PROTEÍNAS G HETEROTRIMÉRICAS: SEÑALIZACIÓN DE PLANTAS EN CONDICIONES DE ESTRÉS AMBIENTAL
HETEROTRIMERIC G PROTEINS: PLANT SIGNALING UNDER ENVIRONMENTAL STRESS CONDITIONS
PROTEÍNAS G HETEROTRIMÉRICAS: SEÑALIZACIÓN DE PLANTAS EN CONDICIONES DE ESTRÉS AMBIENTAL
Revista Fitotecnia Mexicana, vol. 40, núm. 2, pp. 169-180, 2017
Sociedad Mexicana de Fitogenética, A.C.
Resumen: Las proteínas G perciben el ambiente extracelular a través de receptores en la membrana plasmática transmitiendo señales hacia moléculas de señalización en el interior de las células conocidas como efectores. En las plantas, estos efectores comprenden algunas proteínas reguladoras de la transcripción, enzimas metabólicas, fosfolipasas y proteínas de andamio de la vía MAPK. Las proteínas G en las plantas presentan características parecidas a sus homólogos en el sistema animal; sin embargo, las plantas poseen dos clases de proteínas Gγ estructuralmente diferentes, las cuales son específicas de éstas. Por otro lado, este es el mecanismo por el cual las proteínas G transmiten señales a otras moléculas intracelulares en eventos de desarrollo de las plantas, así como su adaptación a condiciones de estrés ambiental, difiere del mecanismo de señalización de las proteínas G en el modelo animal. En algunas especies de plantas el mecanismo para controlar el estado activo de las proteínas G es mediante un receptor acoplado a proteínas G y por medio de una proteína reguladora de la señalización de proteínas G. En esta revisión se abordan aspectos en la estructura de las proteínas G en plantas, su participación en la señalización, algunos mecanismos de regulación de la activación de las proteínas G, las moléculas que se han propuesto como efectores y la participación de las proteínas G en eventos de estrés ambiental.
Palabras clave: Estrés, receptor acoplado a proteínas G, proteínas G, plantas, proteína reguladora de señalización de proteínas G.
Abstract: G-proteins perceive the extracellular environment through receptors on the plasma membrane and transmit signals to signaling molecules inside the cells known as effectors. In plants, these effectors comprise some transcription regulatory proteins, metabolic enzymes, phospholipases and scaffold proteins of the MAPK pathway. G proteins in plants have characteristics similar to their counterparts in the animal system; however, plants possess two classes of structurally different and specific Gγ proteins. The mechanism by which G-proteins transmit signals to other intracellular molecules during plant development, as well as their adaptation to conditions of environmental stress, differs from the signaling mechanism of G-proteins in the animal model. In some plant species the mechanism for controlling the active state of G proteins is by a G-protein coupled receptor and by means of a G-protein signaling regulatory protein. This review addresses aspects in the structure of G proteins in plants, their participation in signalling, some mechanisms of regulation of the activation of the G proteins, the molecules that have been proposed as effectors and the participation of the G proteins in events of environmental stress.
Keywords: Stress, G protein coupled receptor, G proteins, plants, regulator of G protein signaling.
INTRODUCCIÓN
Las plantas enfrentan una amplia variedad de factores ambientales (Koyro et al., 2012). Estos factores incluyen intensidad de luz, temperaturas extremas, salinidad, sequía, nutrientes, ozono y estrés anaeróbico, entre otros (Suzuki et al., 2014). Debido a que las plantas son organismos sésiles, éstas responden a las condiciones ambientales a través de sistemas muy eficientes de señalización a nivel de membrana. Dentro de estos sistemas de membrana plasmática, se encuentran caracterizados en plantas los receptores ligados a enzimas y los acoplados a proteínas G (Tuteja y Sopory, 2008). Las proteínas G son moléculas que físicamente acoplan una señal percibida por un receptor en la membrana plasmática, hacia enzimas efectoras dentro de la célula (Temple y Jones, 2007). La señalización a través de proteínas G está implicada en una amplia variedad de procesos de desarrollo de las plantas, actividad de hormonas y respuesta a estrés biótico y abiótico (Ma et al., 2015). Sin embargo, el papel que juegan las proteínas G en las plantas no ha sido completamente caracterizado (Chakraborty et al., 2015a). En esta revisión se pone en contexto la forma en que las proteínas G transmiten las señales extracelulares hacia el interior de las células vegetales.
