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Bolik S, Schlaich A, Mukhina T, Amato A, Bastien O, Schneck E, Demé B, Jouhet J. Lipid bilayer properties potentially contributed to the evolutionary disappearance of betaine lipids in seed plants. BMC Biol 2023; 21:275. [PMID: 38017456 PMCID: PMC10685587 DOI: 10.1186/s12915-023-01775-z] [Citation(s) in RCA: 0] [Impact Index Per Article: 0] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Key Words] [MESH Headings] [Grants] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 09/18/2023] [Accepted: 11/21/2023] [Indexed: 11/30/2023] Open
Abstract
BACKGROUND Many organisms rely on mineral nutrients taken directly from the soil or aquatic environment, and therefore, developed mechanisms to cope with the limitation of a given essential nutrient. For example, photosynthetic cells have well-defined responses to phosphate limitation, including the replacement of cellular membrane phospholipids with non-phosphorous lipids. Under phosphate starvation, phospholipids in extraplastidial membranes are replaced by betaine lipids in microalgae. In higher plants, the synthesis of betaine lipid is lost, driving plants to other strategies to cope with phosphate starvation where they replace their phospholipids by glycolipids. RESULTS The aim of this work was to evaluate to what extent betaine lipids and PC lipids share physicochemical properties and could substitute for each other. By neutron diffraction experiments and dynamic molecular simulation of two synthetic lipids, the dipalmitoylphosphatidylcholine (DPPC) and the dipalmitoyl-diacylglyceryl-N,N,N-trimethylhomoserine (DP-DGTS), we found that DP-DGTS bilayers are thicker than DPPC bilayers and therefore are more rigid. Furthermore, DP-DGTS bilayers are more repulsive, especially at long range, maybe due to unexpected unscreened electrostatic contribution. Finally, DP-DGTS bilayers could coexist in the gel and fluid phases. CONCLUSION The different properties and hydration responses of PC and DGTS provide an explanation for the diversity of betaine lipids observed in marine organisms and for their disappearance in seed plants.
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Affiliation(s)
- Stéphanie Bolik
- Laboratoire Physiologie Cellulaire Et Végétale, Univ. Grenoble Alpes, CNRS, CEA, INRAE, IRIG, Grenoble, France
- Large Scale Structures Group, Institut Laue-Langevin, 38000, Grenoble, France
| | - Alexander Schlaich
- Institute for Computational Physics, Universität Stuttgart, Stuttgart, Germany
- Stuttgart Center for Simulation Science (SimTech), Universität Stuttgart, Stuttgart, Germany
| | - Tetiana Mukhina
- Institute for Condensed Matter Physics, Darmstadt, Darmstadt, TU, Germany
| | - Alberto Amato
- Laboratoire Physiologie Cellulaire Et Végétale, Univ. Grenoble Alpes, CNRS, CEA, INRAE, IRIG, Grenoble, France
| | - Olivier Bastien
- Laboratoire Physiologie Cellulaire Et Végétale, Univ. Grenoble Alpes, CNRS, CEA, INRAE, IRIG, Grenoble, France
| | - Emanuel Schneck
- Institute for Condensed Matter Physics, Darmstadt, Darmstadt, TU, Germany
| | - Bruno Demé
- Large Scale Structures Group, Institut Laue-Langevin, 38000, Grenoble, France.
| | - Juliette Jouhet
- Laboratoire Physiologie Cellulaire Et Végétale, Univ. Grenoble Alpes, CNRS, CEA, INRAE, IRIG, Grenoble, France.
