Redes de control transcripción en plantas

Transcripción

1 Redes de control transcripción en plantas Stefan de Folter 1 Nayelli Marsch Martinez 2 La regulación génica a nivel transcripcional es crucial en todos los procesos biológicos. Los factores de transcripción son proteínas de unión a ADN capaces de activar o reprimir la transcripción génica. En la mayoría de los organismos modelo se han identificado las familias de proteínas que actúan como factores de transcripción; sin embargo, el entendimiento de las interacciones 1 Investigador, Doctor en Ciencias. sdfolter@ira.cinvestav.mx, 2 Doctora en Ciencias, nmarsch@ira.cinvestav.mx. Laboratorio Nacional de Genómica para la Biodiversidad (Langebio), Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional (CINVESTAV-IPN), Campus Guanajuato, Irapuato, GTO. génicas y protéicas que están a la base de sus mecanismos de acción requiere el establecimiento de estrategias amplias de Biología de sistemas. Una de las familias mas importantes de factores de transcripción en plantas es la de las proteínas tipo MADS-box. Los miembros de esta familia no se encuentran únicamente en el reino vegetal, sino en todos los eucariotes. Incluso nosotros, los humanos, requerimos estos importantes factores de transcripción para el desarrollo correcto de nuestro corazón y músculos. En plantas, estas proteínas son esenciales para diversos procesos del desarrollo, como el desarrollo de flores, frutos, raíces, hojas, óvulos y semilla, e incluso para la transición a la floración (Ng and Yanofsky, 2001). Por ejemplo, dos vegetales comunes que forman parte de la dieta humana, el brócoli y la coliflor, son mutantes naturales que tienen una proteína MADS-box no funcional. Así que, en pocas palabras, sin ciertos miembros de esta familia de factores de transcripción una planta no crecería adecuadamente o se reproduciría. Lo que nos intriga es el saber cómo trabajan este tipo de factores para llevar a cabo su importante función en el 853

2 desarrollo. Para esto, utilizamos principalmente la planta modelo Arabidopsis thaliana (Figura 1), empleada por un gran número de Biólogos en el mundo (como comparación, A. thaliana equivale al ratón como modelo de estudio para mamíferos). Se eligió como modelo debido a sus características como tamaño reducido, ciclo de vida corto, facilidad de transformación genética, y genoma pequeño. Asimismo, por sus características, fue el objeto de un proyecto de secuenciación a gran escala, y en el año 2000 fue la primera planta e incluso el primer organismo en ser completamente secuenciado (Arabidopsis Genome Initiative, 2000). Actualmente, se tiene acceso en todo el mundo al genoma completo, que contiene cerca de 30,000 genes codificantes, un número comparable al de los humanos. Figura 1. La planta modelo Arabidopsis thaliana Como parte de un amplio proyecto fundado por la Unión Europea (EU- REGIA), que tuvo como objetivo la caracterización de todos los factores de transcripción de Arabidopsis, y fue efectuado con el Prof. Gerco Angenent, realizamos análisis moleculares y filogenéticos de la familia completa de factores MADS-box en Arabidopsis (Pařenicová, de Folter, Kieffer et al, 2003). De esta manera, encontramos que Arabidopsis tiene más de 100 miembros. Además de tratar de dilucidar las funciones de estos genes (por ejemplo, el gen ABS involucrado en el desarrollo de semillas, de Folter et al, 2006), 854

