Pais: Brasil

Fecha: 09 de Febrero del 2022

Un estudio sin precedentes descifra el mecanismo clave de la respuesta de las plantas al estrés ambiental por UNICAMP, Brasil

La investigación puede contribuir al desarrollo de plantas resistentes a la sequía y también a nuevos tratamientos para enfermedades humanas.

Un artículo publicado el 2 de febrero en la revista Current Biology mostró que una proteína presente en las membranas internas de las mitocondrias es el desencadenante que activa una señal al núcleo celular cuando la planta está sometida a estrés. El estrés suele generar una situación de baja concentración de oxígeno en las células (hipoxia). La proteína de desacoplamiento mitocondrial 1 (UCP1) tiene un papel más importante de lo que se pensaba anteriormente en el metabolismo de las plantas. Ya se conocía su papel en la respuesta de las plantas ante situaciones de sequía, frío y escasez de nutrientes, pero el descubrimiento abre posibilidades para el desarrollo de plantas más resistentes a condiciones ambientales extremas, como las derivadas del cambio climático. La investigación fue realizada por científicos del Centro de Investigación en Genómica Aplicada al Cambio Climático (GCCRC) , una iniciativa conjunta entre Embrapa y el Centro de Biología Molecular e Ingeniería Genética (CBMEG) de la Unicamp, con el apoyo de la Fapesp, en asociación con científicos de la Universidad de Nottingham, Reino Unido.

Las proteínas desacopladoras se localizan en la membrana interna de la mitocondria, en células animales y vegetales, y tienen una función asociada a la respiración celular y la producción de energía. Sin embargo, cuando el organismo se ve sometido a situaciones de estrés -falta de nutrientes, enfermedades, cambios extremos de temperatura, escasez de agua-, la concentración de oxígeno disminuye, desencadenando un mecanismo de respuesta a estas condiciones adversas. La activación de la respuesta de hipoxia provoca una cascada de reacciones químicas celulares que tienen como objetivo superar estas adversidades. El descubrimiento de sensores de oxígeno en células humanas, que activan la respuesta de hipoxia, ganó el Premio Nobel para William Kaelin Jr, Peter Ratcliffe y Gregg Semenza en 2019 . La investigación sobre la respuesta a la hipoxia en células humanas ha guiado estudios destinados a desarrollar tratamientos para diversas enfermedades, incluido el cáncer.

Los mecanismos que controlan la señalización del oxígeno en humanos y plantas tienen similitudes importantes, pero no están controlados por las mismas proteínas. Pedro Barreto, autor del estudio desarrollado en su investigación de posdoctorado (financiado por la FAPESP), afirma que, a pesar de ser mecanismos diferentes, UCP1 es capaz de alterar la forma en que las células perciben el oxígeno en ambos organismos, lo que plantea hipótesis sobre un papel conservado de UCP1 en señalización mitocondrial en respuesta al oxígeno intracelular.

Otro hecho ya conocido en relación con UCP1 en células animales es la abundancia de esta proteína en las mitocondrias del tejido adiposo pardo de mamíferos en hibernación, como los osos polares. En este caso, la proteína actúa sobre la regulación de la temperatura, ayudando a producir energía en forma de calor y manteniéndolas calientes durante el invierno.

Los investigadores del GCCRC y la Universidad de Nottingham pudieron demostrar que UCP1 funciona como un disparador para activar la respuesta de hipoxia. Esto explica por qué las plantas que expresan esta proteína en altos niveles son más tolerantes a una amplia gama de estreses bióticos y abióticos.

Buscando comprender el papel de UCP1 en las plantas, los investigadores de GCCRC notaron que las plantas de tabaco, cuando producían altos niveles de UCP1, mostraban una alta expresión de genes de respuesta al estrés, incluidos los factores de transcripción involucrados en la respuesta a la hipoxia. Estas plantas se volvieron tolerantes al estrés ambiental, tuvieron un aumento en la tasa de fotosíntesis y un aumento en el tamaño de la fruta. “Este es un mecanismo general de respuesta al estrés que es inducido por UCP1”, explica Paulo Arruda, docente de la Unicamp y autor correspondiente del estudio.

En este nuevo trabajo, los investigadores demostraron que UCP1 funciona como un interruptor en la cadena de respuestas metabólicas relacionadas con la respuesta de hipoxia. La proteína actúa sobre un grupo específico de factores de transcripción que tienen el aminoácido cisteína en un extremo. “La UCP funciona como un sensor mitocondrial. Si el oxígeno es bajo, UCP1 previene la oxidación de cisteína de los factores de transcripción que controlan la respuesta de hipoxia activándolos. Estos factores de transcripción luego inducen la expresión de una amplia gama de genes codificados en el núcleo que contribuyen a la supervivencia celular. En presencia de mayores niveles de oxígeno, las cisteínas terminales de estos factores de transcripción se oxidan y estos se desactivan”, explica Arruda.

Además de mejorar el conocimiento sobre las funciones de UCP1, el descubrimiento abre el camino para el desarrollo de cultivos agrícolas tolerantes al estrés impuesto por el cambio climático. Pero también indica que las funciones de UCP1 en otros eucariotas, como los humanos, son más amplias de lo que se pensaba. “Es un mecanismo general, y cuando los mecanismos celulares básicos están presentes en prácticamente todos los eucariotas, significa que es un mecanismo importante para la supervivencia”, explica Arruda.

La presencia de la proteína desacopladora mitocondrial fue descubierta por el científico brasileño Aníbal Vercesi y colaboradores en 2001. Vercesi, a quien Arruda dedica el trabajo, había formulado la hipótesis de que la presencia de UCP1 en las plantas podría indicar la relación de la proteína con la regulación térmica vegetal ( como en los mamíferos que hibernan), permitiendo el desarrollo de plantas genéticamente modificadas resistentes al frío. La hipótesis aún no se ha confirmado, pero ha sugerido vías para investigar la proteína, que ahora se sabe que está presente en muchos organismos diferentes, y solo se conoce una parte de sus funciones.

A partir de ahora, el reto es entender si esta amplia respuesta a la hipoxia relacionada con UCP1 en plantas también está presente en animales, y de qué manera podría estar implicada, por ejemplo, en el desarrollo de cáncer.

Traducido del portugués.

Ver nota