Estación Experimental de Aula Dei - CSIC - Consejo Superior de ...
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<strong>Estación</strong> <strong>Experimental</strong> <strong>de</strong> <strong>Aula</strong> <strong>Dei</strong><br />
<strong>Consejo</strong> <strong>Superior</strong> <strong>de</strong> Investigaciones Científicas<br />
(<strong>CSIC</strong>)<br />
Zaragoza<br />
Tesis Doctoral<br />
CARACTERIZACIÓN Y REGULACIÓN DE LA CHAPERONA DE<br />
COBRE PARA LA CuZn SUPERÓXIDO DISMUTASA<br />
CLOROPLÁSTICA DE SOJA<br />
Memoria presentada por Dña. Sara Sagasti Escalona,<br />
Licenciada en Bioquímica, para optar al grado <strong>de</strong> Doctor en Ciencias<br />
Zaragoza, Julio 2009
D. RAFAEL PICOREL CASTAÑO, Profesor <strong>de</strong> Investigación <strong>de</strong>l <strong>Consejo</strong> <strong>Superior</strong> <strong>de</strong><br />
Investigaciones Científicas (<strong>CSIC</strong>), adscrito a la <strong>Estación</strong> <strong>Experimental</strong> <strong>de</strong> <strong>Aula</strong> <strong>Dei</strong> <strong>de</strong><br />
Zaragoza<br />
CERTIFICA:<br />
Que la Tesis Doctoral titulada “Caracterización y regulación <strong>de</strong> la chaperona <strong>de</strong> cobre<br />
para la CuZn superóxido dismutasa cloroplástica <strong>de</strong> soja”, ha sido realizada por la<br />
licenciada Dña. SARA SAGASTI ESCALONA en el Departamento <strong>de</strong> Nutrición<br />
Vegetal <strong>de</strong> la <strong>Estación</strong> <strong>Experimental</strong> <strong>de</strong> <strong>Aula</strong> <strong>Dei</strong> (<strong>CSIC</strong>) bajo su dirección, y que reúne,<br />
a su juicio, las condiciones requeridas para optar al grado <strong>de</strong> Doctor en Ciencias.<br />
Zaragoza, Julio <strong>de</strong> 2009<br />
Fdo.: Dr. Rafael Picorel Castaño
A mi familia
“La verda<strong>de</strong>ra ciencia enseña, por encima <strong>de</strong> todo, a dudar y a ser ignorante”<br />
Miguel <strong>de</strong> Unamuno (1864-1936) Filósofo y escritor español.
AGRADECIMIENTOS<br />
Me gustaría aprovechar estas líneas para agra<strong>de</strong>cer a las personas que, <strong>de</strong> algún<br />
modo u otro, han contribuido a la realización <strong>de</strong> esta Tesis Doctoral.<br />
En primer lugar, quiero dar las gracias a mi director <strong>de</strong> Tesis, el Dr. Rafael<br />
Picorel, por brindarme la oportunidad y confianza <strong>de</strong> trabajar en su laboratorio. Por<br />
formarme, por su <strong>de</strong>dicación, su conocimiento y transmitirme su interés científico.<br />
A la Dra. Inmaculada Yruela, por ponerme en contacto con el grupo y por la<br />
ayuda que me ha prestado siempre que la he necesitado.<br />
A las Dras. Milagros Medina y Susana Frago <strong>de</strong> la Universidad <strong>de</strong> Zaragoza, por<br />
la colaboración recibida en algunos experimentos <strong>de</strong> espectroscopia, su profesionalidad<br />
y amabilidad.<br />
A la Fundación Ramón Areces, por la beca predoctoral que me ha permitido<br />
realizar este trabajo.<br />
A mis compañeros <strong>de</strong> la <strong>Estación</strong> <strong>Experimental</strong> <strong>de</strong> <strong>Aula</strong> <strong>Dei</strong>, Sofía, Rut, María<br />
S., Irene, Aurora, A<strong>de</strong>, Rubén, Jorge R., Hamdi, Ana Flor, Ana A., Fermín, Victoria,<br />
Víctor, Saúl, Laura, Sergio, Celia, Jorge L., Loreto, MC, María C., Javier, Pilar, Manu,<br />
Carmen P., Joaquín, María M., Merche, Natalia, Ana C., Carmen, Concha, Tere, Mariví<br />
L., Jorge A., Manuel, Leticia, David, Nines, Nuria, Mª Ángeles, Azahara y Sara, por<br />
todos los momentos compartidos <strong>de</strong>ntro y fuera <strong>de</strong> <strong>Aula</strong> <strong>Dei</strong>. Por las charlas y risas que<br />
hemos vivido en las comidas <strong>de</strong>l “tupperware” y las celebraciones.<br />
Por supuesto, no me puedo olvidar <strong>de</strong> mis “compis <strong>de</strong>l labo”, María B. y Marian<br />
(mis maestras), Raquel, Vanesa, Beatriz, Sara L., Miren, Maya, Miguel, Mariví R. y<br />
Patricia. Han sido muchos años juntos llenos <strong>de</strong> buenos y malos momentos, pero el<br />
compañerismo y la amistad prevalecen ante todo. Me siento afortunada <strong>de</strong> haber tenido<br />
unos compañeros tan estupendos como vosotros.<br />
A mis amigos, por estar siempre ahí, por ayudarme a <strong>de</strong>sconectar <strong>de</strong>l trabajo y<br />
vuestras palabras en los momentos difíciles.<br />
Son muchas las cosas que he recibido <strong>de</strong> mis padres, Adolfo y Mª Pilar, como mi<br />
educación, la libertad <strong>de</strong> elegir, su fortaleza, sacrificio y sobre todo, su apoyo,<br />
comprensión y amor incondicionales. A mi hermana, María, porque sé que siempre está<br />
cuando la necesito, por hacerme reir y ver la vida con otros ojos. Por último, a mis<br />
abuelos, Juan Luis, Lola, Mario y Merce<strong>de</strong>s, por vuestro cariño infinito. Una parte <strong>de</strong><br />
esta Tesis también es vuestra.
ABREVIATURAS<br />
AO Ascorbato oxidasa<br />
APS Persulfato amónico<br />
APX Ascorbato peroxidasa<br />
AS “Splicing” alternativo<br />
ATP Trifosfato <strong>de</strong> a<strong>de</strong>nosina<br />
ATX Proteína antioxidante<br />
Ax Absorbancia a una longitud <strong>de</strong> onda <strong>de</strong>terminada<br />
BCB Dominio <strong>de</strong> unión a cobre<br />
BCIP 5-bromo-4-cloro-indolilfosfato<br />
BSA Seroalbúmina bovina<br />
CAO Amino oxidasa <strong>de</strong> cobre<br />
CCH Chaperona <strong>de</strong> cobre<br />
CCS Chaperona <strong>de</strong> cobre para la superóxido dismutasa<br />
cDNA DNA complementario<br />
Chl Clorofila<br />
Cit Citocromo<br />
COPT Transportador <strong>de</strong> cobre<br />
COX Citocromo c oxidasa<br />
CSD1 CuZnSOD citosólica<br />
CSD2 CuZnSOD cloroplástica<br />
CSD3 CuZnSOD peroxisomal<br />
CuRE Elemento <strong>de</strong> respuesta a Cu<br />
D1 Polipéptido <strong>de</strong>l centro <strong>de</strong> reacción <strong>de</strong>l fotosistema II<br />
D2 Polipéptido <strong>de</strong>l centro <strong>de</strong> reacción <strong>de</strong>l fotosistema II<br />
DC Dicroísmo circular<br />
DEAE Dietil-aminoetil<br />
DEPC Dietilpirocarbonato<br />
DHAR Dehidroascorbato reductasa<br />
DNA Ácido <strong>de</strong>soxirribonucleico<br />
DNAsa Desoxirribonucleasa I<br />
D.O.x Densidad óptica a una longitud <strong>de</strong> onda <strong>de</strong>terminada<br />
DTT Ditiotreitol
EDTA Ácido etilendiaminotetraacético<br />
εx Coeficiente <strong>de</strong> extinción a una longitud <strong>de</strong> onda <strong>de</strong>terminada<br />
Fd Ferredoxina<br />
FNR Ferredoxina-NADP + oxidorreductasa<br />
FRO Óxido reductasa <strong>de</strong> hierro<br />
GFP Proteína <strong>de</strong> fluorescencia ver<strong>de</strong><br />
GR Glutatión reductasa<br />
HEPES N-2-(hidroxi-etil) piperazine-N’-(ácido 2-etanosulfónico)<br />
His6 Cola <strong>de</strong> seis histidinas<br />
HMA ATPasa <strong>de</strong> metales pesados<br />
ICP-MS Espectrometría <strong>de</strong> masas con plasma <strong>de</strong> acoplamiento inductivo<br />
IMAC Cromatografía <strong>de</strong> afinidad por unión a metal<br />
IPTG Isopropil-β-tio-D-galactopiranósido<br />
Kd Constante <strong>de</strong> disociación<br />
λ Longitud <strong>de</strong> onda<br />
LB Medio Luria<br />
LC Lacasa<br />
LHCII Complejo <strong>de</strong> antena mayoritaria <strong>de</strong>l fotosistema II<br />
MALDI-TOF “Matrix-assisted laser <strong>de</strong>sorption-time of flight”<br />
MBP Proteína <strong>de</strong> unión a maltosa<br />
MCO Oxidasas multicobre<br />
MDHAR Mono<strong>de</strong>hidroascorbato reductasa<br />
MES Ácido 2-(N-morfolino) etano sulfónico<br />
MRE Elemento <strong>de</strong> respuesta al metal<br />
mRNA RNA mensajero<br />
MT Metalotioneína<br />
MWCO Límite <strong>de</strong> tamaño <strong>de</strong> poro <strong>de</strong> membranas <strong>de</strong> diálisis en Da<br />
NA Nicotianamina<br />
NADP + 2’-Fosfodinucleótido <strong>de</strong> nicotinamida y a<strong>de</strong>nina oxidado<br />
NADPH 2’-Fosfodinucleótido <strong>de</strong> nicotinamida y a<strong>de</strong>nina reducido<br />
NBT Azul <strong>de</strong> nitrotetrazolio<br />
NRAMP “Natural resistance associated macrophage proteins”<br />
NSP No “splicing”<br />
ORF Marco abierto <strong>de</strong> lectura
PAA ATPasa para Arabidopsis tipo P<br />
PAGE Electroforesis en gel <strong>de</strong> poliacrilamida<br />
Pb Pares <strong>de</strong> bases<br />
PC Fitoquelatina<br />
Pc Plastocianina<br />
Pheo Feofitina<br />
Pi Fosfato inorgánico<br />
PMSF Fluoruro <strong>de</strong> fenilmetilsulfonilo<br />
PPO Polifenol oxidasa<br />
PS I Fotosistema I<br />
PS II Fotosistema II<br />
PsbA Gen que codifica a D1<br />
PVDF Fluoruro <strong>de</strong> polivinili<strong>de</strong>no<br />
QA Primera quinona aceptora <strong>de</strong> electrones <strong>de</strong>l fotosistema II<br />
QB Segunda quinona aceptora <strong>de</strong> electrones <strong>de</strong>l fotosistema II<br />
RbcL Gen que codifica la subunidad L <strong>de</strong> la Rubisco<br />
RC Centro <strong>de</strong> reacción <strong>de</strong>l fotosistema II<br />
RNA Ácido ribonucleico<br />
RNAsa H Ribonucleasa H<br />
ROS Especies reactivas <strong>de</strong> oxígeno<br />
RT-PCR Reacción en ca<strong>de</strong>na <strong>de</strong> la polimerasa reversa<br />
SBP Promotor <strong>de</strong> unión a squamosa<br />
SDS Do<strong>de</strong>cil sulfato <strong>de</strong> sodio<br />
SOD Superóxido dismutasa<br />
TEMED N, N, N’, N’-tetrametil-etil-N-diamina<br />
Tm Temperatura <strong>de</strong> hibridación<br />
Tricina N-tris(hidroximetil) metil glicina<br />
Tris (tris)-hidroximetil-amino metano<br />
UTR Región <strong>de</strong>l mRNA que no se traduce<br />
UV-Vis Ultravioleta-visible<br />
YSL “Yellow stripe like”<br />
YZ Tirosina Z <strong>de</strong> la proteína D1<br />
YD Tirosina D <strong>de</strong> la proteína D2<br />
ZIP “Zrt1-irt1-like proteins”
ÍNDICE<br />
1 INTRODUCCIÓN.................................................................................................. 3<br />
1.1 LA BIOQUÍMICA DEL COBRE .................................................................... 3<br />
1.2 FUNCIÓN DEL COBRE EN PLANTAS........................................................ 5<br />
1.2.1 PROTEÍNAS DE COBRE O CUPROPROTEÍNAS ............................... 5<br />
1.2.1.1 Cuproproteínas que participan en el transporte <strong>de</strong> electrones .............. 5<br />
1.2.1.1.1 Proteínas azules <strong>de</strong> cobre o cuprodoxinas ...................................... 5<br />
1.2.1.1.2 Oxidasas azules o multicobre oxidasas (MCOs) ............................ 7<br />
1.2.1.2 Cuproproteínas involucradas en el transporte electrónico, reducción<br />
<strong>de</strong>l oxígeno molecular y reducción <strong>de</strong> compuestos inorgánicos .......................... 7<br />
1.2.1.3 Cuproproteínas con diversas funciones ................................................ 8<br />
1.3 DEFICIENCIA DE COBRE EN PLANTAS ................................................. 12<br />
1.4 TOXICIDAD DE COBRE EN PLANTAS.................................................... 13<br />
1.4.1 Toxicidad <strong>de</strong> cobre en el cloroplasto...................................................... 14<br />
1.4.2 Tolerancia al exceso <strong>de</strong> cobre................................................................. 19<br />
1.5 HOMEOSTASIS DE COBRE EN PLANTAS .............................................. 22<br />
1.5.1 Movilización y adquisición <strong>de</strong> cobre por la raíz..................................... 23<br />
1.5.2 Transporte <strong>de</strong> cobre a través <strong>de</strong> la planta ............................................... 24<br />
1.5.3 Distribución intracelular <strong>de</strong> cobre .......................................................... 26<br />
1.5.3.1 COPT.................................................................................................. 29<br />
1.5.3.2 YSL..................................................................................................... 29<br />
1.5.3.3 ZIP ...................................................................................................... 30<br />
1.5.3.4 NRAMP.............................................................................................. 30<br />
1.5.3.5 P1B-ATPasas ....................................................................................... 31<br />
1.5.3.6 Metalotioneínas .................................................................................. 33<br />
1.5.3.7 Chaperonas <strong>de</strong> cobre o cuprochaperonas............................................ 34<br />
1.5.4 Regulación.............................................................................................. 41<br />
1.6 OBJETIVOS................................................................................................... 47<br />
2 MATERIALES Y MÉTODOS............................................................................ 51<br />
2.1 MATERIAL BIOLÓGICO VEGETAL ......................................................... 51<br />
2.1.1 Suspensiones celulares <strong>de</strong> soja (Glycine max) ....................................... 51<br />
2.1.1.1 Cultivo en medio líquido .................................................................... 51
2.1.1.2 Cultivo en medio sólido...................................................................... 52<br />
2.1.2 Plantas <strong>de</strong> soja ........................................................................................ 54<br />
2.1.3 Tratamientos <strong>de</strong> suspensiones celulares <strong>de</strong> soja..................................... 55<br />
2.1.4 Tratamientos <strong>de</strong> plantas <strong>de</strong> soja.............................................................. 56<br />
2.2 TÉCNICAS DE BIOLOGÍA MOLECULAR ................................................ 56<br />
2.2.1 Extracción <strong>de</strong>l RNA <strong>de</strong> suspensiones celulares <strong>de</strong> soja ......................... 56<br />
2.2.2 Extracción <strong>de</strong>l RNA <strong>de</strong> plantas <strong>de</strong> soja .................................................. 57<br />
2.2.3 RT-PCR semicuantitativa....................................................................... 57<br />
2.2.3.1 Síntesis <strong>de</strong> cDNA ............................................................................... 57<br />
2.2.3.2 Condiciones <strong>de</strong> PCR........................................................................... 58<br />
2.2.4 Electroforesis <strong>de</strong> DNA en geles <strong>de</strong> agarosa............................................ 61<br />
2.2.5 Clonación <strong>de</strong> los productos <strong>de</strong> PCR ....................................................... 62<br />
2.2.5.1 Extracción <strong>de</strong> los productos <strong>de</strong> PCR <strong>de</strong> geles <strong>de</strong> agarosa mediante lana<br />
<strong>de</strong> vidrio .………………………………………………………………………62<br />
2.2.5.2 Ligación <strong>de</strong> los productos <strong>de</strong> PCR ..................................................... 63<br />
2.2.5.3 Preparación <strong>de</strong> células competentes ................................................... 63<br />
2.2.5.4 Transformación <strong>de</strong> Escherichia coli................................................... 64<br />
2.2.5.5 Aislamiento <strong>de</strong> DNA plasmídico........................................................ 64<br />
2.3 FRACCIONAMIENTO SUBCELULAR ...................................................... 65<br />
2.3.1 Aislamiento <strong>de</strong> cloroplastos, tilacoi<strong>de</strong>s y estroma a partir <strong>de</strong><br />
suspensiones celulares y plantas <strong>de</strong> soja................................................................. 65<br />
2.3.2 Aislamiento <strong>de</strong> cloroplastos intactos a partir <strong>de</strong> suspensiones celulares y<br />
plantas <strong>de</strong> soja......................................................................................................... 66<br />
2.3.3 Aislamiento <strong>de</strong> estroma y tilacoi<strong>de</strong>s a partir <strong>de</strong> cloroplastos intactos <strong>de</strong><br />
suspensiones celulares y plantas <strong>de</strong> soja................................................................. 68<br />
2.4 TÉCNICAS BIOQUÍMICAS......................................................................... 69<br />
2.4.1 Extracción <strong>de</strong> clorofila............................................................................ 69<br />
2.4.2 Electroforesis SDS-PAGE <strong>de</strong> proteínas ................................................. 69<br />
2.4.3 Ensayo <strong>de</strong> actividad SOD....................................................................... 71<br />
2.5 TÉCNICAS INMUNOQUÍMICAS ............................................................... 74<br />
2.5.1 Western Blot........................................................................................... 74<br />
2.5.2 Desarrollo <strong>de</strong> anticuerpos contra GmCCS y GmCuZnSOD................... 77<br />
2.6 OBTENCIÓN DE LA PROTEÍNA GmCCS RECOMBINANTE ................ 78<br />
2.6.1 Clonación................................................................................................ 78
2.6.2 Inducción <strong>de</strong> la expresión en Escherichia coli ....................................... 81<br />
2.6.3 Purificación............................................................................................. 81<br />
2.7 SERVICIOS ................................................................................................... 84<br />
2.7.1 Análisis MALDI-TOF ............................................................................ 84<br />
2.7.2 Determinación <strong>de</strong> la secuencia N-terminal............................................. 84<br />
2.7.3 ICP-MS................................................................................................... 85<br />
2.8 TÉCNICAS ESPECTROSCÓPICAS ............................................................ 85<br />
2.8.1 Absorción UV-Vis.................................................................................. 86<br />
2.8.2 Fluorescencia.......................................................................................... 87<br />
2.8.3 Dicroísmo circular .................................................................................. 87<br />
2.9 ANÁLISIS BIOINFORMÁTICO .................................................................. 88<br />
2.9.1 Análisis <strong>de</strong> secuencias ............................................................................ 88<br />
2.9.2 Mo<strong>de</strong>lado molecular............................................................................... 88<br />
3 RESULTADOS ..................................................................................................... 91<br />
3.1 REGULACIÓN TRANSCRIPCIONAL DE GmCCS.................................... 91<br />
3.1.1 Regulación por “splicing” alternativo .................................................... 91<br />
3.1.2 Regulación por cobre.............................................................................. 97<br />
3.2 REGULACIÓN TRANSCRIPCIONAL DE GmCSD2 ................................. 99<br />
3.2.1 Regulación por “splicing” alternativo .................................................... 99<br />
3.2.2 Regulación por cobre............................................................................ 103<br />
3.3 IDENTIFICACIÓN, LOCALIZACIÓN Y REGULACIÓN DE GmCCS Y<br />
GmCSD2................................................................................................................... 104<br />
3.3.1 Calidad <strong>de</strong>l fraccionamiento subcelular ............................................... 105<br />
3.3.2 Western blot anti-GmCCS.................................................................... 107<br />
3.3.3 Western blot anti-GmCSD2 y ensayo <strong>de</strong> actividad SOD ..................... 112<br />
3.4 CLONACIÓN, SOBREEXPRESIÓN Y PURIFICACIÓN DE GmCCS .... 115<br />
3.4.1 Clonación.............................................................................................. 115<br />
3.4.2 Inducción <strong>de</strong> la expresión en Escherichia coli ..................................... 116<br />
3.4.3 Purificación........................................................................................... 119<br />
3.5 CARACTERIZACIÓN ESPECTROSCÓPICA DE LA GmCCS<br />
RECOMBINANTE PURIFICADA ......................................................................... 125<br />
3.5.1 Absorción UV-Vis................................................................................ 125<br />
3.5.2 Fluorescencia........................................................................................ 129
3.5.3 Dicroísmo circular ................................................................................ 131<br />
3.6 BÚSQUEDA DE UNA HIPOTÉTICA cpCCS EN SOJA........................... 132<br />
4 DISCUSIÓN........................................................................................................ 137<br />
4.1 REGULACIÓN TRANSCRIPCIONAL DE GmCCS Y GmCSD2 ............. 137<br />
4.1.1 Regulación por “splicing” alternativo .................................................. 137<br />
4.1.2 Regulación por cobre............................................................................ 140<br />
4.2 IDENTIFICACIÓN, LOCALIZACIÓN Y REGULACIÓN DE GmCCS Y<br />
GmCSD2................................................................................................................... 142<br />
4.2.1 GmCCS................................................................................................. 142<br />
4.2.2 GmCSD2............................................................................................... 143<br />
4.3 SOBREEXPRESIÓN Y PURIFICACIÓN DE GmCCS.............................. 148<br />
4.4 CARACTERIZACIÓN ESPECTROSCÓPICA DE LA GmCCS<br />
RECOMBINANTE PURIFICADA ......................................................................... 149<br />
4.5 BÚSQUEDA DE UNA HIPOTÉTICA cpCCS EN SOJA........................... 150<br />
5 CONCLUSIONES .............................................................................................. 153<br />
6 BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................ 157<br />
7 PUBLICACIONES............................................................................................. 179
INTRODUCCIÓN
1 INTRODUCCIÓN<br />
1.1 LA BIOQUÍMICA DEL COBRE<br />
3<br />
Introducción<br />
El cobre (Cu) es un metal <strong>de</strong> transición que pertenece a la posición 29 y al<br />
subgrupo IB <strong>de</strong> la tabla periódica <strong>de</strong> los elementos. Este metal es abundante en la<br />
corteza terrestre, su concentración es <strong>de</strong> 55 ppm (Mason y Moore, 1982). Se encuentra<br />
presente principalmente en forma <strong>de</strong> minerales como la calcopirita (CuFeS2), calcocita<br />
(Cu2S), cuprita (Cu2O) y malaquita [Cu2CO3(OH)2].<br />
En estado fundamental su estructura electrónica es [Ar]3d 10 4s 1 . El bajo potencial<br />
<strong>de</strong> ionización <strong>de</strong>l electrón 4s 1 da por resultado una remoción fácil <strong>de</strong>l mismo para<br />
obtener el cobre(I) o ión cuproso, Cu + , y el cobre(II) o ión cúprico, Cu 2+ , se forma sin<br />
dificultad por remoción <strong>de</strong> un electrón <strong>de</strong> la capa 3d. La especie Cu 3+ también se conoce<br />
pero es muy inusual (Cotton y col., 1999). En la naturaleza, el Cu 2+ es bastante soluble<br />
mientras que la solubilidad <strong>de</strong>l Cu + se encuentra en el rango submicromolar. En los<br />
seres vivos, el Cu se encuentra principalmente en forma <strong>de</strong> Cu 2+ , ya que la presencia <strong>de</strong><br />
oxígeno u otros aceptores <strong>de</strong> electrones oxidan fácilmente el Cu + a Cu 2+ . La oxidación<br />
<strong>de</strong>l Cu es reversible puesto que el Cu 2+ pue<strong>de</strong> aceptar un electrón <strong>de</strong> reductores como el<br />
ascorbato o el glutatión. Por otro lado, el Cu + es susceptible a la <strong>de</strong>sproporción dando<br />
como productos Cu 2+ y Cu 0 , como consecuencia <strong>de</strong> este proceso, es difícil obtener<br />
soluciones estables <strong>de</strong> Cu + .<br />
Los cationes <strong>de</strong> la serie <strong>de</strong> elementos d, como el Cu, presentan alta afinidad para<br />
formar complejos <strong>de</strong> coordinación. Debido a su elevada afinidad electrónica, los<br />
cationes mono y divalentes <strong>de</strong> Cu son los iones más efectivos para la unión a moléculas<br />
orgánicas. La geometría, estequiometría y estabilidad <strong>de</strong> los centros <strong>de</strong> coordinación en<br />
las moléculas orgánicas <strong>de</strong>pen<strong>de</strong> <strong>de</strong> la naturaleza <strong>de</strong> los ligandos y <strong>de</strong>l estado <strong>de</strong><br />
oxidación <strong>de</strong>l metal. En el estado <strong>de</strong> oxidación +1, el ión cuproso tiene todos los<br />
orbitales d ocupados, por tanto es diamagnético, y los números <strong>de</strong> coordinación más<br />
habituales son 2, 3 y 4 con geometría lineal, tetraédrica o trigonal. En el estado <strong>de</strong><br />
oxidación +2, el ión cúprico posee un electrón <strong>de</strong>sapareado en el orbital d, por tanto es<br />
paramagnético y los números <strong>de</strong> coordinación más habituales son 4, 5 y 6 con geometría<br />
cuadrada plana, piramidal u octaedral tetragonalmente distorsionada (Koch y col.,<br />
1997).
