Agricultura Botánica y Genética España

El reloj circadiano controla el ciclo celular y el crecimiento tumoral en las plantas.

El reloj circadiano controla el ciclo celular y el crecimiento tumoral en las plantas.
Foto de una planta de Arabidopsis de tipo salvaje (arriba, izquierda) y una de sus hojas (abajo, izquierda) comparada con una Arabidopsis modificada con un reloj circadiano más lento (derecha). Como se puede observar en la imagen, la planta modificada (arriba, derecha) y sus hojas (abajo, derecha) son más pequeñas que las silvestres, debido a una división celular más lenta. Crédito: Modificado de Fung-Uceda et al. Célula de desarrollo , 2018

Los ritmos biológicos son de naturaleza omnipresente, desde los latidos del corazón hasta los ritmos de las plantas con flores. 

Esta ritmicidad está determinada en algunos casos por las oscilaciones en la actividad de las proteínas celulares, que marcan los ritmos de los procesos que controlan. 


por el Centro de Investigación en Genómica Agrícola (CRAG)


Los dos principales osciladores celulares son el llamado reloj circadiano y el ciclo celular. El reloj circadiano se encarga de generar las oscilaciones de los procesos biológicos en coordinación con el ciclo diurno y nocturno y sus cambios asociados de luz y temperatura. A su vez, el ciclo celular es responsable de la división y el crecimiento de las células. Si el ciclo celular no funciona correctamente, los efectos sobre los organismos son muy dramáticos. El más conocido es el desarrollo del cáncer. Por lo tanto, el ciclo celular debe regularse muy estrictamente para evitar un posible mal funcionamiento.

Ahora, un equipo de investigación del Centro de Investigación en Genómica Agrícola (CRAG), liderado por la investigadora del CSIC Paloma Mas, ha demostrado que en las plantas, el reloj circadiano controla la velocidad del ciclo celular , y en consecuencia regula la división y el crecimiento celular. en sincronía con los ciclos diurno y nocturno. «Hemos demostrado que el reloj circadiano está estrechamente relacionado y establece la sincronización del ciclo celular en las plantas», explica Paloma Mas, investigadora principal del estudio.

El aumento de la proteína TOC1 ralentiza tanto el reloj circadiano como la división celular

El descubrimiento, que se publica esta semana en la revista Developmental Cell , se realizó utilizando la planta modelo Arabidopsis thaliana. El equipo de CRAG utilizó plantas modificadas en las que el reloj circadiano se ralentiza debido a una acumulación creciente y constante de TOC1, un componente esencial del reloj circadiano de la planta. Sus estudios mostraron que estas plantas y sus hojas eran más pequeñas de lo normal. «Cuando contamos el número de células en las hojas de las plantas que sobreexpresan TOC1, vimos que había menos células, lo que sugería que al modificar el reloj circadiano, también estábamos modificando el ritmo de división celular», explica Jorge Fung, pre -estudiante de doctorado y primer autor del trabajo.

Además, el equipo de investigación de CRAG observó el efecto contrario al disminuir la cantidad de TOC1: «no solo el reloj circadiano va más rápido cuando hay menos TOC1, sino que también se acelera el ciclo celular», dice Paloma Mas. Así, los autores muestran que el reloj circadiano marca el ritmo del ciclo celular.

TOC1 reprime un gen esencial del ciclo celular

Para revelar cómo el reloj circadiano controla el ciclo celular, los investigadores analizaron la duración de cada fase del ciclo celular en las hojas de las plantas que sobreexpresan TOC1 y lo compararon con las plantas de control. Descubrieron que las plantas con un ciclo circadiano más largo pasaban más horas en la fase G1 del ciclo celular. “Las células de las plantas que sobreexpresan TOC1 permanecen más tiempo en la fase G1, sin poder entrar en la fase S en el momento adecuado”, dice Jorge Fung.

Al analizar la expresión de los genes del ciclo celular en las hojas de Arabidopsis, los investigadores descubrieron que varios de estos genes habían alterado las oscilaciones en plantas con alta acumulación de TOC1. En particular, fue muy evidente que el pico diurno de expresión del gen CDC6 se perdió totalmente como consecuencia del aumento de la actividad de TOC1. «CDC6 es una proteína clave en el ciclo celular, particularmente durante la duplicación del ADN, que ocurre en la fase S», dice Paloma Mas.

El reloj circadiano controla el ciclo celular y el crecimiento tumoral en las plantas.
Plantas de Arabidopsis cultivadas in vitro en las cámaras de crecimiento de CRAG. En la placa de Petri de la izquierda hay plantas de tipo salvaje y en la placa de Petri de la derecha hay plantas con un reloj circadiano modificado. Crédito: CRAG

Experimentos adicionales demostraron que TOC1 se une al promotor del gen CDC6 para reprimir su expresión. «Estos resultados demuestran que el mecanismo molecular por el cual el reloj circadiano regula el ciclo celular depende de la función represora de TOC1 en CDC6», explica Paloma Mas. «Es un nuevo descubrimiento en plantas», agrega.

Los cambios en la función del reloj circadiano afectan el desarrollo de tumores

Por último, los investigadores plantearon la hipótesis de que si el reloj circadiano controla el tiempo del ciclo celular , también podría controlar el desarrollo de tumores, que ocurren cuando las células proliferan de manera incontrolable. Para probar esta idea, el equipo de CRAG infectó las plantas de Arabidopsis con una bacteria que induce la formación de tumores y descubrió que, en comparación con las plantas normales, el crecimiento tumoral se retrasó en las plantas que sobreexpresan TOC1. Por lo tanto, los tumores crecieron más lentamente en plantas con un reloj lento.

Es evidente que el conocimiento sobre las formas de controlar el crecimiento y la productividad de las plantas tiene un interés agronómico importante. Además, este descubrimiento abre la posibilidad de futuros estudios enfocados en identificar mecanismos que ralentizan el reloj circadiano como una posible herramienta terapéutica para retrasar el desarrollo de tumores en humanos.


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