Un equipo del Centro de Investigación en Agrigenómica (CRAG) liderado por Núria Sánchez Coll, investigadora del CSIC en el CRAG, ha descubierto que una proteína de origen vegetal es capaz de disolver agregados de proteínas mal plegadas. Estos cúmulos de proteínas suelen acumularse en situaciones de estrés prolongado, con el envejecimiento y en diversas enfermedades amiloides y neurodegenerativas.
El estudio se ha publicado en la prestigiosa revista The Plant Cell, y es fruto de una colaboración liderada por el CRAG con varios grupos internacionales especializados en la agregación de proteínas.
Mecanismos para combatir el estrés y el envejecimiento
En situaciones de estrés, como por ejemplo el causado por elevadas temperaturas, las células ponen en marcha distintos mecanismos moleculares regulados con mucha precisión. Uno de estos mecanismos se encarga de mantener los niveles de proteínas para preservar sus funciones esenciales. Esto implica el paro del proceso de síntesis de nuevas proteínas y la activación de los mecanismos de control de calidad que aseguran el correcto plegamiento de estas moléculas, que está directamente relacionado con su función. Un punto clave en este proceso es la prevención de la acumulación de proteínas mal plegadas, ya que éstas forman acumulaciones de agregados proteicos insolubles, que pueden ser tóxicas para la célula.
En este contexto, el equipo investigador del CRAG ha descubierto que la proteína MC1, de la familia de las metacaspasas, está presente en unas estructuras celulares que se llaman "gránulos de estrés" o SGs (del inglés, stress granules), que se forman dentro de las células de las plantas en respuesta a diversos estreses.
Los SGs son acumulaciones de proteínas y moléculas de ARN, y aunque la función exacta no se conoce, se cree que sirven para proteger estas moléculas de los compuestos nocivos producidos durante las condiciones de estrés, preservando su función. Los SGs son estructuras dinámicas, se forman rápidamente cuando aparece una situación de estrés y se disuelven cuando el estrés remite. En este estudio se demuestra que la proteína MC1 participa tanto en la formación como en la descomposición de estas estructuras, de gran importancia para hacer frente al estrés de forma eficiente y sin afectar a la productividad de la planta.
«Hemos identificado dos regiones de la proteína MC1, donde cada una es importante para un proceso diferente: o para la formación o bien para la disolución de estos SGs, lo que puede ser útil a la hora de diseñar nuevas variedades vegetales con una mejor respuesta al estrés», comenta Núria Sánchez Coll, investigadora del CRAG responsable del estudio.
Por otra parte, el estudio también describe que la formación de SGs tiene lugar en condiciones de envejecimiento de la planta, algo que no se había visto hasta el momento. El equipo investigador ha observado que el incremento de los niveles de la proteína MC1 retrasa los efectos del envejecimiento en hojas, incrementando la clorofila y disminuyendo la expresión de genes implicados en senescencia. Por otra parte, plantas que carecen de MC1 envejecen muy rápidamente. Este hallazgo muestra ciertos paralelismos evolutivos en el proceso de envejecimiento entre animales y plantas, puesto que demuestra que un correcto control de los niveles de proteína funcional en la célula y prevenir la agregación son factores esenciales para retrasar el envejecimiento. Este hecho abre la puerta a descubrir nuevos mecanismos que podrían ayudar a controlar este proceso.
Disolución de agregados de proteínas patológicamente relevantes
En procesos naturales como el envejecimiento o debido a una enfermedad determinada, los mecanismos de defensa mencionados anteriormente para combatir las condiciones de estrés no funcionan correctamente o no son tan eficientes, y es cuando aparecen patologías diversas. La agregación de proteínas es un fenómeno característico de diversas enfermedades neurodegenerativas como el Alzheimer, el Huntington o el Parkinson. A pesar de la gran incidencia de estas enfermedades, actualmente no existen terapias eficaces para combatirlas y es un campo de estudio muy complejo y todavía con muchas incógnitas por resolver.
Visto el papel de MC1 en la disolución de los SGs, el equipo investigador testó su efecto en diversas proteínas que pueden formar agregados insolubles dando lugar a determinadas patologías humanas. Efectivamente, en este estudio se ha visto que la proteína MC1 es capaz de deshacer agregados de al menos tres proteínas distintas, una de ellas implicada en la amiloidosis transtiretina transtiretina (una enfermedad amiloide cardíaca) y otra en la enfermedad de Huntington. Los investigadores mezclaron en el laboratorio las proteínas ya agregadas previamente junto con la proteína MC1 aislada, observando una extraordinaria disminución de la cantidad de agregados en comparación con las muestras de agregados incubados sin MC1. Esto significa que la proteína MC1 por sí sola tiene la capacidad de deshacer estos agregados, sin la necesidad de las condiciones que se dan en el entorno celular. Cabe destacar que la actividad de MC1 se dirige específicamente hacia formas agregadas de la proteína, puesto que las proteínas como tales no fueron degradadas.
