La homeóstasis del cobre en Arabidopsis thaliana

Las plantas usan cobre (Cu) como un cofactor para una amplia variedad de procesos fisiológicos incluyendo la fotosíntesis, la respiración mitocondrial, de depuración de superóxidos, metabolismo de la pared celular, y la detección de etileno. En ausencia de este micronutriente esencial, las plantas muestran diversos síntomas, la mayoría de los cuales afectan a las hojas jóvenes y los órganos reproductivos. Además de su esencialidad, el Cu también limita el crecimiento de plantas cuando está presente en exceso en suelos contaminados. Cu participa en las reacciones redox que generan especies de oxígeno reactivas, que causan daños en lípidos, proteínas y ácidos nucleicos. Estamos especialmente interesados en descifrar los mecanismos de respuesta de las plantas a diferentes estados de Cu ambientales y sus consecuencias en el crecimiento y desarrollo de las plantas.

Por otra parte, a pesar de los aspectos temporales de la homeostasis de metal son relativamente pobres estudiados, la necesidad de los metales varía durante los ciclos diurnos de la luz y la oscuridad ya que la fotosíntesis es el proceso con las mayores exigencias de los metales. Para adquirir, transportar y almacenar Cu y el hierro (Fe), evitar los efectos perniciosos de la deficiencia o exceso, y reconciliar a los cambios dinámicos entre la oferta y la demanda, hay complejas redes de homeostasis que tienen por objeto el mantenimiento de los niveles citosólicos adecuados en diferentes tejidos y etapas de desarrollo.

En los últimos años, se han identificado varios componentes esenciales de la red de Cu homeostático Arabidopsis thaliana. Arabidopsis tiene una familia de 6 miembros de los transportadores de CTR, CPOT denotado en las plantas (Figura 1, COPT1 - COPT6 ). Ciertas proteínas del COTI se encuentran en la membrana plasmática, donde median la absorción de Cu a partir del medio externo. En Arabidopsis, COPT1 participa en la absorción de Cu desde el suelo a través del ápice de la raíz. Además, COPT5 se ha descrito en la membrana del compartimiento de prevacuolar donde están involucrados en la movilización de Cu desde el lumen hacia el citosol, en respuesta a la deficiencia extrema de Cu condiciones. El mecanismo de transporte utilizado por estas permeasas sigue siendo desconocido, pero el sustrato es la forma + Cu reducida.
 

Los siguientes componentes en la red de la homeóstasis de Cu son las cuprochaperonas citosólicas solubles, una de cuyas tareas consiste en proporcionar Cu a los objetivos citosólicos, tales como la cuprochaperona CCS que proporciona Cu para el Cu y el zinc (Zn) de la superóxido dismutasa (Cu/ZnSOD). Sin embargo, otras cuprochaperonas, tales como ATX1, liberan Cu a ATPasas de tipo P de Cu+ (Cu+ - ATPasas) en el retículo endoplásmico para bombear Cu en el lumen, donde se adquiere por las cuproproteinas en la vía de secreción. La Arabidopsis tiene dos homólogos, ATX1 y CCH, de esta cuprochaperona. El Cu- transporte ATPasa tipo P, HMA5, está involucrado en la desintoxicación de Cu. Actualmente estamos investigando la función de estos y otros miembros de la red de la homeostasis de Cu planta y la utilización de esta información para su aplicación en la agricultura.

Respuestas transcripcionales a la deficiencia de Cu

La respuesta transcripcional a la deficiencia de Cu en Arabidopsis está mediada principalmente por un miembro de la familia del factor de transcripción en dedo de Zn llamado SQUAMOSA -promotor de unión- como la proteína (SPL). SPL7 es esencial para la respuesta a la deficiencia de Cu en vivo a través de su unión a motivos GTAC en los promotores de genes diana (Figura 2). El mecanismo de la represión en presencia de Cu podría estar mediada por el desplazamiento de Zn por Cu + Zn de los dedos del factor de transcripción, como se ha descrito recientemente para el ortólogo de Chlamydomonas reinhardtii in vitro.

Una de las varias estrategias utilizadas por Arabidopsis cuando el Cu es limitante, y mediadas por SPL7, consiste en la sustitución de las cuproproteinas no esenciales para otras metaloproteinas, generalmente proteínas Fe, que llevan a cabo un papel similar, probablemente con el objetivo de ahorrar Cu para cuproproteinas esenciales, tales como plastocianina. En el caso de SOD (Cu/ZnSOD y la FeSOD), la sustitución de la forma de Cu por la contraparte Fe se lleva a cabo, por el mismo factor de transcripción SPL7 bajo condiciones limitadas de Cu, que expresa la FeSOD y degrada la Cu/ZnSOD ARNm a través de la inducción de la miR398 (Figura 2). Oscilaciones diurnas en la acumulación de los miR398 se han descrito lo que indica la importancia del factor temporal en esta respuesta. Otros miRNAs Cu son: miR397, miR408 y miR857 que están involucrados en la degradación de los ARNm cuproproteinas ARNm como la plantacianin y lacasas. Por lo tanto, parece que la regulación de miRNAs es una respuesta generalizada a la deficiencia de Cu, como es el caso de otros nutrientes.
 

Factores homeostasis de Cu en la Base de Datos de A. thaliana

Bienvenido a los factores de la homeostasis de Cu en la base de datos de Arabidopsis thaliana.
Para realizar un análisis significativo de la homeostasis del cobre en las plantas, fue necesario elaborar una lista exhaustiva de todas las cuproproteinas conocidas y supuestos y factores de homeostasis del Cu de la Arabidopsis y organizar los genes, según sus clanes y funciones. Ya que tal lista completa no estaba disponible en las bases de datos públicas, hemos creado el CuAtDB. El CuAtDB es operado por el Cu en el Laboratorio de Arabidopsis thaliana (Universidad de Valencia). Las Cuproproteinas se clasifican sobre la base de la funcionalidad, la geometría de coordinación de Cu y el número de promotor de motivos GTAC (Koch et al., 1997 y Andreini et al,. 2008). Los asteriscos indican ≥ 3 motivos GTAC en una región promotora ≤ 65 pb. Los genes de una misma familia pero no relacionados con Cu se indican en gris.
Se proporcionan los enlaces a referencias en TAIR, el Navegador de Arabidopsis EFP del recurso Bio-Array de Biología Vegetal, ENSEMBL, KEGG y PubMed.
El CuAtDB incluye los resultados (log2) obtenidos en un estudio de microarrays para comparar la expresión génica en 8 días de edad plantas de semillero de Arabidopsis cultivadas en placas de ½ MS (deficiencia de Cu) frente a plantas cultivadas en el mismo medio suplementado con 10 mM de sulfato de cobre (exceso de Cu). Para identificar los genes regulados diferencialmente por Cu, se ha utilizado una variedad de oligo largo impreso en la Universidad de Arizona por el Dr. David Galbraith (www.ag.arizona.edu/microarray/).

• Departamento de Bioquímica y Biología Molecular
• El cobre en el Laboratorio de Arabidopsis thaliana