title: Proliferation and Morphogenesis of the Endoplasmic Reticulum Driven by the Membrane Domain of 3-Hydroxy-3-Methylglutaryl Coenzyme A Reductase in Plant Cells.
abstract: The enzyme 3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A reductase (HMGR) has a key regulatory role in the mevalonate pathway for isoprenoid biosynthesis and is composed of an endoplasmic reticulum (ER)-anchoring membrane domain with low sequence similarity among eukaryotic kingdoms and a conserved cytosolic catalytic domain. Organized smooth endoplasmic reticulum (OSER) structures are common formations of hypertrophied tightly packed ER membranes devoted to specific biosynthetic and secretory functions, the biogenesis of which remains largely unexplored. We show that the membrane domain of plant HMGR suffices to trigger ER proliferation and OSER biogenesis. The proliferating membranes become highly enriched in HMGR protein, but they do not accumulate sterols, indicating a morphogenetic rather than a metabolic role for HMGR. The N-terminal MDVRRRPP motif present in most plant HMGR isoforms is not required for retention in the ER, which was previously proposed, but functions as an ER morphogenic signal. Plant OSER structures are morphologically similar to those of animal cells, emerge from tripartite ER junctions, and mainly build up beside the nuclear envelope, indicating conserved OSER biogenesis in high eukaryotes. Factors other than the OSER-inducing HMGR construct mediate the tight apposition of the proliferating membranes, implying separate ER proliferation and membrane association steps. Overexpression of the membrane domain of Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) HMGR leads to ER hypertrophy in every tested cell type and plant species, whereas the knockout of the HMG1 gene from Arabidopsis, encoding its major HMGR isoform, causes ER aggregation at the nuclear envelope. Our results show that the membrane domain of HMGR contributes to ER morphogenesis in plant cells.
authors.affiliation: Departament de Bioquímica i Biologia Molecular, Facultat de Biologia, Universitat de Barcelona, 08028 Barcelona, Spain (S.F., P.L., M.A.-L., J.C.F., N.Ca.);Departament de Genètica Molecular, Centre de Recerca en Agrigenòmica (Consejo Superior de Investigaciones Científicas-Institut de Recerca i Tecnologia Agroalimentàries-Universitat Autònoma de Barcelona-Universitat de Barcelona), Bellaterra (Cerdanyola del Vallès), 08193 Barcelona, Spain (R.E.G.-T., N.Ca.);Crio-Microscopia Electrònica, Centres Científics i Tecnològics, Campus Pedralbes, Universitat de Barcelona, 08028 Barcelona, Spain (C.L.-I.); andUnitat de Microscopia Electrònica, Centres Científics i Tecnològics, Campus Casanova, Universitat de Barcelona, 08036 Barcelona, Spain (N.Co.).
authors.forename: Sergi
authors.initials: S
authors.lastname: Ferrero
authors.affiliation: Departament de Bioquímica i Biologia Molecular, Facultat de Biologia, Universitat de Barcelona, 08028 Barcelona, Spain (S.F., P.L., M.A.-L., J.C.F., N.Ca.);Departament de Genètica Molecular, Centre de Recerca en Agrigenòmica (Consejo Superior de Investigaciones Científicas-Institut de Recerca i Tecnologia Agroalimentàries-Universitat Autònoma de Barcelona-Universitat de Barcelona), Bellaterra (Cerdanyola del Vallès), 08193 Barcelona, Spain (R.E.G.-T., N.Ca.);Crio-Microscopia Electrònica, Centres Científics i Tecnològics, Campus Pedralbes, Universitat de Barcelona, 08028 Barcelona, Spain (C.L.-I.); andUnitat de Microscopia Electrònica, Centres Científics i Tecnològics, Campus Casanova, Universitat de Barcelona, 08036 Barcelona, Spain (N.Co.).
