Functional study of potential sHSPs in Arabidopsis and tomato under environmental stress.

Abstract

Las proteínas pequeñas de choque térmico (sHSP) responden a una amplia variedad de estreses ambientales, estabilizando proteínas parcialmente desplegadas y evitando su agregación irreversible, en forma independiente de ATP. En plantas, las sHSPs son especialmente diversas siendo las sHSPs de organelas una característica única de las plantas. La estructura primaria de las sHSP incluye una secuencia N-terminal no conservada de longitud variable, un dominio α-cristalino conservado (ACD) y una secuencia C-terminal corta no conservada. El dominio ACD representa una característica conservada presente en todas las sHSPs, sin embargo, no todas las proteínas que contienen un dominio ACD son sHSP. Las sHSPs pertenecen a una gran superfamilia, siendo su importancia funcional y fisiológica en gran parte desconocida. El objetivo de este trabajo fue dilucidar el rol de sHSPs de localización mitocondrial (sHSPs-M) en Arabidopsis thaliana y Solanum lycopersicum en situaciones de estrés ambiental, y caracterizar probables promotores bidireccionales que regulan la expresión de genes codificantes de proteínas con dominio ACD con orientación cabeza a cabeza en el genoma de Arabidopsis. Este trabajo cubre aspectos desde la organización genómica y la función de sHSPs-M en Arabidopsis hasta el rol de las sHSPs-M en la respuesta al estrés por frío de frutos de tomate. Para ello, se generaron plantas mutantes de Arabidopsis y de tomate utilizando la tecnología de silenciamiento génico por micro ARNs artificiales. Las plantas mutantes fueron analizadas en su proteoma, metaboloma y lipidoma en distintas condiciones de estrés. A continuación, se presenta un resumen de los resultados obtenidos. En la primera parte de este trabajo, se realizó la caracterización funcional de genes con orientación cabeza a cabeza en el genoma de Arabidopsis, que codifican para proteínas con ACD y las regiones intergénicas correspondientes. Se lograron identificar y caracterizar cuatro distintos promotores bidireccionales, entre ellos el promotor del gen At5g51440 que codifica una sHSP de localización mitocondrial (sHSP23.5). Los resultados obtenidos sugieren que el promotor bidireccional contenido en el par At5g51430-At5g51440 es fuertemente inducido por altas temperaturas en una dirección, pero no así en la dirección opuesta. El promotor contenido en el par At1g06460-At1g06470 mostró una actividad alta en ambas direcciones, teniendo por ello, un alto potencial de aplicación en ingeniería genética. Los dos promotores restantes mostraron mayor actividad en una dirección y, por lo tanto, pueden ser considerados como promotores bidireccionales asimétricos. El estudio funcional de los promotores seleccionados reveló el potencial biotecnológico de los mismos ya que pueden ser inducidos específicamente en una determinada condición (como altas temperaturas) en una o en ambas direcciones cuando sea necesario. En la segunda parte, se presenta la caracterización funcional de sHSP mitocondriales en condiciones de estrés y durante el desarrollo de Arabidopsis. Se identificaron tres genes parálogos en el genoma de Arabidopsis (At5g51440, At4g25200, y At1g52560), y se diseñaron microARN artificiales específicos para la obtención de plantas mutantes por silenciamiento (amiR simple, doble y triple). Las plantas amiR simples y dobles (para sHSP23.5 y sHSP23.6) no mostraron un fenotipo evidentemente afectado, probablemente debido a la compensación o redundancia funcional de las sHSP mitocondriales. Por otro lado, las plantas triple mutante amiR23.5/23.6/26.5 muestran un fenotipo alterado en las etapas vegetativa y reproductiva. Estas plantas presentan hojas pequeñas, células epidérmicas con áreas reducidas, pero no reducción en el número de células epidérmicas por hoja. Además, exhiben hojas cloróticas, raíces cortas y menor producción de semillas en comparación con las plantas Col-0. Las plantas triple amiR son considerablemente pequeñas debido a una alteración en el proceso de expansión celular, pero no en la proliferación celular, lo que indica una profunda alteración en el programa de desarrollo de la planta. En el análisis proteómico de las mutantes amiR se observó un aumento significativo de proteínas implicadas en el metabolismo, y alteración en la abundancia de varias proteínas relacionadas con la traducción, y con el funcionamiento y la estructura de los ribosomas. La triple mutante exhibió un mayor número de proteínas con abundancia alterada involucradas en estos procesos en comparación con las mutantes simples y doble amiR23.5/23.6. Estos cambios tan amplios observados en proteínas relacionadas con el funcionamiento de los ribosomas sugieren una posible alteración en la función normal de los mismos. Los resultados presentados en este trabajo proporcionan evidencias sobre el importante rol de las sHSPs-M no sólo en la respuesta a las altas temperaturas, sino también durante el desarrollo de la planta de Arabidopsis. Los resultados indican que una compensación funcional podría ser responsable del fenotipo observado en las plantas mutantes con niveles reducidos de cada sHSPs-M individual. Sin embargo, la reducción simultanea de las tres sHSPs-M causó una profunda alteración en la función normal de mitocondrias y ribosomas, afectando gravemente el metabolismo energético y la homeostasis celular, lo que llevó a alteraciones en el desarrollo correcto de la planta. En la última parte de este trabajo, las consecuencias de la disminución de la proteína sHSP23.8 de localización mitocondrial en frutos de tomate fueron investigadas. Los frutos fueron analizados en su fenotipo y en la susceptibilidad al daño por frío. Los frutos de las plantas mutantes amiR23.8 que fueron conservados en frío mostraron mayor pérdida de agua y de electrolitos en el tejido pericárpico en comparación con frutos WT. El deterioro observado en los frutos amiR23.8 indica que estos frutos mutantes son mayormente susceptibles al estrés por frío desarrollando síntomas de daño por frío. El lipidoma de los frutos amiR23.8 frigoconservados mostró cantidades alteradas de glicerolípidos, y los niveles de lípidos saturados en amiR23.8 disminuyeron luego del tratamiento con frío, pero no por debajo de los niveles encontrados en frutos WT en condiciones normales. Lo opuesto se encontró en el porcentaje relativo de lípidos insaturados, con niveles significativamente más bajos de insaturaciones en frutos amiR23.8 en condiciones normales y después del enfriamiento. Los resultados presentados indican una degradación diferencial de lípidos extraplastídicos y plastídicos en frutos amiR23.8, y alteraciones en la remodelación del lipidoma luego del estrés por frío, lo que podría conducir a una mayor sensibilidad al daño por frío. Los resultados discutidos aquí indican que la proteína sHSP23.8 podría estar directamente involucrada en los mecanismos de protección contra el estrés por frío en frutos de tomate.