Los genes que dan al núcleo de la planta su forma descubierta, también regulan la tolerancia al cobre.
Investigadores de la Universidad de Tokio han identificado cómo la arquitectura del núcleo celular puede cambiar la actividad genética en las plantas. Este descubrimiento revela un conocimiento fundamental sobre la regulación del genoma y apunta hacia métodos futuros para manipular potencialmente la expresión de muchos genes simultáneamente.
Las largas hebras de ADN y la maquinaria proteica necesaria para activar o desactivar la expresión génica está contenida, flotando dentro de los núcleos de las células. El núcleo es esencialmente un saco hecho de una envoltura flexible de doble membrana que está sostenida por un marco interno de proteínas de malla fina llamado lámina nuclear.
“El ADN no se desplaza sin rumbo fijo dentro del núcleo. Esperamos que haya un posicionamiento espacial no aleatorio de genes alrededor de la lámina nuclear ”, dijo el profesor Sachihiro Matsunaga, quien dirigió el proyecto de investigación de la Escuela de Graduados de Ciencias Fronterizas de la Universidad de Tokio, publicado recientemente en Comunicaciones de la naturaleza.
La regulación genética se estudia a menudo a nivel unidimensional de lectura de la secuencia de ADN. Existen capas adicionales de regulación genética en 3D al cambiar la forma de la cadena de ADN. Los ejemplos incluyen el código epigenético que dicta cuán apretadas deben enrollar las hebras de ADN y el fenómeno de «genes besantes», donde segmentos distantes de la hebra de ADN se pliegan y cambian la actividad de los genes que se tocan entre sí.
Estos nuevos resultados proporcionan evidencia de otro método 3D de regulación genética que involucra no solo la arquitectura del genoma, sino también la arquitectura de su contenedor, el núcleo.
La comunidad científica sabe desde hace mucho tiempo que la forma y el tamaño del núcleo pueden fluctuar dramáticamente durante la vida de una célula y que estos cambios incluso pueden cronometrarse como un «reloj interno» para determinar la edad de una célula. Sin embargo, estos descubrimientos se han realizado utilizando células animales. Las plantas no poseen genes relacionados evolutivamente con los genes responsables de la lámina nuclear en los animales.
«Los libros de texto suelen tener algunas frases sobre la lámina animal, pero nada que decir sobre la lámina vegetal», dijo Matsunaga.
El trabajo anterior realizado en 2013 por algunos miembros del equipo de investigación identificó un grupo de cuatro proteínas conocidas como NÚCLEOS CROWDED (CRWN) como los componentes más probables de la lámina nuclear de la planta.
Para confirmar la presencia de proteínas CRWN en la lámina, los investigadores primero adhirieron etiquetas fluorescentes a las proteínas y aislaron núcleos de las células de la raíz de las plantas jóvenes de berro, la mala hierba que se usa comúnmente en los laboratorios de investigación. Luego midieron la ubicación de las proteínas en imágenes de microscopía de ultra alta resolución.
Estas imágenes ampliadas muestran patrones en forma de red formados por las proteínas CRWN alrededor del caparazón del núcleo.
Las células vegetales sanas tienen un núcleo de forma ovalada, que parece un huevo grande en el centro de la célula. Las plantas genéticamente modificadas para carecer de proteínas CRWN tienen núcleos que son más pequeños y redondos de lo normal, lo que probablemente crea un entorno más abarrotado para el ADN en su interior.
Luego, los investigadores examinaron las plantas modificadas genéticamente para ver si otros genes tenían diferentes niveles de actividad cuando se inhibían los genes crwn. Múltiples genes que se sabe que participan en la respuesta al cobre eran menos activos, lo que indica que de alguna manera la lámina nuclear está conectada a la tolerancia al cobre.
Las plantas que carecen de proteínas CRWN crecen más cortas que las plantas sanas incluso en suelo normal. Thale berro con genes crwn inactivos plantados en suelo con altos niveles de cobre se hizo aún más pequeño con una apariencia significativamente más débil, una prueba más de que la lámina nuclear tiene un papel en la respuesta de las plantas al estrés ambiental.
Los investigadores también visualizaron la ubicación física de los genes de tolerancia al cobre dentro del núcleo de los niveles de cobre tanto normales como altos. En plantas sanas con alto contenido de cobre, los genes de tolerancia al cobre se agruparon y se acercaron aún más a la periferia del núcleo. Los genes de tolerancia al cobre parecían extenderse y desplazarse alrededor de los núcleos en plantas con genes crwn inactivos.
“Si el núcleo de la planta tiene regiones distintas para la transcripción activa de ADN, es probable que esas regiones estén cerca de la lámina nuclear. Esto es importante e interesante porque es opuesto a las células animales, que sabemos que tienen regiones activas en el centro de los núcleos mientras que la periferia está inactiva ”, dijo Matsunaga.
La mayoría de las tecnologías de edición de genes para aumentar o disminuir la actividad de los genes trabajan directamente en el nivel unidimensional de alterar la secuencia de ADN del gen individual. Comprender cómo la lámina nuclear afecta la expresión génica podría revelar métodos futuros para alterar la actividad de muchos genes al mismo tiempo mediante la remodelación del genoma y la lámina nuclear.
Referencia: «El posicionamiento de genes subnucleares a través de la asociación de láminas afecta la tolerancia al cobre» por Yuki Sakamoto, Mayuko Sato, Yoshikatsu Sato, Akihito Harada, Takamasa Suzuki, Chieko Goto, Kentaro Tamura, Kiminori Toyooka, Hiroshi Kimura, Yasuyuki Ohkawa, Ikuko Hara-Nishimura, Shingo Takagi, Sachihiro Matsunaga, 24 de noviembre de 2020, Comunicaciones de la naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41467-020-19621-z