3 realizamos estudios sistemáticos, como por ejemplo el perfil de sus transcritos durante ciertos procesos del desarrollo mediante el uso de arreglos (de Folter et al, 2004), y determinando todas las interacciones de proteína-proteína de estos factores de transcripción usando un sistema basado en levadura (de Folter et al, 2005; de Folter 2006). El último estudio dio como resultado un mapa detallado del interactoma de todos o casi todos los miembros de la familia de genes MADS-box. Este mapa del interactoma nos permite predecir funciones de proteínas MADS-box aún no caracterizadas, empleando una estrategia de agrupamiento (clustering) de todas las interacciones detectadas. Sorprendentemente, muchas interacciones entre proteínas involucradas en la indución de la floración y de proteínas involucradas en el desarrollo de órganos florales fueron detectadas. Esto es sorprendente, porque aunque ambos procesos pertenecen al estadio de reproducción vegetal, son procesos separados y regulados en general por grupos distintos de proteínas. Esta observación nos llevó a proponer un modelo de retroalimentación negativa entre las dos clases de proteín0as (de Folter et al, 2005). Los heterodímeros que se forman sugieren la existencia de mecanismos (auto) regulatorios que impiden que proteínas de inducción a la floración actúen en la flor (Figura 2). Actualmente, este modelo se está probando en Arabidopsis mediante el empleo de estrategias genéticas y ensayos moleculares como la inmunoprecipitación de cromatina (Chromatin immunoprecipitation ChIP). Esta técnica permite estudiar si una proteína se une físicamente al ADN in planta. 855

4 Figura 2A Figura 2B Figura 2. (A) El mapa del interactoma de la familia de genes MADS-box. Cada línea representa una interacción entre dos proteínas (círculos). (B). Modelo de retroalimentación negativa. Los heterodírmeros formados sugieren mecanismos de (auto) regulación que evitan la actividad de proteínas que inducen la floración en la flor. Como se describe en el párrafo inicial, los factores de transcripción deben unirse al ADN para activar o reprimir la expresión de genes (llamados genes blanco ). El conocimiento de genes blanco de proteínas MADS-box, y de factores de transcripción en general, es aún limitado (de Folter and Angenent, 2006). Una estrategia que hemos iniciado (con el Prof. Gerco Angenent, en 856

5 Wageningen, Países Bajos) para dilucidar los mecanismos por medio de los cuales las proteínas MADS-box llevan a cabo su importante función, es el uso de la técnica de ChIP (Gómez-Mena et al, 2005; de Folter et al, ), seguida de la hibridación contra un microarreglo que contiene secuencias de promotores, llamada ChIP-on-chip. Dada su importancia, se decidió emplear uno de los miembros de la familia MADS-box más estudiados, AGAMOUS, como un primer candidato en nuestro estudio. AGAMOUS, el primer gen MADS-box clonado en plantas, está involucrado en la formación de estambres y carpelos. Cuando este gen sufre mutaciones, se produce un fenotipo de flor-en-flor (Yanofsky et al, 1990), que carece de todos los órganos reproductivos (Figura 3). Sería muy interesante poder desentrañar la red subyacente de genes que son regulados por AGAMOUS y que da lugar a órganos florales específicos. Actualmente, estamos analizando genes que son candidatos a ser blancos, obtenidos de experimentos realizados con la técnica ChIP-on-chip. Figura 3. Una mutante agamous en Arabidopsis, que carece de todos los órganos reproductivos. Además de que muchos factores MADS-box están involucrados en la determinación de la identidad de órganos, como AGAMOUS, algunos se han descrito como reguladores del tiempo de transición a la floración. En estrecha colaboración con el grupo de la Dra. Elena Álvarez-Buylla del Instituto de Ecología de la UNAM, estamos estudiando un gen MADS-box que no había sido caracterizado funcionalmente previamente. Este gen se expresa en raíces y podría tener un papel en una vía de señalización raíz-ápice que modula el tiempo de floración. Para estudiarlo, se llevan a cabo experimentos de injertos, por ejemplo, para indagar si este gen efectivamente está involucrado en la señalización. Otras áreas de investigación en el laboratorio son el estudio de factores de transcripción que funcionan en el 857