PROTEÍNAS G HETEROTRIMÉRICAS
Las proteínas G heterotriméricas (proteínas G) se encuentran dentro de los principales componentes del sistema de transducción de señales de los organismos eucariotas. Su función es transmitir señales extracelulares a componentes de señalización intracelular y mediar diversas respuestas fisiológicas (Urano et al., 2013; Wolfenstetter et al., 2015). Las proteínas G constan de tres subunidades, α (Gα), β (Gβ) y γ (Gγ). Son proteínas citoplasmáticas y están consideradas entre los principales moderadores metabólicos intracelulares (Ma et al., 1990). De acuerdo con el modelo clásico de señalización de las proteínas G, un receptor transmembránico acoplado a proteínas G (GPCR, G-protein coupled receptor) permite el intercambio del guanosín difosfato (GDP) por guanosín trifosfato (GTP) sobre la proteína Gα, en respuesta a un estímulo de una señal extracelular, lo que provoca la disociación de Gα-GTP del dímero Gβγ. Cada una de estas entidades tiene la capacidad de activar diferentes moléculas de señalización dentro de la célula e iniciar una respuesta celular (Jones et al., 2011; Pandey, 2011). El heterotrímero (Gαβγ) se inactiva por la hidrólisis del GTP a GDP, la cual es acelerada por una proteína reguladora de señalización (RGS, regulator of G-protein signaling) (Urano et al., 2015).
En plantas, se sugiere que no todas las proteínas que aceleran la actividad GTPasa (GAPs) pertenecen a la familia de las RGSs (Khalil et al., 2011) y que pueden jugar un papel opuesto al observado en células animales, ya que en Arabidopsis (Arabidopsis thaliana), la activación de las proteínas G depende de la internalización de RGS (AtRGS1), una GAP que actúa como un regulador negativo que mantiene a Gα unida a GDP (Wolfenstetter et al., 2015). Las proteínas G están involucradas en múltiples respuestas fisiológicas en plantas, como las inducidas por ácido abscísico (ABA), giberelinas y brasinoesteroides (Izawa et al., 2010), a la luz azul y a la radiación UV (Warpeha et al., 2007; Warpeha et al., 2008), al estrés biótico y abiótico (Bhardwaj et al., 2012), así como en la regulación de la actividad de canales iónicos (Gao et al., 2010). Los genes de Gα, Gβ y Gγ se han identificado, secuenciado y aislado en diferentes especies de plantas, pero a diferencia de los sistemas animales, el número de genes que codifican para los componentes de proteínas G heterotriméricas es menor.
En mamíferos se han descrito alrededor de 16 genes Gα, cinco genes Gβ, y seis genes Gγ (Gao et al., 2010), mientras que en Arabidopsis y arroz (Oryza sativa) hay sólo una copia de Gα y Gβ (Choudhury et al., 2011; Zhu et al., 2009), y tres copias del gen Gγ en ambas especies (Trusov et al., 2012; Yadav et al., 2014). La presencia de sólo una copia de Gα y Gβ en Arabidopsis y arroz sugiere la especificidad de señalización por proteínas G y es proporcionada principalmente por la multiplicidad de Gγ (Choudhury et al., 2011). Sin embargo, en plantas como chícharo (Pisum sativum L.) se han encontrado dos genes Gα (Marsh y Kaufman, 1999), en soya (Glycine max L.) hasta cuatro genes Gα y Gβ y diez Gγ (Bisht et al., 2011; Choudhury et al., 2011), mientras que en pimiento morrón (Capsicum annuum L.) existen al menos un gen Gα y uno Gβ y tres genes Gγ (Romero-Castillo et al., 2015) (Cuadro 1).
La subunidad α
La Gα descrita en plantas, presenta un peso molecular aproximado de entre 39 y 52 kDa (Hossain et al., 2003a; Kang et al., 2001; Marsh y Kaufman, 1999; Saalbach et al., 1999; Seo et al., 1995). En su extremo amino, Gα contiene sitios de interacción con el dímero Gβγ y sufre modificaciones postraduccionales de miristoilación/palmitoilación en su extremo amino, que le confieren afinidad con las membranas (Tuteja y Sopory, 2008). En este sentido, la presencia de sólo un tipo de modificación, ya sea miristoilación o palmitoilación es insuficiente para dirigir a Gα a la membrana plasmática (Temple y Jones, 2007). Estructuralmente, Gα contiene cinco regiones conocidas como cajas G (G1-G5) que están conservadas en las proteínas G y se encuentran involucradas con el enlace a GTP y su hidrólisis (Tuteja y Sopory, 2008; Urano et al., 2013). La G1 puede unirse a grupos fosfato en los residuos de purina de las moléculas de GTP. La G2 es un sitio que permite la unión de Gα con moléculas efectoras. La G3 participa en la unión a un ion Mg+2 asociado a un nucleótido.