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Moss III FR, Cabrera GE, McKenna GM, Salerno GJ, Shuken SR, Landry ML, Weiss TM, Burns NZ, Boxer SG. Halogenation-Dependent Effects of the Chlorosulfolipids of Ochromonas danica on Lipid Bilayers. ACS Chem Biol 2020; 15:2986-2995. [PMID: 33035052 DOI: 10.1021/acschembio.0c00624] [Citation(s) in RCA: 2] [Impact Index Per Article: 0.5] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Indexed: 01/26/2023]
Abstract
The chlorosulfolipids are amphiphilic natural products with stereochemically complex patterns of chlorination and sulfation. Despite their role in toxic shellfish poisoning, potential pharmacological activities, and unknown biological roles, they remain understudied due to the difficulties in purifying them from natural sources. The structure of these molecules, with a charged sulfate group in the middle of the hydrophobic chain, appears incompatible with the conventional lipid bilayer structure. Questions about chlorosulfolipids remain unanswered partly due to the unavailability of structural analogues with which to conduct structure-function studies. We approach this problem by combining enantioselective total synthesis and membrane biophysics. Using a combination of Langmuir pressure-area isotherms of lipid monolayers, fluorescence imaging of vesicles, mass spectrometry imaging, natural product isolation, small-angle X-ray scattering, and cryogenic electron microscopy, we show that danicalipin A (1) likely inserts into lipid bilayers in the headgroup region and alters their structure and phase behavior. Specifically, danicalipin A (1) thins the bilayer and fluidizes it, allowing even saturated lipid to form fluid bilayers. Lipid monolayers show similar fluidizing upon insertion of danicalipin A (1). Furthermore, we show that the halogenation of the molecule is critical for its membrane activity, likely due to sterically controlled conformational changes. Synthetic unchlorinated and monochlorinated analogues do not thin and fluidize lipid bilayers to the same extent as the natural product. Overall, this study sheds light on how amphiphilic small molecules interact with lipid bilayers and the importance of stereochemistry and halogenation for this interaction.
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Affiliation(s)
- Frank R. Moss III
- Department of Chemistry, Stanford University, Stanford, California 94305, United States
| | - Gabrielle E. Cabrera
- Department of Chemistry, Stanford University, Stanford, California 94305, United States
| | - Grace M. McKenna
- Department of Chemistry, Stanford University, Stanford, California 94305, United States
| | - Giulio J. Salerno
- Department of Chemistry, Stanford University, Stanford, California 94305, United States
| | - Steven R. Shuken
- Department of Chemistry, Stanford University, Stanford, California 94305, United States
| | - Matthew L. Landry
- Department of Chemistry, Stanford University, Stanford, California 94305, United States
| | - Thomas M. Weiss
- Stanford Synchrotron Radiation Laboratory, Stanford Linear Accelerator Center, Stanford University, Menlo Park, California 94025, United States
| | - Noah Z. Burns
- Department of Chemistry, Stanford University, Stanford, California 94305, United States
| | - Steven G. Boxer
- Department of Chemistry, Stanford University, Stanford, California 94305, United States
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Abida H, Dolch LJ, Meï C, Villanova V, Conte M, Block MA, Finazzi G, Bastien O, Tirichine L, Bowler C, Rébeillé F, Petroutsos D, Jouhet J, Maréchal E. Membrane glycerolipid remodeling triggered by nitrogen and phosphorus starvation in Phaeodactylum tricornutum. PLANT PHYSIOLOGY 2015; 167:118-36. [PMID: 25489020 PMCID: PMC4281014 DOI: 10.1104/pp.114.252395] [Citation(s) in RCA: 201] [Impact Index Per Article: 22.3] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [MESH Headings] [Track Full Text] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 10/23/2014] [Accepted: 12/05/2014] [Indexed: 05/18/2023]
Abstract
Diatoms constitute a major phylum of phytoplankton biodiversity in ocean water and freshwater ecosystems. They are known to respond to some chemical variations of the environment by the accumulation of triacylglycerol, but the relative changes occurring in membrane glycerolipids have not yet been studied. Our goal was first to define a reference for the glycerolipidome of the marine model diatom Phaeodactylum tricornutum, a necessary prerequisite to characterize and dissect the lipid metabolic routes that are orchestrated and regulated to build up each subcellular membrane compartment. By combining multiple analytical techniques, we determined the glycerolipid profile of P. tricornutum grown with various levels of nitrogen or phosphorus supplies. In different P. tricornutum accessions collected worldwide, a deprivation of either nutrient triggered an accumulation of triacylglycerol, but with different time scales and magnitudes. We investigated in depth the effect of nutrient starvation on the Pt1 strain (Culture Collection of Algae and Protozoa no. 1055/3). Nitrogen deprivation was the more severe stress, triggering thylakoid senescence and growth arrest. By contrast, phosphorus deprivation induced a stepwise adaptive response. The time scale of the glycerolipidome changes and the comparison with large-scale transcriptome studies were consistent with an exhaustion of unknown primary phosphorus-storage molecules (possibly polyphosphate) and a transcriptional control of some genes coding for specific lipid synthesis enzymes. We propose that phospholipids are secondary phosphorus-storage molecules broken down upon phosphorus deprivation, while nonphosphorus lipids are synthesized consistently with a phosphatidylglycerol-to-sulfolipid and a phosphatidycholine-to-betaine lipid replacement followed by a late accumulation of triacylglycerol.