6 desarrollo de frutos (de Folter et al, 2004), análisis de mutantes de activación afectadas en su desarrollo (Marsch- Martinez et al 2002, Marsch-Martinez et al, 2006), estrategias de bioinformática como el análisis de redes de interacciones proteína-proteína, e identificación in silico de sitios de unión de factores de transcripción a ADN. Una nueva área de interés en el laboratorio es el desarrollo de cactáceas. En resumen, estudiamos factores de transcripción relacionados con el desarrollo de plantas empleando una variedad de herramientas genómicas disponibles. El conocimiento de los procesos biológicos es muy importante, tanto científica como económicamente, para entender el desarrollo de las plantas y de los organismos en general. Como un ejemplo y comentario final, debe recordarse que las plantas son cruciales para la vida en el planeta y brindan con sus flores, frutos y otros órganos más del 80% del alimento de los humanos. Bibliografía 1. Arabidopsis Genome Initiative Analysis of the genome sequence of the flowering plant Arabidopsis thaliana. Nature 408: de Folter, S. (2006) Characterization of the MADS domain transcription factor family in Arabidopsis thaliana. PhD thesis, Radboud University Nijmegen, The Netherlands, ISBN: , de/charofthm.pdf 3. de Folter, S. and Angenent, G.C. (2006) Trans meets cis in MADS science. Trends in Plant Science 11, de Folter, S., Busscher, J., Colombo, L., Losa, A., and Angenent, G.C. (2004) Transcript profiling of transcription factor genes during silique development in Arabidopsis. Plant Molecular Biology, 56, de Folter, S., Immink, R.G.H., Kieffer, M., Pařenicová, L. Henz, S.R., Weigel, D., Busscher, M., Kooiker, M., Colombo, L., Kater, M.M., Davies, B., and Angenent, G.C. (2005) Comprehensive interaction map of the Arabidopsis MADS box transcription factors. Plant Cell, 17, de Folter, S., Shchennikova, A.V., Franken, J., Busscher, M., Baskar, R., Grossniklaus, U., Angenent, G.C., and Immink, R.G.H. (2006) Two closely related MADS box genes in petunia and in Arabidopsis involved in ovule and seed development. Plant Journal, 47, de Folter, S., Urbanus, S.L., van Zuijlen, L.G.C., Kaufmann, K., and Angenent, G.C. () Tagging of MADS domain proteins for chromatin immunoprecipitation. BMC Plant Biology, 7, Gómez-Mena, C., de Folter, S., Costa, M.M.R., Angenent, G.C., and Sablowski, R. (2005) Transcriptional program controlled by the floral homeotic gene AGAMOUS during early organogenesis. Development, 132, Marsch-Martinez, N., Greco, R., Becker, J.D., Dixit, S., Bergervoet, J.H.W., 858

7 Karaba, A., de Folter, S., and Pereira, A. (2006) BOLITA, an Arabidopsis AP2/ERF-like transcription factor that affects cell expansion and proliferation/differentiation pathways. Plant Molecular Biology, 62, Marsch-Martinez, N., Greco, R., Van Arkel, G., Herrera-Estrella, L. and Pereira, A Activation tagging using the En-I maize transposon system in Arabidopsis. Plant Physiology 129: Ng, M., and Yanofsky, M.F. (2001) Function and evolution of the plant MADS-box gene family. Nature Reviews Genetics 2, Pařenicová, L., de Folter, S., Kieffer, M., Horner, D.S., Favalli, C., Busscher, J., Cook, H.E., Ingram, R.M., Kater, M.M., Davies, B., Angenent, G.C., and Colombo, L. (2003) Molecular and phylogenetic analyses of the complete MADS-box transcription factor family in Arabidopsis: New openings to the MADS world. Plant Cell, 15, Paz-Ares J. and The REGIA Consortium REGIA, an EU project on fuctional genomics of transcription factors from Arabidopsis thaliana. Comparative and Functional Genomics 3: Yanofsky, M.F., Ma, H., Bowman, J.L., Drews, G.N., Feldmann, K.A. and Meyerowitz, E.M The protein encoded by the Arabidopsis homeotic gene AGAMOUS resembles transcription factors. Nature 346: