Molecular  and  cellular  mechanisms  for  pH  sensing,  ion  transport  and  regula6on  of  metabolism  in  corals  

Mar$n  Tresguerres  

The Alfred P. Sloan Foundation

Dr.  Ka'e  Baro+  Dr.  Dimitri  Deheyn  Ms.  Megan  Barron  Ms.  Lauren  Linsmayer  Ms.  Sidney  Pérez  Ms.  Jenny  Tu  Dr.  Alex  Venn  and  Dr.  Sylvie  Tambu+eé  (Monaco  Scien'fic  Center)  

THE  IMPORTANCE  OF  KNOWING  BASIC  BIOLOGY  AND  MECHANISMS  

 1)  Proton  pump  (VHA):  NOVEL  PHYSIOLOGY  AND  MULTIPLE  

LOCALIZATION  WITHIN  CORAL  CELL  TYPES  

2)   NKA  AND  PMCA  ATPases:    SPECIES  SPECIFIC  DIFFERENCES  

3)   Poten9al  applica9ons  for  field  studies  

Implica$ons  for  how  we  study  coral  responses  to  environmental  stress  (or  why  large  scale  proteomics  and  transcriptomics  is  not  a  good  

approach  in  corals  –at  least  yet-­‐)  

General  roles  of  ATPases  

Use  ATP  to  move  ca6ons  against  the  concentra6on  gradient  -­‐ac've  transport  -­‐secondary  ac've  transport  -­‐membrane  poten'al  

NKA  

Na+  

K+  

Na+  

H+  

Na+   aa/glc  

H+  

VHA  

Ca2+   Ca2+  pump   H+  

Ca2+   Ca2+  pump   H+  

H+  

VHA  

Ca2+  

Zoccola  et  al  (2015)  Scien$fic  Reports  

Proposed  localiza9on  (and  func9on)  in  corals  

Immunohistochemistry  

h+p://www.proteinatlas.org/  

VHA  is  abundantly  expressed  in  the  symbiosome  membrane  

VHA  Nucleus    

VHA  Nuclei  

Baro+  et  al  2015  (PNAS)  

Bafilomicyn:  VHA  inhibitor  

Lysosensor  green:  accumulates  in  acidic  compartments  

Baro+  et  al  2015  (PNAS)  

Host  VHA  acidifies  the  symbiosome  and  promotes  photosynthesis  

200

250

300

350

400

0 10 20 30 40 200

250

300

350

400

0 10 20 30 40

Time (min)

Dis

solv

ed o

xyge

n

(µm

ol L

-1)

A DMSO

Time (min)

Dis

solv

ed o

xyge

n

(µm

ol L

-1)

B Bafilomycin

C D

*

VHA  inhibi6on  in  coral  nubbins  down  regulates  oxygen  produc6on  Baro+  et  al  2015  (PNAS)  

Host pH 7.1 – 7.4 Symbiosome

pH ~4

Alga pH 7.1 – 7.4

Chloroplast

BT  ?  

HCO3-

HCO3-

HCO3-

HCO3-

HCO3-

H+

H+ H+

H+

H+ H+

H+ H+

HCO3-

CA  CA  CO2

CO2

CO2

CO2

CO2

CO2

CO2

Sugars Sugars Sugars

O2

O2

O2

O2

O2

O2

O2

Seawater  

Coelenteron  

pH  8.0,  PCO2  450  μatm  Seawater  

Coelenteron  

pH  7.6  PCO2  1800  μatm  

VHA  Nuclei  

1  

2  

3  

4  

1  

2  

ê Symbiosome  VHA  protein  abundance  during  “OA”  (é CO2)        

BUT  VHA  IS  NOT  ONLY  IN  THE  SYMBIOSOME…………….CORAL  TIP?    

Co  

Sk  

Sw  VHA  Nucleus  

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

Remove  H+  from  the  site  of  calcifica6on?  

“Relief  of  Energy  for  symbiosome  VHA”  ?  

“More  “proton  flux/calcifica9on”  VHA”?  

PMCA  Nuclei  

Skeleton  

Revisi'ng  other  parts  of  the  model=  Calcium  pump  may  not  be  in  the  membrane    

Baro+  et  al  in  press  (Am  J  Physiol  Reg)  

NKA=can  consume  between  20-­‐90%  of  all  the  energy  in  a  cell/organism      Roles?        Implica'ons  for  analyzing  results  

Differen'al  'ssue  localiza'on  of  NKA  in  two  coral  species  

NKA  Nuclei  

-­‐Localiza'on  and  func'on  is  (obviously)  key  for  interpre'ng  data  -­‐(Protein  and  mRNA)  Responses  in  one  cell  type  might  mask  responses  in  another  -­‐Other  regula'on  (PTMs,  e.g.  phosphoryla'on)  -­‐Species  specific  differences  (“a  coral  is  not  a  coral  is  not  a  coral”)  -­‐Relevance  for  corals  in  the  ‘real  world’?    

CONCLUSIONS  

Davey  Kline  

1

2

3

4

Acroporacervicornis

Orbicellaannularis

1

23

4

Simple  sampling  and  processing  methods  

Fixa9ve  

Decalcifica9on  Buffer  (ship)  

70%  Ethanol  (ship)  

-­‐Storage  at  4  oC  (archival)  -­‐Processing  (VHA,  NKA,  PMCA,  sAC,  4  other  proteins)      

Panama  

Scripps  (San  Diego)  

Money  from  NOAA,  NSF,  Founda6ons      Technician  (s)  microscopy  facili6es      Place  with  low  overhead  and  taxes    

CORAL  

OA              

Ectoderm