Factores de Transcripción utilizados como herramientas biotecnológicas
M. Noelia Muñiz García y D. Andrea Capiati
Introducción
Las condiciones ambientales adversas, principalmente la sequía, representan la principal causa de pérdidas de productividad en los cultivos [1]. El problema de la sequía se ha agravado en los últimos años en muchas regiones del mundo por el cambio climático y la desertización. La agricultura consume la mayor parte del agua del planeta, y en las regiones más áridas el uso de agua para la agricultura puede llegar al 90 por ciento del consumo. Es claro que se necesita mejorar la eficiencia del uso del agua en la agricultura. El desarrollo de cultivos más tolerantes a la sequía mediante ingeniería genética constituye una importante estrategia para enfrentar la demanda mundial de alimento con una menor cantidad de agua.
La comprensión de los mecanismos moleculares a través de los cuales las plantas perciben el estrés y transducen esta señal dentro de las células para generar respuestas adaptativas es vital para diseñar estrategias que permitan mejorar la tolerancia al estrés de los cultivos. La vía de transducción de señales comienza con la percepción de la señal (a través de sensores aún no identificados) y continúa con la generación de segundos mensajeros como el calcio, fosfoinosítidos, especies reactivas del oxígeno (ROS) y la activación de cascadas de fosforilación de proteínas. Estas vías tienen como blanco final factores de transcripción que controlan la expresión de genes de respuesta a estrés (Figura 1). Los productos de estos genes contribuyen a proteger y reparar las células del daño causado por el estrés, o bien participan en la generación de moléculas regulatorias, principalmente el ácido abscísico (ABA). El ABA, a su vez inicia una segunda ronda de señalización que sigue el mismo mecanismo descripto, pero difiere temporal y espacialmente del primero [2, 3]. El ABA es una hormona vegetal que cumple una importante función en la adaptación a la sequía y alta salinidad regulando la expresión de muchos genes involucrados en la tolerancia a la deshidratación de tejidos vegetativos y semillas [4, 2].
En los últimos años, la biotecnología ha logrado grandes avances en la producción de plantas tolerantes a diversos estreses abióticos (causados por condiciones ambientales adversas). En los comienzos, se utilizaron genes que codifican diferentes proteínas involucradas en la protección y reparación del daño celular, como enzimas de la biosíntesis de moléculas osmoprotectoras, lográndose buenos resultados [5]. Sin embargo, el uso de genes reguladores, como los factores de transcripción, parece ser un enfoque más efectivo en la producción de plantas tolerantes al estrés, ya que un solo gen regulador puede alterar la expresión de un gran número de genes que cumplen funciones de protección y reparación, generando una respuesta mucho más amplia y eficaz [6].
Factores de transcripción que controlan genes de respuesta al estrés hídrico
La transcripción de un gen se inicia cuando el complejo de iniciación de la transcripción, que incluye la ARN polimerasa, se une a la secuencia TATA box del promotor. El complejo de iniciación de la transcripción es regulado por factores de transcripción que interaccionan con secuencias específicas del promotor (elementos de respuesta o elementos regulatorios), y que a su vez son activados o reprimidos por estímulos ambientales u hormonales (Figura 2). El estrés hídrico regula los factores de transcripción por inducción de sus genes, activación de sus proteínas (por ejemplo, por fosforilación), o degradación a través del sistema de proteasoma. De esta manera, los factores de transcripción actúan como llaves moleculares para la expresión de los genes de respuesta a estrés [7].
Se han identificado cuatro grupos principales de factores de trascripción involucrados en la regulación de genes de repuesta al estrés hídrico en plantas [2] (Figura 3):
En los últimos años, la biotecnología ha logrado grandes avances en la producción de plantas tolerantes a diversos estreses abióticos (causados por condiciones ambientales adversas). En los comienzos, se utilizaron genes que codifican diferentes proteínas involucradas en la protección y reparación del daño celular, como enzimas de la biosíntesis de moléculas osmoprotectoras, lográndose buenos resultados [5]. Sin embargo, el uso de genes reguladores, como los factores de transcripción, parece ser un enfoque más efectivo en la producción de plantas tolerantes al estrés, ya que un solo gen regulador puede alterar la expresión de un gran número de genes que cumplen funciones de protección y reparación, generando una respuesta mucho más amplia y eficaz [6].