Los residuos de la G4 hacen contacto con la guanina mediante puentes de hidrógeno, lo que exhibe alta afinidad a GTP sobre moléculas de ATP. Por su parte, en G5, existen aminoácidos que confieren especificidad con nucleótidos de guanina (Colicelli, 2004). En el extremo carboxilo de Gα se ubican regiones interruptoras conocidas como Switch I, II y III (Figura 1). Estas regiones interruptoras interactúan con RGS cuando Gα se encuentra en su estado de transición para la hidrólisis de GTP y tienen la función de terminar con la señalización y así inactivar a la proteína G (Soundararajan et al., 2008). En el extremo carboxilo de Gα se identificaron sitios GoLoco que evitan la liberación de GDP y el re-ensamble de Gα con Gβγ, lo que permite que Gα permanezca unida al receptor y que Gβγ continúe interactuando con moléculas efectoras. Las moléculas reguladoras con sitios GoLoco actúan como inhibidores de la disociación de guanina (GDI, guanine nucleotide dissociation inhibitor) sobre Gα (Kimple et al., 2002).
El dímero βγ
La Gβ tiene una masa molecular de alrededor de 35-36 kDa y pertenece a la familia de proteínas WD40 que presentan un dominio de 40 aminoácidos, el cual a menudo termina en un dipéptido de triptófano (W)- ácido aspártico (D). Este dominio está relacionado con interacciones proteína-proteína (Tuteja y Sopory, 2008). El dominio WD40 se encuentra en el extremo carboxilo de Gβ y contiene los sitios de unión con moléculas efectoras y con Gα. La interacción con Gα ocurre en su estado inactivo unida a GDP, mientras que la interacción con efectores puede ocurrir después de la disociación con Gα (Urano et al., 2013). En el extremo amino de Gβ se encuentra una estructura helicoidal que permite la interacción con Gγ, que es esencialmente irreversible bajo condiciones no desnaturalizantes (Temple y Jones, 2007) (Figura 1). Por su parte, Gγ es la subunidad más pequeña (de 6 a 10 kDa) y diversa desde un punto de vista estructural (Trusov et al., 2012; Tuteja y Sopory, 2008). En su extremo amino forma una estructura en espiral con Gβ (Pellegrino et al., 1997). La subunidad Gγ es esencial en el heterotrímero, no sólo por su estrecha unión a Gβ, sino por mantener al dímero Gβγ unido a la membrana plasmática (Trusov et al., 2012). Algunas Gγ contienen en su extremo carboxilo una región factible de ser modificada postraduccionalmente por prenilación, crucial para su anclaje a la membrana plasmática (Temple y Jones, 2007; Urano et al., 2013; Wolfenstetter et al., 2015). Aunque varias Gγ en plantas no presentan esta región de prenilación en su extremo carboxilo, se ha propuesto una clasificación con base en su estructura (Urano et al., 2013). La clase A incluye Gγ pequeñas que contienen el sitio de prenilación CaaX (CaaX significa Cisteína, dos residuos con cadenas laterales alifáticas y X es cualquier residuo). La clase B está conformada por subunidades parecidas a la clase A, pero no contienen el sitio CaaX, por lo cual se presume que los dímeros Gβγ formados con esta clase de subunidad γ, podrían no localizarse en la membrana plasmática. La clase C, corresponde a las subunidades que contienen un dominio amino terminal similar a las clásicas Gγ, un dominio transmembranal y un dominio carboxilo terminal rico en cisteínas, lo cual podría conferirles una localización extracelular (Botella, 2012; Urano et al., 2013) y, por lo tanto, capaces de percibir y transmitir señales extracelulares (Wolfenstetter et al., 2015) (Figura 1).
CARACTERIZACIÓN DE PROTEÍNAS G EN PLANTAS
Los genes de las subunidades α, β y γ de las proteínas G, se han aislado y caracterizado en diferentes especies de plantas. En 1990 se aisló el gen que codifica para la subunidad Gα de Arabidopsis, llamado GPA1, el cual codifica una proteína de 383 aminoácidos (44.5 kDa). Esta proteína tiene 36 % de identidad con otras Gα de mamíferos (Ma et al., 1990). Posteriormente, se identificó el gen Gα de tomate (Solanum lycopersicum), TGA1, que codifica una proteína de 384 aminoácidos (44.9 kDa) y tiene una identidad de 84.6 % con GPA1 (Ma et al., 1991). Seo et al. (1995) aislaron el gen para Gα de arroz, RGA1, que codifica un polipéptido de 380 aminoácidos (44.5 kDa) y presenta una identidad de 74.5 % con TGA1 y 73.9 % con GPA1. Weiss et al. (1994) aislaron de Arabidopsis y maíz (Zea mays L.) el gen de la subunidad β de proteínas G, denominados AGB1 y ZGB1, respectivamente. Los genes de AGB1 y ZGB1 codifican una proteína de 377 aminoácidos (40.9 kDa) y 380 aminoácidos (41.6 kDa), respectivamente, y presentan una identidad de 76 % entre ellos y una homología de 41 % con otras Gβ de humanos. El gen Gβ de arroz, RGB1, que codifica una proteína de 380 aminoácidos (41.7 kDa) fue identificado por Ishikawa et al. (1996). Por otro lado, en Arabidopsis se aisló el gen Gγ (AGG1) que codifica una proteína de 98 aminoácidos (10.8 kDa) con regiones altamente conservadas con las Gγ de mamíferos (Mason y Botella, 2000). Se caracterizaron dos genes Gα en trigo (Triticum spp.), TaGA1 y TaGA2, que codifican proteínas de 383 aminoácidos (51.3 kDa) y 390 aminoácidos (52.5 kDa), respectivamente (Hossain et al., 2003a). Además de Arabidopsis y arroz, los componentes de proteínas G también han sido caracterizados completamente en algunas especies de plantas con importancia económica en la agricultura (Cuadro 1). La caracterización de los componentes de proteínas G heterotriméricas ha permitido entender su participación en la germinación, crecimiento de la raíz y en la respuesta de la planta a estrés biótico y abiótico (Perfus-Barbeoch et al., 2004).