Introducción<br />
La clasificación clásica <strong>de</strong> los centros <strong>de</strong> Cu en las cuproproteínas es la<br />
siguiente:<br />
− Centros <strong>de</strong> tipo I: Este tipo <strong>de</strong> centro se encuentra principalmente en las<br />
cuproproteínas azules como la plastocianina. Su color azul se <strong>de</strong>be a que el espectro <strong>de</strong><br />
absorción presenta una intensa banda a 600 nm. La geometría <strong>de</strong> coordinación en estos<br />
centros es tetraédrica distorsionada.<br />
− Centros <strong>de</strong> tipo II: Las proteínas que tienen este tipo <strong>de</strong> centro como la CuZn<br />
superóxido dismutasa (CuZnSOD), poseen propieda<strong>de</strong>s espectroscópicas similares a las<br />
<strong>de</strong> otros muchos complejos ordinarios <strong>de</strong> Cu. Su geometría <strong>de</strong> coordinación es cuadrada<br />
distorsionada.<br />
− Centros <strong>de</strong> tipo III: El sitio activo <strong>de</strong> estas proteínas contiene dos átomos <strong>de</strong> Cu<br />
coordinados piramidalmente y próximos entre sí, acoplados antiferromagnéticamente.<br />
Debido al incremento <strong>de</strong> estructuras que hay disponibles actualmente se han<br />
encontrado otros tres centros <strong>de</strong> Cu adicionales, que no pue<strong>de</strong>n ser incluidos en los tres<br />
grupos anteriores. Por tanto, a<strong>de</strong>más <strong>de</strong> los centros tipo I, II y III, existen centros<br />
trinucleares (tipo II + tipo III), centros CuA y/o CuB y centros tipo metalotioneína<br />
(Falconi y Desi<strong>de</strong>ri, 2002; Kaim y Rall, 1996) (Tabla 1-1).<br />
Tipo I<br />
Trinuclear<br />
Tipo II<br />
Cu A<br />
Tabla 1-1: Tipos <strong>de</strong> centros <strong>de</strong> Cu en las cuproproteínas.<br />
4<br />
Tipo III<br />
Cu B
1.2 FUNCIÓN DEL COBRE EN PLANTAS<br />
5<br />
Introducción<br />
Cuando la atmósfera <strong>de</strong> la tierra cambió <strong>de</strong> ser anaerobia a aerobia, hace unos<br />
tres mil millones <strong>de</strong> años, la disponibilidad <strong>de</strong> Cu en el suelo aumentó notablemente al<br />
mismo tiempo que disminuyó la disponibilidad <strong>de</strong> Fe (Kaim y Rall, 1996). Inicialmente<br />
la evolución <strong>de</strong> los sistemas <strong>de</strong> <strong>de</strong>toxificación fue dominante y más tar<strong>de</strong> se <strong>de</strong>sarrolló<br />
su uso en funciones bioquímicas. La utilización <strong>de</strong> metales <strong>de</strong> transición como el Cu<br />
para realizar funciones bioquímicas alcanzó un gran éxito y una tercera parte <strong>de</strong> las<br />
estructuras <strong>de</strong> proteínas caracterizadas resultaron ser metaloproteínas (Finney y<br />
O`Halloran, 2003).<br />
Actualmente, se sabe que el Cu es un micronutriente esencial para el correcto<br />
crecimiento y <strong>de</strong>sarrollo <strong>de</strong> las plantas. El Cu actúa como un elemento estructural en<br />
proteínas reguladoras y participa en el transporte electrónico fotosintético, la respiración<br />
mitocondrial, la respuesta al estrés oxidativo, el metabolismo <strong>de</strong> la pared celular y la<br />
señalización hormonal. Los iones <strong>de</strong> Cu actúan como cofactores <strong>de</strong> muchas enzimas<br />
como la CuZnSOD, plastocianina (Pc), citocromo c oxidasa, lacasa, receptores <strong>de</strong><br />
etileno y para las oxidasas apoplásticas: ascorbato oxidasa, diamino oxidasa y polifenol<br />
oxidasa. A nivel celular, el Cu también juega un papel importante en la señalización <strong>de</strong><br />
la transcripción y en la maquinaria <strong>de</strong>l tráfico <strong>de</strong> proteínas, la fosforilación oxidativa y<br />
la movilización <strong>de</strong>l hierro (Marschner, 1995; Raven y col., 1999; Yruela, 2005).<br />
Recientemente, se ha <strong>de</strong>scrito otro papel <strong>de</strong>l Cu en la biosíntesis <strong>de</strong>l cofactor <strong>de</strong><br />
molib<strong>de</strong>no (Kuper y col., 2004). Este hecho permite relacionar el metabolismo <strong>de</strong>l Cu<br />
con la asimilación <strong>de</strong> nitrógeno y la biosíntesis <strong>de</strong> fitohormonas (Men<strong>de</strong>l, 2005).<br />
1.2.1 PROTEÍNAS DE COBRE O CUPROPROTEÍNAS<br />
Las cuproproteínas se pue<strong>de</strong>n clasificar en tres grupos según su función (De<br />
Rienzo y col., 2000; Halcrow y col., 2001; Lindley, 2001a; Vila y Fernán<strong>de</strong>z, 2001):<br />
1.2.1.1 Cuproproteínas que participan en el transporte <strong>de</strong> electrones<br />
1.2.1.1.1 Proteínas azules <strong>de</strong> cobre o cuprodoxinas<br />
− Plastocianina (Pc): Esta cuproproteína es clave para la fotosíntesis. Se<br />
encuentra en los organismos fotosintéticos: cianobacterias, algas y plantas superiores.<br />
Más <strong>de</strong>l 50% <strong>de</strong>l contenido <strong>de</strong> Cu en el cloroplasto está unido a esta proteína. Se<br />
caracteriza por tener en su secuencia un solo dominio BCB (“blue-copper binding
Introducción<br />
domain”) (Nerssisian y Shipp, 2002). La Pc es una óxido-reductasa <strong>de</strong> pequeño tamaño<br />
(10 kDa) que se asocia extrínsecamente a la membrana tilacoidal en el lumen y actúa <strong>de</strong><br />
puente redox entre el citocromo (Cit) b6f y el fotosistema I (PSI). El grupo prostético <strong>de</strong><br />
esta proteína es un átomo <strong>de</strong> Cu ligado a cuatro aminoácidos (dos histidinas, una<br />
cisteína y una metionina) con una geometría casi tetraédrica y está clasificado como<br />
centro <strong>de</strong> Cu tipo I, que en su forma oxidada exhibe el típico color azul <strong>de</strong> las proteínas<br />
<strong>de</strong> este grupo (azulina, amicianina, pseudoazurina y estelacianina) (Bonilla, 2000). La<br />
Pc está codificada por un gen nuclear (petE) <strong>de</strong> manera que se sintetiza como<br />
preapoproteína en el citoplasma para ser posteriormente transportada a través <strong>de</strong> la<br />
membrana <strong>de</strong>l cloroplasto (en plantas superiores o algas) y <strong>de</strong>spués hacia el lumen <strong>de</strong>l<br />
tilacoi<strong>de</strong>, don<strong>de</strong> se une al Cu para formar la holoproteína. En cianobacterias y algunas<br />
algas, la biosíntesis <strong>de</strong> la Pc está controlada por la disponibilidad <strong>de</strong> Cu en el medio <strong>de</strong><br />
cultivo. Si el contenido <strong>de</strong> Cu en el medio es inferior a la cantidad requerida para<br />
mantener la concentración necesaria <strong>de</strong> Pc, se inicia la transcripción <strong>de</strong>l gen petJ que<br />
codifica para el Cit c6. En estas condiciones, este citocromo sustituye a la Pc en la<br />
ca<strong>de</strong>na <strong>de</strong> transporte electrónico fotosintético (Merchant, 1998; Molina-Heredia y col.,<br />
2003). En plantas superiores se ha i<strong>de</strong>ntificado una proteína homóloga (Cit c6A) al Cit c6<br />
<strong>de</strong> cianobacterias y algas (Wastl y col., 2002, 2004; Weigel y col., 2003a; Howe y col.,<br />
2006; Schlarb-Ridley y col., 2006), pero se ha <strong>de</strong>mostrado que no realiza la misma<br />
función (Weigel y col., 2003b). Se ha <strong>de</strong>scrito que el exceso <strong>de</strong> Cu disminuye los<br />
niveles <strong>de</strong> transcrito <strong>de</strong> la Pc en Arabidopsis (Schiavon y col., 2007) y arroz (Sudo y<br />
col., 2008). Por el contrario, el exceso <strong>de</strong> Cu incrementa los niveles <strong>de</strong> la proteína en<br />
Arabidopsis, lo que sugiere una regulación postranscripcional <strong>de</strong> la Pc (Ab<strong>de</strong>l-Ghany y<br />
Pilon, 2008). Por otro lado, se ha <strong>de</strong>scrito que en Arabidopsis existen dos genes que<br />
codifican para la Pc, PETE1 y PETE2. Recientemente, se ha publicado que PETE2 es la<br />
isoforma más abundante y se acumula en respuesta al aumento <strong>de</strong> Cu en el medio<br />
actuando como tampón <strong>de</strong>l exceso <strong>de</strong> este metal, a<strong>de</strong>más <strong>de</strong> transportar electrones. Por<br />
el contrario, PETE1 transporta los electrones en condiciones <strong>de</strong> <strong>de</strong>ficiencia <strong>de</strong> Cu y su<br />
expresión no se modifica en respuesta a la adición <strong>de</strong> Cu (Ab<strong>de</strong>l-Ghany, 2009).<br />
− Plantacianina: Pertenece a la familia <strong>de</strong> las fitocianinas. Tiene un tamaño <strong>de</strong><br />
10 kDa, aproximadamente. Se caracteriza por tener en su secuencia un solo dominio<br />
BCB (Nerssisian y Shipp, 2002). Recientemente, se ha <strong>de</strong>mostrado que esta proteína<br />
<strong>de</strong>sempeña un papel importante en el <strong>de</strong>sarrollo <strong>de</strong> la antera y en la polinización en A.<br />
thaliana (Dong y col., 2005).<br />
6
1.2.1.1.2 Oxidasas azules o multicobre oxidasas (MCOs)<br />
7<br />
Introducción<br />
− Ascorbato Oxidasa (AO): Es una glicoproteína que posee tres dominios<br />
BCB. Cataliza la oxidación <strong>de</strong>l ácido ascórbico a ácido <strong>de</strong>hidroascórbico. Esta enzima<br />
contiene ocho átomos <strong>de</strong> Cu por molécula que se asignan a dos centros <strong>de</strong> Cu tipo I, dos<br />
tipo II y dos tipo III. Se encuentra en tallos, flores, frutos y semillas tanto en etapas<br />
tempranas como tardías <strong>de</strong>l <strong>de</strong>sarrollo y en células diferenciadas y no diferenciadas<br />
(Chichiricco y col., 1989; Hayashi y Morohashi, 1993). A nivel celular, se ha localizado<br />
en la pared celular y en el citoplasma (Nerssisian y Shipp, 2002). Pue<strong>de</strong> actuar como<br />
oxidasa terminal <strong>de</strong> la ca<strong>de</strong>na respiratoria o en combinación con la enzima polifenol<br />
oxidasa. La expresión <strong>de</strong> la AO se induce por la luz y por la aparición <strong>de</strong> heridas por lo<br />
que se cree que actúa en los mecanismos <strong>de</strong> <strong>de</strong>fensa frente a oxidantes relacionados con<br />
el ascorbato o vitamina C (Nakamura y Go, 2005).<br />
− Lacasa (LC): Esta enzima posee tres dominios BCB y contiene ocho<br />
átomos <strong>de</strong> Cu por molécula que se asignan a dos sitios <strong>de</strong> Cu tipo I, dos tipo II y dos<br />
tipo III. Cataliza la oxidación <strong>de</strong> diversas sustancias fenólicas e inorgánicas. En plantas,<br />
participa en mecanismos <strong>de</strong> respuesta a la herida y en la síntesis <strong>de</strong> lignina (Nerssisian y<br />
Shipp, 2002; Nakamura y Go, 2005).<br />
1.2.1.2 Cuproproteínas involucradas en el transporte electrónico, reducción <strong>de</strong>l<br />
oxígeno molecular y reducción <strong>de</strong> compuestos inorgánicos<br />
− Citocromo c oxidasa (COX): Es una oxidasa terminal <strong>de</strong> la ca<strong>de</strong>na <strong>de</strong><br />
transporte electrónico mitocondrial que cataliza la transferencia <strong>de</strong> electrones. La<br />
energía que se produce tras este proceso es utilizada para bombear protones hacia el<br />
exterior <strong>de</strong> la membrana mitocondrial y sintetizar ATP. Contiene dos átomos <strong>de</strong> Cu y<br />
dos átomos <strong>de</strong> Fe (hemo). Cuando esta enzima se inhibe existe otra oxidasa llamada<br />
“oxidasa alternativa” que proporciona una ruta <strong>de</strong> oxidación alternativa en la<br />
mitocondria. En esta vía no se produce el bombeo <strong>de</strong> protones al exterior por lo que<br />
toda la energía producida se pier<strong>de</strong> en forma <strong>de</strong> calor. Esta oxidasa alternativa contiene<br />
Cu pero no contiene Fe (Marschner, 1995).<br />
− Diamino oxidasa (CAOs): Es una flavoproteína que pertenece a la<br />
familia <strong>de</strong> las amino oxidasas que contienen Cu en su estructura (CAO, “copper<br />
containing amine oxidases”). Su función consiste en catalizar la oxidación aeróbica <strong>de</strong><br />
poliaminas a al<strong>de</strong>hídos. Esta familia <strong>de</strong> proteínas se ha <strong>de</strong>scrito en un amplio rango <strong>de</strong>
Introducción<br />
organismos (bacterias, levaduras, plantas y mamíferos). Todas las CAOs caracterizadas<br />
son proteínas homodiméricas, cada subunidad tiene un peso molecular <strong>de</strong> 70-95 kDa y<br />
un átomo <strong>de</strong> Cu y un grupo carbonilo como cofactor (Halcrow y col., 2001). En plantas,<br />
la enzima diamino oxidasa se encuentra localizada en el apoplasto <strong>de</strong> la epi<strong>de</strong>rmis y en<br />
el xilema <strong>de</strong> tejidos maduros don<strong>de</strong> se ha propuesto que funciona como sistema<br />
liberador <strong>de</strong> peróxido <strong>de</strong> hidrógeno (H2O2), necesario para la actividad peroxidasa en el<br />
proceso <strong>de</strong> lignificación y suberización (Marschner, 1995). En general, las amino<br />
oxidasas <strong>de</strong> plantas participan en el crecimiento y <strong>de</strong>sarrollo <strong>de</strong> la planta, y en los<br />
mecanismos <strong>de</strong> <strong>de</strong>fensa a través <strong>de</strong> la formación <strong>de</strong> metabolitos secundarios (Cona y<br />
col., 2006).<br />
− Polifenol oxidasa (PPO): Es una metaloenzima que contiene un centro <strong>de</strong><br />
unión <strong>de</strong> Cu tipo III y es homóloga a la enzima hemocianina encontrada en moluscos.<br />
La PPO pue<strong>de</strong> tener actividad cresolasa utilizando el oxígeno molecular para catalizar la<br />
oxidación <strong>de</strong> varios monofenoles a o-difenoles y actividad catecolasa (oxidación <strong>de</strong> odifenoles<br />
a o-quinonas). El sitio activo <strong>de</strong> todas las PPO es un centro dinuclear formado<br />
por dos átomos <strong>de</strong> Cu, cada uno <strong>de</strong> ellos coordinado a tres histidinas (Ger<strong>de</strong>mann y col.,<br />
2002). Las PPOs <strong>de</strong> plantas están codificadas por genes nucleares y contienen un<br />
péptido señal que dirige la proteína al lumen tilacoidal don<strong>de</strong> se encuentra en forma<br />
soluble o débilmente unida a la membrana tilacoidal (Sommer y col., 1994). El peso<br />
molecular <strong>de</strong> la preproteína está en torno a 55-70 kDa y la proteína madura se obtiene<br />
tras la ruptura proteolítica <strong>de</strong> un fragmento <strong>de</strong> 15-20 kDa <strong>de</strong>l extremo C-terminal<br />
(Marusek y col., 2006). Las PPOs son abundantes en la pared celular, don<strong>de</strong> participan<br />
en la biosíntesis <strong>de</strong> lignina, y en las membranas tilacoidales don<strong>de</strong> se ha propuesto que<br />
se requieren para la síntesis <strong>de</strong> pigmentos (betalaínas) y para la <strong>de</strong>toxificación <strong>de</strong><br />
especies reactivas <strong>de</strong> oxígeno (Marschner, 1995; Marusek y col., 2006).<br />
1.2.1.3 Cuproproteínas con diversas funciones<br />
Las proteínas que pertenecen a esta familia en las plantas son: la CuZnSOD, las<br />
Cu-ATPasas (ver 1.5.3.5), las metalotioneínas (ver 1.5.3.6) y las cuprochaperonas (ver<br />
1.5.3.7) (Lindley, 2001b).<br />
− CuZnSOD: Se conocen tres clases <strong>de</strong> SODs en plantas según el metal<br />
que contienen como cofactor: la MnSOD (mitocondria), la FeSOD (cloroplasto) y la<br />
CuZnSOD, esta última se <strong>de</strong>tallará a continuación dado que ha sido objeto <strong>de</strong> estudio en<br />
8
9<br />
Introducción<br />
esta Tesis. La MnSOD y la FeSOD están estructuralmente relacionadas, sin embargo, la<br />
CuZnSOD no muestra ninguna relación estructural con las anteriores (Harris y col.,<br />
1980), por lo que se cree que pudo evolucionar in<strong>de</strong>pendientemente en respuesta a la<br />
producción <strong>de</strong> oxígeno (O2) por los organismos fotosintéticos (Asada y Takahashi,<br />
1987). Esta hipótesis está avalada por la distribución filogenética <strong>de</strong> los tres tipos <strong>de</strong><br />
enzimas, ya que los procariotas contienen MnSOD, FeSOD o ambas, mientras que no<br />
contienen CuZnSOD excepto algunas bacterias. Las tres SODs son <strong>de</strong> origen nuclear.<br />
La CuZnSOD es una enzima ubicua en todos los organismos eucariotas aerobios,<br />
aunque también está presente en el espacio periplásmico <strong>de</strong> algunas bacterias y<br />
constituye una <strong>de</strong> sus <strong>de</strong>fensas primarias frente a las especies reactivas <strong>de</strong> oxígeno. Esta<br />
enzima cataliza la dismutación <strong>de</strong>l radical superóxido (O2 - ), producido como<br />
consecuencia <strong>de</strong> la fotoreducción <strong>de</strong>l O2 en el PSI, a peróxido <strong>de</strong> hidrógeno (H2O2) y<br />
O2. El H2O2 generado como producto <strong>de</strong> la reacción es eliminado por la catalasa o por la<br />
ascorbato peroxidasa (APX) en el ciclo ascorbato-glutatión y es reducido a H2O en el<br />
ciclo H2O-H2O (W-W) (Asada, 1999) (Fig. 1-1). Mediante la eliminación <strong>de</strong>l radical O2 -<br />
, la CuZnSOD disminuye el riesgo <strong>de</strong> formación <strong>de</strong> radical hidroxilo (⋅OH) a través <strong>de</strong><br />
la reacción <strong>de</strong> Haber-Weiss. La enzima CuZnSOD es junto a la Pc, la mayor receptora<br />
<strong>de</strong> Cu en el cloroplasto. El Zn 2+ tiene principalmente una función estructural y el Cu 2+<br />
