Agricultura Botánica y Genética Estados Unidos

Las proteínas pegajosas ayudan a las plantas a saber cuándo y dónde crecer


Dependiendo de la temperatura, una planta puede sintetizar la hormona auxina. Dependiendo de los patógenos presentes, una planta puede sintetizar auxina. Dependiendo de los nutrientes disponibles, agua, factores estresantes o señales de desarrollo: auxina.


por la Universidad de Washington en St. Louis


Cuando una planta se inclina hacia la luz a medida que crece, ¿el químico subyacente que regula ese movimiento?

Auxina

Dependiendo de la situación, la presencia de esta hormona puede ser una señal que impulsa la transcripción del ADN, promoviendo el crecimiento y el desarrollo, o puede evitar que ocurra la transcripción.

Un equipo interdisciplinario compuesto por miembros de Arts & Sciences y la Escuela de Ingeniería McKelvey de la Universidad de Washington en St. Louis ha descubierto recientemente un mecanismo por el cual una planta puede verse afectada de muchas maneras según la presencia de la misma hormona.

La investigación fue publicada el 14 de agosto en la revista Molecular Cell .

«Puede tener alguna señal», dijo la investigadora principal Lucia Strader, profesora asociada de biología en Artes y Ciencias y directora asociada del Centro de Ciencia e Ingeniería de Sistemas Vivos. «Luz, temperatura, diferentes nutrientes … la planta produce auxina en respuesta a todas estas cosas». Lo que sigue como resultado de esa liberación de auxina también puede variar, desde las respuestas al estrés hasta el desarrollo de la hoja y los cambios en la arquitectura del sistema raíz.

Esas respuestas son todos resultados de Factores de Respuesta Auxina (FRA), proteínas que se unen al ADN en el núcleo de una célula para facilitar el crecimiento y el desarrollo de una forma u otra.

La pregunta que el laboratorio de Strader estaba investigando: ¿cómo pueden los ARF hacer lo correcto, en el lugar correcto, en el momento correcto y al mismo tiempo evitar respuestas inapropiadas?

La respuesta comenzó con una comprensión actualizada de la naturaleza fundamental de los ARF.

Siempre están presentes en una planta, pero los ARF a menudo son impotentes porque están unidos por proteínas represoras Aux / IAA, que mantienen los ARF inactivos, hasta que la auxina los desacopla químicamente. Una nueva comprensión de la estructura de los ARF condujo a una nueva comprensión sobre la forma en que se conectan.

El cambio se centró en el dominio PB1, en el extremo opuesto de la proteína ARF del dominio de unión al ADN (donde el ARF, una vez en el núcleo de una célula, se unirá al ADN durante el proceso de transcripción).

A diferencia de estar unidos a las proteínas represoras o ARF en pares, «los dominios ARF PB1 son como imanes de barra en miniatura, con un lado positivo y un lado negativo, libres en dos extremos para emparejarse con otras proteínas», dijo Strader. «Existe la posibilidad de que se conviertan en largas cadenas».

Valores atípicos en el citoplasma

Resulta que la formación de la cadena de dominio ARF PB1 juega un papel inesperado.

Mientras investigaba los ARF, Samantha Powers, una estudiante graduada en el laboratorio, tuvo la tarea de etiquetar uno de los 23 ARF de Arabidopsis como parte de su investigación. La imagen con la que regresó era inusual. En lugar de encontrar los ARF en los núcleos de las células vegetales , aparecían en el citoplasma, la sustancia gelatinosa que rodea el núcleo. «Lo cual es extraño», dijo Strader.

Al buscar en la literatura estudios que muestren la ubicación de los ARF en las células vegetales, el equipo encontró uno. Solo uno. Y se veía muy diferente de lo que Powers vio en su investigación: los ARF estaban principalmente donde «deberían» estar, en los núcleos de las células, con un par de valores atípicos en el citoplasma.

Resultó que Powers había estado observando los ARF en la raíz madura de la planta, mientras que el estudio que encontraron había examinado la punta de la raíz meristemática, el área donde se dividen las células jóvenes.

«Lo hermoso de las plantas como modelo de desarrollo es que en un solo individuo, en un solo punto de tiempo, tienes todas las etapas de desarrollo presentes», dijo Strader. Las células más jóvenes se encuentran al comienzo del sistema de raíces y, dado que las células de las plantas no se mueven, simplemente se dividen hacia arriba, construyéndose unas sobre otras; Las células envejecen cuanto más lejos están de la punta.

