Hace más de 30 años, Diekmann y sus colegas observaron por primera vez que los cambios en la morfología de las vacuolas dentro de las células oclusivas acompañan la apertura y el cierre de los estomas. Sin embargo, experimentos recientes sugieren que la comprensión tradicional de los mecanismos de fusión de las vacuolas (en particular, el papel de metabolitos específicos) podría ser más compleja de lo que se creía anteriormente.
Los estomas son pequeñas aberturas en las superficies de las hojas, los tallos y otros órganos de las plantas. Desempeñan un papel importante al permitir el movimiento de agua, dióxido de carbono y oxígeno dentro y fuera de la planta.
Cada estoma está flanqueado por dos células especializadas conocidas como células oclusivas, que controlan su apertura y cierre. La hinchazón de las células oclusivas conduce a la apertura de los estomas, mientras que el retorno de las células oclusivas a su forma original da como resultado el cierre. El volumen de las células oclusivas puede aumentar hasta en un 10%. tanto como% 40 ¡Durante la apertura!
La apertura de los estomas se produce en respuesta a señales ambientales como la luz, la humedad y la concentración de dióxido de carbono. Por ejemplo, los estomas tienden a abrirse durante el día cuando hay luz disponible para la fotosíntesis y a cerrarse por la noche o en condiciones de sequía. Cuando los estomas están cerrados, las vacuolas de las células oclusivas son numerosas y fragmentadas, mientras que, cuando los estomas están abiertos, las células oclusivas contienen una sola vacuola grande. Cabe destacar que las vacuolas La fusión de membranas es necesaria para la apertura completa de los estomas.
El marco teórico predominante para la serie de procesos moleculares que conducen a la fusión de vacuolas de plantas es que después de que se produce la señal de apertura del poro:
- PI3P recluta a HOPS a la membrana de la vacuola;
- HOPS une un par de vacuolas y acompaña a las proteínas SNARE ubicadas en la membrana de la vacuola para unirse y formar un supercomplejo HOPS:trans-SNARE; y
- El nuevo supercomplejo fusiona las membranas de las vacuolas y se libera HOPS para catalizar futuras fusiones (Fig. 1).
Los “complejos proteicos” son conjuntos de dos o más proteínas que interactúan entre sí para realizar una función biológica específica. El prefijo “trans" se refiere a complejos de proteínas que se encuentran en diferentes membranas, mientras que "cis” indica que las proteínas están en la misma membrana. Por lo tanto, cuando las proteínas SNARE se juntan mediante HOPS e interactúan, forman una trans-Complejo SNARE; después de que ocurre la fusión de membranas, se convierten en un cis-Complejo SNARE.
Los resultados de un experimento desafían el marco actual.
Vacuolas de hojas expuestas al metabolito wortmanina (es decir, tratamiento con wortmanina) que elimina PI3P, continuar fusionándoseDado que se cree que PI3P es esencial para el reclutamiento de HOPS, se podría esperar que la eliminación de PI3P de este sistema obstaculizaría la capacidad de la célula para fusionar vacuolas.
¿Se equivocaron los científicos en su explicación del papel de los metabolitos en el proceso de fusión de vacuolas?
Un artículo reciente en in silico Las plantas intentaron explicar este fenómeno. El investigador postdoctoral Dr. Charles Hodgens, ex-University of Tennessee-Knoxville y ahora-University of North Carolina State, Dirigió un estudio que desarrolló y probó la viabilidad de un marco teórico alternativo sobre el modo de acción de HOPS y PI3P en la fusión de vacuolas de plantas..
Los autores plantearon la hipótesis de que la eliminación de HOPS del supercomplejo HOPS:trans-SNARE podría ser crucial para la fusión, lo que significa que HOPS podría tanto promover como inhibir la fusión de vacuolas. Para confirmarlo, necesitaban identificar una proteína que pudiera desplazar a HOPS. Al no encontrar evidencia en la literatura sobre plantas, recurrieron a la levadura en busca de pistas. Esto los llevó a la proteína candidata Sec17, conocida por su papel en la fusión de membranas de la levadura.
A continuación, los autores se propusieron confirmar la presencia de Sec17 en plantas. Obtuvieron la secuencia de aminoácidos de Sec17 y buscaron en la base de datos de proteínas. Explosión para la secuencia correspondiente en plantas. Encontraron una secuencia correspondiente a una proteína presente en las células de guarda, lo que sugiere que probablemente realiza la misma función o una función relacionada en las plantas.
Este hallazgo respaldó su hipótesis y los impulsó a proponer un nuevo marco teórico para los procesos moleculares que conducen a la fusión de vacuolas en las plantas.
El marco es el siguiente:
- HOPS es reclutado a la vacuola por PI3P;
- HOPS une un par de vacuolas y chaperonas sus proteínas SNARE para formar un supercomplejo HOPS:trans-SNARE;
- HOPS previene la actividad de fusión al estorbador el acceso de la Sec17. ADespués de que se produce la señal de apertura de poro;
- sec17 reduce la afinidad de unión entre HOPS y trans-SNARE;
- HOPS es desplazado; y
- El trans-SNARE fusibles las membranas de las vacuolas.
Los autores probaron la validez de este marco utilizando un modelo de simulación de la dinámica de fusión de vacuolas que ellos mismos desarrollaron. Este modelo integra el conocimiento establecido sobre los mecanismos moleculares involucrados en la fusión de vacuolas con observaciones de la morfología de las vacuolas. Estas observaciones fueron realizadas por los autores, quienes llevaron a cabo análisis microscópicos para observar el estado y la velocidad de la fusión de vacuolas en células vivas.
El modelo predijo el mismo resultado observado, confirmando que los procesos moleculares descritos por su marco eran precisos.
Después de confirmar que la presencia de HOPS en el supercomplejo HOPS:trans-SNARE inhibe la fusión de vacuolas utilizando el modelo, los autores especularon sobre por qué el tratamiento con Wortmannin no previene la fusión de vacuolas. Después de la exposición a Wortmannin, sin que PI3P reclute a HOPS, el supercomplejo HOPS:trans-SNARE que inhibe la fusión de vacuolas no se forma. Sin embargo, Sec17 continúa reduciendo la afinidad de unión entre HOPS y trans-SNARE de los supercomplejos HOPS:trans-SNARE existentes al mismo ritmo, lo que hace que HOPS se disocie del supercomplejo y dé como resultado la fusión de vacuolas.
Este trabajo demuestra el valor de los modelos en la evaluación de marcos teóricos para mejorar nuestra comprensión de las funciones biológicas.
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Charles Hodgens, DT Flaherty, Anne-Marie Pullen, Imran Khan, Nolan J English, Lydia Gillan, Marcela Rojas-Pierce, Belinda S Akpa, Inferencia basada en modelos de un papel dual para HOPS en la regulación de la fusión de vacuolas de células oclusivas, in silico Plants, 2024;, diae015, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diae015
El código utilizado para realizar los análisis de este artículo está disponible en https://gitlab.com/hodgenscode/hodgens2023.
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