Le rôle et les mécanismes de l'assemblage de REMORIN

The role and mechanisms of REMORIN assembly

• Auteur / Autrice : Zeren Xu
• Direction : Birgit Habenstein
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie Physique
• Date : Soutenance le 05/12/2024
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Chimie & de Biologie des Membranes & des Nano-objets
• Jury : Président / Présidente : Sébastien Mongrand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Matthieu Chavent, Isabel Alves, Yvon Jaillais
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Douglas Vinson Laurents, Sophie Sacquin-Mora

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Dynamique moléculaire

Spectroscopie de la résonance magnétique nucléaire

Protéines multifonctionnelles

Mots clés libres

Protéines REMe

Nanodomaines membranaires

Dimérisation

Spectroscopie RMN

Simulations de dynamique moléculaire

Interactions lipidiques

Structure en coiled-coil

Remorin

Membrane nanodomains

NMR spectroscopy

Molecular dynamics simulations

Protein-lipid interactions

Coiled-coil structure

Multimerization

Résumé

Les remorines (REMs) sont des protéines multifonctionnelles qui jouent des rôles essentiels dans l'immunité des plantes, le développement et la symbiose en s'associant à la membrane plasmique et en séquestrant des lipides spécifiques dans des nanodomaines membranaires fonctionnels. Ces protéines sont classées dans une famille multigénique avec six groupes caractérisés par des compositions distinctes de domaines de protéines. Tous les membres de la famille des REMs partagent une ancre membranaire C-terminale (REM-CA), un domaine d'homo-oligomérisation, et une région N-terminale intrinsèquement désordonnée (IDR) de longueur variable. De manière unique, les REMs contournent la voie sécrétoire pour cibler la membrane et se localisent dans distincts nanodomaines en fonction de leur groupe phylogénétique. Dans cette étude, nous avons combiné la spectroscopie de Résonance Magnétique Nucléaire (RMN), les calculs de structure de protéines et des simulations avancées de dynamique moléculaire (MD) pour révéler les propriétés de structuration et de dynamiques des REMs. Nous avons découvert que les REMs forment des dimères stables pré-structurés en coiled-coil dans le cytosol, qui agissent comme des unités modulables pour cibler des nanodomaines. Ces dimères présentent, avant l'association avec la membrane, une charge positive de la surface en forme de code-barres, dépendante des REMs. En outre, les REM-CA montrent des variations en structures et dynamiques au sein de la famille, fournissant une plateforme sélective pour l’association avec les phospholipides lors du contact avec la membrane. L'IDR N-terminale forme un ensemble structural flexible en forme de « fuzzy coat » autour du coeur coiled-coil. Les ancres C-terminales créent une avidité à travers des interactions électrostatiques multivalentes entre les groupes des lipides anioniques et la surface chargée positivement du dimère, indiquant un mécanisme synergique entre REM-CA et le domaine coiled-coil pour ségréguer les nanodomaines lipides-protéines. La RMN du solide et les simulations MD à gros grain de REMs sur la membrane lipidique ont également révélé le comportement distinct des REM-CA lorsqu'ils sont associés aux lipides de la membrane. Nous observons des différences dans les profils d'association des REM-CA et des coiled-coils chargés à la membrane, en fonction des charges de surface du dimère et des lipides présents dans la membrane. La stabilité du coiled-coil et l'intensité de l'association à la membrane sont modulées par les groupement des tête chargées des lipides présents à la surface de la membrane. Ces découvertes améliorent notre compréhension des mécanismes moléculaires sous-jacents au rôle des REMs dans l'organisation de la membrane des plantes, des localisations séléctives des REMs dans les nanodomaines des membranes et des facteurs structurales contribuant aux différentes fonctions des remorines. Cette recherche propose une base pour de futures études visant à élucider les comportements complexes des REMs associés aux membranes et les ajustement des structures lors des mécanismes de signalisation et de défense cellulaires.

Remorins are multifunctional proteins that play vital roles in plant immunity, development, and symbiosis by associating with the plasma membrane and sequestering specific lipids into functional membrane nanodomains. These proteins are classified into a multigenic family with six groups characterized by distinct protein-domain compositions. All remorin family members share a C-terminal membrane anchor (REM-CA), a homo-oligomerization domain, and the N-terminal is an intrinsically disordered region (IDR) of variable length. Uniquely, REMs bypass the secretory pathway for membrane targeting and localize to different nanodomains based on their phylogenetic group. In this study, we combined Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectroscopy, protein structure calculations, and advanced molecular dynamics (MD) simulations to reveal the structural and dynamic properties of REMs. We discovered that remorins form stable pre-structured coiled-coil dimers in the cytosol, which act as tunable nanodomain-targeting units. These dimers feature a REM-dependent barcode-like positive surface charge before membrane association. Furthermore, the REM-CAs exhibit structural and dynamic variations across the family, providing a selective platform for phospholipid binding upon membrane contact. The N-terminal IDR forms a flexible fuzzy structural ensemble around the coiled-coil core. The C-terminal anchors create avidity through multivalent electrostatic interactions between anionic lipid headgroups and the positively charged dimer surface, supporting a synergistic mechanism between REM-CA and the coiled-coil domain to segregate lipid-protein nanodomains. Solid-state NMR and coarse-grained MD simulations further revealed the distinct behavior of REM-CAs when associated to the lipid membrane. We observe differences in membrane association profiles of the REM-CAs and of the charged coiled-coils dependent on the dimer surface charges and dependent on the lipids present in the membrane. Coiled-coil stability and the intensity of membrane association is tuned by the lipid headgroups on the membrane surface. The insights enhance our understanding of the molecular mechanisms underlying the role of remorins in membrane organization in plants, the distinct localizations of remorins in membrane nanodomains and the structural factors contributing to the different remorin functions. This research lays the groundwork for future studies to elucidate the complex behaviors of membrane-associated REMs and their structural tuning during cellular signaling and defense mechanisms.