EFECTORES EN PLANTAS
Cuando las proteínas G son activadas, Gα-GTP y Gβγ se separan y cada una de estas moléculas puede interactuar con diferentes proteínas conocidas como efectores, para continuar una cascada de señalización en la célula (Cabrera-Vera et al., 2003). Estos efectores de proteínas G en mamíferos se encuentran bien caracterizados, entre ellos algunas fosfolipasas, fosfodiesterasas, adenilil y guanilil ciclasas, y cinasas (Lapik y Kaufman, 2003). En plantas, la manera que las proteínas G transmiten las señales a otras moléculas es poco conocida (Lapik y Kaufman, 2003; Tuteja y Sopory, 2008). En Arabidopsis se identificó la proteína PRN1 que interactúa con GPA1 en la germinación y en la floración de la planta. PRN1 es un homólogo de la proteína Pirin en mamíferos, que interactúa físicamente con factores de transcripción de unión a la caja CAAT, lo que regula la actividad de un gran número de factores de transcripción. Es así, como la unión de GPA1 y PRN1 representa una forma de regulación transcripcional en plantas (Lapik y Kaufman, 2003).
Otro candidato como efector en plantas es la proteína RACK (receptor para cinasa C activada), regulada por Gα durante el desarrollo embrionario y germinación de semillas en arroz (Komatsu et al., 2005). THF1 (proteína de formación de tilacoide) es otro efector en plantas. En Arabidopsis se ha demostrado que THF1 interactúa con GPA1 en respuesta a altos niveles de azúcar. Las mutantes con pérdida de función de THF1 (thf1) en Arabidopsis, presentaron hipersensibilidad a D-glucosa exógena. THF1 es una proteína localizada en la membrana externa de los plastos e interactúa con GPA1 cuando la membrana del plasto está en contacto con la membrana plasmática, para mediar señales en procesos como la síntesis de almidón en plastos de la raíz (Huang et al., 2006). Las fosfolipasas C (PLC) y D (PLD) son otro tipo de efectores regulados por proteínas G en plantas (Perfus-Barbeoch et al., 2004). Durante la regulación de la apertura de estomas, PLC y PLD actúan como efectores en la respuesta a ABA (Jacob et al., 1999; Wang et al., 2001; Zhang et al., 2004).
En Arabidopsis se identificaron dominios críticos para la interacción física entre GPA1 y un tipo de PLD, la PLDα1 (Zhao y Wang, 2004). Adicionalmente, Gookin y Assmann (2014) demostraron la interacción de GPA1 y AGB1 de Arabidopsis con PLDα1, donde GPA1 y AGB1 pueden regular de manera diferencial a PLDα1, una vez disociadas del heterotrímero (Gα y Gβγ). Misra et al. (2007) documentaron que un tipo de PLC, la PLCδ, es otro efector de Gα que estimula la actividad GTPasa de la misma. Por otro lado, una proteína citosólica identificada en Arabidopsis, llamada prefenato dehidratasa (PD1) que tiene interacción con GPA1, juega un papel en la síntesis de fenilpiruvato y subsecuente producción de fenilalanina, mediada por luz azul. Ante la exposición a esta luz se induce la activación de GCR1 (receptor acoplado a proteínas G) y GPA1, se activa a PD1 y se produce fenilalanina (precursor de fenilpropanoides) como protección de la planta ante el estrés (Warpeha et al., 2006). PD1 es un efector de GPA1 en la cascada de señalización para desencadenar la resistencia a la radiación UV en Arabidopsis. La síntesis de fenilpropanoides como material de protección de la planta ante la radiación UV, sigue la ruta GCR1-GPA1-PD1 (Warpeha et al., 2008). En este sentido, He et al. (2013) encontraron que la radiación UV-B provoca un incremento en la producción de H2O2 y subsecuente acumulación de óxido nítrico (NO) que induce el cierre estomático en Arabidopsis, respuesta mediada por GPA1.
