Caracterización de la familia ST en Medicago truncatula, un modelo para el estudio de esta nueva clase de proteínas vegetales

Resumen

Las proteínas ST, son una familia de proteínas con secuencias repetidas en tándem que se han descrito en la familia de las fabáceas (De Vries y col., 1983; Muñoz y col., 1997). La secuencia PsaST2 de Pisum sativum fue el primer cDNA de tipo ST descrito en la bibliografía y se identificó como un transcrito específico de tallos (stem specific, lo que da nombre a la familia ST). Los estudios realizados hasta el momento en la familia génica ST en diferentes especies, sobre todo Cicer arietinum y P. sativum, pero también Vitis vinifera, Citrullus lanatus y Medicago truncatula, han permitido relacionarla con diferentes funciones durante el desarrollo de la planta: crecimiento (Williams y col., 1993; Muñoz y col., 1997; Hernández-Nistal y col., 2006; 2010), formación de frutos (Williams y col., 1993; Waters y col., 2005; Levi y col., 2006 Albornos y col., 2014) y semillas (Albornos y col., 2014) e interacciones bióticas (Liu y col., 2007. El objetivo general de este trabajo es definir y caracterizar la familia de proteínas ST y obtener una visión global de su posible participación en diferentes procesos del desarrollo vegetal utilizando M. truncatula como sistema modelo. Hemos encontrado que las proteínas ST son un nuevo tipo de proteínas exclusivas de algunas familias de dicotiledóneas dentro del Reino Vegetal. Se caracterizan por la presencia del dominio DUF2775 y están codificadas por familias multigénicas de hasta 6 miembros, como en M. truncatula. Los genes ST mantienen una estructura conservada con un intrón próximo al extremo 5¿. Las proteínas ST tienen 3 regiones bien diferenciadas: un péptido señal, una zona N-terminal no repetida y una zona de repeticiones en tándem. El núcleo de las repeticiones consiste en un hexapéptido muy conservado, seguido de un tetrapéptido variable que denominamos X4 y una Tyr en posición 11 totalmente conservada. Según la secuencia del tetrapéptido X4 se pueden dividir en tres tipos estructurales. A pesar de que las proteínas ST presentan ciertas similitudes con las proteínas con repeticiones en tándem de la Clase III, tienen características únicas que no permiten incluirlas claramente en ninguno de sus grupos, pudiendo ser proteínas intrínsecamente desestructuradas. (Publicado en Albornos y col., 2012) Las proteínas ST tienen un péptido señal que las introduce en la vía de secreción, si bien el análisis bioinformático no permitió determinar su localización subcelular. Sin embargo, los resultados obtenidos in vivo indican que las ST de M. truncatula se encuentran localizadas en la pared celular y, tres de ellas, ST2, ST3 y ST6 se sitúan también en el interior de la célula. Esto indica que la doble localización subcelular no es una característica común de todas las proteínas ST En el estudio de la función de las proteínas de la familia ST, nuestra hipótesis de partida fue que las proteínas ST podrían tener funciones específicas y, por lo tanto, los genes ST podrían estar regulados de forma diferencial durante el desarrollo de la planta y/o responder a distintos factores ambientales. En base a esta hipótesis, hemos estudiado cómo está regulada la expresión de cada uno de los genes de la familia ST de M. truncatula, analizando los promotores, in silico e in vivo, y estableciendo la acumulación de sus transcritos. Los promotores de los genes que codifican las 6 proteínas ST de Medicago truncatula se activan fundamentalmente en las raíces, sobre todo en los primeros momentos de su desarrollo, y en las zonas más jóvenes de plántulas tanto etioladas como verdes. Su actividad no depende de la luz y se asocia al cilindro vascular. Además, todos ellos se activan en diferentes etapas y/o tejidos durante el desarrollo de flores, frutos y semillas. A pesar de las características comunes en su actividad, especialmente en plántulas, cada promotor tiene una regulación diferente que puede depender de los diferentes elementos cis reguladores que se encuentran en los mismos. El estudio de los elementos cis reguladores y la actividad de los promotores, así como el análisis de la acumulación de los transcritos, revela diferencias significativas entre los 6 miembros de la familia multigénica de M. truncatula, lo que nos ha llevado a establecer 3 grupos funcionales, el formado por la proteína ST1, el que constituyen las proteínas ST2 y ST3; y el que engloba a las proteínas ST4, ST5 y ST6, confirmando nuestra hipótesis de partida de que cada ST puede tener funciones específicas. La proteína ST1 podría estar relacionada con el estatus nutricional de la planta, en concreto con el metabolismo y movilización del nitrógeno y el fosfato inorgánico. Su cercanía a la vasculatura, su presencia en células de transferencia y su actividad más marcada en etapas tempranas del desarrollo, apoyarían dicha función. Alguna de estas características sugieren su participación en diferentes tipos de simbiosis. A pesar de haber encontrado ciertas similitudes con las proteínas de reserva vegetativa, se ha descartado que pertenezcan a este grupo de proteínas así como que puedan estar relacionadas con los procesos de elongación, como se había determinado en otras especies. Las proteínas ST2 y ST3, cuyos transcritos son los más representados, forman un grupo funcional y parecen relacionadas con la protección frente a la desecación, de forma similar a las proteínas abundantes en la embriogénesis tardía o proteínas LEA, con las que comparten numerosas características estructurales y de localización en la planta. La protección de la deshidratación se daría tanto en procesos del desarrollo, en la desecación de la semilla o en el grano de polen, como en respuesta a condiciones de estrés hídrico ambiental. La localización subcelular de las proteínas ST3 en células plasmolizadas apoya esta función. Las proteínas ST4, ST5 y ST6 de la familia ST de M. truncatula parecen actuar principalmente en las interacciones bióticas, si bien cada una de ellas está asociada a una ruta diferente de señalización. La ST4 se acumularía en respuestas reguladas principalmente por MeJA, como la defensa a insectos herbívoros, mientras que la ST5 solo se produciría ante la activación de la señalización conjunta del MeJA y el ET, que se asocia a la defensa frente a patógenos necrotrofos. Por último, la ST6 participaría en aquellas repuestas relacionadas con la vía del SA, que se activa ante organismos biotrofos, lo que incluye las interacciones beneficiosas con hongos micorrícicos. Las 3 proteínas de este grupo funcional no estarían implicadas en procesos generales del desarrollo. Albornos, L.; Cabrera, J.; Hernández-Nistal, J.; Martín, I.; Labrador, E.; Dopico, B. (2014). Organ accumulation and subcellular location of Cicer arietinum ST1 protein. Plant Sci. 224: 44-53. Albornos, L.; Martín I.; Iglesias R., Jiménez T.; Labrador E.; Dopico B. (2012). ST proteins, a new family of plant tandem repeat proteins with a DUF2775 domain mainly found in Fabaceae and Asteraceae. BMC plant biology 12: 207. 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