se encuentra en el sitio activo <strong>de</strong> la enzima y tiene una función principalmente catalítica,<br />
involucrado directamente en los mecanismos <strong>de</strong> <strong>de</strong>toxificación <strong>de</strong> los radicales O2 -<br />
generados durante la fotosíntesis (McCord y Fridowich, 1969). Existen actualmente<br />
estructuras tridimensionales resueltas disponibles <strong>de</strong> la proteína CuZnSOD (Djinovic y<br />
col., 1992; Banci y col., 2003).<br />
La CuZnSOD <strong>de</strong> plantas está formada generalmente por homodímeros <strong>de</strong> 30-33 kDa. Se<br />
localiza en el apoplasto, citosol, cloroplasto, glioxisoma, núcleo, espacio intermembrana<br />
mitocondrial y vacuola. En Arabidopsis se han i<strong>de</strong>ntificado siete genes que codifican<br />
para las SODs: tres para la CuZnSOD, tres para la FeSOD y uno para la MnSOD. La<br />
enzima CuZnSOD consta <strong>de</strong> la isoenzima citosólica codificada por el gen CSD1, la<br />
cloroplástica codificada por el gen CSD2 y la peroxisomal codificada por el gen CSD3<br />
(Kliebenstein y col., 1998). Las dos isoenzimas mayoritarias en el tejido ver<strong>de</strong> son la<br />
citosólica y la cloroplástica, esta última se encuentra en el estroma tanto en forma<br />
soluble como asociada <strong>de</strong> forma periférica a las membranas tilacoidales (Ogawa y col.,<br />
1995). Las isoformas <strong>de</strong> la CuZnSOD i<strong>de</strong>ntificadas hasta ahora son: cinco en Pinus<br />
sylvestris <strong>de</strong> las cuales cuatro son citosólicas y una es cloroplástica (Streller y col.,
Introducción<br />
1994), siete en arroz <strong>de</strong> las cuales dos son cloroplásticas (http://www.gramene.org), dos<br />
en cebada (Mascher y col., 2005), una en Olea europaea (Butteroni y col., 2005), una<br />
en Radix lethospermi (Haddad y Yuan, 2005), tres en remolacha (Pra<strong>de</strong>dova y col.,<br />
2009), tres citosólicas en tabaco (Sheng y col., 2004) y una cloroplástica en algodón<br />
(Hu y col., 2007). Se han i<strong>de</strong>ntificado tres isoformas citosólicas y una isoforma<br />
cloroplástica <strong>de</strong> CuZnSOD en maíz que se inducen por Cu (Ruzsa y Scandalios, 2003),<br />
aunque otros autores han i<strong>de</strong>ntificado cuatro isoformas cloroplásticas <strong>de</strong> CuZnSOD en<br />
esta misma planta (Mauro y col., 2005). Esta variabilidad en el número <strong>de</strong> isoformas <strong>de</strong><br />
la enzima CuZnSOD <strong>de</strong> plantas pue<strong>de</strong> ser causada por variaciones fisiológicas <strong>de</strong>bidas a<br />
diferencias en las condiciones <strong>de</strong> cultivo o a diferencias genéticas entre varieda<strong>de</strong>s. La<br />
existencia <strong>de</strong> varias isoformas <strong>de</strong> la CuZnSOD en plantas pue<strong>de</strong> <strong>de</strong>berse a la existencia<br />
<strong>de</strong> múltiples genes o a la existencia <strong>de</strong> modificaciones postraduccionales. Son<br />
numerosos los trabajos publicados don<strong>de</strong> estudian el efecto <strong>de</strong>l Cu en la expresión <strong>de</strong> la<br />
CuZnSOD. Se ha <strong>de</strong>scrito en tabaco que el exceso <strong>de</strong> Cu induce el nivel <strong>de</strong> mRNA pero<br />
no la actividad <strong>de</strong> la CuZnSOD cloroplástica (Kurepa y col., 1997). Se ha <strong>de</strong>mostrado<br />
que el exceso <strong>de</strong> Cu induce la actividad <strong>de</strong> la CuZnSOD citosólica en raíz <strong>de</strong> soja<br />
(Chongpraditnun y col., 1992). También se ha <strong>de</strong>scrito un aumento <strong>de</strong> la actividad<br />
CuZnSOD en cultivos celulares <strong>de</strong> tabaco tratados con Cu (Bueno y Piqueras, 2002), sin<br />
embargo, el Cu no afectó a la actividad CuZnSOD en hojas <strong>de</strong> Pisum sativum (Palma y<br />
col., 1987). Se ha estudiado el efecto <strong>de</strong>l exceso <strong>de</strong> Cu en hojas <strong>de</strong> A. thaliana y se ha<br />
observado un aumento <strong>de</strong> la actividad SOD en respuesta a Cu (Drazkiewicz y col.,<br />
2004, 2007). Otras cuproproteínas <strong>de</strong> este grupo se mencionan más a<strong>de</strong>lante.<br />
10
ESTROMA<br />
Fotones<br />
Oxidasa alternativa<br />
11<br />
Fotones<br />
Introducción<br />
Figura 1-1: Localización y función <strong>de</strong> la CuZnSOD en la eliminación <strong>de</strong> radicales<br />
superóxido producidos en el PSI <strong>de</strong>l cloroplasto (Adaptada <strong>de</strong> Asada, 2006).<br />
PROTEÍNA<br />
Plastocianina<br />
Plantacianina<br />
Ascorbato oxidasa<br />
Lacasa<br />
Citocromo c oxidasa<br />
Diamino oxidasa<br />
Polifenol oxidasa<br />
CuZnSOD<br />
Cuprochaperonas<br />
Metalotioneínas<br />
Cu-ATPasas<br />
TIPO DE CENTRO<br />
I<br />
I<br />
II + III<br />
II + III<br />
Cu A + Cu B<br />
II<br />
III<br />
II<br />
Tipo metalotioneína<br />
Tipo metalotioneína<br />
Tipo metalotioneína<br />
FUNCIÓN<br />
Fotosíntesis<br />
Desarrollo <strong>de</strong> la antera y<br />
polinización<br />
Metabolismo <strong>de</strong> la pared celular<br />
Defensa antioxidante<br />
Lignificación<br />
Respiración aerobia<br />
Lignificación<br />
Defensa<br />
Síntesis <strong>de</strong> pigmentos<br />
Defensa antioxidante<br />
Lignificación<br />
Defensa antioxidante<br />
Distribución intracelular <strong>de</strong> Cu<br />
Detoxificación<br />
Distribución intracelular <strong>de</strong> Cu<br />
Detoxificación<br />
Tabla 1-2: Resumen <strong>de</strong> las principales características <strong>de</strong> las cuproproteínas en plantas.
Introducción<br />
1.3 DEFICIENCIA DE COBRE EN PLANTAS<br />
Es necesario que la concentración <strong>de</strong> Cu libre se mantenga a bajos niveles en las<br />
células puesto que este elemento es extremadamente tóxico <strong>de</strong>bido a sus propieda<strong>de</strong>s<br />
redox. El contenido medio <strong>de</strong> Cu en el tejido <strong>de</strong> la planta es 10 μg.g -1 <strong>de</strong> tejido seco<br />
(Baker y Senef, 1995). La concentración crítica <strong>de</strong> Cu libre en el medio <strong>de</strong> nutrientes<br />
(por <strong>de</strong>bajo <strong>de</strong> la cual hay <strong>de</strong>ficiencia) se encuentra en el rango <strong>de</strong> 10 -14 a 10 -16 M. Las<br />
plantas encuentran un suministro variable <strong>de</strong> Cu en el suelo aunque las concentraciones<br />
típicas están en el rango <strong>de</strong> 10 -6 a 10 -9 M, sin embargo, todavía necesitan solubilizar y<br />
reducir este metal. Actualmente, no se han caracterizado transportadores específicos que<br />
incorporen el Cu <strong>de</strong>l ambiente, pero existe la evi<strong>de</strong>ncia <strong>de</strong> que el Cu es reducido. Las<br />
plantas con <strong>de</strong>ficiencia <strong>de</strong> Cu muestran cambios en la expresión <strong>de</strong> varios genes y la<br />
activación <strong>de</strong> cambios morfológicos en la raíz, en la hoja y en los órganos<br />
reproductivos. Los síntomas típicos <strong>de</strong> la <strong>de</strong>ficiencia <strong>de</strong> Cu aparecen primero en las<br />
puntas <strong>de</strong> las hojas jóvenes y se extien<strong>de</strong>n posteriormente a lo largo <strong>de</strong> los márgenes <strong>de</strong><br />
las hojas. Las hojas pue<strong>de</strong>n sufrir también giros o malformaciones y presentar clorosis e<br />
incluso necrosis (Marschner, 1995). Se ha <strong>de</strong>scrito que la <strong>de</strong>ficiencia <strong>de</strong> Cu reduce el<br />
transporte fotosintético en el PSI <strong>de</strong>bido a una disminución en la concentración <strong>de</strong> la Pc<br />
(Baszynski y col., 1978; Shikanai y col., 2003), que es la mayor diana <strong>de</strong> la <strong>de</strong>ficiencia<br />
<strong>de</strong> Cu en la fotosíntesis. Se ha observado una disminución <strong>de</strong> la actividad <strong>de</strong>l PSII en<br />
cloroplastos <strong>de</strong>ficientes en Cu (Droppa y col., 1987; Henriques, 1989). Droppa y col.<br />
(1987) concluyeron que la <strong>de</strong>ficiencia severa <strong>de</strong> Cu provoca cambios en las membranas<br />
tilacoidales y modifica el ambiente <strong>de</strong>l lado aceptor <strong>de</strong>l PSII. Estos autores <strong>de</strong>tectaron la<br />
ausencia <strong>de</strong> un polipéptido <strong>de</strong> 29 kDa, una proteína <strong>de</strong> la antena minoritaria <strong>de</strong>l PSII.<br />
Las plantas <strong>de</strong>ficientes <strong>de</strong> Cu muestran las membranas tilacoidales <strong>de</strong>sorganizadas<br />
(Baszynski y col., 1978; Henriques, 1989) así como una disminución en el contenido <strong>de</strong><br />
pigmentos (clorofilas y carotenoi<strong>de</strong>s), una reducción en la síntesis <strong>de</strong> plastoquinona y<br />
un menor contenido <strong>de</strong> ácidos grasos insaturados C18 (Barón y col., 1992). La<br />
regulación <strong>de</strong> los genes dirigidos a estos eventos envuelve una serie <strong>de</strong> mecanismos<br />
moleculares que comienzan con sensores <strong>de</strong> la <strong>de</strong>ficiencia <strong>de</strong> Cu y, a continuación,<br />
transmiten la señal a través <strong>de</strong> vías <strong>de</strong> transducción <strong>de</strong>l sistema vascular <strong>de</strong> la planta.<br />
Las señales entre las partes aéreas <strong>de</strong> la planta, incluyendo el meristemo apical y la raíz,<br />
da lugar a la activación o inactivación <strong>de</strong> factores <strong>de</strong> transcripción que influyen en la<br />
expresión <strong>de</strong> genes específicos. Actualmente, no está <strong>de</strong>l todo claro cómo las plantas<br />
12
13<br />
Introducción<br />
<strong>de</strong>tectan y respon<strong>de</strong>n a la <strong>de</strong>ficiencia <strong>de</strong> Cu u otros micronutrientes esenciales (Yruela,<br />
2005).<br />
1.4 TOXICIDAD DE COBRE EN PLANTAS<br />
Algunos suelos presentan altas concentraciones <strong>de</strong> Cu naturalmente, mientras<br />
que otros contienen niveles tóxicos <strong>de</strong> Cu como consecuencia <strong>de</strong> la participación<br />
humana en forma <strong>de</strong> minas, industria, <strong>de</strong>secho <strong>de</strong> aguas contaminadas y el uso <strong>de</strong><br />
fertilizantes y abonos orgánicos en la agricultura (He y col., 2005). El Cu en<br />
concentraciones superiores a la requerida, inhibe el crecimiento <strong>de</strong> la planta e interfiere<br />
en importantes procesos celulares como la fotosíntesis y la respiración (Marschner,<br />
1995; Prasad y Strzalka, 1999). En estas condiciones, las plantas presentan una<br />
reducción <strong>de</strong> su biomasa, una inhibición <strong>de</strong>l crecimiento <strong>de</strong> la raíz, un <strong>de</strong>scenso en el<br />
número y tamaño <strong>de</strong> las hojas, <strong>de</strong>fectos en la floración, <strong>de</strong>scenso en el índice <strong>de</strong><br />
germinación y síntomas <strong>de</strong> clorosis (Marschner, 2002).<br />
Las propieda<strong>de</strong>s redox que hacen al Cu esencial contribuyen también a su<br />
toxicidad. El Cu pue<strong>de</strong> cambiar cíclicamente su estado <strong>de</strong> oxidación en la célula cuando<br />
entra en contacto con productos intermediarios <strong>de</strong>l metabolismo aerobio, llamados<br />
especies reactivas <strong>de</strong> oxígeno: radical superóxido (O2 - ), anión peróxido (O2 2- ), peróxido<br />
<strong>de</strong> hidrógeno (H2O2) y radical hidroxilo (⋅OH). Estas especies reactivas se generan por<br />
la reducción incompleta <strong>de</strong>l oxígeno molecular durante la fotosíntesis y la respiración.<br />
De esta forma, el Cu + pue<strong>de</strong> generar radicales ⋅OH (reacción <strong>de</strong> Fenton) y el Cu 2+<br />
resultante se pue<strong>de</strong> volver a reducir en presencia <strong>de</strong>l radical superóxido:<br />
Cu + + H2O2 → Cu 2+ + OH - + ⋅OH<br />
Cu 2+ + O2 - → Cu + + O2<br />
El balance neto <strong>de</strong> estas dos reacciones se conoce como reacción <strong>de</strong> Haber-<br />
Weiss, en la cual el Cu cataliza la producción <strong>de</strong> radical ⋅OH a partir <strong>de</strong> O2 - y <strong>de</strong> H2O2.<br />
Estos radicales son altamente tóxicos y dañan al ADN, lípidos, proteínas y otras<br />
biomoléculas (Halliwell y Gutteridge, 1984). A nivel celular, la toxicidad por Cu pue<strong>de</strong><br />
ser <strong>de</strong>bida a: la unión a grupos sulfidrilo <strong>de</strong> proteínas inhibiendo su función o actividad<br />
enzimática, la inducción <strong>de</strong> la <strong>de</strong>ficiencia <strong>de</strong> otros iones esenciales, el daño al proceso
Introducción<br />
<strong>de</strong> transporte celular y el daño oxidativo (van Assche y Clijsters, 1990; Meharg, 1994).<br />
El daño oxidativo que provoca el exceso <strong>de</strong> Cu en las plantas induce cambios en la<br />
actividad y el contenido <strong>de</strong> algunos componentes <strong>de</strong> las vías antioxidantes tales como<br />
son la ascorbato peroxidasa (APX), la mono<strong>de</strong>hidroascorbato reductasa (MDHAR), la<br />
<strong>de</strong>hidroascorbato reductasa (DHAR), la glutatión reductasa (GR), la superóxido<br />
dismutasa (SOD) y la guiacol peroxidasa (De Vos y col., 1992; Luna y col., 1994; Stohs<br />
y Bagchi, 1995; Navari-Izzo y col., 1998; Gupta y col., 1999; Drazkiewicz y col., 2003;<br />
Wang y col., 2004). Se ha observado respuesta antioxidante en hojas y raíz, siendo<br />
ambas <strong>de</strong>pendientes <strong>de</strong> la concentración <strong>de</strong> Cu y <strong>de</strong>l tiempo <strong>de</strong> exposición. Por otro<br />
lado, se ha <strong>de</strong>scrito que el ciclo ascorbato-glutatión está envuelto en la respuesta al<br />
exceso <strong>de</strong> Cu (Gupta y col., 1999; Drazkiewicz y col., 2003).<br />
1.4.1 Toxicidad <strong>de</strong> cobre en el cloroplasto<br />
En eucariotas, la fotosíntesis tiene lugar en el cloroplasto que es un orgánulo<br />
especializado <strong>de</strong> la familia <strong>de</strong> los plastidios. Estos orgánulos se localizan principalmente<br />
en las células <strong>de</strong>l mesófilo, tejido interior <strong>de</strong> la hoja. El cloroplasto está ro<strong>de</strong>ado por una<br />
doble membrana, la membrana externa y la membrana interna. El espacio entre ambas<br />
membranas se <strong>de</strong>nomina espacio intermembranal. La región acuosa encerrada por la<br />
membrana interna se <strong>de</strong>nomina estroma y contiene las enzimas requeridas para las<br />
reacciones <strong>de</strong> fijación <strong>de</strong> carbono. Suspendida en el estroma existe una membrana<br />
continua llamada membrana tilacoidal, la cual encierra un espacio interno conocido<br />
como lumen. La membrana tilacoidal está muy plegada en un entramado <strong>de</strong> vesículas<br />
aplastadas, con forma <strong>de</strong> saco, pudiendo disponerse en apilamientos <strong>de</strong>nominados grana<br />
(Fig. 1-2). Las porciones <strong>de</strong> la membrana tilacoidal que se localizan <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> los grana<br />
se llaman lamelas granales, mientras que las porciones <strong>de</strong> la membrana tilacoidal<br />
expuestas al estroma se conocen como lamelas estromales. En A. thaliana se ha <strong>de</strong>scrito<br />
que una tercera parte <strong>de</strong>l Cu <strong>de</strong> las plantas se encuentra en los cloroplastos <strong>de</strong> las células<br />
<strong>de</strong>l tejido ver<strong>de</strong> (Shikanai y col., 2003), y la mitad <strong>de</strong> esta parte se encuentra en los<br />
tilacoi<strong>de</strong>s, asociado probablemente a la Pc.<br />
14
Figura 1-2: Estructura <strong>de</strong>l cloroplasto.<br />
15<br />
Introducción<br />
La fotosíntesis se <strong>de</strong>fine como el proceso <strong>de</strong> captura y conversión <strong>de</strong> la energía<br />
<strong>de</strong> la luz solar en energía química o en biomasa por los organismos fotosintéticos<br />
(plantas, algas y bacterias fotosintéticas) y pue<strong>de</strong> resumirse en la siguiente ecuación<br />
química:<br />
luz<br />
CO2 + H2O (CH2O) + O2 Don<strong>de</strong> (CH2O) representa a los carbohidratos. Los procesos que ocurren en la<br />
fotosíntesis se clasifican en dos grupos: procesos unidos a membrana y procesos no<br />
unidos a membrana, tradicionalmente conocidos como reacciones luminosas y<br />
reacciones oscuras, respectivamente. En los primeros, la energía solar es transformada<br />
en energía química; los pigmentos <strong>de</strong> las células fotosintéticas absorben la energía solar<br />
y la transforman para dar finalmente lugar a ATP y NADPH <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> múltiples<br />
reacciones, a la vez que se <strong>de</strong>spren<strong>de</strong> oxígeno. En los procesos no unidos a membrana,<br />
el ATP y el NADPH son las fuentes <strong>de</strong> energía requeridas para convertir el dióxido <strong>de</strong><br />
carbono atmosférico en hidratos <strong>de</strong> carbono lo que se conoce como fijación <strong>de</strong> carbono<br />
o ciclo <strong>de</strong> Benson-Calvin. Los productos <strong>de</strong> las reacciones unidas a membrana <strong>de</strong> la<br />
fotosíntesis también se utilizan para otras muchas reacciones que tienen lugar en el<br />
cloroplasto.