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Affiliation(s)
- Heni Abida
- Environmental and Evolutionary Genomics Section, Institut de Biologie de l'École Normale Supérieure, Centre National de la Recherche Scientifique Unité Mixte de Recherche 8197, Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale, U1024, 75005 Paris, France (H.A., L.T., C.B.);Laboratoire de Physiologie Cellulaire et Végétale, Unité Mixte de Recherche 5168 Centre National de la Recherche Scientifique-Commissariat à l'Energie Atomique-Université Grenoble Alpes, Institut de Recherche en Sciences et Technologies pour le Vivant, Commissariat à l'Energie Atomique Grenoble, 38054 Grenoble cedex 9, France (L.-J.D., C.M., M.C., M.A.B., G.F., O.B., F.R., D.P., J.J., E.M.); andFermentalg SA, F-33500 Libourne, France (V.V.)
| | - Lina-Juana Dolch
- Environmental and Evolutionary Genomics Section, Institut de Biologie de l'École Normale Supérieure, Centre National de la Recherche Scientifique Unité Mixte de Recherche 8197, Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale, U1024, 75005 Paris, France (H.A., L.T., C.B.);Laboratoire de Physiologie Cellulaire et Végétale, Unité Mixte de Recherche 5168 Centre National de la Recherche Scientifique-Commissariat à l'Energie Atomique-Université Grenoble Alpes, Institut de Recherche en Sciences et Technologies pour le Vivant, Commissariat à l'Energie Atomique Grenoble, 38054 Grenoble cedex 9, France (L.-J.D., C.M., M.C., M.A.B., G.F., O.B., F.R., D.P., J.J., E.M.); andFermentalg SA, F-33500 Libourne, France (V.V.)
| | - Coline Meï
- Environmental and Evolutionary Genomics Section, Institut de Biologie de l'École Normale Supérieure, Centre National de la Recherche Scientifique Unité Mixte de Recherche 8197, Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale, U1024, 75005 Paris, France (H.A., L.T., C.B.);Laboratoire de Physiologie Cellulaire et Végétale, Unité Mixte de Recherche 5168 Centre National de la Recherche Scientifique-Commissariat à l'Energie Atomique-Université Grenoble Alpes, Institut de Recherche en Sciences et Technologies pour le Vivant, Commissariat à l'Energie Atomique Grenoble, 38054 Grenoble cedex 9, France (L.-J.D., C.M., M.C., M.A.B., G.F., O.B., F.R., D.P., J.J., E.M.); andFermentalg SA, F-33500 Libourne, France (V.V.)
| | - Valeria Villanova
- Environmental and Evolutionary Genomics Section, Institut de Biologie de l'École Normale Supérieure, Centre National de la Recherche Scientifique Unité Mixte de Recherche 8197, Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale, U1024, 75005 Paris, France (H.A., L.T., C.B.);Laboratoire de Physiologie Cellulaire et Végétale, Unité Mixte de Recherche 5168 Centre National de la Recherche Scientifique-Commissariat à l'Energie Atomique-Université Grenoble Alpes, Institut de Recherche en Sciences et Technologies pour le Vivant, Commissariat à l'Energie Atomique Grenoble, 38054 Grenoble cedex 9, France (L.-J.D., C.M., M.C., M.A.B., G.F., O.B., F.R., D.P., J.J., E.M.); andFermentalg SA, F-33500 Libourne, France (V.V.)