MECANISMOS DE REGULACIÓN DE LAS PROTEÍNAS G HETEROTRIMÉRICAS
Las proteínas G heterotriméricas son mediadoras de estímulos extracelulares hacia el interior celular a través de receptores y efectores (Choudhury y Pandey, 2015; Offermanns, 2003; Schappi et al., 2014). Este sistema de transducción de señales incluye además otros factores que intervienen en el proceso de la señalización, como las proteínas aceleradoras de la actividad GTPasa (GAPs) y las proteínas inhibidoras de la disociación del nucleótido guanina (GDIs), que regulan negativa y positivamente a Gα, respectivamente (Temple et al., 2010). Entonces la subunidad Gα puede ser activada por factores de intercambio del nucleótido guanina (GEFs) y su activación puede ser inhibida por GDIs, mientras que su desactivación puede ser acelerada por una RGS que se une a Gα y acelera su actividad GTPasa (Offermanns, 2003; Sprang, 1997; Siderovski y Willard, 2005; Temple et al., 2010). Aunado a lo anterior, existen estimuladores extracelulares, conocidos como ligandos, que se unen a los receptores y que provocan cambios en su conformación, lo que estimula el intercambio de nucleótidos en Gα (GDPGTP). La unión de Gα-GTP ocasiona la disociación del heterotrímero en Gα-GTP y Gβγ, cada entidad interactúa con los efectores y la señal es finalizada mediante la hidrólisis de GTP que puede ser acelerada por una proteína RGS, lo que regresa a la proteína G a su estado inactivo (Pandey y Assmann, 2004).
Mecanismos mediados por un receptor acoplado a proteínas G y por una proteína reguladora de señalización
Los receptores acoplados a proteínas G o GPCRs son factores de intercambio del nucleótido guanina (GEF, guanine nucleotide exchange factor). Su principal característica es presentar un dominio que contiene siete regiones transmembranales (7TM) altamente conservadas (Urano y Jones, 2013). En Arabidopsis se encontró el gen GCR1 que codifica una proteína con una alta similitud en su secuencia de aminoácidos a un GPCR de mamíferos, además de una estructura clásica 7TM con su extremo amino fuera y su extremo carboxilo dentro de la membrana plasmática, característica de los GPCRs (Josefsson y Rask, 1997). Así mismo, se demostró que GCR1 interactúa físicamente con GPA1 y actúa como regulador negativo en la respuesta a ABA en Arabidopsis (Pandey y Assmann, 2004). En otros trabajos, se reporta que GCR1 participa junto con GPA1 en una ruta de señalización responsable de la síntesis de fenilpropanoides mediada por luz azul (Warpeha et al., 2006). Chícharo y arroz contienen un único gen que codifica para GPCR, denominados PsGPCR y OsGPCR, respectivamente; los cuales generan en su secuencia de aminoácidos una región 7TM (Misra et al., 2007; Yadav y Tuteja, 2011). Otros candidatos a receptores tipo GPCR han sido propuestos en plantas, tales como GTG1, GTG2 (Pandey et al., 2009) y las proteínas MLO (Urano y Jones, 2013); sin embargo, las plantas utilizan un sistema de regulación de señales diferente al reportado en mamíferos.
En este mecanismo de señalización en plantas la proteína RGS juega un papel muy importante (Urano et al., 2013). La proteína RGS en Arabidopsis, AtRGS1, tiene una topología parecida a un GPCR con un dominio 7TM, un extremo amino extracelular y un extremo carboxilo intracelular. El extremo carboxilo contiene una caja RGS que se caracteriza por unirse y acelerar la actividad GTPasa de GPA1 (Chen et al., 2003). Se han reportado genes que codifican para estas proteínas transmembránicas de 7TM-RGS en plantas vasculares, pero hasta el momento no se han reportado en plantas no vasculares y gramíneas (Phan et al., 2013), donde aún se desconoce el mecanismo de regulación del estado activo de las proteínas G (Urano y Jones, 2014). En Arabidopsis, GPA1 no requiere de un GEF para su activación, porque se disocia de manera espontánea de GDP y establece un fuerte enlace con GTP, donde AtRGS1 actúa como una GAP regulada por glucosa (Johnston et al., 2007). Con una D-glucosa u otro tratamiento como ligando, AtRGS1 es fosforilada en su extremo C-terminal por una proteína quinasa de la familia de las WNK (AtWNK8), que promueve la endocitosis de AtRGS1. La endocitosis de AtRGS1 interrumpe su actividad de GAP y es probablemente el mecanismo utilizado para mantener activa la señalización por proteínas G en la membrana plasmática (Urano et al., 2012; Urano et al., 2013).