Introducción<br />
En las membranas tilacoidales están embebidos los complejos multiproteicos: PSI, PSII,<br />
Cit b6f y ATP sintasa (Fig. 1-3). Los fotosistemas (PS) I y II son complejos <strong>de</strong><br />
pigmentos-proteínas que contienen aproximadamente 200-250 moléculas <strong>de</strong> clorofila y<br />
50 moléculas <strong>de</strong> carotenoi<strong>de</strong>s, aproximadamente, cada uno. Cada PS está constituido<br />
por un centro <strong>de</strong> reacción (RC) y un complejo “antena”. El complejo “antena” capta la<br />
energía lumínica y transfiere la energía <strong>de</strong> excitación al RC don<strong>de</strong> se produce la<br />
separación <strong>de</strong> cargas entre pigmentos que actúan como donador y aceptor <strong>de</strong> electrones.<br />
Esta separación <strong>de</strong> cargas se estabiliza a través <strong>de</strong> aceptores secundarios <strong>de</strong> electrones y<br />
cataliza un transporte electrónico a través <strong>de</strong> la membrana fosfolipídica que conducirá,<br />
finalmente, a la formación <strong>de</strong> NADPH en el lado aceptor <strong>de</strong>l PSI. Como consecuencia<br />
<strong>de</strong> estos procesos, se establece un gradiente <strong>de</strong> pH a través <strong>de</strong> la membrana que dará<br />
lugar a la formación <strong>de</strong> ATP, catalizada por la ATP sintasa. Ambos PS se encuentran<br />
conectados por medio <strong>de</strong>l Cit b6f mediante un transporte electrónico no cíclico<br />
<strong>de</strong>nominado esquema Z. A<strong>de</strong>más <strong>de</strong> estos complejos <strong>de</strong> membrana, también intervienen<br />
en este transporte electrónico proteínas solubles como la Pc, que actúa como donador <strong>de</strong><br />
electrones al PSI una vez reducida por el Cit b6f, y la ferredoxina (Fd) que acepta<br />
electrones <strong>de</strong>l PSI y reduce a la ferredoxina-NADP reductasa (FNR), la cual reducirá a<br />
su vez al NADP + .<br />
Figura 1-3: Transporte electrónico fotosintético.<br />
Las hojas <strong>de</strong> las plantas crecidas a elevadas concentraciones <strong>de</strong> Cu presentan un<br />
contenido menor <strong>de</strong> clorofila y alteraciones en la estructura <strong>de</strong>l cloroplasto y en la<br />
16
17<br />
Introducción<br />
composición <strong>de</strong> la membrana tilacoidal (Baszynski y col., 1988; Lidon y Henriques,<br />
1991; 1993; Ciscato y col., 1997; Pätsikkä y col., 1998; Quartacci y col., 2000). En<br />
concreto, se ha observado una <strong>de</strong>sorganización <strong>de</strong> las zonas apiladas y no apiladas <strong>de</strong><br />
los cloroplastos, un incremento en el número y tamaño <strong>de</strong> las plastoglobulinas y la<br />
aparición <strong>de</strong> inclusiones intratilacoidales.<br />
Se ha propuesto que el cobre interfiere en la biosíntesis <strong>de</strong> la maquinaria<br />
fotosintética modificando la composición <strong>de</strong> los pigmentos y las proteínas <strong>de</strong> las<br />
membranas fotosintéticas (Lidon y Henriques, 1991; Maksymiec y col., 1994). A<strong>de</strong>más,<br />
se han observado peroxidación <strong>de</strong> lípidos, <strong>de</strong>scenso <strong>de</strong>l contenido lipídico y cambios en<br />
la composición <strong>de</strong> ácidos grasos <strong>de</strong> las membranas tilacoidales (Sandmann y Böger,<br />
1980; Luna y col., 1994; Maksymiec y col., 1994). Como consecuencia <strong>de</strong> estas<br />
modificaciones, la flui<strong>de</strong>z <strong>de</strong> la membrana <strong>de</strong>l PSII es alterada (Quartacci y col., 2000).<br />
Por otro lado, el <strong>de</strong>scenso <strong>de</strong> la actividad fotoquímica provocado por el Cu se<br />
acompaña in vivo por una alteración <strong>de</strong> la estructura y composición <strong>de</strong> las membranas<br />
tilacoidales, lo cual influye en la conformación y función <strong>de</strong> los fotosistemas (Baszynski<br />
y col., 1988; Ouzounidou y col., 1992; Lidon y col., 1993). En suspensiones celulares<br />
fotosintéticas <strong>de</strong> soja se ha <strong>de</strong>scrito una ausencia <strong>de</strong> efectos tóxicos por altas<br />
concentraciones <strong>de</strong> Cu, al contrario <strong>de</strong> lo que ocurre en las plantas. Estas células<br />
presentan incrementos <strong>de</strong>: acumulación <strong>de</strong> Cu en su interior, actividad <strong>de</strong><br />
<strong>de</strong>sprendimiento <strong>de</strong> oxígeno, número <strong>de</strong> cloroplastos por célula aunque <strong>de</strong> menor<br />
tamaño, grado <strong>de</strong> apilamiento <strong>de</strong> los tilacoi<strong>de</strong>s (grana) (Fig. 1-4), emisión <strong>de</strong><br />
fluorescencia <strong>de</strong> los complejos antena <strong>de</strong>l PSII y síntesis <strong>de</strong> Pc (Bernal y col., 2006).<br />
A B<br />
Figura 1-4: Efecto <strong>de</strong>l Cu en la ultraestructura <strong>de</strong>l cloroplasto. Microscopía electrónica<br />
<strong>de</strong> transmisión en células <strong>de</strong> soja control (A) y adaptadas a 10 μM <strong>de</strong> Cu (B) (Adaptada<br />
<strong>de</strong> Bernal y col., 2006).
Introducción<br />
Numerosos estudios in vitro han <strong>de</strong>mostrado que la ca<strong>de</strong>na <strong>de</strong> transporte<br />
electrónico fotosintético es muy sensible a la acción tóxica <strong>de</strong>l Cu y en particular el PSII<br />
(Droppa y Horváth, 1990; Barón y col., 1995). El lado donador y el lado aceptor <strong>de</strong><br />
electrones <strong>de</strong>l PSII han sido propuestos como lugares <strong>de</strong> acción tóxica <strong>de</strong>l Cu. En el<br />
lado aceptor <strong>de</strong>l PSII, el sitio <strong>de</strong> QB (Mohanty y col., 1989) y el dominio feofitina<br />
(Pheo)-Fe-QA (Yruela y col., 1991, 1992, 1993, 1996a) se han mostrado como los sitios<br />
más sensibles a la acción tóxica <strong>de</strong>l Cu (Fig. 1-5). En el lado donador <strong>de</strong>l PSII, la<br />
tirosina Z (YZ) <strong>de</strong> la proteína D1 (Arellano y col., 1995), la tirosina D (YD) <strong>de</strong> la<br />
proteína D2 (Sersen y col., 1997), el complejo <strong>de</strong> manganeso y las proteínas extrínsecas<br />
que estabilizan el complejo <strong>de</strong> manganeso, son los sitios propuestos <strong>de</strong> acción tóxica <strong>de</strong>l<br />
Cu. Los diferentes lugares <strong>de</strong> acción <strong>de</strong>l ión Cu <strong>de</strong>scritos en la literatura <strong>de</strong>pen<strong>de</strong>n <strong>de</strong> la<br />
cantidad <strong>de</strong> Cu aplicada por unidad <strong>de</strong> centro <strong>de</strong> reacción (RC). A concentraciones <strong>de</strong><br />
Cu bajas (Cu/RC ≤ 250) se produce un <strong>de</strong>scenso <strong>de</strong>l 50% en la actividad fotosintética y<br />
en la fluorescencia variable <strong>de</strong> la clorofila a, sin observarse cambios en la composición<br />
polipeptídica <strong>de</strong>l PSII. Sin embargo, a concentraciones <strong>de</strong> Cu altas (Cu/RC > 250), se<br />
<strong>de</strong>spren<strong>de</strong>n las proteínas extrínsecas <strong>de</strong> 33, 23 y 17 kDa que estabilizan el complejo <strong>de</strong><br />
manganeso que cataliza la oxidación <strong>de</strong>l agua. Por el contrario, el complejo antena<br />
LHCII y la proteína D1 <strong>de</strong>l PSII no se ven afectados por el Cu incluso a altas<br />
concentraciones (Yruela y col., 2000).<br />
18
19<br />
Introducción<br />
Figura 1-5: Sitios <strong>de</strong> acción <strong>de</strong>l ión Cu en el fotosistema II <strong>de</strong> plantas (Adaptada <strong>de</strong><br />
Yruela, 2005).<br />
Respecto al Cit b559, asociado al RC <strong>de</strong>l PSII, se ha <strong>de</strong>scrito que el Cu afecta a<br />
sus propieda<strong>de</strong>s redox (Jegerschöld y col., 1995; Yruela y col., 1996b, 2000; Roncel y<br />
col., 2001; Burda y col., 2003; Bernal y col., 2004). Por otro lado, se ha <strong>de</strong>mostrado que<br />
el Cu estimula los efectos adversos generados por la fotoinhibición (Aro y col., 1993).<br />
Esta estimulación pue<strong>de</strong> ser <strong>de</strong>bida a un efecto directo <strong>de</strong>l Cu en el PSII (Yruela y col.,<br />
1996b) o a la disminución <strong>de</strong>l contenido <strong>de</strong> clorofila en hoja <strong>de</strong>bido a una competición<br />
entre el transporte <strong>de</strong> Fe y Cu en la raíz (Pätsikkä y col., 2001, 2002).<br />
1.4.2 Tolerancia al exceso <strong>de</strong> cobre<br />
Todas las plantas poseen mecanismos <strong>de</strong> tolerancia para evitar la toxicidad <strong>de</strong><br />
los metales que contiene el suelo. A nivel celular, los mecanismos que utilizan son los<br />
siguientes: reducción <strong>de</strong> la adquisición <strong>de</strong>l metal por acción <strong>de</strong> micorrizas o <strong>de</strong><br />
exudados extracelulares, estimulación <strong>de</strong> la salida <strong>de</strong>l metal a través <strong>de</strong> la membrana<br />
plasmática, formación <strong>de</strong> complejos con ácidos orgánicos, metalotioneínas,<br />
fitoquelatinas, compartimentalización en la vacuola, etc. (Hall, 2002).
Introducción<br />
Los ácidos orgánicos como el citrato, el malato y el oxalato son excretados por<br />
las plantas para <strong>de</strong>fen<strong>de</strong>rse <strong>de</strong> la toxicidad provocada por los metales. En el caso <strong>de</strong>l Cu,<br />
se ha <strong>de</strong>scrito su papel como inductor <strong>de</strong> la exudación <strong>de</strong> ácidos orgánicos por la raíz<br />
(Yang y col., 2001), principalmente <strong>de</strong> citrato (Murphy y col., 1999). A<strong>de</strong>más, se ha<br />
<strong>de</strong>mostrado que la aplicación exógena <strong>de</strong> malonato, malato (Parker y col., 2001) y<br />
succinato (Doncheva y col., 2006) aumenta la resistencia <strong>de</strong> la planta a la toxicidad<br />
provocada por un exceso <strong>de</strong> Cu.<br />
Una vez que los metales se encuentran <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> las células <strong>de</strong> la raíz, son<br />
translocados por transportadores <strong>de</strong> membrana, proteínas y otras moléculas <strong>de</strong> unión a<br />
metal hasta su <strong>de</strong>stino final. Las metalotioneínas (MT) y posiblemente las fitoquelatinas<br />
(PC) juegan un importante papel en la tolerancia a Cu (Cobbet y Goldsbrough, 2002).<br />
Las metalotioneínas son polipéptidos ricos en cisteína codificados por una familia <strong>de</strong><br />
genes. Por el contrario, las fitoquelatinas son una familia <strong>de</strong> péptidos ricos en cisteína<br />
sintetizados enzimáticamente a partir <strong>de</strong> glutatión. Existen evi<strong>de</strong>ncias claras <strong>de</strong> la<br />
participación <strong>de</strong> las metalotioneínas en el mecanismo <strong>de</strong> tolerancia a Cu: el nivel <strong>de</strong><br />
expresión <strong>de</strong> las metalotioneínas <strong>de</strong> tipo II está estrechamente relacionado con la<br />
tolerancia a Cu en un grupo <strong>de</strong> ecotipos <strong>de</strong> A. thaliana (Murphy y Taiz, 1995) y<br />
aumenta en el mutante cup1-1 <strong>de</strong> A. thaliana que se caracteriza por acumular <strong>de</strong> 2 a 3<br />
veces más <strong>de</strong> Cu (van Vliet y col., 1995); la tolerancia a Cu <strong>de</strong> la planta metalófila<br />
Silene vulgaris está relacionada con el aumento <strong>de</strong> expresión <strong>de</strong> las metalotioneínas <strong>de</strong><br />
tipo II (Van Hoof y col., 2001); la transformación <strong>de</strong> plantas transgénicas <strong>de</strong> tabaco con<br />
el gen <strong>de</strong> la metalotioneína MT CUP1 <strong>de</strong> levaduras contribuye a la fitoextracción <strong>de</strong> Cu<br />
<strong>de</strong> suelos contaminados (Thomas y col., 2003); MT1a juega un papel importante en la<br />
acumulación <strong>de</strong> Cu en la raíz <strong>de</strong> Arabidopsis (Guo y col., 2008); MT3 <strong>de</strong> la planta<br />
hiperacumuladora Thlaspi caerulescens favorece la unión a Cu, probablemente para<br />
asegurar una a<strong>de</strong>cuada homeostasis <strong>de</strong> este metal y muestra importantes diferencias<br />
respecto a su homóloga en Arabidopsis (Roosens y col., 2004). Sin embargo, no se ha<br />
encontrado un papel claro <strong>de</strong> las PCs en la <strong>de</strong>toxificación <strong>de</strong>l Cu. Se sabe que el Cu<br />
activa la síntesis <strong>de</strong> las PCs, pero mutantes <strong>de</strong>ficientes en estas proteínas no muestran<br />
sensibilidad a este metal. Recientemente, se ha <strong>de</strong>mostrado que las MTs y las PCs<br />
funcionan cooperativamente en la protección <strong>de</strong> las plantas frente al efecto tóxico <strong>de</strong>l<br />
Cu y Cd (Guo y col., 2008).<br />
Actualmente, se propone que tanto los transportadores <strong>de</strong> membrana como las<br />
cuprochaperonas podrían participar en el mecanismo <strong>de</strong> tolerancia a Cu. En concreto, la<br />
20
21<br />
Introducción<br />
planta Silene vulgaris tolerante a Cu, bombea Cu a través <strong>de</strong> una ATPasa <strong>de</strong> tipo P en la<br />
membrana plasmática <strong>de</strong> la raíz (Van Hoof y col., 2001). A<strong>de</strong>más, la inactivación <strong>de</strong>l<br />
gen ActP que codifica para una ATPasa <strong>de</strong> tipo P, provoca hipersensibilidad a Cu en<br />
Rhizobium leguminosarum y en Sinorhizobium meliloti (Reeve y col., 2002). En A.<br />
thaliana se ha <strong>de</strong>scrito que HMA5 interacciona con cuprochaperonas jugando un papel<br />
en la compartimentalización y la <strong>de</strong>toxificación <strong>de</strong>l Cu en la raíz (Andrés-Colás y col.,<br />
2006). A<strong>de</strong>más, se ha encontrado la secuencia <strong>de</strong> aminoácidos concreta responsable <strong>de</strong><br />
esta función en varios dominios conservados <strong>de</strong>l transportador (Kobayashi y col., 2008).<br />
Se ha estudiado la tolerancia a Cu en tres varieda<strong>de</strong>s diferentes <strong>de</strong> A. thaliana<br />
analizando los transcritos <strong>de</strong> las cuprochaperonas ATX1, CCS y CpCCP (Schiavon y<br />
col., 2007). Por otro lado, se ha observado que la sobreexpresión <strong>de</strong>l gen <strong>de</strong> la<br />
CuZnSOD cloroplástica (CSD2) resistente a miR398 (Sunkar y col., 2006) y la<br />
sobreexpresión conjunta <strong>de</strong> los genes que codifican a la CuZnSOD y la acorbato<br />
peroxidasa cloroplásticas (Lee y col., 2007) dan lugar a plantas más tolerantes a estreses<br />
abióticos como el que genera el Cu.<br />
El exceso <strong>de</strong> metal <strong>de</strong>be ser almacenado en un lugar don<strong>de</strong> no interfiera ni dañe<br />
los procesos celulares. El principal compartimento que utilizan las plantas es la vacuola<br />
aunque también existen otros lugares don<strong>de</strong> pue<strong>de</strong>n secuestrar los metales como son el<br />
apoplasto o en células especializadas como las células epidérmicas o los tricomas.<br />
La utilización <strong>de</strong> plantas para <strong>de</strong>scontaminar ambientes como los suelos y el<br />
agua (fitoremediación), ha emergido como una atractiva y económica tecnología en las<br />
últimas dos décadas (Krämer, 2005). Estas plantas han <strong>de</strong>sarrollado mecanismos <strong>de</strong><br />
tolerancia específicos que están controlados por un número escaso <strong>de</strong> genes. Estos<br />
mecanismos actúan tanto a nivel externo (movilización y absorción) como a nivel<br />
interno (distribución y compartimentalización) (Macnair, 1993). La <strong>de</strong>scontaminación<br />
<strong>de</strong> metales pesados <strong>de</strong>l suelo, consistiría en la fitoextracción a través <strong>de</strong> plantas<br />
hiperacumuladoras <strong>de</strong> metales, las cuales son tolerantes al metal y capaces <strong>de</strong><br />
transportar y acumular más <strong>de</strong> 100-1000 veces la concentración <strong>de</strong>l metal <strong>de</strong>l suelo en el<br />
interior <strong>de</strong> sus tejidos para procesarlos y cosecharlos posteriormente con facilidad.<br />
Elsholtzia splen<strong>de</strong>ns es una hierba proce<strong>de</strong>nte <strong>de</strong> China <strong>de</strong> la familia <strong>de</strong> las Labiata que<br />
tolera y acumula Cu en su interior adquiriendo, así, un uso potencial para la<br />
fitoremediación (Jiang y col., 2004; Weng y col., 2005). E. splen<strong>de</strong>ns o también llamada<br />
“flor <strong>de</strong>l cobre”, crece principalmente en <strong>de</strong>pósitos <strong>de</strong> minas <strong>de</strong> Cu y se ha utilizado<br />
como un indicador <strong>de</strong> Cu.