Factores de transcripción que controlan genes de respuesta al estrés hídrico
La transcripción de un gen se inicia cuando el complejo de iniciación de la transcripción, que incluye la ARN polimerasa, se une a la secuencia TATA box del promotor. El complejo de iniciación de la transcripción es regulado por factores de transcripción que interaccionan con secuencias específicas del promotor (elementos de respuesta o elementos regulatorios), y que a su vez son activados o reprimidos por estímulos ambientales u hormonales (Figura 2). El estrés hídrico regula los factores de transcripción por inducción de sus genes, activación de sus proteínas (por ejemplo, por fosforilación), o degradación a través del sistema de proteasoma. De esta manera, los factores de transcripción actúan como llaves moleculares para la expresión de los genes de respuesta a estrés [7].
Se han identificado cuatro grupos principales de factores de trascripción involucrados en la regulación de genes de repuesta al estrés hídrico en plantas [2] (Figura 3):
- AREB/ABF (ABA-responsive element-binding protein/ABRE-binding factor)
- MYC/MYB
- DREB/CBF (DRE-binding protein/C-repeat-binding factor)
- NAC y ZF-HD (zincfinger homeodomain)
Muchos de estos factores han sido utilizados en diversas especies vegetales para incrementar la tolerancia al estrés hídrico; algunos ejemplos se mencionan a continuación.
Factores de transcripción AREB/ABF
Los niveles de ABA aumentan significativamente durante el estrés hídrico. Además de provocar el cierre de los estomas, para evitar la pérdida de agua, el ABA induce la expresión de numerosos genes involucrados en la adaptación al estrés [8, 9]. Los promotores de muchos de estos genes contienen el elemento de respuesta ABRE, que es una secuencia reconocida por los factores de transcripción AREB/ABF. Éstos son los principales reguladores de la expresión de genes dependiente de ABA. Estos factores de transcripción pertenecen a la clase bZIP (basic leucine zipper). Los factores de transcripción AREB/ABF han sido descriptos en la planta modelo Arabidopsis thaliana [10, 11] y en otras especies vegetales como arroz (Oryza sativa) [12], trigo (Triticum aestivum) [13], cebada (Hordeum vulgare) [14], tomate (Solanum lycopersicum) [15, 16] y papa (Solanum tuberosum) [17]. La expresión de los genes AREB/ABF es inducida por estrés hídrico y ABA. Las proteínas ABF/AREB deben ser activadas por fosforilación de manera dependiente de ABA. Las enzimas que fosforilan estos factores de transcripción son las quinasas SnRK2s (SNF1-related protein kinase subfamily 2) [18] y CDPKs (calcium-dependent protein kinases) [19, 17].
La sobre-expresión de genes AREB/ABF en Arabidopsis aumentó la tolerancia al estrés hídrico como resultado de la inducción de numerosos genes de respuesta a estrés, aunque se observó una inhibición del crecimiento de la planta [20, 21]. La triple mutante areb1 areb2 abf3 de Arabidospsis mostró una tolerancia muy reducida a la sequía. El análisis transcriptómico de las plantas expuestas a sequía reveló que 58 genes presentan niveles de expresión reducidos en la triple mutante con respecto a las plantas salvajes [22]. Muchos de estos genes son inducidos normalmente por ABA y/o estrés hídrico causado por sequía o alta salinidad. Estos resultados indican que los factores de transcripción AREB/ABF cumplen una importante función en la regulación de la expresión de genes de respuesta a estrés hídrico de manera dependiente de ABA.
