La biología nunca debe considerarse ordinaria. Tome casi cualquier proceso biológico y es probable que los detalles abrumen al lector. Ese es ciertamente el caso de un nuevo artículo sobre la floración en las plantas. Incluso en la planta de laboratorio bien estudiada Arabidopsis thalianalos investigadores describieron docenas de genes, proteínas y moléculas accesorias que trabajan juntas para garantizar el momento adecuado para la floración.
el papel en Célula vegetal es difícil de leer para los profanos, porque los genetistas han dado nombres muy extraños a genes y proteínas. Entonces, según la costumbre, algunos genes para a. thaliana están escritos en cursivapero otros genes y sus productos proteicos están en cursiva en TODO MAYÚSCULAS. Uno debe vadear a través de una jungla de nombres como nudillos, ASESINO DE GIGANTES, SIN ESPOROCITOS, DEHISCIENCIA DE ANTERAS DEFECTUOSAS1y EN MOTIVO DE GANCHO PROTEÍNA NUCLEAR LOCALIZADA18. Después de la primera mención en un artículo, afortunadamente, estos generalmente se abrevian como KNU, GKI, SPLy así sucesivamente, pero es difícil recordar lo que hacen, especialmente cuando todos interactúan de manera compleja.
Para complicar aún más la situación, las reglas de nomenclatura han cambiado con el tiempo y no son consistentes entre las publicaciones. Algunas letras no están en mayúscula y otras tienen un sufijo que consta de letras y números para identificar un alelo en particular. También hay reglas para formas mutantes y formas de tipo salvaje. Las reglas pueden parecer un desastre para los no especialistas (lea sobre ellas en Arabidopsis.org), pero supongo que los extraños nombres mnemotécnicos son más útiles que las cadenas difíciles de memorizar como g2934ab0x o peor (aunque las reglas para las marcas epigenéticas son menos mnemotécnico, como H3K27me3 («histona 3, lisina 27, grupo metilo 3»). Por esta razón, intentaré abstenerme de referirme a las etiquetas y centrarme en cambio en los procesos y funciones que suceden, que son realmente sorprendentes.
Los basicos
En pocas palabras, los científicos del Instituto de Ciencia y Tecnología de Nara (NAIST) en Japón identificaron genes, proteínas y factores epigenéticos clave que activan la floración con precisión de tiempo. El «biotemporizador» que encontraron fue tan preciso que pudieron predecir cuándo ocurriría la floración, incluso si alteraban algunos de los componentes. Crearon mutantes de algunos componentes y, con un modelo matemático que diseñaron, pudieron calcular el día en que un meristema apical (es decir, la punta de un tallo en crecimiento) cambiaría sus células madre del modo de proliferación al modo de diferenciación y comenzaría a crecer. las partes de la flor. La precisión los asombró. Phys.org dice,
El intrincado proceso de desarrollo de las flores. ha fascinado durante mucho tiempo a los científicos que buscan desentrañar los misterios detrás de la precisión del tiempo de la naturaleza. En un estudio publicado en la revista La célula vegetalun equipo de investigación dirigido por el Instituto Nara de Ciencia y Tecnología (NAIST), Japón, ha arrojado luz sobre la funcionamiento interno de la terminación del meristemo floral y el desarrollo del estambredescubriendo un mecanismo único impulsado por la interacción de factores genéticos y epigenéticos. [Emphasis added.]
En el sur de California, donde vivo, todo el mundo se emociona cuando florecen las amapolas. Vastas hectáreas de plantas florecen juntas a fines de marzo o principios de abril, como si fuera una señal, pintando valles y laderas enteros en naranja dorado. Las flores también pueden cerrarse si la temperatura baja o sopla el viento y luego volver a abrirse cuando el sol brilla nuevamente. ¿Cómo lo hicieron? En todas partes del mundo, las plantas muestran un momento notable en su floración: flores de cerezo en Washington DC, tulipanes en Holanda, azucenas en Taiwán. Sus secretos siguen siendo misteriosos. En California, todos pensaron que las fuertes lluvias invernales producirían una superfloración de amapola, pero fue solo modesta en comparación con las de años anteriores durante la sequía. De alguna manera, las plantas detectan la combinación correcta de señales externas para dar su mejor espectáculo.