Introducción<br />
A pesar <strong>de</strong> que se han i<strong>de</strong>ntificado más <strong>de</strong> 25 especies <strong>de</strong> plantas<br />
hiperacumuladoras <strong>de</strong> Cu, se <strong>de</strong>sconocen los mecanismos moleculares implicados. El<br />
<strong>de</strong>sarrollo <strong>de</strong> estrategias eficaces para la fitoremediación requiere la i<strong>de</strong>ntificación <strong>de</strong><br />
características importantes y genes responsables <strong>de</strong> la acumulación <strong>de</strong> Cu en las plantas,<br />
la caracterización <strong>de</strong> sus mecanismos funcionales y el ensayo <strong>de</strong> estrategias<br />
biotecnológicas. Los posibles candidatos para mejorar la fitoremediación <strong>de</strong> Cu son las<br />
reductasas y los transportadores <strong>de</strong> Cu en la raíz, las NA sintasas y tres proteínas<br />
<strong>de</strong>toxificadoras <strong>de</strong> Cu: ATPasas <strong>de</strong> tipo P, cuprochaperonas y metalotioneínas. El<br />
diseño óptimo <strong>de</strong> aplicaciones tecnológicas requerirá la caracterización molecular <strong>de</strong> los<br />
mecanismos <strong>de</strong> la homeostasis <strong>de</strong>l Cu en plantas (Salt y col., 1998; Pilon-Smits y Pilon,<br />
2002; Puig y col., 2007a).<br />
1.5 HOMEOSTASIS DE COBRE EN PLANTAS<br />
Tanto en exceso como en <strong>de</strong>ficiencia, el Cu pue<strong>de</strong> causar <strong>de</strong>sór<strong>de</strong>nes en el<br />
crecimiento y <strong>de</strong>sarrollo <strong>de</strong> la planta afectando a importantes procesos fisiológicos<br />
como el transporte electrónico fotosintético. Por tanto, para que la planta crezca y se<br />
<strong>de</strong>sarrolle sana, es preciso que el Cu sea adquirido <strong>de</strong>l suelo, transportado a través <strong>de</strong> la<br />
planta, distribuido y compartimentalizado en diferentes tejidos y su contenido<br />
estrictamente regulado en todas las células y orgánulos (Fig. 1-6). Para ello, las plantas<br />
como otros seres vivos, tienen mecanismos para mantener la concentración a<strong>de</strong>cuada <strong>de</strong><br />
Cu (Clemens, 2001; Clemens y col., 2002). El creciente interés por la homeostasis <strong>de</strong>l<br />
Cu en plantas se refleja en el gran número <strong>de</strong> revisiones publicadas sobre este tema<br />
recientemente (Krämer y Clemens, 2005; Yruela, 2005; Colangelo y Guerinot, 2006;<br />
Grotz y Guerinot, 2006; Pilon y col., 2006; Puig y col., 2007a; Burkhead y col., 2009;<br />
Yruela, 2009; Puig y Peñarrubia, 2009; Pilon y col., 2009; Palmer y Guerinot, 2009).<br />
22
Transporte en el floema<br />
Transporte en el xilema<br />
Biodisponibilidad y movilización en el suelo<br />
23<br />
Introducción<br />
Figura 1-6: Transporte <strong>de</strong> Cu a larga distancia (Adaptada <strong>de</strong> Clemens y col., 2002).<br />
1.5.1 Movilización y adquisición <strong>de</strong> cobre por la raíz<br />
Transporte al interior <strong>de</strong> las hojas<br />
Adquisición y transporte por la raíz<br />
El Cu aparece en el suelo casi exclusivamente en forma divalente y está<br />
adsorbido a materia orgánica o formando parte <strong>de</strong> óxidos <strong>de</strong> Fe y Mn, arcillas y otros<br />
silicatos. La concentración <strong>de</strong> este metal en el suelo está entre el rango nanomolar y<br />
micromolar. Así como los mecanismos <strong>de</strong> adquisición <strong>de</strong> Fe por la raíz son los más<br />
conocidos a nivel fisiológico (estrategia II en gramíneas y estrategia I en<br />
monocotiledóneas no gramíneas y dicotiledóneas), en el caso <strong>de</strong>l Cu se <strong>de</strong>sconocen tales<br />
mecanismos <strong>de</strong> adquisición (Marschner, 1995). Los iones <strong>de</strong> Cu 2+ se unen fuertemente a<br />
las partículas <strong>de</strong>l suelo <strong>de</strong>bido a su ten<strong>de</strong>ncia a formar complejos estables con grupos<br />
carboxilo o fenol. A la vista <strong>de</strong> la posible reducción <strong>de</strong> Cu 2+ a Cu + , se ha propuesto que<br />
la liberación <strong>de</strong> Cu + a la superficie <strong>de</strong> la raíz podría ser una forma <strong>de</strong> <strong>de</strong>sestabilizar los<br />
complejos que forma el Cu 2+ en la rizosfera <strong>de</strong>l suelo, <strong>de</strong> la misma manera que ocurre<br />
tras la liberación <strong>de</strong> Fe 2+ (Bienfait, 1988). La reducción <strong>de</strong>l Cu se realiza antes <strong>de</strong> entrar<br />
a la célula por unas reductasas. Se i<strong>de</strong>ntificó en A. thaliana el primer gen <strong>de</strong> plantas que<br />
codifica para la reductasa férrica FRO2 (“ferric reductase oxidase”). Este gen también<br />
ha sido i<strong>de</strong>ntificado en tomate (Li y col., 2004), guisante (Waters y col., 2002) y<br />
Medicago truncatula (López-Millán y col., 2005). Se han i<strong>de</strong>ntificado siete miembros
Introducción<br />
más <strong>de</strong> esta familia <strong>de</strong> reductasas (FRO1-8) en A. thaliana (Mukherjee y col., 2006).<br />
Todos estos genes también parecen estar involucrados en la homeostasis <strong>de</strong>l Cu a lo<br />
largo <strong>de</strong> toda la planta. Sin embargo, existen datos experimentales que sugieren que la<br />
reducción <strong>de</strong> Cu no es necesaria para la absorción <strong>de</strong> este metal por la raíz (Bell y col.,<br />
1991). Los resultados indicaron que la especie absorbida por la raíz era Cu 2+ , ya que<br />
Cu + se absorbía con una eficiencia muy baja. Por lo tanto, no está claro que la reducción<br />
<strong>de</strong> Cu sea fisiológicamente relevante y es posible que las reductasas férricas sean<br />
capaces <strong>de</strong> reducir Cu 2+ pero que esta función no sea importante para el transporte <strong>de</strong><br />
este elemento a las células vegetales. Por otro lado, existen evi<strong>de</strong>ncias experimentales<br />
<strong>de</strong> que la <strong>de</strong>ficiencia <strong>de</strong> Cu estimula la extrusión <strong>de</strong> protones provocando la<br />
acidificación <strong>de</strong> la rizosfera. Esta acidificación varía con el tratamiento y no siempre<br />
está correlacionada con el aumento <strong>de</strong> la actividad <strong>de</strong> la reductasa férrica (Grusak y<br />
Pezeshgi, 1996). Las raíces también pue<strong>de</strong>n liberar compuestos orgánicos a la rizosfera<br />
que solubilizan el Cu, aumentando, así, su disponibilidad para las plantas (Mench y col.,<br />
1988, 1990; Treeby y col., 1989).<br />
Una vez que los iones son movilizados y alcanzan la zona <strong>de</strong> absorción <strong>de</strong> la raíz<br />
por difusión a través <strong>de</strong> la solución salina <strong>de</strong>l suelo, son arrastrados por el movimiento<br />
<strong>de</strong>l agua hacia la raíz o entran en contacto con las zonas <strong>de</strong> absorción <strong>de</strong> la raíz a<br />
medida que ésta crece (Fernán<strong>de</strong>z y Maldonado, 2000).<br />
1.5.2 Transporte <strong>de</strong> cobre a través <strong>de</strong> la planta<br />
En el interior <strong>de</strong> las raíces, los nutrientes se distribuyen por toda la planta a<br />
través <strong>de</strong>l xilema, impulsados por la corriente ascen<strong>de</strong>nte <strong>de</strong> agua que genera el flujo <strong>de</strong><br />
transpiración. Así, <strong>de</strong> la misma manera que el agua, los iones se transportan radialmente<br />
en la raíz para alcanzar el xilema a través <strong>de</strong> dos vías: vía apoplástica y vía simplástica.<br />
Recientemente, se ha <strong>de</strong>scrito que el transporte <strong>de</strong> Cu en la raíz <strong>de</strong> A. thaliana se<br />
realiza a través <strong>de</strong> un transportador <strong>de</strong> Cu <strong>de</strong> alta afinidad llamado COPT1 (Sancenón y<br />
col., 2004) que está localizado en la membrana plasmática <strong>de</strong> la zona apical <strong>de</strong> la raíz.<br />
Posiblemente como ocurre en levaduras (Puig y Thiele, 2002), existe también un<br />
sistema <strong>de</strong> transporte <strong>de</strong> baja afinidad mediado también por un transportador <strong>de</strong> esta<br />
familia (Sancenón y col., 2004). Otros transportadores que podrían intervenir en la<br />
adquisición <strong>de</strong> Cu en la raíz <strong>de</strong> A. thaliana son ZIP2 y ZIP4 que pertenecen a la familia<br />
24
25<br />
Introducción<br />
<strong>de</strong> transportadores ZIP y se ha <strong>de</strong>scrito que los genes que los codifican están regulados<br />
positivamente en <strong>de</strong>ficiencia <strong>de</strong> Cu (Wintz y col., 2003; Mukherjee y col., 2006).<br />
Una vez en el interior <strong>de</strong> las células <strong>de</strong> la raíz, se ha propuesto que el Cu es<br />
transportado radialmente por vía simplástica unido a nicotianamina (NA) formando el<br />
complejo Cu 2+ -NA (Pich y col., 1994). NA es un quelante <strong>de</strong> metales presente en todas<br />
las plantas y se sintetiza a partir <strong>de</strong> S-a<strong>de</strong>nosil-L-metionina por la enzima nicotianamina<br />
sintasa (NAS). Cuando este complejo Cu 2+ -NA llega al cilindro vascular <strong>de</strong> la raíz se<br />
<strong>de</strong>scarga a los vasos <strong>de</strong>l xilema (Sancenón y col., 2004). El xilema se encarga <strong>de</strong>l<br />
transporte ascen<strong>de</strong>nte <strong>de</strong> agua e iones <strong>de</strong>s<strong>de</strong> la raíz. La forma por la que el Cu es<br />
transportado al interior <strong>de</strong>l xilema aún se <strong>de</strong>sconoce, pero probablemente se realiza a<br />
través <strong>de</strong> un transportador llamado OPT3 (Wintz y col., 2003). En el interior <strong>de</strong>l xilema,<br />
el Cu se transporta como complejo Cu 2+ -NA <strong>de</strong>s<strong>de</strong> la raíz hasta la parte aérea <strong>de</strong> la<br />
planta.<br />
El mecanismo <strong>de</strong> transporte <strong>de</strong> Cu <strong>de</strong>s<strong>de</strong> la savia <strong>de</strong>l xilema hasta las hojas<br />
todavía no se conoce en profundidad. En A. thaliana se ha propuesto que el<br />
transportador implicado en esta <strong>de</strong>scarga sea YSL2, pero son necesarios más estudios<br />
para confirmar esta hipótesis (Didonato y col., 2004). Cuando el Cu llega al apoplasto,<br />
entra en la célula y se distribuye a los diferentes orgánulos subcelulares, a través <strong>de</strong><br />
diversos mecanismos <strong>de</strong> homeostasis intracelular.<br />
El exceso <strong>de</strong> Cu, al igual que el <strong>de</strong> Zn, Ni y Mn, se acumula principalmente en<br />
las vacuolas <strong>de</strong> las raíces <strong>de</strong> forma acomplejada con ácidos orgánicos. Sin embargo,<br />
tanto en condiciones <strong>de</strong> exceso <strong>de</strong> Cu como en el caso <strong>de</strong> plantas hiperacumuladoras, el<br />
Cu se acumula en la base <strong>de</strong> los tricomas y en las vacuolas <strong>de</strong> células <strong>de</strong> la epi<strong>de</strong>rmis <strong>de</strong><br />
la hoja, unido a diversos quelantes mayoritariamente ácidos orgánicos. Esta localización<br />
preferencial en células <strong>de</strong> la epi<strong>de</strong>rmis minimiza su efecto tóxico manteniendo el metal<br />
lo más alejado posible <strong>de</strong> las células <strong>de</strong>l mesófilo, don<strong>de</strong> se realiza la fotosíntesis. De la<br />
misma manera que existe controversia con la necesidad <strong>de</strong> reducir el Cu 2+ a Cu + antes<br />
<strong>de</strong> ser incorporado por la raíz, no se sabe si el Cu se reduce en el apoplasto antes <strong>de</strong><br />
entrar a la célula <strong>de</strong>l mesófilo. En A. thaliana se ha propuesto que una reductasa (FRO6)<br />
podría reducir el Cu 2+ a Cu + en la membrana plasmática <strong>de</strong> las células <strong>de</strong>l mesófilo<br />
(Mukherjee y col., 2006).<br />
El floema es el tejido vegetal encargado <strong>de</strong>l transporte a larga distancia, <strong>de</strong>s<strong>de</strong><br />
los órganos <strong>de</strong> producción, principalmente hojas maduras, hasta los tejidos en<br />
crecimiento y órganos reproductivos o <strong>de</strong> almacenamiento. Existen evi<strong>de</strong>ncias <strong>de</strong> que el
Introducción<br />
Cu se transporta en el floema unido a NA (Pich y col., 1994; Haydon y Cobbett, 2007).<br />
Se consi<strong>de</strong>ra que el Cu es un elemento <strong>de</strong> movilidad intermedia en la planta.<br />
Generalmente, este elemento está inmóvil en el floema a menos que esté asociado al<br />
proceso <strong>de</strong> senescencia don<strong>de</strong> es móvil (Loneragan, 1981). Para explicar este fenómeno<br />
se ha propuesto que cuando el Cu entra en la hoja se une a proteínas y <strong>de</strong>ja <strong>de</strong> estar<br />
disponible para su retranslocación vía floema incluso en <strong>de</strong>ficiencia <strong>de</strong> Cu, hasta que la<br />
hoja senesce y estas proteínas se hidrolizan. En este momento el Cu sale <strong>de</strong> la hoja<br />
unido a complejos nitrogenados provenientes <strong>de</strong> la hidrólisis proteica. A<strong>de</strong>más, se ha<br />
observado en Arabidopsis que en condiciones <strong>de</strong> senescencia el Cu pue<strong>de</strong> transportarse<br />
en el floema unido a distintas metalotioneínas (Guo y col., 2003) y a las chaperonas <strong>de</strong><br />
Cu CCH (Mira y col., 2001a) y CCS (Ab<strong>de</strong>l-Ghany y col., 2005a).<br />
1.5.3 Distribución intracelular <strong>de</strong> cobre<br />
El uso <strong>de</strong> la levadura Saccharomyces cerevisae como herramienta genética y<br />
bioquímica ha permitido investigar los mecanismos moleculares implicados en la<br />
homeostasis <strong>de</strong>l Cu en las células eucariotas (Puig y Thiele, 2002). En la tabla 1-3 se<br />
resumen las principales proteínas que participan en la homeostasis <strong>de</strong> Cu en plantas. En<br />
la Fig. 1-7 se presenta un esquema <strong>de</strong> la distribución intracelular <strong>de</strong> Cu en una célula <strong>de</strong>l<br />
mesófilo. Es <strong>de</strong> señalar que la mayor parte <strong>de</strong> los estudios realizados actualmente en<br />
plantas se restringen principalmente a la especie A. thaliana (Pilon y col., 2006; Puig y<br />
col., 2007a).<br />
26
GRUPO PROTEÍNA LOCALIZACIÓN<br />
METALOTIONEÍNAS<br />
MT1-4<br />
Citoplasma<br />
Vaculoa<br />
CCH<br />
ATX1<br />
Citoplasma<br />
METALOCHAPERONAS<br />
TRANSPORTADORES<br />
DE MEMBRANA<br />
COPT<br />
YSL<br />
ZIP<br />
NRAMP<br />
P 1B-ATPasa<br />
SCO1<br />
COX11<br />
COX17<br />
CCS<br />
COPT1-6<br />
OPT3<br />
YSL2<br />
ZIP2<br />
ZIP4<br />
NRAMP1-5<br />
HMA1-9<br />
27<br />
Citoplasma<br />
Citoplasma<br />
Cloroplasto<br />
Membrana plasmática<br />
Membrana plasmática<br />
Membrana plasmática<br />
Tonoplasto<br />
Tilacoi<strong>de</strong>?<br />
MP, AG, RE<br />
Tilacoi<strong>de</strong><br />
Cloroplasto<br />
Introducción<br />
FUNCIÓN<br />
Detoxificación <strong>de</strong> Cu<br />
Tolerancia a Cu<br />
Ruta secretora<br />
Transporte <strong>de</strong> Cu a la<br />
COX <strong>de</strong> la ca<strong>de</strong>na <strong>de</strong><br />
transporte electrónico<br />
mitocondrial<br />
Transporte <strong>de</strong> Cu a la<br />
CuZnSOD<br />
Transporte <strong>de</strong> Cu a<br />
través <strong>de</strong> las MP <strong>de</strong><br />
diferentes tejidos y<br />
orgánulos subcelulares<br />
Transporte <strong>de</strong> Cu a<br />
través <strong>de</strong> las MP <strong>de</strong><br />
diferentes tejidos y<br />
orgánulos subcelulares<br />
Absorción <strong>de</strong> metales<br />
<strong>de</strong>l medio extracelular<br />
Conexión entre los<br />
cationes metálicos y la<br />
señalización<br />
intercelular<br />
Transporte <strong>de</strong> metales<br />
pesados a través <strong>de</strong> las<br />
membranas biológicas<br />
Tabla 1-3: Proteínas que participan en la homeostasis <strong>de</strong> Cu en plantas. MP =<br />
membrana plasmática, AG = aparato <strong>de</strong> Golgi y RE = retículo endoplasmático.
Introducción<br />
Cu 2+<br />
FRO?<br />
Cu +<br />
Cu +<br />
?<br />
Cu<br />
COPT1<br />
HMA6/PAA1<br />
?<br />
Cu 2+<br />
CCS<br />
ZIP?<br />
OPT?<br />
HMA8/PAA2<br />
Cloroplasto<br />
CSD2<br />
Pc<br />
?<br />
Apoplasto<br />
Mitocondria<br />
COX17 COX11<br />
SCO1<br />
CCH<br />
CCS<br />
ATX1<br />
Figura 1-7: Distribución intracelular <strong>de</strong> Cu en una célula <strong>de</strong>l mesófilo. El cobre<br />
extracelular es transportado al interior celular por el transportador COPT1 don<strong>de</strong> se<br />
distribuye a través <strong>de</strong> las cuprochaperonas COX17, COX11, SCO1, CCH, ATX1 y CCS<br />
y <strong>de</strong> transportadores <strong>de</strong> membrana específicos, como las P1B-ATPasas HMA1, HMA5,<br />
HMA6 (PAA1), HMA7 (RAN1), HMA8 (PAA2) y los transportadores <strong>de</strong> alta afinidad<br />
<strong>de</strong> la familia COPT, hasta llegar a las diferentes cuproproteínas diana que son: la<br />
citocromo c oxidasa (COX); las enzimas CuZnSOD citosólica, cloroplástica y<br />
peroxisomal (CSD1, CSD2, CSD3); la plastocianina (Pc); el receptor <strong>de</strong> etileno (ETR) y<br />
las oxidasas apoplásticas. La flecha discontinua indica la participación <strong>de</strong> la chaperona<br />
CCH en el transporte <strong>de</strong> Cu a larga distancia. El Cu se muestra con un círculo azul, los<br />
transportadores <strong>de</strong> membrana aparecen marcados en naranja, las cuprochaperonas en<br />
rosa y las cuproproteínas diana en ver<strong>de</strong>. Los interrogantes indican mecanismos que<br />
permanecen todavía sin i<strong>de</strong>ntificar. Este mo<strong>de</strong>lo se ha realizado en base al conocimiento<br />
actual <strong>de</strong> la homeostasis <strong>de</strong> Cu en A. thaliana.<br />
28<br />
CSD1<br />
CSD3<br />
COX<br />
Peroxisoma<br />
HMA1<br />
HMA7/RAN1<br />
Cu 2+<br />
Cu +<br />
HMA5<br />
CSD3<br />
ETR<br />
RE<br />
COPT?<br />
Vacuola<br />
HMA5<br />
Núcleo<br />
Golgi<br />
OXIDASAS
1.5.3.1 COPT<br />
29<br />
Introducción<br />
Los transportadores COPT (“copper transporter family”) son homólogos a los<br />
transportadores <strong>de</strong> Cu CTR <strong>de</strong> levaduras. Estructuralmente, poseen tres hélices<br />
transmembrana y la mayoría posee un alto contenido en metioninas en su extremo Nterminal<br />
que podrían participar en el proceso <strong>de</strong> translocación <strong>de</strong>l Cu (Puig y Thiele,<br />
2002). Todavía no está claro cómo funcionan estos transportadores, pero es probable<br />
que el Cu sea incorporado al citosol celular como Cu + . El K + extracelular estimula este<br />
transporte. En Arabidopsis se han i<strong>de</strong>ntificado seis miembros <strong>de</strong> esta familia (COPT1-6)<br />
que se encargan <strong>de</strong> transportar el Cu a través <strong>de</strong> las membranas plasmáticas <strong>de</strong><br />
diferentes tejidos y compartimentos subcelulares (Sancenón y col., 2003).<br />
En concreto, COPT1 <strong>de</strong> Arabidopsis es un transportador <strong>de</strong> Cu <strong>de</strong> alta afinidad<br />
que se localiza en la membrana plasmática <strong>de</strong> la raíz, estomas, tricomas, polen y<br />
embriones por lo que participa en: la adquisición <strong>de</strong> Cu <strong>de</strong>l suelo, el <strong>de</strong>sarrollo <strong>de</strong>l polen<br />
y los mecanismos <strong>de</strong> elongación <strong>de</strong> la raíz (Kampfenkel y col., 1995; Sancenón y col.,<br />
2004). El gen COPT1 está regulado por Cu <strong>de</strong> forma negativa. En Arabidopsis se ha<br />
<strong>de</strong>mostrado que COPT2 y COPT6 están en la membrana plasmática mientras que<br />
COPT3 y COPT5 están localizados en la membrana cloroplástica y en la ruta secretora,<br />
respectivamente. Por otro lado, no se conoce una relación directa entre COPT4 y el<br />
transporte <strong>de</strong> Cu (Sancenón y col., 2003).<br />
1.5.3.2 YSL<br />
Los transportadores <strong>de</strong> membrana YSL (“yellow stripe like”) pertenecen a una<br />
familia <strong>de</strong> transportadores oligopeptídicos OPT (Yen y col., 2001). Recientemente, se<br />
ha <strong>de</strong>scrito un transportador <strong>de</strong> esta familia en A. thaliana, YSL2, que podría transportar<br />
el complejo Cu 2+ -NA <strong>de</strong>s<strong>de</strong> la savia <strong>de</strong>l xilema al apoplasto <strong>de</strong> las hojas (Didonato y<br />
col., 2004), aunque todavía se <strong>de</strong>sconoce su relevancia fisiológica. Otro transportador<br />
<strong>de</strong> esta familia es OPT3 que participa en el transporte <strong>de</strong> Cu 2+ <strong>de</strong>s<strong>de</strong> la raíz hasta los<br />
vasos <strong>de</strong>l xilema en A. thaliana (Wintz y col., 2003). En esta planta se ha <strong>de</strong>scrito que<br />
estos transportadores podrían participar en la remobilización <strong>de</strong> Cu y Zn a partir <strong>de</strong><br />
hojas senescentes, en la formación <strong>de</strong>l polen y en la acumulación <strong>de</strong> Fe, Zn y Cu en las<br />
semillas (Curie y col., 2009).
