Descubriendo el ‘trabajo en equipo’ molecular subyacente a la asimilación de nitrato en un alga roja unicelular

El nitrógeno es un componente esencial para el crecimiento y desarrollo de las plantas. Las plantas generalmente toman nitrógeno de su entorno en forma de nitratos o amonio y los asimilan en aminoácidos con la ayuda de los productos de los genes de asimilación de nitrato o amonio, respectivamente. Los factores de transcripción (TF) regulan esta actividad, al mismo tiempo que modifican la tasa de asimilación de nitratos en función de los cambios en los niveles de nitrógeno. En condiciones de deficiencia de nitrógeno, estos TF regulan positivamente la expresión de genes de asimilación de nitrato.

Lo mismo ocurre con Cyanidioschyzon merolae, un alga roja unicelular, que sirve como un excelente modelo de organismos superiores fotosintéticos para estudiar la transcripción. Si bien se sabe que el TF llamado ‘CmMYB1’ es responsable de transcribir los genes de asimilación de nitrato en condiciones de agotamiento de nitrógeno, el mecanismo para esto en condiciones de agotamiento de nitrógeno (+N) no está claro.

Para abordar este enigma, en un estudio publicado en Fronteras en la ciencia de las plantas, un equipo de investigadores del Instituto de Tecnología de Tokio (Tokyo Tech) y otros institutos exploraron los mecanismos moleculares que controlan la regulación de CmMYB1 en C. merolae en condiciones +N. «Basándonos en nuestros estudios previos, ya sabíamos que la actividad de CmMYB1 está asociada con una región reguladora de sí misma y/o de proteína(s) de unión a CmMYB1 y, por lo tanto, intentamos identificarla», explica el profesor Sousuke Imamura, líder investigador del estudio.

Para ello, primero generaron C. merolae cepas con CmMYB1 los eliminaron y transformaron con plásmidos que contenían diferentes secuencias truncadas de CmMYB1. Posteriormente, identificaron una secuencia de CmMYB1 entre las posiciones 311-380 como la región clave responsable de la regulación negativa de los genes de asimilación de nitrato en condiciones +N, lo que inhibe la transcripción como resultado. Análisis adicionales basados ​​en reacciones cuantitativas en cadena de la polimerasa indicaron mayores niveles de transcripción de estos genes en la cepa que carecía de la región clave de CmMYB1 en condiciones +N. Etiquetaron esta nueva secuencia como el «dominio negativo» (ND) de CmMYB1.

Además, encontraron que ND controla la localización subcelular y la capacidad de unión al promotor de CmMYB1 en condiciones +N. Los análisis de inmunoprecipitación de cromatina confirmaron el papel de ND en la reducción de la capacidad de unión de CmMYB1 a las regiones promotoras de genes asimiladores de nitrato en condiciones +N.

A medida que el papel de la ND se hizo más claro, el equipo decidió identificar las proteínas involucradas en su regulación. Para hacerlo, construyeron una cepa que sobreexpresa ND y realizaron análisis de inmunoprecipitación y espectrometría de masas para obtener una lista de posibles proteínas de unión a ND en colaboración con investigadores de la Universidad de Tohoku. Finalmente, a través de un análisis de dos híbridos de levadura, identificaron una nueva proteína con una función desconocida, denominada ‘CmNDB1’, que interactúa con la ND de CmMYB1.

A través de varios análisis utilizando una cepa inactivada de CmNDB1, descubrieron que la eliminación de CmNDB1 dio como resultado la localización nuclear de CmMYB1 y redujo la capacidad de unión del promotor de CmMYB1 en condiciones +N. Además, descubrieron que la eliminación de CmNDB1 aumenta la transcripción de genes de asimilación de nitrato en condiciones +N.

En resumen, tanto ND como CmNDB1 controlan negativamente la actividad de CmMYB1 en condiciones +N, facilitan su localización en el citoplasma y reprimen su unión a regiones promotoras de genes asimiladores de nitrato para regular negativamente su transcripción. Al analizar las implicaciones de estos hallazgos, el profesor Imamura dice: «El nuestro es el primer estudio que revela los mecanismos detrás de la regulación de la transcripción de los genes de asimilación de nitrato en condiciones +N. Estos resultados innovadores pueden ayudar significativamente en el avance de la investigación en este campo». «

La identificación de la región ND crítica de CmMYB1 y la proteína CmNDB1 fueron hitos clave que ayudaron a comprender la regulación de la asimilación de nitrato en C. merolae. Se requieren más estudios, como la investigación de las modificaciones postraduccionales de CmMYB1 y/o CmNDB1 para comprender mejor la regulación de la asimilación de nitrato no solo en esta alga roja sino también en otros organismos fotosintéticos.

A través de la gran cantidad de información que proporciona este estudio, los investigadores definitivamente obtendrán una mejor comprensión de las funciones y mecanismos moleculares importantes en las plantas.