authors.forename: Ricardo Enrique
authors.initials: RE
authors.lastname: Grados-Torrez
authors.affiliation: Departament de Bioquímica i Biologia Molecular, Facultat de Biologia, Universitat de Barcelona, 08028 Barcelona, Spain (S.F., P.L., M.A.-L., J.C.F., N.Ca.);Departament de Genètica Molecular, Centre de Recerca en Agrigenòmica (Consejo Superior de Investigaciones Científicas-Institut de Recerca i Tecnologia Agroalimentàries-Universitat Autònoma de Barcelona-Universitat de Barcelona), Bellaterra (Cerdanyola del Vallès), 08193 Barcelona, Spain (R.E.G.-T., N.Ca.);Crio-Microscopia Electrònica, Centres Científics i Tecnològics, Campus Pedralbes, Universitat de Barcelona, 08028 Barcelona, Spain (C.L.-I.); andUnitat de Microscopia Electrònica, Centres Científics i Tecnològics, Campus Casanova, Universitat de Barcelona, 08036 Barcelona, Spain (N.Co.).
authors.forename: Pablo
authors.identifier: http://orcid.org/0000-0003-4878-3684
authors.initials: P
authors.lastname: Leivar
authors.affiliation: Departament de Bioquímica i Biologia Molecular, Facultat de Biologia, Universitat de Barcelona, 08028 Barcelona, Spain (S.F., P.L., M.A.-L., J.C.F., N.Ca.);Departament de Genètica Molecular, Centre de Recerca en Agrigenòmica (Consejo Superior de Investigaciones Científicas-Institut de Recerca i Tecnologia Agroalimentàries-Universitat Autònoma de Barcelona-Universitat de Barcelona), Bellaterra (Cerdanyola del Vallès), 08193 Barcelona, Spain (R.E.G.-T., N.Ca.);Crio-Microscopia Electrònica, Centres Científics i Tecnològics, Campus Pedralbes, Universitat de Barcelona, 08028 Barcelona, Spain (C.L.-I.); andUnitat de Microscopia Electrònica, Centres Científics i Tecnològics, Campus Casanova, Universitat de Barcelona, 08036 Barcelona, Spain (N.Co.).
authors.forename: Meritxell
authors.initials: M
authors.lastname: Antolín-Llovera
authors.affiliation: Departament de Bioquímica i Biologia Molecular, Facultat de Biologia, Universitat de Barcelona, 08028 Barcelona, Spain (S.F., P.L., M.A.-L., J.C.F., N.Ca.);Departament de Genètica Molecular, Centre de Recerca en Agrigenòmica (Consejo Superior de Investigaciones Científicas-Institut de Recerca i Tecnologia Agroalimentàries-Universitat Autònoma de Barcelona-Universitat de Barcelona), Bellaterra (Cerdanyola del Vallès), 08193 Barcelona, Spain (R.E.G.-T., N.Ca.);Crio-Microscopia Electrònica, Centres Científics i Tecnològics, Campus Pedralbes, Universitat de Barcelona, 08028 Barcelona, Spain (C.L.-I.); andUnitat de Microscopia Electrònica, Centres Científics i Tecnològics, Campus Casanova, Universitat de Barcelona, 08036 Barcelona, Spain (N.Co.).
authors.forename: Carmen
authors.initials: C
authors.lastname: López-Iglesias
authors.affiliation: Departament de Bioquímica i Biologia Molecular, Facultat de Biologia, Universitat de Barcelona, 08028 Barcelona, Spain (S.F., P.L., M.A.-L., J.C.F., N.Ca.);Departament de Genètica Molecular, Centre de Recerca en Agrigenòmica (Consejo Superior de Investigaciones Científicas-Institut de Recerca i Tecnologia Agroalimentàries-Universitat Autònoma de Barcelona-Universitat de Barcelona), Bellaterra (Cerdanyola del Vallès), 08193 Barcelona, Spain (R.E.G.-T., N.Ca.);Crio-Microscopia Electrònica, Centres Científics i Tecnològics, Campus Pedralbes, Universitat de Barcelona, 08028 Barcelona, Spain (C.L.-I.); andUnitat de Microscopia Electrònica, Centres Científics i Tecnològics, Campus Casanova, Universitat de Barcelona, 08036 Barcelona, Spain (N.Co.).