Introducción<br />
1.5.3.3 ZIP<br />
Los transportadores <strong>de</strong> esta familia (“zrt1-irt1-like proteins”) <strong>de</strong>ben su nombre a<br />
los dos primeros miembros <strong>de</strong>scritos <strong>de</strong> la misma: IRT1 (“iron regulated transporter 1”)<br />
<strong>de</strong> A. thaliana (Ei<strong>de</strong> y col., 1996) y ZRT1 (“zinc regulated transporter 1”) <strong>de</strong> S.<br />
cerevisiae (Zhao y Ei<strong>de</strong>, 1996). Actualmente, se conocen varias <strong>de</strong>cenas <strong>de</strong> estos<br />
transportadores <strong>de</strong> membrana que se encuentran ampliamente distribuidos en los<br />
organismos eucariotas (Guerinot, 2000). En concreto, se han i<strong>de</strong>ntificado 14 miembros<br />
<strong>de</strong> esta familia en A. thaliana (Maser y col., 2001). Todos los ZIPs que se han<br />
i<strong>de</strong>ntificado hasta la fecha se caracterizan por transportar cationes divalentes al<br />
citoplasma (Zn, Mn, Fe, Co, Cd). La función que realizan estos transportadores está<br />
relacionada con la absorción <strong>de</strong> los metales <strong>de</strong>l medio extracelular. Recientemente, se<br />
ha propuesto en A. thaliana que dos <strong>de</strong> ellos, ZIP2 y ZIP4, podrían intervenir en el<br />
proceso <strong>de</strong> adquisición <strong>de</strong> Cu por la raíz (Wintz y col., 2003).<br />
1.5.3.4 NRAMP<br />
La familia NRAMP (“natural resistance associated macrophage proteins”) <strong>de</strong><br />
transportadores <strong>de</strong> metales divalentes se han conservado durante la evolución y se han<br />
encontrado homólogos en diferentes y numerosos organismos vivos. Como otros<br />
miembros <strong>de</strong> esta familia, las proteínas NRAMP <strong>de</strong> plantas tienen 12 dominios<br />
transmembrana, sin embargo, sólo poseen una larga cola intracelular C-terminal que es<br />
única en este tipo <strong>de</strong> proteínas. En plantas, se han i<strong>de</strong>ntificado al menos tres miembros<br />
en arroz (NRAMP1-3) y cinco miembros en Arabidopsis (NRAMP1-5) (Williams y<br />
col., 2000). Se ha propuesto que el NRAMP1 <strong>de</strong> Arabidopsis confiere tolerancia a<br />
concentraciones tóxicas <strong>de</strong> Fe 2+ (Curie y col., 2000) y podría transportar Cu 2+ a través<br />
<strong>de</strong> la membrana tilacoidal, sin embargo, son necesarios más estudios para po<strong>de</strong>r<br />
corroborar esta función. Homólogos <strong>de</strong> esta familia NRAMP han sido i<strong>de</strong>ntificados<br />
también en soja y se ha propuesto que están involucrados en el transporte <strong>de</strong> Fe 2+ y en la<br />
homeostasis <strong>de</strong>l Fe localizada en el nódulo don<strong>de</strong> se produce la fijación simbiótica <strong>de</strong><br />
nitrógeno (Kaiser y col., 2003). De todos modos, se ha <strong>de</strong>mostrado en levaduras que<br />
estos transportadores también median la adquisición <strong>de</strong> otros metales como el Cu. Por<br />
tanto, no se pue<strong>de</strong> <strong>de</strong>scartar que tengan una función parecida en plantas.<br />
Las proteínas <strong>de</strong> esta familia constituyen una conexión entre los cationes<br />
metálicos y la señalización intercelular. El gen EIN2 (“ethylene-insensitive 2”), que<br />
30
31<br />
Introducción<br />
participa en la transducción <strong>de</strong> la señal <strong>de</strong> etileno, codifica para una proteína con un<br />
dominio N-terminal hidrofóbico que presenta homología con los transportadores <strong>de</strong> la<br />
familia NRAMP y con un dominio C-terminal hidrofílico que estimula la expresión <strong>de</strong><br />
genes involucrados en la respuesta frente al estrés oxidativo, jasmonato y etileno<br />
(Alonso y col., 1999). Se piensa que el dominio N-terminal podría actuar como sensor<br />
<strong>de</strong> metales divalentes mientras que el dominio C-terminal actuaría en la transducción <strong>de</strong><br />
la señal.<br />
1.5.3.5 P1B-ATPasas<br />
Los transportadores P1B-ATPasas, también conocidos como ATPasas <strong>de</strong> tipo P o<br />
HMAs (“heavy metal ATPasas”), utilizan la hidrólisis <strong>de</strong> ATP para bombear metales<br />
cargados positivamente <strong>de</strong>l citoplasma a través <strong>de</strong> las membranas biológicas.<br />
Estructuralmente, las P1B-ATPasas poseen 8 hélices transmembrana y tienen<br />
características comunes a las P-ATPasas, como el dominio <strong>de</strong> unión a ATP<br />
(GDxxNDxP) o el dominio <strong>de</strong> fosforilación (DKTGT), y características específicas. El<br />
genoma <strong>de</strong> Arabidopsis codifica para 8 proteínas HMA que se clasifican en 2 grupos:<br />
HMA1-HMA4, implicadas en el transporte <strong>de</strong> cationes divalentes, incluyendo Zn 2+ ,<br />
Cd 2+ y Cu 2+ ; y HMA5-HMA8, implicadas en el transporte <strong>de</strong> iones monovalentes <strong>de</strong><br />
Cu + . Las proteínas HMA5-HMA8 exhiben 2 características particulares: un dominio <strong>de</strong><br />
transducción <strong>de</strong>l ión (CPC) en el sexto dominio transmembrana y dominios <strong>de</strong> unión a<br />
Cu + (MxCxxC) en la región N-terminal <strong>de</strong>l transportador (Axelsen y Palmgrem, 2001;<br />
Williams y Mills, 2005).<br />
La primera P1B-ATPasa que se caracterizó funcionalmente en plantas fue HMA7<br />
o RAN1 (“responsive-to-antagonist 1”) <strong>de</strong> Arabidopsis (Hirayama y col., 1999). Se ha<br />
propuesto que HMA7 (RAN1) transporta Cu al receptor <strong>de</strong> etileno en el retículo<br />
endoplásmico y participa en: la activación <strong>de</strong> los receptores <strong>de</strong> etileno (ETR1 “ethylene<br />
response”) (Hirayama y col., 1999; Rodríguez y col., 1999), la interrupción <strong>de</strong> la<br />
liberación <strong>de</strong> Cu a otra cuproenzima apoplástica (la ascorbato oxidasa), implicada en la<br />
expansión celular (Woeste y Kieber, 2000) y la movilización <strong>de</strong> Cu durante el proceso<br />
<strong>de</strong> senescencia (Himelblau y Amasino, 2001).<br />
Recientemente, se ha i<strong>de</strong>ntificado y caracterizado el transportador HMA5 <strong>de</strong><br />
Arabidopsis que se expresa principalmente en raíz y flor (Andrés-Colás y col., 2006).<br />
Estos autores han <strong>de</strong>mostrado su especificidad por Cu y han propuesto dos funciones
Introducción<br />
para este transportador según el nivel <strong>de</strong> Cu existente en el medio <strong>de</strong> crecimiento. A<br />
concentraciones bajas, este transportador estaría localizado en el aparato <strong>de</strong> Golgi, y a<br />
concentraciones altas, cambiaría <strong>de</strong> localización y actuaría en el mecanismo <strong>de</strong><br />
<strong>de</strong>toxificación <strong>de</strong> Cu <strong>de</strong>l citoplasma celular. Mediante la técnica <strong>de</strong> doble híbrido, se ha<br />
<strong>de</strong>scrito que HMA5 interacciona con dos chaperonas, ATX1 (“antioxidante”) y CCH<br />
(“copper chaperone”) sin el dominio C-terminal específico <strong>de</strong> las plantas. Por otro lado,<br />
HMA5 también podría intervenir en la expansión celular como ocurre con HMA7<br />
(RAN1) (Andrés-Colás y col., 2006).<br />
El transporte <strong>de</strong> Cu en el cloroplasto <strong>de</strong>pen<strong>de</strong> <strong>de</strong> las proteínas P1B-ATPasas<br />
PAA1 (“P-type ATPase for Arabidopsis”) o HMA6 y PAA2 o HMA8. Ambos genes se<br />
aislaron mediante una búsqueda con mutantes <strong>de</strong> Arabidopsis que mostraban un<br />
fenotipo con una alta fluorescencia <strong>de</strong> la clorofila como consecuencia <strong>de</strong> la reducción <strong>de</strong><br />
la actividad <strong>de</strong>l transporte fotosintético, que se restauraba añadiendo Cu (Shikanai y<br />
col., 2003; Ab<strong>de</strong>l-Ghany y col., 2005b). Tanto HMA6 como HMA8 poseen secuencias<br />
<strong>de</strong> tránsito en sus extremos N-terminal que fusionadas con GFP se localizan en el<br />
cloroplasto. Mientras que la fusión <strong>de</strong>l gen entero <strong>de</strong> HMA6 con GFP está localizada en<br />
la periferia <strong>de</strong>l cloroplasto, una porción <strong>de</strong>l extremo N-terminal <strong>de</strong> HMA8 que incluye<br />
los cuatro primeros dominios transmembrana, está localizada en las membranas<br />
tilacoidales. Se ha i<strong>de</strong>ntificado el transportador HMA8 <strong>de</strong> soja y se ha confirmado su<br />
localización en las membranas tilacoidales mediante la técnica <strong>de</strong> inmuno-oro (Bernal y<br />
col., 2007). El análisis con mutantes <strong>de</strong> estas proteínas cloroplásticas <strong>de</strong>mostró que<br />
ambas ATPasas son necesarias para liberar Cu a la proteína tilacoidal Pc, mientras que<br />
solamente el mutante <strong>de</strong> HMA6 muestra un <strong>de</strong>scenso en la liberación <strong>de</strong> Cu a la enzima<br />
estromática CuZnSOD. En Arabidopsis, HMA6 se expresa tanto en raíz como en tejido<br />
ver<strong>de</strong> mientras que HMA8 sólo se <strong>de</strong>tecta en el tejido ver<strong>de</strong> (Ab<strong>de</strong>l-Ghany y col.,<br />
2005b). El doble mutante HMA6/HMA8 es letal para la planta y muestra un fenotipo<br />
severo como el observado en plantas <strong>de</strong>ficientes en los dos genes <strong>de</strong> Pc (Weigel y col.,<br />
2003a, Ab<strong>de</strong>l-Ghany y col., 2005b), esto sugiere que las proteínas HMA juegan papeles<br />
adicionales como el transporte <strong>de</strong> Cu a la CuZnSOD. En Arabidopsis se ha <strong>de</strong>scrito que<br />
el exceso <strong>de</strong> Cu regula negativamente la transcripción <strong>de</strong> HMA6 y HMA8 (Schiavon y<br />
col., 2007). Sin embargo, en soja se ha observado que el exceso <strong>de</strong> Cu regula<br />
positivamente la transcripción <strong>de</strong> HMA8 (nuestros resultados no publicados).<br />
El transporte <strong>de</strong> Cu al cloroplasto no está totalmente inhibido en los mutantes <strong>de</strong><br />
HMA6. HMA1 es un nuevo miembro <strong>de</strong> la familia P1B-ATPasas, localizado en la<br />
32
33<br />
Introducción<br />
envuelta <strong>de</strong>l cloroplasto, y está implicado en el transporte <strong>de</strong> Cu al cloroplasto. Los<br />
mutantes <strong>de</strong> este transportador muestran un <strong>de</strong>scenso en la actividad <strong>de</strong> la CuZnSOD<br />
cloroplástica y un contenido normal <strong>de</strong> la Pc. Estos datos podrían sugerir que HMA1<br />
libera Cu a la CuZnSOD preferencialmente. HMA1 no contiene el típico dominio <strong>de</strong><br />
unión a Cu + MxCxxM en su extremo N-terminal, en su lugar, es rico en histidinas lo<br />
que sugiere una preferencia a transportar Cu 2+ en lugar <strong>de</strong> Cu + (Seigneurin-Berny y col.,<br />
2006). Recientemente, se ha <strong>de</strong>scrito que AtHMA1 transporta también Ca 2+ (Moreno y<br />
col., 2008). Otro transportador <strong>de</strong> esta familia que se ha caracterizado recientemente es<br />
HMA9 <strong>de</strong> arroz, se sugiere que participa en el bombeo <strong>de</strong> los metales Cu, Zn y Pb a<br />
través <strong>de</strong> la membrana plasmática <strong>de</strong> las células, y la expresión <strong>de</strong> su transcrito se<br />
induce por Cu, Zn y Cd (Lee y col., 2007).<br />
1.5.3.6 Metalotioneínas<br />
Las metalotioneínas (MT) son proteínas solubles <strong>de</strong> bajo peso molecular (4-14<br />
kDa) que tienen un alto contenido en cisteínas. Se encargan <strong>de</strong> acomplejar el Cu (y otros<br />
metales pesados, principalmente Cd) cuando se encuentran en exceso en la célula e<br />
intervienen en su <strong>de</strong>toxificación. Atendiendo a su secuencia <strong>de</strong> aminoácidos se<br />
clasifican en dos grupos: Clase I (en mamíferos) y clase II (en plantas, hongos e<br />
invertebrados).<br />
En plantas, las MT <strong>de</strong> clase II se subclasifican en 4 grupos según la organización<br />
<strong>de</strong> las cisteínas conservadas: MT1, MT2, MT3 y MT4. La MT1 se expresa<br />
principalmente en la raíz, la MT2 en hojas, la MT3 en frutos y la MT4 en semillas. Guo<br />
y col. (2003) estudiaron las MTs en Arabidopsis y confirmaron la localización <strong>de</strong>scrita<br />
anteriormente excepto para la MT3 que se expresaba principalmente en las células <strong>de</strong>l<br />
mesófilo <strong>de</strong> las hojas, a<strong>de</strong>más muestran que la MT1a y la MT2b se expresan<br />
notablemente en los tejidos <strong>de</strong>l floema. Las diferencias en su expresión y localización<br />
hacen pensar que estas proteínas tienen distintas funciones en las plantas.<br />
Recientemente, se ha <strong>de</strong>scrito que la MT1a <strong>de</strong>sempeña un papel en la acumulación <strong>de</strong><br />
Cu en la raíz (Guo y col., 2008) y la MT2b en el secuestro <strong>de</strong> especies reactivas <strong>de</strong><br />
oxígeno y en la señalización (Wong y col., 2004). Actualmente, hay i<strong>de</strong>ntificados siete<br />
genes que codifican para las MTs en Arabidopsis. Las metalotioneínas actúan en los<br />
mecanismos <strong>de</strong> tolerancia a Cu, en el proceso <strong>de</strong> senescencia y se sobreexpresan en los<br />
tricomas cuando hay exceso <strong>de</strong> Cu (Clemens, 2001; Cobbet y Goldsbrough, 2002).
Introducción<br />
1.5.3.7 Chaperonas <strong>de</strong> cobre o cuprochaperonas<br />
La solubilidad <strong>de</strong>l Cu + en el interior <strong>de</strong> la célula es baja, sin embargo, su<br />
reactividad es alta, por lo que es necesaria la participación <strong>de</strong> unas proteínas<br />
especializadas <strong>de</strong>nominadas chaperonas <strong>de</strong> Cu o cuprochaperonas para immobilizarlo.<br />
Las chaperonas <strong>de</strong> Cu pertenecen a una familia <strong>de</strong> pequeñas proteínas solubles<br />
encargadas <strong>de</strong> la distribución intracelular <strong>de</strong> Cu a los diferentes compartimentos<br />
subcelulares y a proteínas específicas que requieren Cu en su grupo prostético. Así,<br />
estas proteínas evitan que el Cu se una in<strong>de</strong>bidamente a otros componentes celulares.<br />
Esta familia <strong>de</strong> proteínas se encuentra en un amplio rango <strong>de</strong> organismos, <strong>de</strong>s<strong>de</strong><br />
bacterias hasta humanos, aunque son mayoritarias en organismos eucariotas<br />
(O´Halloran y Culotta, 2000; Huffman y O´Halloran, 2001). Las cuprochaperonas<br />
i<strong>de</strong>ntificadas en bacterias han sido Atx1 (al final <strong>de</strong> este apartado se <strong>de</strong>talla su función)<br />
(Tottey y col., 2002) y CopZ que transfiere dos átomos <strong>de</strong> Cu + al factor <strong>de</strong> transcripción<br />
CopY (Harrison y col., 2000).<br />
Las cuprochaperonas están bastante conservadas en la mayor parte <strong>de</strong> los<br />
eucariotas, sin embargo, en plantas han <strong>de</strong>sarrollado características únicas. En plantas se<br />
han i<strong>de</strong>ntificado las siguientes chaperonas <strong>de</strong> Cu (Wintz y Vulpe, 2002):<br />
• CCH (“copper chaperone”): Fue la primera chaperona i<strong>de</strong>ntificada en plantas (A.<br />
thaliana) y es homóloga a la chaperona ATX1 (“antioxidant protein 1”) <strong>de</strong> levaduras<br />
(Himmelblau y col., 1998). A pesar <strong>de</strong> que su expresión es constitutiva, se induce en<br />
hojas senescentes (Himmelblau y col., 1998). CCH se ha i<strong>de</strong>ntificado en otras plantas<br />
como arroz y soja (Puig y col., 2007b). Su extremo N-terminal muestra un plegamiento<br />
con estructura βαββαβ y un dominio <strong>de</strong> unión a Cu + MxCxxC, típicos <strong>de</strong> las proteínas<br />
<strong>de</strong> esta familia (metalochaperonas <strong>de</strong> tipo ATX1) (Rosenzweig, 1999). Sin embargo,<br />
CCH posee un extremo C-terminal exclusivo <strong>de</strong> plantas con características estructurales<br />
especiales (Mira y col., 2001a, 2001b, 2004; Puig y col., 2007b). Este dominio adopta<br />
una conformación extendida en solución y forma fibras <strong>de</strong> tipo amiloi<strong>de</strong> bien or<strong>de</strong>nadas.<br />
A<strong>de</strong>más, este dominio C-terminal posee una movilidad electroforética alterada en<br />
presencia <strong>de</strong> <strong>de</strong>tergentes aniónicos (Mira y col., 2004) y se ha propuesto que tiene una<br />
función en el transporte <strong>de</strong> Cu a larga distancia por el simplasto <strong>de</strong>l floema a través <strong>de</strong><br />
los plasmo<strong>de</strong>smos durante la movilización <strong>de</strong> nutrientes <strong>de</strong>s<strong>de</strong> las hojas viejas en estado<br />
<strong>de</strong> senescencia hasta las hojas jóvenes. La baja expresión <strong>de</strong> CCH en las células sin<br />