Debido a que GPA1 no requiere un GEF para su activación, la existencia de un receptor acoplado a proteínas G (GPCR) ha sido una interrogante en el reino de las plantas. La utilización de diferentes servidores para predecir el plegamiento de una proteína (I-TASSER, LOMETS, HHpred, FUGUE y Phyre) indican que GCR1 es el único candidato en plantas como posible GPCR (Taddese et al., 2014). GCR2 fue reportado como un homólogo humano de la lantionina sintetasa bacteriana (Gao et al., 2007). GTG1 y GTG2 son homólogos de la proteína GPR89a, la cual es una proteína reguladora del pH del aparato de Golgi (Urano et al., 2013). Por otro lado, las proteínas MLO presentan un dominio 7TM, pero no se ha podido confirmar su acoplamiento con proteínas G (Urano y Jones, 2013). En apoyo a la hipótesis de que GCR1 es un GPCR en plantas, Chakraborty et al. (2015b) realizaron un análisis del transcriptoma bajo las mismas condiciones para GPA1 y GCR1 en el cual compararon los genes de respuesta identificados para GPA1 y GCR1, en el que encontraron 104 genes en común, que corresponden a 26 y 30 % del total de los genes de respuesta identificados, respectivamente. Es decir, que GCR1 y GPA1 además de regular algunos genes en común, juegan un papel totalmente independiente entre sí.
Otros mecanismos de regulación de señales
La regulación de la señalización por proteínas G involucra dos familias de proteínas, la familia de las proteínas RGS y la familia de las proteínas que contienen el motivo GoLoco (Mendoza et al., 2014). Como se mencionó anteriormente, las proteínas RGS tienen una actividad GAP, que acelera el cambio de GTP a GDP, lo que inactiva al heterotrímero (Jones et al., 2011). Las plantas inferiores y las gramíneas no presentan RGS, por lo que se asume que tienen otro mecanismo de regulación del estado activo de Gα (Urano y Jones, 2014). No obstante, aunque se ha descrito que proteínas que contienen el motivo GoLoco pueden unirse a Gα-GDP e inhibir la disociación del heterotrímero, en plantas estas proteínas no han sido estudiadas (Kimple et al., 2002). En arroz, la subunidad Gα presenta en el extremo amino de su secuencia de aminoácidos un motivo GoLoco lo cual indica que podría actuar como GDI (Yadav et al., 2013). Por otro lado, la presencia de un dominio rico en cisteína en el extremo carboxilo de AGG3 (Gγ3 de Arabidopsis) la convierte en una subunidad atípica dentro de las Gγ (Chakravorty et al., 2011). El dominio CaaX rico en cisteína en el extremo carboxilo de AGG3 posee una región extracelular que podría estar involucrada en la percepción de estímulos extracelulares (Wolfenstetter et al., 2015).
RESPUESTA A ESTRÉS ABIÓTICO MEDIADA POR PROTEÍNAS G HETEROTRIMÉRICAS
El estrés abiótico en las plantas puede ser ocasionado por factores ambientales como las temperaturas extremas, la baja o alta radiación, condiciones de sequía, escases de nutrientes en el suelo, o elevada salinidad en el suelo (Koyro et al., 2012). Las plantas responden e incluso se adaptan a condiciones de estrés ambiental de una manera compleja e integrada (Öktem et al., 2008). Algunas formas en que las plantas se adaptan y toleran el estrés incluyen cambios fisiológicos como reducción del área foliar, abscisión y marchitez de hojas, estimulación del crecimiento radicular, alteración en el contenido de agua, producción de especies reactivas de oxígeno, entre otras. Por otro lado, las respuestas moleculares de la planta al estrés abiótico incluyen la percepción y transducción de señales, expresión de genes y cambios metabólicos (Lata et al., 2011). Este sistema de comunicación celular permite que las células coordinen estímulos ambientales e intracelulares, lo que integra las señales extracelulares a una respuesta intracelular mediante moléculas efectoras a través de las proteínas G, donde éstas llegan a regular alrededor del 80 % de las señales extracelulares a través de las membranas en las plantas (Yadav et al., 2014). Las proteínas G están asociadas con la respuesta de la planta al estrés abiótico (Cuadro 2).
Radiación
La radiación ultravioleta (UV) comprende alrededor del 8 % de la radiación solar total y se divide en tres tipos: UV-C, UV-B y UV-A, debido a su rango de longitud de onda. La radiación UV-B es de particular interés porque puede causar una variedad de daños en las plantas como inducción del cierre estomático que puede afectar la eficiencia del intercambio de gases, cambios en la anatomía y grosor de la hoja que pueden afectar el entorno de luz de la hoja, cambios en la morfología del dosel que pueden afectar la morfología de la planta (Hollósy, 2002). Las plantas responden a la radiación UV-B lo que estimula mecanismos de protección, el más común es la biosíntesis de compuestos fenólicos y flavonoides que absorben este tipo de radiación (Frohnmeyer y Staiger, 2003).