authors.forename: Nuria
authors.initials: N
authors.lastname: Cortadellas
authors.affiliation: Departament de Bioquímica i Biologia Molecular, Facultat de Biologia, Universitat de Barcelona, 08028 Barcelona, Spain (S.F., P.L., M.A.-L., J.C.F., N.Ca.);Departament de Genètica Molecular, Centre de Recerca en Agrigenòmica (Consejo Superior de Investigaciones Científicas-Institut de Recerca i Tecnologia Agroalimentàries-Universitat Autònoma de Barcelona-Universitat de Barcelona), Bellaterra (Cerdanyola del Vallès), 08193 Barcelona, Spain (R.E.G.-T., N.Ca.);Crio-Microscopia Electrònica, Centres Científics i Tecnològics, Campus Pedralbes, Universitat de Barcelona, 08028 Barcelona, Spain (C.L.-I.); andUnitat de Microscopia Electrònica, Centres Científics i Tecnològics, Campus Casanova, Universitat de Barcelona, 08036 Barcelona, Spain (N.Co.).
authors.forename: Joan Carles
authors.initials: JC
authors.lastname: Ferrer
authors.affiliation: Departament de Bioquímica i Biologia Molecular, Facultat de Biologia, Universitat de Barcelona, 08028 Barcelona, Spain (S.F., P.L., M.A.-L., J.C.F., N.Ca.);Departament de Genètica Molecular, Centre de Recerca en Agrigenòmica (Consejo Superior de Investigaciones Científicas-Institut de Recerca i Tecnologia Agroalimentàries-Universitat Autònoma de Barcelona-Universitat de Barcelona), Bellaterra (Cerdanyola del Vallès), 08193 Barcelona, Spain (R.E.G.-T., N.Ca.);Crio-Microscopia Electrònica, Centres Científics i Tecnològics, Campus Pedralbes, Universitat de Barcelona, 08028 Barcelona, Spain (C.L.-I.); andUnitat de Microscopia Electrònica, Centres Científics i Tecnològics, Campus Casanova, Universitat de Barcelona, 08036 Barcelona, Spain (N.Co.) ncampos@ub.edu.
authors.forename: Narciso
authors.identifier: http://orcid.org/0000-0002-9685-0549
authors.initials: N
authors.lastname: Campos
mesh_terms: D020816:Amino Acid Motifs; D017360:Arabidopsis / Q000201:enzymology* / Q000235:genetics / Q000648:ultrastructure; D029681:Arabidopsis Proteins / Q000737:chemistry* / Q000378:metabolism*; D002467:Cell Nucleus / Q000378:metabolism; D004721:Endoplasmic Reticulum / Q000378:metabolism* / Q000648:ultrastructure; D017343:Genes, Plant; D049452:Green Fluorescent Proteins / Q000378:metabolism; D006903:Hydroxymethylglutaryl CoA Reductases / Q000737:chemistry* / Q000378:metabolism*; D025782:Hydroxymethylglutaryl-CoA-Reductases, NADP-dependent / Q000737:chemistry* / Q000378:metabolism*; D008969:Molecular Sequence Data; D009024:Morphogenesis; D059828:Plant Cells / Q000201:enzymology*; D030821:Plants, Genetically Modified; D017434:Protein Structure, Tertiary; D013261:Sterols / Q000378:metabolism; D013329:Structure-Activity Relationship; D014026:Nicotiana / Q000378:metabolism
chemical_list: D029681:Arabidopsis Proteins; D013261:Sterols; D049452:Green Fluorescent Proteins; D006903:Hydroxymethylglutaryl CoA Reductases; C000606223:HMGR protein, Arabidopsis; D025782:Hydroxymethylglutaryl-CoA-Reductases, NADP-dependent