| | - Melissa Conte
- Environmental and Evolutionary Genomics Section, Institut de Biologie de l'École Normale Supérieure, Centre National de la Recherche Scientifique Unité Mixte de Recherche 8197, Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale, U1024, 75005 Paris, France (H.A., L.T., C.B.);Laboratoire de Physiologie Cellulaire et Végétale, Unité Mixte de Recherche 5168 Centre National de la Recherche Scientifique-Commissariat à l'Energie Atomique-Université Grenoble Alpes, Institut de Recherche en Sciences et Technologies pour le Vivant, Commissariat à l'Energie Atomique Grenoble, 38054 Grenoble cedex 9, France (L.-J.D., C.M., M.C., M.A.B., G.F., O.B., F.R., D.P., J.J., E.M.); andFermentalg SA, F-33500 Libourne, France (V.V.)
| | - Maryse A Block
- Environmental and Evolutionary Genomics Section, Institut de Biologie de l'École Normale Supérieure, Centre National de la Recherche Scientifique Unité Mixte de Recherche 8197, Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale, U1024, 75005 Paris, France (H.A., L.T., C.B.);Laboratoire de Physiologie Cellulaire et Végétale, Unité Mixte de Recherche 5168 Centre National de la Recherche Scientifique-Commissariat à l'Energie Atomique-Université Grenoble Alpes, Institut de Recherche en Sciences et Technologies pour le Vivant, Commissariat à l'Energie Atomique Grenoble, 38054 Grenoble cedex 9, France (L.-J.D., C.M., M.C., M.A.B., G.F., O.B., F.R., D.P., J.J., E.M.); andFermentalg SA, F-33500 Libourne, France (V.V.)
| | - Giovanni Finazzi
- Environmental and Evolutionary Genomics Section, Institut de Biologie de l'École Normale Supérieure, Centre National de la Recherche Scientifique Unité Mixte de Recherche 8197, Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale, U1024, 75005 Paris, France (H.A., L.T., C.B.);Laboratoire de Physiologie Cellulaire et Végétale, Unité Mixte de Recherche 5168 Centre National de la Recherche Scientifique-Commissariat à l'Energie Atomique-Université Grenoble Alpes, Institut de Recherche en Sciences et Technologies pour le Vivant, Commissariat à l'Energie Atomique Grenoble, 38054 Grenoble cedex 9, France (L.-J.D., C.M., M.C., M.A.B., G.F., O.B., F.R., D.P., J.J., E.M.); andFermentalg SA, F-33500 Libourne, France (V.V.)
| | - Olivier Bastien
- Environmental and Evolutionary Genomics Section, Institut de Biologie de l'École Normale Supérieure, Centre National de la Recherche Scientifique Unité Mixte de Recherche 8197, Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale, U1024, 75005 Paris, France (H.A., L.T., C.B.);Laboratoire de Physiologie Cellulaire et Végétale, Unité Mixte de Recherche 5168 Centre National de la Recherche Scientifique-Commissariat à l'Energie Atomique-Université Grenoble Alpes, Institut de Recherche en Sciences et Technologies pour le Vivant, Commissariat à l'Energie Atomique Grenoble, 38054 Grenoble cedex 9, France (L.-J.D., C.M., M.C., M.A.B., G.F., O.B., F.R., D.P., J.J., E.M.); andFermentalg SA, F-33500 Libourne, France (V.V.)
| | - Leïla Tirichine
- Environmental and Evolutionary Genomics Section, Institut de Biologie de l'École Normale Supérieure, Centre National de la Recherche Scientifique Unité Mixte de Recherche 8197, Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale, U1024, 75005 Paris, France (H.A., L.T., C.B.);Laboratoire de Physiologie Cellulaire et Végétale, Unité Mixte de Recherche 5168 Centre National de la Recherche Scientifique-Commissariat à l'Energie Atomique-Université Grenoble Alpes, Institut de Recherche en Sciences et Technologies pour le Vivant, Commissariat à l'Energie Atomique Grenoble, 38054 Grenoble cedex 9, France (L.-J.D., C.M., M.C., M.A.B., G.F., O.B., F.R., D.P., J.J., E.M.); andFermentalg SA, F-33500 Libourne, France (V.V.)