En especies de interés agronómico estos genes no han sido ampliamente estudiados en cuanto a su potencial para generar cultivos resistentes a estrés abiótico, posiblemente debido a que existen evidencias de que la tolerancia a estrés hídrico mediada por ABA genera una pérdida de productividad intrínseca por el cierre estomático (debido a una baja producción de fotosintatos por disminución de la fijación de CO2). Sin embargo, se demostró que la expresión del gen ABF3 de Arabidopsis en arroz incrementó la tolerancia al estrés abiótico sin causar inhibición del crecimiento o alteraciones fenotípicas visibles [23]. Recientemente, se ha descripto que la sobre-expresión de SlAREB1 en plantas de tomate da como resultado un aumento de la tolerancia al estrés hídrico sin afectar su crecimiento [16]. Estos resultados sugieren que los genes AREB/ABF pueden ser buenos candidatos para ser utilizados como herramienta biotecnológica, pero es necesario analizarlos de manera independiente en cada especie, ya que no todas las plantas responden de la misma manera a su sobre-expresión o la expresión de genes AREB/ABF exógenos.
Factores de transcripción MYC/MYB
Las familias de proteínas MYC/MYB se encuentran tanto en plantas como en animales y tienen diversas funciones. En plantas, algunos factores de transcripción MYC/MYB participan en la activación de la transcripción de genes de respuesta a estrés hídrico de manera dependiente de ABA [2]. MYC y MYB funcionan cooperativamente para la activación de la expresión de genes, uniéndose a los elementos de respuesta MYCR y MYBR (MYC, MYB recognition sites), respectivamente [24].
Se ha descripto que la sobre-expresión de AtMYB15 aumentó la tolerancia al estrés hídrico en Arabidopsis [25]. Resultados similares se observaron en plantas que sobre-expresan AtMYB2, AtMYC2 o ambos genes [24]. En todos los casos, se observó además la inducción de genes de respuesta a estrés. Al igual que los genes AREB/ABF, la sobre-expresión de algunos genes MYC/MYB causó una inhibición del crecimiento en Arabidopsis [26]. Los genes MYC y MYB han sido utilizados en algunas especies de interés agronómico. La sobre-expresión de StMYB1R-1 en plantas de papa incrementó la tolerancia a la sequía sin afectar significativamente su productividad [27]. En arroz, la sobre-expresión de OsMYB3R-2 incrementó la tolerancia al estrés hídrico [28]. El gen de arroz OsMYB4 fue utilizado en varias especies, como el tomate, obteniéndose distintos grados de tolerancia a la sequía dependiendo de la especie [29].
Factores de transcripción DREB/CBF
Las proteínas DREB/CBF son factores de transcripción de tipo AP2/ERF de plantas que inducen un conjunto de genes de respuesta a estrés abiótico. Cumplen una importante función en las vías de señalización independientes de ABA [2]. Estos factores de transcripción se dividen en dos subgrupos: DREB1/CBF y DREB2. La expresión de los genes DREB1/CBF (DREB1B/CBF1, DREB1A/CBF3 y DREB1C/CBF2 en Arabidopsis) es inducida por frío, mientras que la expresión de los genes DREB2 (DREB2A y DREB2B en Arabidopsis) es inducida por estrés hídrico [30]; sin embargo, las proteínas de ambos subgrupos se unen al elemento de respuesta DRE/CRT (dehydration-responsive element/C-repeat), indicando la existencia de un entrecruzamiento entre la expresión de genes inducida por frío y sequía, a través del elemento DRE/CRT [7]. Por este motivo, ambos subgrupos han sido útiles para incrementar la tolerancia tanto a la sequía como al frío. Genes homólogos a DREB1 y DREB2 han sido identificados en varias especies de interés agronómico [31].
La sobre-expresión de los genes DREB1/CBF en Arabidopsis incrementó la tolerancia al estrés hídrico y frío y esto se correlacionó con un aumento en los niveles de transcriptos que codifican proteínas asociadas a la adaptación al estrés [32, 33]. El análisis transcriptómico demostró que aproximadamente 30 genes son inducidos en respuesta a la sobre-expresión de DREB1B/CBF1, DREB1A/CBF3 o DREB1C/CBF2 [33].
La sobre-expresión del gen DREB1A es una estrategia muy utilizada. Con ello se ha logrado activar la expresión de numerosos genes de respuesta a estrés dando como resultado plantas más tolerantes al frío y al estrés hídrico [34]. DREB1A ha demostrado ser efectivo en numerosas especies. La sobre-expresión del DREB1A/CBF3 de Arabidopsis en papa, tabaco, trigo y arroz incrementó la tolerancia a la sequía [35, 36, 23]. También los genes DREB de otras especies han mostrado ser eficientes. Por ejemplo, plantas de arroz que sobreexpresan el gen DREB1A propio resultaron más tolerantes al estrés hídrico y al frío [37].
