate these processes via molecular signals and the cytoskeleton. Mechanical stress has been proposed to provide an input to the positioning of the cellulose fibers via cortical microtubules in diffuse growth. In particular, a stress feedback model predicts a circumferential pattern of fibers surrounding apical tissues and growing primordia, guided by the anisotropic curvature in such tissues. In contrast, during the initiation of tip growing root hairs, a star-like radial pattern has recently been observed. Here, we use detailed finite element models to analyze how a change in mechanical properties at the root hair initiation site can lead to star-like stress patterns in order to understand whether a stress-based feedback model can also explain the microtubule patterns seen during root hair initiation. We show that two independent mechanisms, individually or combined, can be sufficient to generate radial patterns. In the first, new material is added locally at the position of the root hair. In the second, increased tension in the initiation area provides a mechanism. Finally, we describe how a molecular model of Rho-of-plant (ROP) GTPases activation driven by auxin can position a patch of activated ROP protein basally along a 2D root epidermal cell plasma membrane, paving the way for models where mechanical and molecular mechanisms cooperate in the initial placement and outgrowth of root hairs.
A model analysis of mechanisms for radial microtubular patterns at root hair initiation sites
(2016)
Plant cells have two main modes of growth generating anisotropic structures. Diffuse growth where whole cell walls extend in specific directions, guided by anisotropically positioned cellulose fibers, and tip growth, with inhomogeneous addition of new cell wall material at the tip of the structure. Cells are known to regulate these processes via molecular signals and the cytoskeleton. Mechanical stress has been proposed to provide an input to the positioning of the cellulose fibers via cortical microtubules in diffuse growth. In particular, a stress feedback model predicts a circumferential pattern of fibers surrounding apical tissues and growing primordia, guided by the anisotropic curvature in such tissues. In contrast, during the initiation of tip growing root hairs, a star-like radial pattern has recently been observed. Here, we use detailed finite element models to analyze how a change in mechanical properties at the root hair initiation site can lead to star-like stress patterns in order to understand whether a stress-based feedback model can also explain the microtubule patterns seen during root hair initiation. We show that two independent mechanisms, individually or combined, can be sufficient to generate radial patterns. In the first, new material is added locally at the position of the root hair. In the second, increased tension in the initiation area provides a mechanism. Finally, we describe how a molecular model of Rho-of-plant (ROP) GTPases activation driven by auxin can position a patch of activated ROP protein basally along a 2D root epidermal cell plasma membrane, paving the way for models where mechanical and molecular mechanisms cooperate in the initial placement and outgrowth of root hairs.
Molekulare Charakterisierung des Centrosom-assoziierten Proteins CP91 in Dictyostelium discoideum
(2016)
Das Dictyostelium-Centrosom ist ein Modell für acentrioläre Centrosomen. Es besteht aus einer dreischichtigen Kernstruktur und ist von einer Corona umgeben, welche Nukleationskomplexe für Mikrotubuli beinhaltet. Die Verdoppelung der Kernstruktur wird einmal pro Zellzyklus am Übergang der G2 zur M-Phase gestartet. Durch eine Proteomanalyse isolierter Centrosomen konnte CP91 identifiziert werden, ein 91 kDa großes Coiled-Coil Protein, das in der centrosomalen Kernstruktur lokalisiert. GFP-CP91 zeigte fast keine Mobilität in FRAP-Experimenten während der Interphase, was darauf hindeutet, dass es sich bei CP91 um eine Strukturkomponente des Centrosoms handelt. In der Mitose hingegen dissoziieren das GFP-CP91 als auch das endogene CP91 ab und fehlen an den Spindelpolen von der späten Prophase bis zur Anaphase. Dieses Verhalten korreliert mit dem Verschwinden der zentralen Schicht der Kernstruktur zu Beginn der Centrosomenverdopplung. Somit ist CP91 mit großer Wahrscheinlichkeit ein Bestandteil dieser Schicht. CP91-Fragmente der N-terminalen bzw. C-terminalen Domäne (GFP-CP91 N-Terminus, GFP-CP91 C-Terminus) lokalisieren als GFP-Fusionsproteine exprimiert auch am Centrosom, zeigen aber nicht die gleiche mitotische Verteilung des Volllängenproteins. Das CP91-Fragment der zentralen Coiled-Coil Domäne (GFP-CP91cc) lokalisiert als GFP-Fusionsprotein exprimiert, als ein diffuser cytosolische Cluster, in der Nähe des Centrosoms. Es zeigt eine partiell ähnliche mitotische Verteilung wie das Volllängenprotein. Dies lässt eine regulatorische Domäne innerhalb der Coiled-Coil Domäne vermuten. Die Expression der GFP-Fusionsproteine unterdrückt die Expression des endogenen CP91 und bringt überzählige Centrosomen hervor. Dies war auch eine markante Eigenschaft nach der Unterexpression von CP91 durch RNAi. Zusätzlich zeigte sich in CP91-RNAi Zellen eine stark erhöhte Ploidie verursacht durch schwere Defekte in der Chromosomensegregation verbunden mit einer erhöhten Zellgröße und Defekten im Abschnürungsprozess während der Cytokinese. Die Unterexpression von CP91 durch RNAi hatte auch einen direkten Einfluss auf die Menge an den centrosomalen Proteinen CP39, CP55 und CEP192 und dem Centromerprotein Cenp68 in der Interphase. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass CP91 eine zentrale centrosomale Kernkomponente ist und für den Zusammenhalt der beiden äußeren Schichten der Kernstruktur benötigt wird. Zudem spielt CP91 eine wichtige Rolle für eine ordnungsgemäße Centrosomenbiogenese und, unabhängig davon, bei dem Abschnürungsprozess der Tochterzellen während der Cytokinese.