| | - Chris Bowler
- Environmental and Evolutionary Genomics Section, Institut de Biologie de l'École Normale Supérieure, Centre National de la Recherche Scientifique Unité Mixte de Recherche 8197, Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale, U1024, 75005 Paris, France (H.A., L.T., C.B.);Laboratoire de Physiologie Cellulaire et Végétale, Unité Mixte de Recherche 5168 Centre National de la Recherche Scientifique-Commissariat à l'Energie Atomique-Université Grenoble Alpes, Institut de Recherche en Sciences et Technologies pour le Vivant, Commissariat à l'Energie Atomique Grenoble, 38054 Grenoble cedex 9, France (L.-J.D., C.M., M.C., M.A.B., G.F., O.B., F.R., D.P., J.J., E.M.); andFermentalg SA, F-33500 Libourne, France (V.V.)
| | - Fabrice Rébeillé
- Environmental and Evolutionary Genomics Section, Institut de Biologie de l'École Normale Supérieure, Centre National de la Recherche Scientifique Unité Mixte de Recherche 8197, Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale, U1024, 75005 Paris, France (H.A., L.T., C.B.);Laboratoire de Physiologie Cellulaire et Végétale, Unité Mixte de Recherche 5168 Centre National de la Recherche Scientifique-Commissariat à l'Energie Atomique-Université Grenoble Alpes, Institut de Recherche en Sciences et Technologies pour le Vivant, Commissariat à l'Energie Atomique Grenoble, 38054 Grenoble cedex 9, France (L.-J.D., C.M., M.C., M.A.B., G.F., O.B., F.R., D.P., J.J., E.M.); andFermentalg SA, F-33500 Libourne, France (V.V.)
| | - Dimitris Petroutsos
- Environmental and Evolutionary Genomics Section, Institut de Biologie de l'École Normale Supérieure, Centre National de la Recherche Scientifique Unité Mixte de Recherche 8197, Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale, U1024, 75005 Paris, France (H.A., L.T., C.B.);Laboratoire de Physiologie Cellulaire et Végétale, Unité Mixte de Recherche 5168 Centre National de la Recherche Scientifique-Commissariat à l'Energie Atomique-Université Grenoble Alpes, Institut de Recherche en Sciences et Technologies pour le Vivant, Commissariat à l'Energie Atomique Grenoble, 38054 Grenoble cedex 9, France (L.-J.D., C.M., M.C., M.A.B., G.F., O.B., F.R., D.P., J.J., E.M.); andFermentalg SA, F-33500 Libourne, France (V.V.)
| | - Juliette Jouhet
- Environmental and Evolutionary Genomics Section, Institut de Biologie de l'École Normale Supérieure, Centre National de la Recherche Scientifique Unité Mixte de Recherche 8197, Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale, U1024, 75005 Paris, France (H.A., L.T., C.B.);Laboratoire de Physiologie Cellulaire et Végétale, Unité Mixte de Recherche 5168 Centre National de la Recherche Scientifique-Commissariat à l'Energie Atomique-Université Grenoble Alpes, Institut de Recherche en Sciences et Technologies pour le Vivant, Commissariat à l'Energie Atomique Grenoble, 38054 Grenoble cedex 9, France (L.-J.D., C.M., M.C., M.A.B., G.F., O.B., F.R., D.P., J.J., E.M.); andFermentalg SA, F-33500 Libourne, France (V.V.)
| | - Eric Maréchal
- Environmental and Evolutionary Genomics Section, Institut de Biologie de l'École Normale Supérieure, Centre National de la Recherche Scientifique Unité Mixte de Recherche 8197, Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale, U1024, 75005 Paris, France (H.A., L.T., C.B.);Laboratoire de Physiologie Cellulaire et Végétale, Unité Mixte de Recherche 5168 Centre National de la Recherche Scientifique-Commissariat à l'Energie Atomique-Université Grenoble Alpes, Institut de Recherche en Sciences et Technologies pour le Vivant, Commissariat à l'Energie Atomique Grenoble, 38054 Grenoble cedex 9, France (L.-J.D., C.M., M.C., M.A.B., G.F., O.B., F.R., D.P., J.J., E.M.); andFermentalg SA, F-33500 Libourne, France (V.V.)
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