Factores de transcripción NAC y ZF-HD
Además de los descriptos, el estrés hídrico activa varios otros factores de transcripción, incluyendo los factores de transcripción NAC y las proteínas zinc finger homeodomain (ZF-HD). Las proteínas ZFHD1 se unen al elemento de repuesta ZFHDR, mientras que las proteínas NAC se unen al elemento de respuesta NACRS (NAC recognized sequence) [38, 39]. La familia de genes NAC tiene 106 y 149 miembros en Arabidopsis y arroz, respectivamente [40, 41]. La sobre-expresión de los genes NAC ANAC019, ANAC055 y ANAC072 en Arabidopsis incrementó la tolerancia a la sequía [38] mientras que en arroz, la sobre-expresión de SNAC1 o de OsNAC6/SNAC2 resultó en una tolerancia aumentada al estrés hídrico [42-44].
Conclusiones
Considerando que la población mundial podría llegar a 9 mil millones para el año 2050, es necesario incrementar la productividad agronómica para abastecer la futura demanda de alimento. El avance en el conocimiento de los mecanismos moleculares de respuesta a estrés hídrico ha facilitado herramientas para diseñar estrategias biotecnológicas que permiten aumentar la tolerancia y la productividad de los cultivos en condiciones de sequía o con un menor requerimiento de agua. Particularmente, en este artículo se resumieron las funciones de los principales factores de transcripción que regulan conjuntos de genes de respuesta a estrés y su utilización para aumentar la tolerancia a la sequía en especies de interés agronómico. El análisis funcional de estos factores de transcripción aportará nuevos conocimientos acerca de los complejos mecanismos de regulación de las respuestas a estrés y del entrecruzamiento de las vías de señalización que activan estas respuestas, que serán útiles al momento de diseñar las estrategias para generar cultivos tolerantes a la sequía y otros estreses abióticos que afecten su productividad.
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Factores de transcripción AREB/ABF
Los niveles de ABA aumentan significativamente durante el estrés hídrico. Además de provocar el cierre de los estomas, para evitar la pérdida de agua, el ABA induce la expresión de numerosos genes involucrados en la adaptación al estrés [8, 9]. Los promotores de muchos de estos genes contienen el elemento de respuesta ABRE, que es una secuencia reconocida por los factores de transcripción AREB/ABF. Éstos son los principales reguladores de la expresión de genes dependiente de ABA. Estos factores de transcripción pertenecen a la clase bZIP (basic leucine zipper). Los factores de transcripción AREB/ABF han sido descriptos en la planta modelo Arabidopsis thaliana [10, 11] y en otras especies vegetales como arroz (Oryza sativa) [12], trigo (Triticum aestivum) [13], cebada (Hordeum vulgare) [14], tomate (Solanum lycopersicum) [15, 16] y papa (Solanum tuberosum) [17]. La expresión de los genes AREB/ABF es inducida por estrés hídrico y ABA. Las proteínas ABF/AREB deben ser activadas por fosforilación de manera dependiente de ABA. Las enzimas que fosforilan estos factores de transcripción son las quinasas SnRK2s (SNF1-related protein kinase subfamily 2) [18] y CDPKs (calcium-dependent protein kinases) [19, 17].
La sobre-expresión de genes AREB/ABF en Arabidopsis aumentó la tolerancia al estrés hídrico como resultado de la inducción de numerosos genes de respuesta a estrés, aunque se observó una inhibición del crecimiento de la planta [20, 21]. La triple mutante areb1 areb2 abf3 de Arabidospsis mostró una tolerancia muy reducida a la sequía. El análisis transcriptómico de las plantas expuestas a sequía reveló que 58 genes presentan niveles de expresión reducidos en la triple mutante con respecto a las plantas salvajes [22]. Muchos de estos genes son inducidos normalmente por ABA y/o estrés hídrico causado por sequía o alta salinidad. Estos resultados indican que los factores de transcripción AREB/ABF cumplen una importante función en la regulación de la expresión de genes de respuesta a estrés hídrico de manera dependiente de ABA.