plasmo<strong>de</strong>smos funcionales como es el polen, corrobora esta posible función <strong>de</strong> su<br />
34
35<br />
Introducción<br />
dominio C-terminal (Mira y col., 2001a). La chaperona CCH sólo interacciona<br />
débilmente con RAN1 (HMA7) y HMA5 cuando se elimina el extremo C-terminal.<br />
Estos datos sugieren que el extremo C-terminal <strong>de</strong> CCH podría <strong>de</strong>sempeñar un papel<br />
regulador en la interacción <strong>de</strong> la misma con ambas ATPasas (Andrés-Colás y col., 2006;<br />
Puig y col., 2007b).<br />
• ATX1: Esta chaperona es similar a la chaperona CCH, sin embargo, tiene una<br />
secuencia más corta en la que le falta el dominio C-terminal. Se ha i<strong>de</strong>ntificado a la<br />
chaperona CCH sin el dominio C-terminal en arroz (Agrawal y col., 2002), en<br />
suspensiones celulares <strong>de</strong> Populus cuya expresión disminuye en respuesta a<br />
concentraciones altas <strong>de</strong> Cu (Lee y col., 2005) y en tomate (Company y González-<br />
Bosch, 2003). La CCH <strong>de</strong> tomate se i<strong>de</strong>ntificó mediante la técnica “differential display”<br />
cuya expresión disminuye en respuesta a la infección por el hongo patógeno Botrytis<br />
cinerea (Company y González-Bosch, 2003), lo que sugiere una relación interesante<br />
entre la homeostasis <strong>de</strong>l Cu y la respuesta <strong>de</strong> <strong>de</strong>fensa en las plantas frente al estrés<br />
oxidativo. En Arabidopsis se ha <strong>de</strong>scrito que ATX1 está localizada en el citosol (Puig y<br />
col., 2007b). Mediante la técnica <strong>de</strong> doble híbrido, se ha <strong>de</strong>mostrado que esta chaperona<br />
ATX1 interviene en el transporte <strong>de</strong> Cu en la ruta secretora interaccionando con HMA5<br />
(Andrés-Colás y col., 2006) y RAN1 (HMA7) (Puig y col., 2007b), activando, así, la<br />
síntesis <strong>de</strong> los receptores <strong>de</strong> etileno (Hirayama y col., 1999).<br />
• SCO1, COX11 y COX17 (“cytochrome oxidase”): Estas tres chaperonas han<br />
sido i<strong>de</strong>ntificadas en A. thaliana y son homólogas a las chaperonas SCO1, COX11 y<br />
COX17 <strong>de</strong> levaduras. Estas chaperonas unen el Cu a través <strong>de</strong> tioles. El transporte <strong>de</strong><br />
Cu a la citocromo c oxidasa (COX) <strong>de</strong> la ca<strong>de</strong>na <strong>de</strong> transporte electrónico mitocondrial<br />
se realiza en el espacio intermembrana <strong>de</strong> la siguiente manera: COX17 transporta el Cu<br />
a las proteínas SCO1 y COX11 localizadas en la membrana interior, posteriormente<br />
estas chaperonas lo transportan a los sitios CuA y CuB <strong>de</strong> la enzima COX (Cobine y<br />
col., 2006). La enzima COX es una proteína localizada en la membrana interior <strong>de</strong> la<br />
mitocondria y contiene tres átomos <strong>de</strong> Cu como cofactores aparte <strong>de</strong>l cofactor hemo<br />
(Carr y Winge, 2003). La matriz <strong>de</strong> la mitocondria, lugar don<strong>de</strong> probablemente se<br />
almacena el Cu <strong>de</strong> forma soluble, accesible y con un peso molecular bajo, es la fuente<br />
<strong>de</strong> Cu para COX17 (Cobine y col., 2004). La expresión <strong>de</strong>l gen COX17 <strong>de</strong> Arabidopsis<br />
se activa preferencialmente en la raíz (Attallah y col., 2007a) y por niveles tóxicos <strong>de</strong><br />
Cu, ácido salicílico, infecciones y tratamientos que generen óxido nítrico y peróxido <strong>de</strong><br />
hidrogeno que inhiben la respiración mitocondrial. Así, se ha propuesto que esta
Introducción<br />
chaperona participaría en la estabilización <strong>de</strong>l complejo COX restringiendo la<br />
producción <strong>de</strong> ROS (Balandín y Castresana, 2002). De todas maneras, harían falta más<br />
investigaciones para <strong>de</strong>terminar su papel en plantas. Estudios estructurales con la<br />
proteína COX17 recombinante sugieren que forma un complejo en equilibrio entre un<br />
dímero y un tetrámero, el cual une tres iones <strong>de</strong> Cu + por monómero (Heaton y col.,<br />
2001).<br />
• CCS (“copper chaperone for superoxi<strong>de</strong> dismutase”): Esta chaperona fue<br />
i<strong>de</strong>ntificada y caracterizada primeramente en S. cerevisiae <strong>de</strong>nominándose LYS7<br />
(porque inicialmente se i<strong>de</strong>ntificó como un gen involucrado en la biosíntesis <strong>de</strong> lisina)<br />
(Bhattacharjee y col., 1968). A continuación, este gen se clonó y se caracterizó llegando<br />
a la conclusión <strong>de</strong> que no participaba en la síntesis <strong>de</strong> lisina (Horecka y col., 1995).<br />
Después se i<strong>de</strong>ntificó en humano un gen que codificaba para la misma proteína y se<br />
<strong>de</strong>mostró que su verda<strong>de</strong>ra función era transportar Cu + al centro activo <strong>de</strong> la enzima<br />
CuZnSOD citosólica (Culotta y col., 1997). Se han i<strong>de</strong>ntificado varios homólogos <strong>de</strong><br />
CCS en mamíferos, insectos y plantas.<br />
Se han encontrado varias secuencias que codifican para la chaperona CCS en plantas:<br />
tomate (Lycopersicom esculentum; LeCCS) (Zhu y col., 2000), patata (Solanum<br />
tuberosum; StCCS) (Trinda<strong>de</strong> y col., 2003), maíz (Zea mays; ZmCCS) (Ruzsa y<br />
Scandalios, 2003), A. thaliana (AtCCS) (Wintz y Vulpe, 2002) y soja (Glycine max;<br />
GmCCS), esta última ha sido el objetivo principal <strong>de</strong> estudio en esta Tesis. Su función<br />
es la <strong>de</strong> suministrar Cu + a la enzima CuZnSOD, sin embargo, no se <strong>de</strong>scartan otras<br />
funciones. Estudios bioquímicos y cristalográficos realizados en levadura y humano han<br />
permitido aclarar aspectos estructurales y funcionales <strong>de</strong> CCS (Casareno y col., 1998;<br />
Lamb y col., 1999, 2000; Schmidt y col., 1999a, 1999b; Hall y col., 2000; Eisses y col.,<br />
2000; Rae y col., 1999, 2001; Stasser y col., 2007). Esta chaperona tiene un peso<br />
molecular <strong>de</strong> 30-35 kDa y está formada por tres dominios: el dominio I o extremo Nterminal,<br />
homólogo a ATX1, don<strong>de</strong> se encuentra un sitio <strong>de</strong> unión a Cu + , MxCxxC; el<br />
dominio II que es homólogo a la CuZnSOD sin los residuos catalíticos; y el dominio III<br />
o extremo C-terminal que incluye otro sitio <strong>de</strong> unión a Cu + , CxC, y es el más flexible.<br />
Este dominio III está ampliamente conservado en las CCS <strong>de</strong> diversas especies. El<br />
dominio I <strong>de</strong> CCS capta el Cu y es necesario principalmente cuando la concentración <strong>de</strong><br />
Cu es limitante en la célula (Schmidt y col., 1999a), a<strong>de</strong>más experimentos con mutantes<br />
<strong>de</strong> Arabidopsis muestran que el dominio I <strong>de</strong> la chaperona es imprescindible para<br />
realizar su función (Chu y col., 2005). Se ha <strong>de</strong>scrito que el dominio II está envuelto en<br />
36
37<br />
Introducción<br />
el reconocimiento y la unión a CuZnSOD (Casareno y col., 1998; Lamb y col., 2000,<br />
2001; Schmidt y col., 2000). Por otro lado, el dominio III pue<strong>de</strong> interaccionar con el<br />
dominio I <strong>de</strong> la chaperona y es imprescindible para liberar el Cu a la enzima receptora<br />
CuZnSOD (Zhu y col., 2000; Eisses y col., 2000). Trabajos en la CCS recombinante <strong>de</strong><br />
levadura muestran que la chaperona en forma apo-CCS se encuentra como monómero<br />
mientras que la holoproteína Cu-CCS existe en un equilibro entre monómero y dímero<br />
(Schmidt y col., 1999a). Se propone también un mo<strong>de</strong>lo en levadura don<strong>de</strong> el<br />
homodímero <strong>de</strong> CCS interacciona con el homodímero <strong>de</strong> CuZnSOD (Hall y col., 2000).<br />
Estudios estructurales realizados en humano sugieren la existencia <strong>de</strong> un “cluster” <strong>de</strong> Cu<br />
formado por dímeros o tetrámeros <strong>de</strong> la proteína CCS (Stasser y col., 2005, 2007).<br />
A pesar <strong>de</strong> la existencia <strong>de</strong> estructuras cristalinas disponibles para CCS (Lamb y col.,<br />
1999, 2000), CuZnSOD (Djinovic y col., 1992; Banci y col., 2003) y el heterodímero<br />
CCS-CuZnSOD (Lamb y col., 2001) (Fig. 1-9), todavía no se conocen en <strong>de</strong>talle los<br />
mecanismos funcionales <strong>de</strong>l reconocimiento y la transferencia <strong>de</strong> Cu entre ambas<br />
proteínas (Stasser y col., 2007). CCS oxida un puente disulfuro en la CuZnSOD<br />
mediante un proceso <strong>de</strong>pendiente <strong>de</strong> oxígeno necesario para la dimerización <strong>de</strong> la<br />
enzima en su forma catalíticamente activa (Culotta y col., 2006). Se ha <strong>de</strong>mostrado en<br />
levadura que el Cu juega un papel en la estabilización <strong>de</strong>l complejo CCS-CuZnSOD,<br />
don<strong>de</strong> el lado rico en cisteínas <strong>de</strong> CCS se une al lado rico en histidinas <strong>de</strong> la CuZnSOD<br />
(Torres y col., 2001). Se ha <strong>de</strong>scrito que la CuZnSOD <strong>de</strong> mamíferos y Caenorhabditis<br />
elegans pue<strong>de</strong> adquirir Cu a través <strong>de</strong> un mecanismo in<strong>de</strong>pendiente <strong>de</strong> CCS y oxígeno<br />
que utiliza glutatión (Carroll y col., 2004; Jensen y Culotta, 2005). Este mecanismo<br />
explicaría la actividad basal <strong>de</strong> la CuZnSOD, así como la falta <strong>de</strong> un fenotipo severo en<br />
los mutantes sin CCS <strong>de</strong> Arabidopsis (Chu y col., 2005). El requerimiento <strong>de</strong> CCS por<br />
parte <strong>de</strong> la CuZnSOD está relacionado con la presencia <strong>de</strong> dos prolinas en el dominio<br />
PRP (aminoácidos 142-144) <strong>de</strong> la CuZnSOD (Carroll y col., 2004; Leitch y col., 2009).<br />
Los dominios correspondientes a esta posición en Arabidopsis son GRV (para CSD1) y<br />
GRL (para CSD2). En plantas, no hay datos estructurales disponibles actualmente, sin<br />
embargo, se han publicado algunas propieda<strong>de</strong>s bioquímicas <strong>de</strong> la CCS en tomate (Zhu<br />
y col., 2000).<br />
Se ha <strong>de</strong>mostrado que en el genoma <strong>de</strong> A. thaliana sólo existe una copia <strong>de</strong>l gen CCS<br />
localizada en el cromosoma 1 (Wintz y Vulpe, 2002), sin embargo, en patata se han<br />
encontrado dos copias <strong>de</strong> este gen (Trinda<strong>de</strong> y col., 2003). En ambas plantas, se<br />
<strong>de</strong>scribe que el gen CCS está compuesto por seis exones y cinco intrones. Por otro lado,
Introducción<br />
se ha propuesto en Arabidopsis que <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong>l marco <strong>de</strong> lectura (ORF) <strong>de</strong> este gen<br />
existen dos ATGs que podrían generar dos sitios <strong>de</strong> inicio <strong>de</strong> la traducción produciendo<br />
dos formas <strong>de</strong> la chaperona CCS, una citosólica con 254 aminoácidos y otra<br />
cloroplástica, con un péptido señal adicional <strong>de</strong> 66 aminoácidos. Este tipo <strong>de</strong> sistema <strong>de</strong><br />
inicio <strong>de</strong> la traducción alternativo se ha <strong>de</strong>scrito también para otros genes <strong>de</strong><br />
Arabidopsis (Duchene y col., 2001; Souciet y col., 1999). Así, un solo gen, AtCCS, es el<br />
responsable <strong>de</strong> suministrar Cu a las tres isoformas <strong>de</strong> la enzima CuZnSOD: citosólica,<br />
cloroplástica y peroxisomal (Ab<strong>de</strong>l-Ghany y col., 2005a; Chu y col., 2005). En levadura<br />
se ha <strong>de</strong>scrito que una parte <strong>de</strong> la enzima CuZnSOD y su chaperona CCS se localizan en<br />
el espacio intermembrana <strong>de</strong> la mitocondria a<strong>de</strong>más <strong>de</strong>l citosol, a pesar <strong>de</strong> no contener<br />
el típico extremo N-terminal <strong>de</strong> importación a la mitocondria (Sturtz y col., 2001;<br />
Red<strong>de</strong>hase y col., 2009). Es posible que este péptido señal sólo sea necesario para<br />
atravesar la envuelta interna <strong>de</strong> la mitocondria que, como en otros orgánulos, es más<br />
selectiva.<br />
En patata, la expresión <strong>de</strong> este gen se induce por el tratamiento con auxinas y se inhibe<br />
con concentraciones altas <strong>de</strong> Cu (Trinda<strong>de</strong> y col., 2003). En maíz, la expresión <strong>de</strong> CCS<br />
a nivel <strong>de</strong> mensajero y <strong>de</strong> proteína no cambia apenas por el exceso <strong>de</strong> Cu (Ruzsa y<br />
Scandalios, 2003). En A. thaliana, la expresión <strong>de</strong> este gen se induce por exceso <strong>de</strong> Cu<br />
y en la senescencia (Ab<strong>de</strong>l-Ghany y col., 2005a).<br />
38
GmCCS -MAFLRSIAT---TAIATIPAALAFSSS--SSSS--FPRSSQ--------SPNPQNRLGL 44<br />
LeCCS --AFLRSIVTAKTTAIAAAIPAAAFAVSSISSSS-QFERPLKNLKFGSISSSNSILQLSF 57<br />
StCCS -MAFFRSIVTAKTTAIAAAIPAAAFAASSISSSSSQFERPSKNIKFGSISSSNPIFQLSF 59<br />
OsCCS MVGFLRALTAASAVPAAAAVAAVALSTNSSSSSRLRLPSPASLPSLSSAYAAAPASGSAR 60<br />
AtCCS MASILRSVATTSAVVAAASAIPIAIAFSSSSSSS-STNPKSQSLNFSFLSRSSPR-LLGL 58<br />
ScCCS ------------------------------------------------------------ 1<br />
HsCCS ------------------------------------------------------------ 1<br />
39<br />
Introducción<br />
GmCCS VKTLA--TPPSALHMD-----HKLSSQPDAVLPELLTEFMVDMKCEGCVNAVKNKLNEIN 97<br />
LeCCS AKNLQKKSPPSALHMETHSSNHQTSSDNGVVLPELLTEFMVDMSCQGCVSAVKSKLQTVE 117<br />
StCCS AKNLQKTSPPSALHMETPSSNHQTSSDNEVVLPELLTEFMVDMSCQGCVNAVKSKLQTVE 119<br />
OsCCS KPNAVPPMAAAAATAD-----LSAAADKGAALPELMTEFMVDMKCDGCVTAVKNKFQTLE 115<br />
AtCCS SRSFVSSPMATALTSD------RNLHQEDRAMPQLLTEFMVDMTCEGCVNAVKNKLETIE 112<br />
ScCCS ----------------------------MTTNDTYEATYAIPMHCENCVNDIKACLKNVP 32<br />
HsCCS -----------------------MASDSGNQGTLCTLEFAVQMTCQSCVDAVRKSLQGVA 37<br />
MXCXXC<br />
GmCCS GVKNVEVDLSNQVVRILGSTPVKTMTEALEQTGRKARLIGQGVPEDFLISAAVSEFKGP- 156<br />
LeCCS GVKNVDVDLDNQVVRILGSSPVKTMTEALEQTGRKARLIGQGVPDDFLISAAVAEFKGP- 176<br />
StCCS GVKNVDVDLDNQVVRILGSSPVKTMTEALEQTGRKARLIGQGVPDDFLISAAVAEFKGP- 178<br />
OsCCS GIKNIEVDLNNQVVRVLGSLPVNTMLDTLHQTGRDARLIGQGNPNDFLVSAAVAEFKGP- 174<br />
AtCCS GIEKVEVDLSNQVVRILGSSPVKAMTQALEQTGRKARLIGQGVPQDFLVSAAVAEFKGP- 171<br />
ScCCS GINSLNFDIEQQIMSVESSVAPSTIINTLRNCGKDAIIRGAGKPNSSAVAILETFQKYTI 92<br />
HsCCS GVQDVEVHLEDQMVLVHTTLPSQEVQALLEGTGRQAVLKGMGSGQLQNLGAAVAILGGPG 97<br />
GmCCS ------DIFGVVRLAQVNMELARIEANFSGLSPG-KHGWSINEFGDLTRGAASTGKMFNP 209<br />
LeCCS ------DIFGVVRLAQVNMELTRIEANFSGLSPG-KHAWSINEFGDLTRGAASTGKLYS- 228<br />
StCCS ------DIFGVVRLAQVNMELTRIEANFSGLSPG-KHAWSINEFGDLTRGAASTGKLYS- 230<br />
OsCCS ------VIFGVVRLAQVNMELAIVEATFSGLSPG-KHGWSINEFGDLTRGAESTGKVYNP 227<br />
AtCCS ------DIFGVVRFAQVSMELARIEANFTGLSPG-THSWCINEYGDLTNGAASTGSLYNP 224<br />
ScCCS DQKKDTAVRGLARIVQVGENKTLFDITVNGVPEAGNYHASIHEKGDVSKGVESTGKVWHK 152<br />
HsCCS ------TVQGVVRFLQLTPERCLIDGTIDGLEPG-LHGLHVHQYGDLTNNCNSCGNHFNP 150<br />
GmCCS V-----NEENSKEPLGDLGTLEANEKGEAFYSGVKEKLRVADLIGRSVVVYATED----- 259<br />
LeCCS ------------LPLGDLGTLDVDEKGEAFYSGPKEKLRVADLIGRAIAVYATED----- 271<br />
StCCS ------------PPLGDLVTLEVDEKGEAFYTGPKEKVRVADLIGRAIAVYATED----- 273<br />
OsCCS ------SDYRSNKPLGDLGTLEAGEKGEAQFSASKEKLKVVDLIGRSIALYATED----- 276<br />
AtCCS F-----QDQTGTEPLGDLGTLEADKNGEAFYSGKKEKLKVADLIGRAVVVYKTDDN---- 275<br />
ScCCS F----------DEPIECFNESDLGKNLYSGKTFLSAPLPTWQLIGRSFVISKSLNHP--- 199<br />
HsCCS DGASHGGPQDSDRHRGDLGNVRADADGRAIFRMEDEQLKVWDVIGRSLIIDEGEDDLGRG 210<br />
GmCCS ---------KSEHGITAAVIARSAGVGENYKKLCTCDGTTIWEATDTDFVTSKV------ 304<br />
LeCCS ---------KSDPGLTAAVIARSAGVGENYKKLCTCDGTTIWEATS------KI------ 310<br />
StCCS ---------KTDPGLTAAVIARSAGVGENYKKICACDGTTIWEATN------KL------ 312<br />
OsCCS ---------RSDPGIAAAVIARSAGVGENYKKLCTCDGVTIWESS--------------- 312<br />
AtCCS ---------KSGPGLTAAVIARSAGVGENYKKLCSCDGTVIWEATNSDFVASKV------ 320<br />
ScCCS ----ENEPSSVKDYSFLGVIARSAGVWENNKQVCACTGKTVWEERKDALANNIK------ 249<br />
HsCCS GHPLSKITGNSGERLACGIIARSAGLFQNPKQICSCDGLTIWEERGRPIAGKGRKESAQP 270<br />
CXC<br />
GmCCS ---- 304<br />
LeCCS ---- 310<br />
StCCS ---- 312<br />
OsCCS ---- 312<br />
AtCCS ---- 320<br />
ScCCS ---- 249<br />
HsCCS PAHL 274<br />
Figura 1-8: Alineamiento <strong>de</strong> las proteínas CCS <strong>de</strong> soja (GmCCS), tomate (LeCCS),<br />
patata (StCCS), arroz (OsCCS), Arabidopsis (AtCCS), levadura (ScCCS) y humano<br />
(HsCCS). El péptido señal <strong>de</strong> tránsito al cloroplasto está subrayado, los dominios<br />
conservados <strong>de</strong> unión a metal se indican con cajas don<strong>de</strong> están las secuencias consenso<br />
correspondientes escritas en la parte inferior. Las barras verticales separan los tres<br />
dominios i<strong>de</strong>ntificados en la proteína CCS.