Warpeha et al. (2006) demostraron que la luz azul induce la acumulación de fenilpiruvato y subsecuente fenilalanina (Phe) en plántulas etioladas de Arabidopsis mediante la acción de la prefenato dehidratasa (PD1). GCR1-GPA1-PD1 forman parte de una cadena de señalización, donde GPA1 interactúa con PD1, enzima responsable de la conversión de prefenato a fenilpiruvato. La radiación UV-B también puede estimular la actividad de PD1 mediante la misma ruta GCR1-GPA1-PD1, donde PD1 actúa como efector de GPA1 y son críticos para la síntesis de fenilpropanoides en la resistencia a los daños ocasionados por la radiación UV en Arabidopsis (Warpeha et al., 2008). En Arabidopsis, el mecanismo de señalización a través de GCR1 y GPA1 puede redistribuir las señales a través de diferentes efectores en los estados de desarrollo de la planta, en diferentes tejidos y en respuesta al estrés abiótico (Warpeha et al., 2007). Una respuesta de las plantas al efecto de la radiación UV fue observada en mutantes de Arabidopsis, donde GPA1 transmitió señales por radiación UV-B, lo cual indujo la síntesis de H2O2 que es esencial para la producción de NO que regula el cierre de los estomas en las hojas por el efecto de la radiación UV-B (He et al., 2013).
Temperatura
El estrés ocasionado por las temperaturas extremas puede afectar el crecimiento y producción de las plantas (Zhang et al., 2015). La temperatura puede detonar mecanismos de tolerancia en la planta para adaptarse al estrés ambiental. Estos mecanismos incluyen la activación de elementos que regulan la transcripción de genes y se ha reportado que a través del GPCR, las proteínas G heterotriméricas participan en la tolerancia al estrés abiótico en células vegetales (Yadav y Tuteja, 2011). Por otro lado, ABA interviene en el desarrollo de las plantas, así como en su adaptación al estrés abiótico provocado por bajas temperaturas, salinidad y sequía, además de ser un regulador de las vías de señalización mediadas por proteínas G (Alvarez et al., 2011). En arroz se ha reportado que el gen Gα (RGA1) es sobre-regulado por el estrés ocasionado por el frío, mientras que el calor ocasiona una regulación baja de RGA1. La proteína RGA1 participa en la respuesta al estrés ocasionado por la temperatura en rutas dependientes de ABA, lo que regula la transcripción de genes a través de elementos de respuesta a estrés presentes en la región promotora del gen (Yadav et al., 2013).
Yadav et al. (2012) señalan que las subunidades Gγ1 y Gγ2 de arroz (RGG1 y RGG2) pueden mostrar alta actividad en respuesta al estrés ocasionado por bajas temperaturas en la planta, mediante la activación de elementos de respuesta a estrés por temperaturas bajas (LTRs) presentes en la región promotora de los genes RGGs. RGG1 y RGG2, al igual que RGA1 siguen una ruta dependiente de ABA en la respuesta al estrés por temperatura en arroz. Por su parte, la señalización por el estrés ocasionado por calor en arroz, es independiente de RGA1, RGG1 y RGG2 (Yadav et al., 2012; Yadav et al., 2013). Por el contrario, las subunidades Gα y Gβ de chícharo (PsGα y PsGβ, respectivamente), confieren a la planta resistencia a temperaturas altas (Misra et al., 2007). En arroz, la subunidad Gβ, RGB1, participa en la señalización del estrés ocasionado por frío a través de LTRs mediante vías independientes de ABA.
La localización de RGB1 en el núcleo revela que puede jugar un papel más amplio y regular la expresión de ciertos genes (Yadav et al., 2014). Al igual que RGB1, la subunidad Gβ de Arabidopsis (AGB1) ha sido localizada en el núcleo y la interacción de AGB1 con factores de transcripción ha sido reportada (Klopffleisch et al., 2011), lo cual sugiere otra forma de regular la tolerancia al estrés abiótico en las plantas (Yadav et al., 2014). Por otro lado, Chakraborty et al., (2015c) encontraron que en Arabidopsis tanto GCR1 como GPA1 regulan el incremento de los niveles de enzimas como la superóxido dismutasa, ascorbato peroxidasa y catalasa, las cuales mantienen niveles bajos de ROS (especies reactivas de oxígeno) como respuesta de la planta al estrés ocasionado principalmente por la temperatura baja seguido del estrés que ocasiona la temperatura alta.
Salinidad
La salinidad impone un efecto de escasez hídrica y de toxicidad iónica que altera los procesos primarios de transporte a través de desórdenes nutricionales, metabólicos, de crecimiento, de desarrollo y en la homeostasis (Khatri y Mudgil, 2015). Para atender los problemas que se presentan en los cultivos por efecto de la salinidad, es necesario un mejor entendimiento de las bases moleculares y fisiológicas que faciliten la ingeniería de los cultivos en la tolerancia al estrés salino (Colaneri et al., 2014). En chícharo, se observó que PsGα confiere tolerancia a este tipo de estrés, mientras que PsGβ no participa, donde, PLC aparece como una molécula efectora en la señalización mediada por Gα en respuesta a la salinidad en chícharo (Misra et al., 2007). En Arabidopsis, GCR1 y GPA1 responden a altas concentraciones de Na+, que regulan enzimas a nivel post-traduccional y mantienen los niveles bajos de especies reactivas de oxígeno (ROS) durante la tolerancia de la planta al estrés por salinidad.