En especies de interés agronómico estos genes no han sido ampliamente estudiados en cuanto a su potencial para generar cultivos resistentes a estrés abiótico, posiblemente debido a que existen evidencias de que la tolerancia a estrés hídrico mediada por ABA genera una pérdida de productividad intrínseca por el cierre estomático (debido a una baja producción de fotosintatos por disminución de la fijación de CO2). Sin embargo, se demostró que la expresión del gen ABF3 de Arabidopsis en arroz incrementó la tolerancia al estrés abiótico sin causar inhibición del crecimiento o alteraciones fenotípicas visibles [23]. Recientemente, se ha descripto que la sobre-expresión de SlAREB1 en plantas de tomate da como resultado un aumento de la tolerancia al estrés hídrico sin afectar su crecimiento [16]. Estos resultados sugieren que los genes AREB/ABF pueden ser buenos candidatos para ser utilizados como herramienta biotecnológica, pero es necesario analizarlos de manera independiente en cada especie, ya que no todas las plantas responden de la misma manera a su sobre-expresión o la expresión de genes AREB/ABF exógenos.
Factores de transcripción MYC/MYB
Las familias de proteínas MYC/MYB se encuentran tanto en plantas como en animales y tienen diversas funciones. En plantas, algunos factores de transcripción MYC/MYB participan en la activación de la transcripción de genes de respuesta a estrés hídrico de manera dependiente de ABA [2]. MYC y MYB funcionan cooperativamente para la activación de la expresión de genes, uniéndose a los elementos de respuesta MYCR y MYBR (MYC, MYB recognition sites), respectivamente [24].
Se ha descripto que la sobre-expresión de AtMYB15 aumentó la tolerancia al estrés hídrico en Arabidopsis [25]. Resultados similares se observaron en plantas que sobre-expresan AtMYB2, AtMYC2 o ambos genes [24]. En todos los casos, se observó además la inducción de genes de respuesta a estrés. Al igual que los genes AREB/ABF, la sobre-expresión de algunos genes MYC/MYB causó una inhibición del crecimiento en Arabidopsis [26]. Los genes MYC y MYB han sido utilizados en algunas especies de interés agronómico. La sobre-expresión de StMYB1R-1 en plantas de papa incrementó la tolerancia a la sequía sin afectar significativamente su productividad [27]. En arroz, la sobre-expresión de OsMYB3R-2 incrementó la tolerancia al estrés hídrico [28]. El gen de arroz OsMYB4 fue utilizado en varias especies, como el tomate, obteniéndose distintos grados de tolerancia a la sequía dependiendo de la especie [29].
Factores de transcripción DREB/CBF
Las proteínas DREB/CBF son factores de transcripción de tipo AP2/ERF de plantas que inducen un conjunto de genes de respuesta a estrés abiótico. Cumplen una importante función en las vías de señalización independientes de ABA [2]. Estos factores de transcripción se dividen en dos subgrupos: DREB1/CBF y DREB2. La expresión de los genes DREB1/CBF (DREB1B/CBF1, DREB1A/CBF3 y DREB1C/CBF2 en Arabidopsis) es inducida por frío, mientras que la expresión de los genes DREB2 (DREB2A y DREB2B en Arabidopsis) es inducida por estrés hídrico [30]; sin embargo, las proteínas de ambos subgrupos se unen al elemento de respuesta DRE/CRT (dehydration-responsive element/C-repeat), indicando la existencia de un entrecruzamiento entre la expresión de genes inducida por frío y sequía, a través del elemento DRE/CRT [7]. Por este motivo, ambos subgrupos han sido útiles para incrementar la tolerancia tanto a la sequía como al frío. Genes homólogos a DREB1 y DREB2 han sido identificados en varias especies de interés agronómico [31].
La sobre-expresión de los genes DREB1/CBF en Arabidopsis incrementó la tolerancia al estrés hídrico y frío y esto se correlacionó con un aumento en los niveles de transcriptos que codifican proteínas asociadas a la adaptación al estrés [32, 33]. El análisis transcriptómico demostró que aproximadamente 30 genes son inducidos en respuesta a la sobre-expresión de DREB1B/CBF1, DREB1A/CBF3 o DREB1C/CBF2 [33].
