La estructura enzimática desbloqueada muestra cómo la hormona estrigolactona controla el crecimiento de las plantas



Como organismos sésiles, las plantas tienen que adaptar continuamente su crecimiento y arquitectura al entorno en constante cambio. 


por Andy Fell, Universidad de California en Davis


Para hacerlo, las plantas han desarrollado distintos mecanismos moleculares para sentir y responder al entorno e integrar las señales del exterior con programas de desarrollo endógenos.

Una nueva investigación del laboratorio de Nitzan Shabek en la Facultad de Ciencias Biológicas de UC Davis, publicada en Nature Plants , revela el mecanismo subyacente de la orientación y destrucción de proteínas en una vía específica de señalización de hormonas vegetales.

«Nuestro laboratorio tiene como objetivo descifrar los mecanismos de detección en las plantas y comprender cómo se puede regular la función de enzimas específicas a niveles moleculares», dijo Shabek, profesor asistente de bioquímica y biología estructural en el Departamento de Biología Vegetal. «Hemos estado estudiando una nueva señal de hormona vegetal, la estrigolactona , que gobierna numerosos procesos de crecimiento y desarrollo, incluida la ramificación y la arquitectura de la raíz».

El trabajo surge de un estudio de Shabek, publicado en Nature en 2018, que revela cambios moleculares y estructurales en una enzima, la ubiquitina ligasa MAX2 (o D3) . MAX2 se encontró en formas bloqueadas o desbloqueadas que pueden reclutar un sensor de estrigolactona, D14, y apuntar para la destrucción de un complejo represor transcripcional de ADN, D53. Las ubiquitinas son proteínas pequeñas, que se encuentran en todos los eucariotas, que «marcan» otras proteínas para su destrucción dentro de una célula.

Para encontrar la clave para desbloquear MAX2 y comprender mejor su dinámica molecular en las plantas, los becarios postdoctorales Lior Tal y Malathy Palayam, con el especialista junior Aleczander Young, utilizaron un enfoque que integraba biología estructural avanzada, bioquímica y genética vegetal.

«Aprovechamos los enfoques guiados por estructuras para mutar sistémicamente la enzima MAX2 en Arabidopsis y creamos un MAX2 atascado en una forma desbloqueada», dijo Shabek. «Algunas de estas mutaciones se realizaron guiando la edición del genoma CRISPR/Cas9, lo que nos brinda una plataforma de descubrimiento para estudiar y analizar las diferentes salidas de señalización e iluminar el papel de la dinámica MAX2».

Regulación de una red masiva de genes

Descubrieron que en la conformación desbloqueada, MAX2 puede apuntar a las proteínas represoras y decorarlas bioquímicamente con pequeñas proteínas de ubiquitina, marcándolas para su destrucción. La eliminación de estos represores permite que se expresen otros genes, lo que activa una red masiva de genes que gobierna la ramificación de los brotes, la arquitectura de las raíces, la senescencia de las hojas y la simbiosis con los hongos, dijo Shabek.

El envío de estos represores a los complejos de eliminación de proteasomas requiere que la enzima se vuelva a bloquear. El equipo también demostró que MAX2 no solo se dirige a las proteínas represoras, sino que una vez que se bloquea, el sensor de estrigolactona en sí mismo se destruye, devolviendo el sistema a su estado original.

Finalmente, el estudio descubrió la llave de la cerradura, un metabolito de ácido orgánico que puede desencadenar directamente el cambio conformacional.

«Más allá de la implicación en la señalización de plantas, este es el primer trabajo que colocó un metabolito primario como un nuevo regulador directo de este tipo de enzimas ubiquitina ligasa y abrirá nuevas vías de estudio en esta dirección», dijo Shabek.

Otros coautores del artículo son la especialista Mily Ron y la profesora Anne Britt, del Departamento de Biología Vegetal. Los datos de cristalografía de rayos X se obtuvieron en Advanced Light Source, Lawrence Berkeley National Laboratory, una instalación de usuarios del Departamento de Energía de EE. UU.



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