El hallazgo de Powers, entonces, era una pista: en las células más jóvenes, los ARF estaban en el núcleo, transcribiendo ARNm, pero en las células más viejas, estaban atrapados en el citoplasma, sin hacer mucho de nada. Y en las regiones intermedias, hubo una mezcla.

Strader discutió estos hallazgos en un seminario de biofísica, después del cual Alex Holehouse, luego un Ph.D. estudiante que trabajaba en el laboratorio de Rohit Pappu, el profesor de ingeniería Edwin H. Murty en la Escuela de Ingeniería McKelvey, se le acercó con una propuesta específica.

«Él dijo: ‘Mientras estabas dando la charla, descargué las secuencias de los 23 ARF y las analicé. Tengo datos para ti'», dijo Strader.

Holehouse es actualmente un becario postdoctoral en el laboratorio de Pappu y está programado para comenzar su propio laboratorio en el Departamento de Bioquímica y Biofísica Molecular a principios de 2020. Propuso que los ARF que Powers y Strader estaban viendo en el citoplasma estaban de hecho impulsados ​​por condensados ​​de proteínas. , en parte por las «regiones intrínsecamente desordenadas» de las proteínas ARF, las regiones que se encuentran entre la unión del ADN y los dominios PB1.

Holehouse postuló que las proteínas ARF estaban en transición de estados dispersos a condensados ​​para acumularse en el citoplasma; similar a la forma en que las moléculas de agua se condensan para formar gotas.

«La sabiduría convencional dice que las proteínas tienen que adoptar formas tridimensionales específicas para reconocer sus objetivos moleculares; las IDR son diferentes en el sentido de que son cambiadores de forma», dijo Pappu. «Pueden adoptar diferentes formas dependiendo de sus contextos y estas características los convierten en impulsores ideales de condensados ​​siempre que tengan las regiones adhesivas necesarias.

«Alex analizó las secuencias y encontró una distinción compositiva muy clara», dijo Pappu.

Las IDR (regiones intrínsecamente desordenadas) de ARF particulares tenían todas las características de moléculas que se adhieren fácilmente a sí mismas. Junto con la capacidad de los ARF de conectarse y formar estructuras repetitivas, u oligomerizarse, a través del dominio PB1, los ARF de las células más antiguas se condensaron en ensamblajes que aseguran que permanezcan atrapados en el citoplasma.

Y cuando los ARF están atrapados en el citoplasma, no pueden iniciar la transcripción del ADN. «Es así de simple», dijo Pappu.

«Creemos que esta es una forma de evitar que esa vía se active en un determinado tipo de célula sin desactivarla por completo», dijo Strader.

Plantas como sistemas modelo

Guiados por el trabajo de detective de Holehouse, Powers pasó a mutar ciertos ARF para que todos ingresaran al núcleo. Descubrieron que, mientras los ARF puedan ingresar al núcleo para unirse al ADN, cuando la auxina esté presente, se producirá la transcripción, sin importar el tipo de célula.

«Es realmente emocionante porque hemos demostrado que formar condensados ​​en el citoplasma es una forma de atenuar las auxinas», dijo Strader. «Cada célula responde a la auxina cuando hay una variante de ARF que es constitutivamente nuclear, mientras que las células que no responden secuestran los ARF en su citoplasma». Una variante constitutivamente nuclear puede activar genes en todos los tipos de células.

«Los ingenieros intentan habitualmente diseñar biomateriales que puedan formar depósitos dentro de las células para controlar la liberación de material que se atasca en los depósitos», dijo Pappu. «Lo que es fascinante es el nivel de control otorgado a la localización de las proteínas ARF al hacer depósitos citoplasmáticos, los condensados, a través de IDR adhesivas en células más viejas. El aparato de fabricación de depósitos, que comprende moléculas con IDR pegajosas puede distinguir las células más viejas de las más jóvenes». poder replicar este tipo de control molecular para hacer materia activa sería un sueño para los bioingenieros «.

La colaboración continua entre los laboratorios Strader y Pappu se centra en adaptar las plantas como sistemas modelo para estudiar procesos moleculares y celulares que están vinculados a la neurodegeneración.

Esto se debe a que esta investigación muestra un papel biológico fuerte y positivo para la condensación de proteínas que, señaló Strader, es el mismo proceso que a menudo se asocia con enfermedades como el Alzheimer, la ELA y otros trastornos relacionados con los priones.

Para las plantas, esta investigación ilustra cómo la condensación es un mecanismo que puede evitar que transcriban genes al mantener los factores de transcripción fuera del núcleo en ciertos contextos, asegurando que la auxina haga lo correcto , en el momento correcto, en el lugar correcto.


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