La sobre-expresión del gen DREB1A es una estrategia muy utilizada. Con ello se ha logrado activar la expresión de numerosos genes de respuesta a estrés dando como resultado plantas más tolerantes al frío y al estrés hídrico [34]. DREB1A ha demostrado ser efectivo en numerosas especies. La sobre-expresión del DREB1A/CBF3 de Arabidopsis en papa, tabaco, trigo y arroz incrementó la tolerancia a la sequía [35, 36, 23]. También los genes DREB de otras especies han mostrado ser eficientes. Por ejemplo, plantas de arroz que sobreexpresan el gen DREB1A propio resultaron más tolerantes al estrés hídrico y al frío [37].
Factores de transcripción NAC y ZF-HD
Además de los descriptos, el estrés hídrico activa varios otros factores de transcripción, incluyendo los factores de transcripción NAC y las proteínas zinc finger homeodomain (ZF-HD). Las proteínas ZFHD1 se unen al elemento de repuesta ZFHDR, mientras que las proteínas NAC se unen al elemento de respuesta NACRS (NAC recognized sequence) [38, 39]. La familia de genes NAC tiene 106 y 149 miembros en Arabidopsis y arroz, respectivamente [40, 41]. La sobre-expresión de los genes NAC ANAC019, ANAC055 y ANAC072 en Arabidopsis incrementó la tolerancia a la sequía [38] mientras que en arroz, la sobre-expresión de SNAC1 o de OsNAC6/SNAC2 resultó en una tolerancia aumentada al estrés hídrico [42-44].
Conclusiones
Considerando que la población mundial podría llegar a 9 mil millones para el año 2050, es necesario incrementar la productividad agronómica para abastecer la futura demanda de alimento. El avance en el conocimiento de los mecanismos moleculares de respuesta a estrés hídrico ha facilitado herramientas para diseñar estrategias biotecnológicas que permiten aumentar la tolerancia y la productividad de los cultivos en condiciones de sequía o con un menor requerimiento de agua. Particularmente, en este artículo se resumieron las funciones de los principales factores de transcripción que regulan conjuntos de genes de respuesta a estrés y su utilización para aumentar la tolerancia a la sequía en especies de interés agronómico. El análisis funcional de estos factores de transcripción aportará nuevos conocimientos acerca de los complejos mecanismos de regulación de las respuestas a estrés y del entrecruzamiento de las vías de señalización que activan estas respuestas, que serán útiles al momento de diseñar las estrategias para generar cultivos tolerantes a la sequía y otros estreses abióticos que afecten su productividad.
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Autoras:
María Noelia Muñiz García y Daniela Andrea Capiati*
Instituto de Investigaciones en Ingeniería Genética y Biología Molecular, Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas
Vuelta de Obligado 2490, C1428ADN
Buenos Aires, Argentina
María Noelia Muñiz García y Daniela Andrea Capiati*
Instituto de Investigaciones en Ingeniería Genética y Biología Molecular, Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas
Vuelta de Obligado 2490, C1428ADN
Buenos Aires, Argentina
*E-mail: dcapiati@dna.uba.ar
Revista QuímicaVivaNúmero 3, año 10, Diciembre de 2011
quimicaviva@qb.fcen.uba.ar
If the total heat consumed is from an external utility (e.g. mains steam), then a high efficiency is desirable, even perhaps at the expense of a high capital cost. However, if the heat consumed is by recovery from elsewhere in the process, as is discussed in Chapter 22, then comparison based on dryer efficiency becomes less meaningful.
La ecuación 2.21, ó ecuación de diseño del reactor continuo de flujo en pistón, es una ecuación general válida tanto si la densidad del sistema es constante como si no lo es, así como para cualquier régimen térmico. Cabe también resaltar la analogía de esta ecuación con la del reactor discontinuo de mezcla perfecta.
. Por lo que cambiando de variable, 
la ecuación (2.21) se simplifica de la siguiente manera,