Para desbloquear los secretos de este notable sistemalos investigadores idearon un modelo matemático capaz de predecir el momento de la expresión génica precisión asombrosa. Al modificar la longitud de las regiones marcadas con H3K27me3 dentro de los genes, demostraron con éxito que la activación del gen podría retrasarse o reducirse, lo que confirma la influencia de este temporizador epigenético. Los hallazgos del equipo ofrecen una perspectiva novedosa sobre cómo la naturaleza controla la expresión génica durante el desarrollo de las flores.
El código de histonas
La historia gira en torno a marcadores epigenéticos en los genes de los a. thaliana Células madre. Hace más de veinte años, David Allis (1951-2023) introdujo un concepto audaz: había otro código en funcionamiento en el genoma: un sistema regulador combinatorio. En su obituario, Genética de la Naturaleza dice,
Quizás la contribución conceptual más famosa de Allis al campo de la investigación de la cromatina fue la elaboración de la hipótesis del ‘código de histonas’ hace más de 20 años. Este marco sugirió que las modificaciones postraduccionales de histonas (PTM), en diferentes combinaciones, junto con las proteínas que pueden ‘escribirlas’, ‘leerlas’ o ‘borrarlas’, constituyen la base de un código regulador de genes. En otras palabras, ciertos PTM de histonas podrían marcar regiones particulares de cromatina y potencialmente influir en su actividad transcripcional. Muchos de estos PTM de histonas se han utilizado ampliamente para caracterizar o inferir un estado, identidad y comportamiento celular. Por ejemplo, las marcas de metilación en H3K27 y H3K9 se asocian principalmente con represión génicamientras que otros, como la metilación H3K4 y la acetilación H3K27, están asociados con regiones reguladoras activas.
Y así es en a. thaliana, muestran los autores del artículo actual. El código genético tiene el plano para hacer las partes; El “código de histonas” epigenético tiene el interruptor y el temporizador.
Cómo funciona
El biotemporizador descrito en el documento funciona mediante un proceso de «dilución pasiva» que depende del ciclo celular. La condición normal para el factor de transcripción AGAMOUS es reprimir la floración. Este factor, abreviado AG, está salpicado de marcadores de histonas (H3K27me3) que reprimen múltiples genes necesarios para la «terminación del meristema floral», el término para el cambio a la floración. Las células madre proliferarán (se dividirán) indefinidamente por mitosis hasta que se active el interruptor para dejar de hacer clones de sí mismas y comenzar a diferenciarse en estambres, pistilos y pétalos. Me recuerda el comentario de Paul Nelson sobre el desarrollo del huevo de gallina en el documental. Vuelodonde describe cómo ciertas células en el embrión “se están comprometiendo, en la mayoría de los casos de manera irreversible, con roles funcionales particulares”.
Para que se formen las flores, el meristemo floral (células madre florales) debe comprometerse irreversiblemente a convertirse en células que componen los diversos órganos florales (sépalos, pétalos, estambres y carpelos), proceso conocido como terminación del meristemo floral. El momento adecuado de la terminación del meristemo floral implica la activación temporal del gen del factor de transcripción nudillos (knu) por esto regulador aguas arriba AGAMOUS (AG) vía Dilución dependiente del ciclo celular de la modificación represiva de histonas en la lisina 27 de la histona H3 (H3K27me3) a lo largo de la KNU secuencia de codificación. Este ‘biotemporizador’ intrínseco se activará KNU precisamente en el momento adecuado para asegurar el correcto desarrollo de las flores.