Este estudio, aunque preliminar, abre la puerta a que una proteína de origen vegetal se pueda utilizar en estrategias para combatir tanto los efectos de las altas temperaturas en plantas como la agregación de proteínas, una problemática que está presente en diversas patologías humanas y enfermedades neurodegenerativas de gran importancia.
Las plantas, al ser organismos que no pueden moverse y huir de los estreses provocados por las condiciones ambientales, han desarrollado mecanismos muy eficientes para regular y combatir los efectos del estrés a nivel molecular y celular. Por ello, pueden ser una fuente de mecanismos y procesos biológicos muy interesantes que pueden servir de inspiración para nuevas herramientas y estrategias terapéuticas. Además, descubrimientos como los de este estudio pueden ser útiles para generar nuevas variedades vegetales resistentes a las condiciones extremas causadas por la crisis climática.
Artículo de referencia: Ruiz-Solaní, N., et al. Arabidopsis metacaspase MC1 localizes in stress granules, clears protein aggregates and delays senescence. The Plant Cell (2023). https://doi.org/10.1093/plcell/koad172
Sobre los autores y la financiación del estudio: La investigación en el CRAG contó con el apoyo de las becas PID2019- 108595RB-I00 financiadas por MCIN/AEI/10.13039/501100011033 y AGL2016-78002-R financiadas por CIN/AEI/10.13039/501100011033 y por ''FEDER Una forma de hacer Europa'' (para NSC y MV); beca BES-2017-080210 financiada por MCIN/AEI/10.13039/501100011033 y por ‘‘ESF Investing in your future’’ (para J.S.-L.); FPU19/03778 financiado por MU (o Ministerio de Universidades) (a N.R.-S.); por el ‘‘Programa Severo Ochoa de Centros de Excelencia en I+D’’ (SEV-2015-0533 y CEX2019-000902-S financiado por MCIN/AEI/10.13039/501100011033); por la subvención PID2020-119737GA-I00 financiada por el Ministerio de Ciencia e Innovación (MCIN/AEI/10.13039/501100011033) (a E.G.-B); por el Ministerio de Ciencia e Innovación de España (MICINN) subvención PID2019-105017RB-I00 (a S.V.), por ICREA, ICREA-Academia 2020 (a S.V); por la beca MICINN (FPU17/01157) (a J.S.); y por el Programa CERCA/Generalitat de Catalunya. L.A. cuenta con el apoyo de una beca postdoctoral Maria Zambrano del Ministerio de Universidades y la Unión Europea - NextGenerationEU.
Sobre el Centro de Investigación en Agrigenómica (CRAG): El CRAG es un centro que forma parte del sistema CERCA de la Generalitat de Catalunya, y que se estableció como consorcio de cuatro instituciones: el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), el Instituto de Investigación y Tecnología Agroalimentarias (IRTA), la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB) y la Universidad de Barcelona (UB). La investigación del CRAG se extiende desde la investigación básica en biología molecular de plantas y animales de granja, a las aplicaciones de técnicas moleculares para la mejora genética de especies importantes para la agricultura y la producción de alimentos en estrecha colaboración con la industria. En el año 2020, el CRAG obtuvo por segunda vez consecutiva el reconocimiento de "Centro de Excelencia Severo Ochoa" por el Ministerio de Economía y Competitividad.
Imágenes:
• 1_MC1-SG.jpg: Imágenes de microscopía de fluorescencia de células en raíces de Arabidopsis thaliana en condiciones normales (izquierda) y en condiciones de elevadas temperaturas (derecha), donde se puede ver la proteína MC1 (en magenta), los gránulos de estrés SG (en verde ) y los lugares donde coinciden (en blanco, flechas) (Crédito: CRAG).
• 2_MC1-agregats.jpg: Agregados de la proteína TTR formados sólos en tubos de ensayo (izquierda) y en presencia de la proteína MC1 (derecha) (Crédito: CRAG).
• 3_MC1-fulles.jpg: Hojas de la planta modelo Arabidopsis thaliana en condiciones normales de envejecimiento (izquierda), sin la proteína MC1 (centro), y en presencia de elevadas cantidades de MC1 (derecha) (Crédito: CRAG).
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