Por otro lado, AGB1 regula de manera positiva la expresión de genes involucrados en la síntesis de prolina para la regulación de la presión osmótica en respuesta al estrés por salinidad. Además AGB1 parece estar involucrado en rutas dependientes de ABA en la respuesta al estrés por salinidad, debido a la presencia de elementos de respuesta a ABA (ABRE) en la región promotora del gen (Ma et al., 2015). Sin embargo, en arroz RGA1, RGB1, RGG1 y RGG2 presentan elementos de respuesta a ABA en la región promotora de sus genes y un elemento de respuesta inducida por salinidad (GT-1 motif). La exposición a condiciones de salinidad y ABA causa la expresión de RGA1, RGG1 y RGG2. Esto sugiere la participación de RGA1, RGG1 y RGG2 en la tolerancia al estrés por salinidad en arroz y la posible función específica en vías de señalización reguladas por ABA en la respuesta a este tipo de estrés (Yadav et al., 2012; Yadav et al., 2013; Yadav et al., 2014). Aunque el perfil de transcripción de RGB1 no mostró cambios significativos en la exposición a ABA, el estrés por salinidad causó la expresión de RGB1, lo cual sugiere que RGB1 transduce señales extracelulares por sí sola o mediante la interacción con factores de transcripción en el núcleo (Yadav et al., 2014).
PERSPECTIVAS DE LAS PROTEÍNAS G EN LA AGRICULTURA
Las plantas interaccionan con un gran número de factores ambientales y han desarrollado mecanismos que les permiten adaptarse a condiciones de estrés. El estrés abiótico es de los más importantes porque ocasiona pérdidas en el rendimiento de los cultivos (Rejeb et al., 2014). Los mecanismos de respuesta de las plantas al estrés como la temperatura alta o baja, salinidad y sequía proveen información acerca de los cambios en las plantas a nivel fisiológico, bioquímico y de expresión de genes. El complejo heterotrimérico de proteínas G y el GPCR en las plantas encienden rutas de señalización como respuesta de las plantas durante la regulación del estrés abiótico (Chakraborty et al., 2015c). Las proteínas G tienen una respuesta directa a la salinidad (Colaneri et al., 2014; Misra et al., 2007), sequía (Xu et al., 2015), temperatura (Yadav et al., 2012; Yadav et al., 2013; Yadav et al., 2014), radiación (Warpeha et al., 2008), así como la señalización mediada por ABA (Alvarez et al., 2011). Estos hallazgos han colocado a las proteínas G dentro de los blancos moleculares en la manipulación de los cultivos frente al estrés ambiental.
Por otro lado, la participación de otras moléculas dentro de esta compleja red de señalización extiende el abanico de oportunidades en la agricultura, ya que se ha encontrado que la presencia de la subunidad Gβ en el núcleo permite la transducción de estímulos que interactúan con factores de transcripción lo que regula la expresión de algunos genes (Yadav et al., 2014). En Arabidopsis, AGB1 está implicada en la regulación de AtMPK6 lo que modula la interacción de AtMPK6 con otros componentes en respuesta a ABA y deshidratación (Xu et al., 2015). En respuesta a salinidad, AtRGS1 percibe Na+, el NaCl incrementa los niveles de azúcar en las células de hojas y raíz, lo cual ocasiona la internalización de AtRGS1 y la consiguiente activación de las proteínas G que permiten la sobrevivencia de la planta al estrés por salinidad (Colaneri et al., 2014). El análisis y la integración del conocimiento que ha sido generado a partir de la caracterización de las proteínas G y el resto de sus componentes de señalización han permitido identificar a este complejo sistema de transducción de señales como potenciales herramientas genéticas que puedan ser usados en la tolerancia de los cultivos al estrés ambiental.
CONCLUSIONES
El amplio conocimiento adquirido acerca de las proteínas G marca la pauta para individualizar su estudio en plantas. A pesar de las similitudes con sus homólogos en el modelo animal, el mecanismo de señalización a través de proteínas G difiere incluso entre diferentes grupos de plantas, ya que en cereales se desconoce la forma de regulación de la señalización por proteínas G; sin embargo, en arroz, la presencia de sitios GoLoco en Gα, puede ser una forma de regulación de la señalización. En las plantas las proteínas G no dependen totalmente de un GPCR para activar a otras moléculas. La Gγ podría jugar un papel importante, tanto de especificidad como de percepción de señales, al poseer una región extracelular. Aunque queda mucho por estudiar acerca de este complejo sistema de señalización, el acercamiento a potenciales blancos en la agricultura para desarrollar la tolerancia de las plantas a múltiples condiciones de estrés ambiental es a través del enfoque a estos estudios.
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Notas de autor
ljosefina@ciad.mx