Pathogen-triggered programmed cell death in plants: Metacaspase 1-dependent pathways = Muerte celular programada desencadenada por patógenos en plantas: vías dependientes de Metacaspasa 1

Abstract

The hypersensitive response (HR) is a paradigmatic type of programmed cell death, that occurs in response to pathogen recognition at the site of attempted invasion. Notwithstanding more than a century of research on HR, many are the aspect that are still unknown about how it is so tightly regulated and how it can be contained spatially to a few cells. The hypersensitive response in the Arabidopsis thaliana is controlled by type I metacaspase AtMC1 which is a positive regulator of pathogen-triggered PCD and autophagy, and that negative regulation of AtMC1 by AtLSD1 or AtMC2 can prevent runaway cell death. However, it remains unclear how the cell death signaling is activated after pathogen attack and whether additional HR negative regulators exist to control the AtMC1 activity.

In our lab was set upping an unbiased approach to identify new AtMC1 regulators based in an immunoaffinity purification of AtMC1-containing complexes coupled to mass spectrometry. The use of this approach has allowed us to identify new regulators of AtMC1 activity, in basal versus cell death inducing conditions.

In the context of the second objective we were able to revealed that in basal conditions AtSerpin1 acts in vivo as an inhibitor of AtMC1-mediated cell death and autocatalytic processing in plants, emerging as a new inhibitor of cell death proteases in plants. Indicating a conserved function of a protease inhibitor on cell death regulators across different kingdoms.

The third part of this work continued with the characterization of AtHIR2 as positive regulator under cell death inducing conditions. We set out to characterize AtHIR2, a putative AtMC1 interactor retrieved from our immunoaffinity purification screening. Our results show that AtMC1 co-immunoprecipitates in planta with AtHIR2, and this interaction is not dependent of an intact catalytic site. Subcellular fractionation demonstrates that this interaction exclusively occurs in the microsomal fraction, indicating an active recruitment of AtMC1 to the plasma membrane.

Taken together all these results, we expected to contribute into elucidation of the regulation of Hypersensitive Response and the complex machinery that allows to cells make fate vital decisions to defense against pathogens. Our results will contribute on future approaches to developed new strategies in the fight against plant pathogens diseases in crops.

La respuesta hipersensible (RH) es un tipo paradigmático de muerte celular programada, que ocurre en respuesta al reconocimiento de patógenos en el sitio del intento de invasión. A pesar de más de un siglo de investigación sobre RH, muchos son los aspectos que aún se desconocen acerca de cómo está tan fuertemente regulada y cómo puede ser contenida espacialmente a solo unas pocas células. La respuesta hipersensible en Arabidopsis thaliana está controlada por la metacaspasa tipo I (AtMC1), que es un regulador positivo de la muerte celular programada desencadenada por patógenos y la autofagia, donde la regulación negativa de AtMC1 por AtLSD1 o AtMC2 puede prevenir la muerte celular incontrolada. Sin embargo, aún no está claro cómo se activa la señalización de muerte celular después de un ataque de patógenos y si existen reguladores negativos de RH adicionales para controlar la actividad del AtMC1.

En nuestro laboratorio se estableció un enfoque imparcial para identificar nuevos reguladores AtMC1 basados en una purificación de inmunoafinidad de complejos que contienen AtMC1 acoplados a la espectrometría de masas. El uso de este enfoque nos ha permitido identificar nuevos reguladores de la actividad de AtMC1, en condiciones basales versus condiciones de inducción de muerte celular.

En el contexto del segundo objetivo pudimos revelar que en condiciones basales AtSerpin1 actúa in vivo como un inhibidor de la muerte celular mediada por AtMC1 y del procesamiento auto-catalítico en plantas, emergiendo como un nuevo inhibidor de proteasas de muerte celular en plantas. Indicando una función conservada de un inhibidor de proteasa en reguladores de muerte celular a través de diferentes reinos.

La tercera parte de este trabajo continuó con la caracterización de AtHIR2 como regulador positivo bajo condiciones inducidas de muerte celular. Nos propusimos caracterizar AtHIR2, un interactor putativo de AtMC1 recuperado de nuestro análisis de purificación de inmunoafinidad. Nuestros resultados muestran que AtMC1 co-inmunoprecipita en planta con AtHIR2, y esta interacción no depende de un sitio catalítico intacto. El fraccionamiento sub celular demuestra que esta interacción ocurre exclusivamente en la fracción microsomal, lo que indica un reclutamiento activo de AtMC1 a la membrana plasmática.

Tomados en conjunto todos estos resultados, esperamos contribuir en la elucidación de la regulación de la Respuesta Hipersensible y la compleja maquinaria que permite a las células tomar decisiones vitales para la defensa contra los patógenos. Nuestros resultados contribuirán a futuros enfoques para desarrollar nuevas estrategias en la lucha contra las enfermedades de los patógenos de las plantas en los cultivos.