Los investigadores identifican un nuevo mecanismo mediante el cual las plantas pueden regular la expresión de los genes

Al igual que otros organismos, las plantas deben responder dinámicamente a una serie de señales a lo largo de su vida. Pasar por diferentes etapas de desarrollo o alterar su forma en respuesta a una sequía o a un cambio drástico de temperatura requiere alterar cuáles de sus genes se expresan en proteínas y cuándo se producen esos procesos.

En un nuevo artículo publicado en Developmental Cell, un equipo de investigación dirigido por los biólogos de Pennsylvania Brian Gregory y Xiang Yu ha identificado un mecanismo por el que las plantas pueden llevar a cabo esta ágil regulación de la expresión génica.

Los investigadores desvelaron los detalles de un proceso por el que la señalización hormonal desencadena la eliminación de una estructura denominada dinucleótido de nicotinamida y adenina (NAD+) de un extremo, llamado extremo 5', de ciertas moléculas de ARN mensajero (ARNm), los transcritos que dan lugar a las proteínas.

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Cuando están presentes, estos tapones dirigen a la célula para que descomponga el transcrito de ARNm asociado, asegurando que no se produzca su correspondiente proteína.

Vimos cambios en el nivel de tapado del ARNm NAD+ que se producen en diferentes tejidos de la planta y en diferentes etapas de desarrollo. Esto parece ser un interruptor potencialmente rápido de encendido y apagado que las plantas pueden utilizar para regular sus niveles de ARN".

Brian Gregory, autor principal del estudio y profesor asociado de la Escuela de Artes y Ciencias, Departamento de Biología, Universidad de Pensilvania

"Los investigadores que trabajan en células de mamíferos habían identificado una enzima que parece realizar una acción análoga, eliminando estas tapas de NAD+", dice Yu, investigador postdoctoral en el laboratorio de Greogry y primer autor del artículo. "El nuestro es el primer estudio que muestra este proceso en un organismo vivo completo".

Este trabajo tiene su origen en los hallazgos preliminares que el laboratorio de Gregory generó hace casi una década. Mientras impartía una clase sobre el ARN, Gregory había compartido con sus alumnos un artículo sobre una versión en levadura de la proteína vegetal DX01, una enzima que ahora se sabe que es responsable de eliminar el NAD+ del ARNm.

"Me intrigó mucho lo que hacía en los eurcariontes", dice. En ese momento, su laboratorio cultivó plantas con una mutación DX01 y descubrió que su crecimiento se atrofiaba, sus hojas eran de color verde pálido, su desarrollo se retrasaba y tenían defectos de fertilidad.

"Pensé: 'Esto es genial, tenemos que trabajar en esto'", recuerda Gregory.

Al perseguirlo, descubrieron que los mutantes tenían una abundancia de pequeños ARN, moléculas a menudo asociadas con el silenciamiento de la expresión de otras moléculas de ARN. Pero al final no pudieron reconstruir una historia sensata de cómo la mutación estaba causando la acumulación de pequeños ARN, y el trabajo se estancó.

Se estancó, es decir, hasta hace unos años, cuando otros científicos que trabajan en la regulación del ARN de los mamíferos empezaron a publicar trabajos que demostraban que las células de los mamíferos también poseen DX01, y que éste podía reconocer y eliminar los tapones de NAD+.

Con esta nueva comprensión del papel del DX01, Gregory, Yu y sus colegas decidieron retomar su propio trabajo. Al estudiar las plantas, el grupo pudo llevar los hallazgos en los mamíferos un paso más allá, observando in vivo, cómo actuaba la enzima en un organismo vivo y en crecimiento.

Los investigadores confirmaron por primera vez que el DX01 actuaba de forma similar en las plantas que en los mamíferos, eliminando el NAD+ de los transcritos de ARNm. Las plantas que carecen de DX01 desarrollaron los problemas que Gregory había visto años antes: crecimiento y desarrollo atrofiados. También utilizaron una técnica para aislar y secuenciar sólo los ARNm con tapa de NAD+ y descubrieron que los transcritos de ARNm con tapa de NAD+ se daban con frecuencia para los que codificaban proteínas relacionadas con la respuesta al estrés, así como los que participaban en el procesamiento del propio NAD+. Otros análisis confirmaron que la tapa de NAD+ hacía que los ARNm tuvieran más probabilidades de romperse.

Para seguir los indicios que apuntan a una implicación en la respuesta al estrés, el equipo aplicó niveles variables de una hormona de estrés vegetal, el ácido abscísico, a plantas con o sin un DX01 funcional. Las plantas con un DX01 mutante no parecían verse afectadas por los cambios en la concentración de la hormona, mientras que las que tenían un DX01 funcional sí lo estaban, lo que apunta a un papel de la captación de NAD+ en la respuesta a esta hormona.

Y, efectivamente, descubrieron que el nivel de recubrimiento de NAD+ del ARN en respuesta al ácido abscísico cambiaba dinámicamente.

"Parece que el taponamiento del NAD+ es específico del tejido y responde al menos a una señal fisiológica concreta", dice Gregory, "al menos en las plantas. Esto es muy interesante porque parece que es un fuerte regulador de la estabilidad del ARN, de modo que la planta puede desestabilizar diferentes conjuntos de transcripciones de ARNm, dependiendo de dónde esté actuando este proceso y de la señal que se esté dando."

Los hallazgos del grupo incluso se relacionan con el inusual descubrimiento que habían hecho mucho antes, de una acumulación de pequeñas moléculas de ARN. En sus plantas mutantes DX01, observaron que los transcritos de ARNm tapados con NAD+ se procesaban en ARN pequeños, que también son inestables. Gregory, Yu y sus colegas creen que esto puede ser un mecanismo secundario para eliminar el NAD+ y deshacerse de estos transcritos no capados canónicamente, incluso en ausencia de DX01.

"Lo que ocurre es que están utilizando otra vía, fabricando pequeños ARN, quizás para recuperar el NAD+ y poder utilizarlo en otros procesos", afirma Yu.

De hecho, el NAD+ es un componente crítico en el metabolismo, por lo que tiene sentido que las plantas tengan múltiples estrategias para asegurarse de tener suficiente disponible, dicen los investigadores.

En futuros trabajos, el laboratorio de Gregory espera seguir explorando la marca NAD+, incluyendo el estudio de cómo se añade y no sólo se elimina.

"Una vez que aprendemos a añadirlo, reconocerlo y eliminarlo, nos da el poder de utilizar este proceso como herramienta para regular diversas respuestas en las plantas", dice Gregory, un poder que posiblemente podría utilizarse en la agricultura.

Pero la salud humana también podría beneficiarse de estos conocimientos. Los investigadores de Pennsylvania afirman que el trabajo merece un seguimiento en sistemas de mamíferos: "Tendría curiosidad por ver qué tipos de transcripciones de ARNm en los mamíferos responden a diferentes hormonas", dice Gregory.

La adición y eliminación de la tapa de NAD+ puede incluso estar implicada en la biología del cáncer, afirman Gregory y Yu. El metabolismo celular anómalo que se observa en las células cancerosas suele deberse a errores en el tipo de regulación que sufren los transcritos de ARNm, y existe una "probabilidad real", dice Gregory, de que el tapado y descapado del NAD+ pueda desempeñar un papel.

Por su parte, Gregory se congratula de haber podido avanzar en un área de investigación que se le escapaba hace años y que está abriendo un nuevo campo de estudio para su laboratorio.

"Esta es definitivamente una de esas historias que me recuerdan que la ciencia no es un sprint; es un maratón", dice Gregory.