La dilución pasiva implica el lavado de los marcadores de histonas en cada división celular. AG expulsa a PRC2, un metilador de histonas, y previene las marcas de histonas H3 en los nucleosomas. Si una célula tiene seis de estos marcadores represivos al principio, las células hijas tendrán tres después de la siguiente división celular. En algún momento, no habrá suficientes marcadores para reprimir la diferenciación, y la célula se comprometerá irreversiblemente con la terminación del meristemo floral. Al insertar valores en su modelo matemático de este mecanismo de dilución pasiva, pudieron predecir con precisión cuándo comenzaría a florecer una planta en el laboratorio. Validaron el modelo con formas mutantes de los genes, acelerando o ralentizando este «temporizador de cuenta regresiva» mecánico operado por el código epigenético. Cuando una proteína se activaba demasiado pronto, producía estambres cortos que eran estériles. Esto muestra que la atención a la sincronización entre las partes del sistema es crucial para el desarrollo exitoso de las flores.
Curiosamente, el biotemporizador también dependía de la temperatura. El equipo cultivó algunas de las plantas a 18 °C (64 °F) en lugar de los 22 °C (72 °F) habituales y observó que la floración se retrasó. La explicación es que la temperatura más baja ralentiza la mitosis, lo que ralentiza el mecanismo de dilución pasiva.
También observamos un retraso en KNU activación por cultivo de plantas a 18°C, probablemente debido a una cinética de crecimiento más lenta. Esta observación enfatiza la regulación dinámica de H3K27me3 en respuesta a señales extracelulares e intracelulares. y sugiere un papel para el biotemporizador dependiente del ciclo celular en coordinando el equilibrio entre la proliferación y diferenciación celular.
Es una buena estrategia asegurarse de que las flores tengan buenas condiciones climáticas para florecer. La temperatura es solo una señal externa que probablemente afecta el temporizador. «Serán necesarios experimentos adicionales», dicen, para aclarar el efecto de las temperaturas más bajas y otras señales externas. Estos pueden incluir disponibilidad de agua y nutrientes, duración del día, riesgo de herbívoros, presencia de hongos asociados u otros factores.
Apropiadamente, el artículo evita a Darwin. Cómo estallaban las plantas con flores era un misterio abominable para él. El documento y el comunicado de prensa sin evolución utilizaron un término ajeno a los procesos naturales no guiados pero familiar para los ingenieros y diseñadores de sistemas complejos con múltiples partes que cooperan:
A través de investigaciones meticulosas en la planta modelo Arabidopsis thaliana, el equipo descubrió que AG sirve como un director maestro, orquestando la expresión génica a través de un proceso conocido como dilución H3K27me3 acoplada al ciclo celular. Este notable fenómeno implica la dilución de una modificación de histona llamada H3K27me3 a lo largo de secuencias genéticas específicas, iniciando efectivamente la activación de genes. Los científicos identificaron Varios genes clave están directamente regulados por AG en varios momentos de este ciclo.
El estudio reveló una red genética estrictamente controlada por AG, con genes como KNUCKLES (KNU), AT HOOK MOTIF NUCLEAR LOCALIZED PROTEIN18 (AHL18), y PLATZ10 emergiendo como jugadores críticos. “Al desentrañar el funcionamiento interno de este circuito reguladorobtuvimos una visión sin precedentes de los intrincados mecanismos de temporización que impulsa la terminación adecuada del meristemo floral y el desarrollo del estambre”, dice la primera autora Margaret Anne Pelayo.
Orquestación: aparte de su significado bien conocido en la música, hacer que todos los instrumentistas expertos toquen sus propias partes diseñadas en el momento adecuado en armonía, también significa «los planes o la planificación necesaria para arreglar algo o hacer que algo suceda». Ver un mecanismo automático en una hierba humilde trabajando para lograr la orquestación de múltiples partes dentro de una célula madre en un meristemo mientras cambia a la preparación de la flor es bastante notable. Sin embargo, incluso eso es solo el comienzo de un concierto completo de obras maestras orquestadas a medida que se desarrollan los órganos, los pétalos adquieren sus formas y colores, y la flor completa se abre para el negocio. A continuación, observe cómo una orquesta musical celebra esta orquestación biológica. ¡Bravo!
