29 de marzo de 2007
La Jolla, CA – Los científicos han identificado tres señales diferentes que indican daño en los cloroplastos, las fábricas fotosintéticas de las células vegetales que les dan su color verde, pero se sabe poco sobre cómo la señal se transmite al núcleo. Científicos del Instituto Salk de Estudios Biológicos han dado un gran paso para explicar cómo los cloroplastos informan al núcleo de una célula cuando las cosas empiezan a ir mal en la periferia, para que la expresión génica nuclear pueda ajustarse en consecuencia.
Las múltiples señales de angustia convergen en una sola vía y canalizan la información hacia un interruptor maestro nuclear, informan los científicos en la edición del 29 de marzo de Ciencia Expreso. Como respuesta, cientos de genes involucrados en la fotosíntesis se desactivan simultáneamente para aliviar la crisis del cloroplasto.
Las plantas deben hacer frente a muchos estreses. Por ejemplo, la incapacidad de responder adecuadamente al daño fotooxidativo en los cloroplastos da como resultado una apariencia blanqueada de las hojas.
Foto cortesía de Ajit Nott.
Las plantas almacenan la mayor parte de su información genética en el núcleo, pero los cloroplastos y las mitocondrias, que actúan como las centrales energéticas de la célula, comparten parte de la responsabilidad. Sin embargo, los cloroplastos y las mitocondrias contienen miles de proteínas importadas, que necesitan trabajar mano a mano con las pocas que están codificadas en el núcleo y otras producidas localmente.
“Dicha disposición requiere una comunicación estrechamente coordinada entre los orgánulos y el núcleo, pero no se sabe mucho sobre las vías de señalización entre los cloroplastos y el núcleo, afirma el autor principal del estudio, Joanne Chory, Doctora en Filosofía., profesor y director del Laboratorio de Biología Vegetal e investigador del Instituto Médico Howard Hughes.
La base del estudio puede proporcionar información sobre otras áreas de la investigación biológica. La importancia de un flujo de información sin obstáculos hacia y desde los orgánulos celulares, por ejemplo, se ilustra en algunos tipos de cáncer, en los que la alteración en la comunicación entre las mitocondrias y el núcleo contribuye a la progresión de los tumores.
La clorofila verde en los cloroplastos absorbe la energía de la luz, lo que no solo resulta en la liberación de oxígeno, sino que finalmente se utiliza para transformar el dióxido de carbono de baja energía del aire en compuestos de alta energía como la glucosa y el almidón. Dado que los cloroplastos son la línea de vida básica de una planta, es crucial que una célula esté informada sobre su estado funcional.
En trabajos anteriores, el laboratorio de Chory descubrió que una función importante de la señalización retrógrada – es decir, del cloroplasto al núcleo – es coordinar la biosíntesis de las proteínas fotosintéticas fabricadas en el cloroplasto con aquellas subunidades codificadas en el núcleo. Estas proteínas se ensamblan luego en complejos funcionales en los cloroplastos. En experimentos realizados en la planta de mostaza Arabidopsis thaliana, “, la ”rata de laboratorio" de los biólogos de plantas, descubrieron que cuando las moléculas precursoras de la clorofila se acumulan en los cloroplastos, cientos de genes nucleares se reprimen para cerrar la línea de suministro saturada. Los herbicidas que inhiben la síntesis de proteínas en los cloroplastos tienen el mismo efecto.
Bajo condiciones de luz extrema, por ejemplo, cuando las especies reactivas de oxígeno comienzan a acumularse, las células vegetales reducen activamente el tamaño del complejo de recolección de luz para aliviar el estrés oxidativo. “Para proteger los cloroplastos del daño causado por las moléculas reactivas de oxígeno, un subproducto de la fotosíntesis a máxima potencia, los cloroplastos le dicen al núcleo que se relaje por un tiempo”, explica Chory.
Si bien estaba claro que todas estas señales diferentes debían transmitirse al núcleo para desencadenar una reacción protectora, no estaba claro cómo viajaba esta información. Para empezar a llenar los vacíos, el coautor principal Ajit Nott, un exinvestigador postdoctoral en el laboratorio de Chory y ahora investigador en Pioneer en Hyderabad, India, buscó en Arabidopsis genoma para genes que permitieron a las plantas reaccionar al daño de los cloroplastos.
Su búsqueda arrojó GUN1, abreviatura de genormes unacoplado 1, una proteína codificada nuclearmente que él pudo rastrear hasta dominios específicos dentro de los cloroplastos. Sin importar bajo qué tipo de estrés laboraron los cloroplastos, todas las señales se dirigieron a GUN1 antes de ser transmitidas al núcleo.
“Determinar la identidad de GUN1 es un avance importante y muy esperado para comprender los mecanismos de señalización retrógrada”, dice Nott y añade que “la convergencia de múltiples señales retrógradas y la naturaleza de la proteína GUN1 nos han llevado a revisar nuestra hipótesis sobre la señal retrógrada real que sale de los plástidos”.”
El coautor Shai Koussevitzky, ahora asociado de investigación en la Universidad de Nevada en Reno, examinó el final de la vía de señalización: los genes nucleares afectados por la señalización retrógrada. Identificó un corto motivo en la región reguladora de la mayoría de los genes afectados por la señalización retrógrada y señaló a ABI4 como el factor de unión correspondiente.
Los genes inducidos por la luz generalmente desempeñan un papel central durante la fotosíntesis y, la mayoría de las veces, se importan en los cloroplastos. “Proponemos que ABI4 se une al motivo de secuencia recién identificado y, al hacerlo, impide que los factores regulatorios inducidos por la luz activen la expresión génica”, dice Koussevitzky. “ABI4 podría ser el ‘interruptor maestro’ propuesto anteriormente que coordina la respuesta de una planta al estrés ambiental”.”
El trabajo fue financiado por el Howard Hughes Medical Institute y una subvención del Departamento de Energía. Shai Kousssevitzky contó con el apoyo de EMBO y el Howard Hughes Medical Institute, y Ajit Nott contó con el apoyo del Damon Runyon Cancer Fund.
El Instituto Salk de Estudios Biológicos en La Jolla, California, es una organización independiente sin fines de lucro dedicada a descubrimientos fundamentales en las ciencias de la vida, la mejora de la salud humana y la formación de futuras generaciones de investigadores. Jonas Salk, M.D., cuya vacuna contra la polio prácticamente erradicó la paralizante enfermedad poliomielitis en 1955, inauguró el Instituto en 1965 con una donación de terrenos de la Ciudad de San Diego y el apoyo financiero de la March of Dimes.
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