Introducción<br />
Dominio I<br />
Dominio III<br />
Figura 1-9: Estructura <strong>de</strong>l heterodímero CuZnSOD-CCS <strong>de</strong> S. cerevisiae (2´9 Å).<br />
Código <strong>de</strong>l PDB: 1JK9 (Adaptada <strong>de</strong> Lamb y col., 2001). SOD1 es un mutante don<strong>de</strong> la<br />
His 48 <strong>de</strong> unión a Cu es reemplazada por una Phe lo que explica que sólo se visualice el<br />
átomo <strong>de</strong> Zn.<br />
Figura 1-10: Posible mo<strong>de</strong>lo <strong>de</strong>l mecanismo <strong>de</strong> transferencia <strong>de</strong> Cu entre los<br />
homodímeros <strong>de</strong> yCCS y yCuZnSOD mediante la formación <strong>de</strong> un heterodímero.<br />
CuZnSOD está en color ver<strong>de</strong> y CCS en color rosa (DI), morado (DII) y amarillo (DIII)<br />
(Lamb y col., 2001).<br />
40<br />
Dominio II
41<br />
Introducción<br />
A<strong>de</strong>más <strong>de</strong> estas seis cuprochaperonas, se cree que pue<strong>de</strong>n existir más <strong>de</strong>bido a<br />
la especialización <strong>de</strong> las células vegetales. La función en la homeostasis <strong>de</strong> Cu <strong>de</strong> la<br />
cuproproteína CUTA <strong>de</strong> Arabidopsis que se sugiere que está localizada en el espacio<br />
intermembrana <strong>de</strong>l cloroplasto, que une Cu 2+ y que su mRNA sufre “splicing”<br />
alternativo, está todavía por averiguar (Burkhead y col., 2003). Por otro lado, las<br />
cuproproteínas presentes en el lumen tilacoidal como Pc y PPO necesitarán que una<br />
cuprochaperona les suministre el Cu necesario para formar la holoproteína y ser<br />
funcionalmente activas. A este respecto, Tottey y col. (2002) i<strong>de</strong>ntificaron y<br />
caracterizaron una chaperona Atx en la cianobacteria Synechocystis PCC 6803 que<br />
transporta Cu <strong>de</strong>s<strong>de</strong> la Cu-ATPasa, CtaA, a la Cu-ATPasa, PacS, y que, posteriormente,<br />
lo transporta a la Pc. Esta chaperona contiene el dominio <strong>de</strong> unión a metal CxxC y se ha<br />
intentado buscar su homólogo en Arabidopsis. Sin embargo, todavía no se ha<br />
i<strong>de</strong>ntificado la chaperona que realiza la función <strong>de</strong> transportar Cu <strong>de</strong>s<strong>de</strong> HMA6<br />
(envuelta) hasta HMA8 (tilacoi<strong>de</strong>) en los cloroplastos <strong>de</strong> las plantas (Ab<strong>de</strong>l-Ghany y<br />
col., 2005b).<br />
1.5.4 Regulación<br />
La regulación <strong>de</strong> la concentración <strong>de</strong> Cu a nivel intracelular es crucial para el<br />
crecimiento y <strong>de</strong>sarrollo normal <strong>de</strong> la planta. Por este motivo, es necesaria una<br />
maquinaria <strong>de</strong> regulación que asegure un control eficaz <strong>de</strong> los niveles intracelulares <strong>de</strong><br />
este metal y garantice una distribución a<strong>de</strong>cuada que prevenga su acumulación.<br />
En la levadura S. cerevisiae se ha <strong>de</strong>scrito que esta regulación se produce a dos<br />
niveles. El primero <strong>de</strong> ellos es una regulación a nivel transcripcional que se caracteriza<br />
por actuar directamente sobre la expresión <strong>de</strong> los genes que controlan la adquisición,<br />
transporte y <strong>de</strong>toxificación <strong>de</strong>l Cu, mientras que el segundo es una regulación a nivel<br />
postranscripcional que actúa sobre la localización y estabilidad <strong>de</strong> las proteínas<br />
implicadas. En la regulación a nivel transcripcional, se han <strong>de</strong>scrito dos factores <strong>de</strong><br />
transcripción Ace1 y Mac1 (Jungmann y col., 1993). En condiciones tóxicas <strong>de</strong> Cu, la<br />
proteína Ace1 une cuatro iones <strong>de</strong> Cu + e induce la expresión <strong>de</strong> genes implicados en la<br />
<strong>de</strong>toxificación <strong>de</strong> Cu (MTs y CuZnSOD) tras unirse a los elementos <strong>de</strong> respuesta a<br />
metales (MREs, “metal response elements”) localizados en los promotores <strong>de</strong> estos<br />
genes, mientras que en condiciones <strong>de</strong> <strong>de</strong>ficiencia <strong>de</strong> Cu, la proteína Mac1 activa la<br />
transcripción <strong>de</strong> los transportadores <strong>de</strong> Cu + <strong>de</strong> alta afinidad (Ctr1 y Ctr3) y la reductasa
Introducción<br />
<strong>de</strong> Cu 2+ (Fre1) tras unirse en forma homodimérica a los elementos cis <strong>de</strong> respuesta a Cu<br />
(CuREs, “Cu-responsive elements”) localizados en los promotores <strong>de</strong> estos genes.<br />
Recientemente, se ha <strong>de</strong>mostrado en S. cerevisiae que la enzima CuZnSOD y su<br />
chaperona CCS activan a Mac1 bajo condiciones <strong>de</strong> <strong>de</strong>ficiencia <strong>de</strong> Cu (Wood y Thiele,<br />
2009). También es posible que las metalochaperonas actúen como factores <strong>de</strong><br />
transcripción. En este sentido, se ha publicado recientemente que la chaperona Atox1 <strong>de</strong><br />
mamíferos funciona como un regulador transcripcional sensible a Cu envuelto en los<br />
efectos que genera este metal en la proliferación celular (Itoh y col., 2008).<br />
De forma análoga, en el alga ver<strong>de</strong> Chlamydomonas reinhardtii se ha <strong>de</strong>scrito un<br />
mecanismo <strong>de</strong> regulación transcripcional a través <strong>de</strong> un factor <strong>de</strong> transcripción llamado<br />
Crr1 (“copper-responsive regulator 1”) que induce la expresión <strong>de</strong> genes implicados en<br />
la <strong>de</strong>ficiencia <strong>de</strong> Cu, como por ejemplo el Cit c6, tras unirse a un elemento CuRE<br />
localizado en su promotor que contiene la secuencia GTAC. La unión <strong>de</strong>l Cu al dominio<br />
C-terminal rico en cisteínas <strong>de</strong> Crr1 provoca que este factor <strong>de</strong> transcripción se separe<br />
<strong>de</strong>l elemento CuRE (Moseley y col., 2000; Merchant y col., 2004).<br />
La regulación <strong>de</strong> la homeostasis <strong>de</strong> Cu en plantas superiores es un área <strong>de</strong><br />
investigación que ha empezado a <strong>de</strong>sarrollarse en los últimos años. Tanto los factores <strong>de</strong><br />
transcripción como los elementos cis y trans implicados en esta regulación<br />
transcripcional son prácticamente <strong>de</strong>sconocidos. Se han i<strong>de</strong>ntificado las secuencias<br />
homólogas <strong>de</strong> los factores <strong>de</strong> transcripción Ace1 (S. cerevisae) y Amt1 (Candida<br />
glabrata) en los promotores <strong>de</strong> tres genes que codifican para la CuZnSOD <strong>de</strong> maíz<br />
(Ruzsa y Scandalios, 2003). A<strong>de</strong>más, se ha i<strong>de</strong>ntificado el elemento cis negativo <strong>de</strong><br />
respuesta a Cu, GTACT, don<strong>de</strong> el factor <strong>de</strong> transcripción PpSBP2 (“squamosa<br />
promoter-binding protein”) se une y reprime la expresión <strong>de</strong>l gen que codifica para la<br />
FeSOD cloroplástica en la planta Barbula unguiculata (Nagae y col., 2008). Del mismo<br />
modo, los mecanismos <strong>de</strong> regulación postranscripcional también son prácticamente<br />
<strong>de</strong>sconocidos. A este respecto, se ha especulado que podrían ser similares a los que<br />
tienen lugar en levaduras. A nivel postranscripcional, se ha observado la <strong>de</strong>gradación <strong>de</strong><br />
CTR1 en condiciones tóxicas <strong>de</strong> Cu (De Freitas y col., 2003).<br />
Se ha postulado que las plantas pue<strong>de</strong>n contener sensores específicos para<br />
metales que <strong>de</strong>tectan cambios en el nivel <strong>de</strong> metal como la <strong>de</strong>ficiencia o el exceso, y<br />
provocan cascadas <strong>de</strong> señalización que activan la respuesta apropiada. En plantas no se<br />
han i<strong>de</strong>ntificado todavía las vías <strong>de</strong> transducción <strong>de</strong> la señal. Se ha <strong>de</strong>scrito la activación<br />
<strong>de</strong> diferentes vías <strong>de</strong> proteínas kinasas activadas por mitógeno <strong>de</strong> M. sativa en respuesta<br />
42
43<br />
Introducción<br />
a concentraciones tóxicas <strong>de</strong> Cu o Cd (Jonak y col., 2004). Queda por esclarecer si la<br />
activación <strong>de</strong> la cascada <strong>de</strong> las MAP kinasas es <strong>de</strong>pendiente <strong>de</strong>l metal o <strong>de</strong> un efecto<br />
causado por el estrés oxidativo y la reactividad <strong>de</strong>l grupo tiol provocados ambos por la<br />
concentración elevada <strong>de</strong> Cu y Cd.<br />
A día <strong>de</strong> hoy se conoce la regulación por Cu a nivel transcripcional <strong>de</strong> algunos<br />
genes involucrados en la homeostasis <strong>de</strong> Cu en plantas superiores. Se han i<strong>de</strong>ntificado<br />
varios genes que se inducen en respuesta a concentraciones altas <strong>de</strong> Cu: HMA5, HMA9,<br />
CuZnSOD, MTs, COX17, CCS (Andrés-Colás y col., 2006; Lee y col., 2007; Kurepa y<br />
col., 1997; Schiavon y col., 2007; Guo y col., 2003; Balandin y Castresana, 2002;<br />
Ab<strong>de</strong>l-Ghany y col., 2005a) y otros genes que se reprimen en respuesta a<br />
concentraciones altas <strong>de</strong> Cu: HMA6, HMA8, FeSOD, Pc y CCH (Schiavon y col., 2007;<br />
Ab<strong>de</strong>l-Ghany y col., 2005b; Lee y col., 2005). Recientemente, se ha observado que el<br />
transportador HMA8 <strong>de</strong> soja está regulado por Cu y por “splicing” alternativo (Bernal<br />
M., 2006, Tesis Doctoral, Universidad <strong>de</strong> Zaragoza). Actualmente existen datos con<br />
microarrays <strong>de</strong> expresión génica en hojas <strong>de</strong> arroz don<strong>de</strong> i<strong>de</strong>ntifican 305 genes que se<br />
inducen (genes relacionados con la <strong>de</strong>fensa frente al estrés) o reprimen (genes<br />
relacionados con la fotosíntesis y el transporte) en respuesta al exceso <strong>de</strong> Cu (Sudo y<br />
col., 2008). A<strong>de</strong>más, existen datos <strong>de</strong> caracterización proteómica en raíces <strong>de</strong> Cannabis<br />
sativa (Bona y col., 2007), embriones en germinación <strong>de</strong> arroz (Zhang y col., 2009) y<br />
raíces y hojas <strong>de</strong> Elsholtzia splen<strong>de</strong>ns (Li y col., 2009), don<strong>de</strong> i<strong>de</strong>ntifican las proteínas<br />
que se suprimen, reprimen e inducen en respuesta al exceso <strong>de</strong> Cu.<br />
A pesar <strong>de</strong> la ausencia <strong>de</strong> datos con microarrays, se han i<strong>de</strong>ntificado varios<br />
genes en Arabidopsis que se inducen en respuesta a una baja disponibilidad <strong>de</strong> Cu: los<br />
transportadores COPT1, COPT2 y ZIP2; la reductasa FRO3; la cuprochaperona CCH;<br />
la enzima FeSOD cloroplástica (Himelblau y col., 1998; Sancenón y col., 2003; Wintz y<br />
col., 2003; Ab<strong>de</strong>l-Ghany y col., 2005b; Mukherjee y col., 2006). Las plantas no<br />
sustituyen la Pc por el Cit c6 como hacen las cianobacterias y algunas algas en<br />
condiciones <strong>de</strong> <strong>de</strong>ficiencia <strong>de</strong> Cu, sin embargo, sustituyen la enzima CuZnSOD por la<br />
FeSOD con el objetivo <strong>de</strong> economizar el Cu para liberarlo a la Pc que es esencial para<br />
realizar la fotosíntesis (Fig. 1-11), función absolutamente fundamental en las plantas.<br />
De esta forma, cuando la concentración <strong>de</strong> Cu es baja, los niveles <strong>de</strong> mRNA, proteína y<br />
actividad <strong>de</strong> la FeSOD aumentan notablemente, mientras que los niveles <strong>de</strong> las<br />
CuZnSOD cloroplástica y citosólica son prácticamente in<strong>de</strong>tectables, lo que provoca, a<br />
su vez, un <strong>de</strong>scenso en la expresión <strong>de</strong> su chaperona CCS (Ab<strong>de</strong>l-Ghany y col., 2005b).
Introducción<br />
Esta regulación coordinada <strong>de</strong> genes nucleares se dirige probablemente al uso óptimo <strong>de</strong><br />
Cu en el cloroplasto y sugiere que los niveles <strong>de</strong> Cu en el estroma regulan la expresión<br />
nuclear a través <strong>de</strong> vías <strong>de</strong> señalización <strong>de</strong>sconocidas actualmente (Pilon y col., 2006).<br />
Exceso <strong>de</strong> Cu<br />
Deficiencia <strong>de</strong> Cu<br />
Figura 1-11: Sustitución <strong>de</strong> las SODs cloroplásticas en función <strong>de</strong> la disponibilidad <strong>de</strong><br />
Cu en Arabidopsis (Adaptada <strong>de</strong> Puig y col., 2007a).<br />
Recientemente, se ha <strong>de</strong>scubierto un microRNA, miR398, que media esta<br />
regulación en A. thaliana, incorporándose al RISC (“RNA-induced silencing complex”)<br />
y <strong>de</strong>gradando el mRNA <strong>de</strong> las CuZnSOD citosólica y cloroplástica cuando la<br />
concentración <strong>de</strong> Cu es limitante (0´2-0´5 μM) (Yamasaki y col., 2007). La expresión<br />
<strong>de</strong> miR398 se reprime transcripcionalmente por estreses oxidativos como el generado<br />
por el Cu, lo que conlleva a una acumulación <strong>de</strong> los transcritos <strong>de</strong> las CuZnSOD<br />
cloroplástica y citosólica incrementando, así, la tolerancia <strong>de</strong> la planta a este metal<br />
(Sunkar y col., 2006). El mRNA <strong>de</strong> CSD1 pero no el <strong>de</strong> CSD2 fue correlacionado<br />
negativamente con el nivel <strong>de</strong> miR398 durante el estrés con ozono, salinidad y P.<br />
syringae, lo que sugiere que la regulación <strong>de</strong> CSD2 no está estrictamente bajo el control<br />
<strong>de</strong> miR398 durante algunos estreses (Jaga<strong>de</strong>eswaran y col., 2009). La sacarosa (Dugas y<br />
Bartel, 2008) y la luz (Siré y col., 2009) inducen la expresión <strong>de</strong> miR398 lo que provoca<br />
44
45<br />
Introducción<br />
una disminución <strong>de</strong> los mensajeros <strong>de</strong> las CuZnSOD cloroplástica y citosólica así como<br />
la acumulación <strong>de</strong> las proteínas correspondientes. Otros tres miroRNAs adicionales han<br />
sido <strong>de</strong>scritos en Arabidopsis, miR397, miR408 y miR857, que reconocen y <strong>de</strong>gradan<br />
los transcritos <strong>de</strong> las cuproproteínas plantacianina y varias lacasas (Ab<strong>de</strong>l-Ghany y<br />
Pilon, 2008). En general, se propone a los miRNAs como reguladores importantes <strong>de</strong> la<br />
respuesta frente al estrés abiótico (Lu y Huang, 2008) y la homeostasis <strong>de</strong> Cu y Cd<br />
(Ding y Zhu, 2009) en plantas. Recientemente, se ha <strong>de</strong>scrito en Arabidopsis la<br />
existencia <strong>de</strong> la proteína SPL7 (squamosa promoter binding protein-like-7), homóloga<br />
al factor <strong>de</strong> transcripción Crr1 en Chlamydomonas (Kropat y col., 2005), la cual tiene<br />
un dominio SBP (squamosa promoter-binding) con el que se une al dominio GTAC <strong>de</strong>l<br />
promotor <strong>de</strong> miR398 activando, así, la transcripción <strong>de</strong> este miRNA. SPL7 también<br />
activa la transcripción <strong>de</strong> otros miRNAs (miR397, miR408 y miR857), transportadores<br />
<strong>de</strong> Cu (COPT1, COPT2, ZIP2, FRO3 y YSL2) y la chaperona CCH, jugando un papel<br />
central en la regulación <strong>de</strong> la homeostasis <strong>de</strong> Cu en Arabidopsis, principalmente en<br />
respuesta a la <strong>de</strong>ficiencia <strong>de</strong> Cu (Yamasaki y col., 2009). A<strong>de</strong>más <strong>de</strong> estos CumicroRNAs,<br />
se han <strong>de</strong>scrito otros microRNAs cuya expresión está regulada por la<br />
disponibilidad <strong>de</strong> nutrientes diferentes al Cu como el azufre y el fósforo.<br />
Se ha estudiado el uso potencial como marcadores <strong>de</strong>l status <strong>de</strong> Cu en las plantas<br />
<strong>de</strong> los transcritos y las proteínas Pc, FeSOD, CuZnSOD cloroplástica y CuZnSOD<br />
citosólica, los cuales son sensibles a la disponibilidad <strong>de</strong> Cu (Cohu y Pilon, 2007).<br />
Recientemente, se ha <strong>de</strong>scrito un papel como marcador <strong>de</strong>l status <strong>de</strong> Cu para el<br />
transcrito <strong>de</strong> CCS en humano (Olivares y col., 2008) y la proteína <strong>de</strong> esta chaperona en<br />
ganado (Hepburn y col., 2009).<br />
El “splicing” alternativo (AS, “alternative splicing”) es un mecanismo por el<br />
cual se generan dos o más tipos diferentes <strong>de</strong> mRNA maduros a partir <strong>de</strong> un único premRNA.<br />
Es bien conocido que este mecanismo contribuye a la regulación<br />
postranscripcional génica, a la estabilidad <strong>de</strong>l mRNA y al aumento <strong>de</strong> la diversidad<br />
proteómica en animales, mientras que el estudio <strong>de</strong> su importancia en plantas está en<br />
proceso <strong>de</strong> <strong>de</strong>sarrollo. Sin embargo, la disponibilidad actual <strong>de</strong> los genomas y las<br />
secuencias <strong>de</strong> los transcritos permite analizar el AS <strong>de</strong> forma global en muchas especies<br />
<strong>de</strong> plantas (Ner-Gaon y col., 2007). El resultado <strong>de</strong> estos análisis ha sido que la<br />
frecuencia <strong>de</strong> AS en las plantas es diferente a la frecuencia en los animales. Más <strong>de</strong>l<br />
20% <strong>de</strong> los genes sufren AS en plantas lo que correspon<strong>de</strong> a cerca <strong>de</strong> 4700 genes en A.<br />
thaliana (dicotiledónea) y 6500 genes en arroz (monocotiledónea) (Wang y Bren<strong>de</strong>l,
Introducción<br />
2004). Esta proporción indica que el AS en plantas no es raro aunque supone una tercera<br />
parte <strong>de</strong>l observado en humano. La mayor parte <strong>de</strong> los casos <strong>de</strong> AS no han sido<br />
caracterizados funcionalmente en plantas, pero se sugiere su participación en<br />
importantes funciones como la respuesta a estreses entre los que se encuentra el estrés<br />
abiótico (Mazzucotelli y col., 2008). Existen estudios recientes <strong>de</strong>l AS en los genomas<br />
<strong>de</strong> maíz, musgo (Rensing y col., 2008) y tres especies <strong>de</strong> leguminosas (Wang y col.,<br />
2008).<br />
Se han <strong>de</strong>finido cuatro tipos <strong>de</strong> AS según la isoforma <strong>de</strong> transcrito que<br />
predomine: salto <strong>de</strong> exón (ExonS, “exon skipping”), sitio <strong>de</strong>l donador alternativo (AltD,<br />
“alternative donor site”), sitio <strong>de</strong>l aceptor alternativo (AltA, “alternative aceptor site”) y<br />
retención <strong>de</strong> intrón (IntronR, “intron retention”). Se ha <strong>de</strong>mostrado que la retención <strong>de</strong><br />
intrón es el tipo <strong>de</strong> AS más frecuente en Arabidopsis y arroz, y que los transcritos<br />
resultantes están implicados principalmente en funciones como la fotosíntesis y la<br />
respuesta frente al estrés (Ner-Gaon y col., 2004; Wang y Bren<strong>de</strong>l, 2006; Campbell y<br />
col., 2006). Por el contrario, el salto <strong>de</strong> exón es el tipo <strong>de</strong> AS más frecuente en humano,<br />
sin embargo, este tipo <strong>de</strong> AS es precisamente muy poco frecuente en plantas. Los<br />
intrones <strong>de</strong> las plantas tienen un tamaño menor (100 – 200 pb), unos límites menos<br />
<strong>de</strong>finidos y unas secuencias más ricas en uridina y a<strong>de</strong>nosina que los intrones <strong>de</strong> los<br />
animales. A<strong>de</strong>más, las plantas tienen una familia <strong>de</strong> factores <strong>de</strong> serina y arginina<br />
asociados al spliceosoma más compleja que los animales, y al menos un 9% <strong>de</strong> los<br />
genes <strong>de</strong> Arabidopsis tienen intrones en sus secuencias UTRs. Estas diferencias<br />
sugieren que el mecanismo <strong>de</strong> reconocimiento <strong>de</strong> los sitios <strong>de</strong> “splicing” pue<strong>de</strong> ser<br />
diferente entre plantas y animales. A pesar <strong>de</strong> que el spliceosoma <strong>de</strong> plantas no ha sido<br />
aislado y por tanto se <strong>de</strong>sconoce su composición exacta, se sugiere que es bastante<br />
similar al spliceosoma <strong>de</strong> animales.<br />
En Arabidopsis y arroz se proponen las secuencias C(A)AG/GTAA y<br />
TGCAG/G como secuencias consenso para los sitios <strong>de</strong>l donador y <strong>de</strong>l aceptor <strong>de</strong><br />
“splicing”, respectivamente. La especificidad se consigue a través <strong>de</strong> la interacción<br />
entre las proteínas reguladoras <strong>de</strong>l “splicing” y los elementos en cis adicionales. Estos<br />
elementos, potenciadores <strong>de</strong>l “splicing” exónico e intrónico (ESEs o ISEs, “exonic or<br />
intronic splicing enhancers”) y silenciadores <strong>de</strong>l “splicing” exónico e intrónico (ESSs o<br />
ISSs, “exonic or intronic splicing suppressors”), están localizados en los exones o en los<br />
intrones adyacentes a distancias variables <strong>de</strong>l sitio <strong>de</strong> “splicing”. Estos elementos has<br />
46
47<br />
Introducción<br />
sido i<strong>de</strong>ntificados en varios genes <strong>de</strong> mamíferos y, recientemente, se ha <strong>de</strong>scrito una<br />
colección <strong>de</strong> posibles secuencias ESE en Arabidopsis (Barbazuk y col., 2008).<br />
Existen varios ejemplos <strong>de</strong> cuproproteínas reguladas por este mecanismo <strong>de</strong><br />
“splicing” alternativo en plantas: CUTA <strong>de</strong> Arabidopsis (Burkhead y col., 2003),<br />
COX19 <strong>de</strong> Arabidopsis (Attallah y col., 2007b), CuZnSOD <strong>de</strong> Populus (Srivastava y<br />
col., 2009) y HMA8 <strong>de</strong> soja (Bernal M., 2006, Tesis Doctoral, Universidad <strong>de</strong><br />
Zaragoza).<br />
1.6 OBJETIVOS<br />
1. Regulación <strong>de</strong> la expresión a nivel <strong>de</strong> mRNA y proteína <strong>de</strong> la chaperona CCS y<br />
la enzima CuZnSOD cloroplásticas en suspensiones celulares fotosintéticas y<br />
planta entera <strong>de</strong> soja. Estudio <strong>de</strong> la respuesta frente al exceso <strong>de</strong> cobre.<br />
I<strong>de</strong>ntificación y localización subcelular <strong>de</strong> GmCCS y GmCuZnSOD.<br />
2. Clonación, sobreexpresión y purificación <strong>de</strong> la GmCCS.<br />
3. Caracterización bioquímica, espectroscópica y físico-química <strong>de</strong> la GmCCS<br />
recombinante purificada.<br />
4. Búsqueda <strong>de</strong> una hipotética cpCCS en soja, homóloga a la supuestamente<br />
encontrada en Arabidopsis e implicada en el transporte <strong>de</strong> cobre entre HMA6 y<br />
HMA8.
MATERIALES Y MÉTODOS
A B<br />
C<br />
53<br />
Materiales y Métodos<br />
Figura 2-1: Métodos <strong>de</strong> crecimiento <strong>de</strong> las suspensiones celulares <strong>de</strong> soja. (A) Cultivo<br />
en medio líquido. (B) Cultivo en medio sólido. (C) Observación al microscopio óptico<br />
<strong>de</strong> las suspensiones celulares <strong>de</strong> soja crecidas en medio líquido, don<strong>de</strong> se observan<br />
claramente los cloroplastos y los septos <strong>de</strong> la división celular.<br />
El cultivo <strong>de</strong> este tipo <strong>de</strong> suspensiones celulares es complicado ya que requiere<br />
medios nutritivos relativamente complejos en comparación con los medios bacterianos,<br />
mucho más restringidos. Por esta razón, la manipulación <strong>de</strong>be ser muy cuidadosa,<br />
poniendo especial cuidado en utilizar todo el material convenientemente esterilizado en<br />
autoclave y realizar todos los procesos <strong>de</strong> manipulación <strong>de</strong>l cultivo en el interior <strong>de</strong> una<br />
campana <strong>de</strong> flujo laminar (Telstar AH-100).
55<br />
Materiales y Métodos<br />
Figura 2-2: Crecimiento <strong>de</strong> plantas <strong>de</strong> soja en cámara climática y medio hidropónico.<br />
2.1.3 Tratamientos <strong>de</strong> suspensiones celulares <strong>de</strong> soja<br />
Durante los últimos años, hemos obtenido en nuestro laboratorio suspensiones<br />
celulares fotosintéticas <strong>de</strong> soja tolerantes a exceso <strong>de</strong> Cu (5-50 μM). Las células<br />
tolerantes acumularon niveles <strong>de</strong> Cu promedio 60 veces superiores al control. Estos<br />
resultados sugieren que el transporte <strong>de</strong> Cu en las células tolerantes <strong>de</strong>be estar<br />
estimulado, así como sus sistemas <strong>de</strong> distribución y almacenamiento <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> la célula<br />
vegetal (Bernal y col., 2006). Por ello, utilizamos este sistema biológico como mo<strong>de</strong>lo,<br />
pues, a<strong>de</strong>más <strong>de</strong> correspon<strong>de</strong>r a las células fotosintéticas <strong>de</strong> la hoja, nos permite llevar a<br />
cabo tratamientos experimentales <strong>de</strong> una manera más controlada y más fácil<br />
técnicamente.<br />
Los tratamientos se llevaron a cabo suplementando el medio hidropónico (KN 1 )<br />
con disoluciones <strong>de</strong> los metales Cu, Fe y Zn a una concentración <strong>de</strong> 10 μM. La<br />
concentración inicial <strong>de</strong> estos metales en el medio hidropónico (KN 1 ) es: 0´1 μM <strong>de</strong> Cu,<br />
100 μM <strong>de</strong> Fe y 30 μM <strong>de</strong> Zn. De esta forma, los tratamientos a los que fueron<br />
sometidas las suspensiones celulares fueron los siguientes:<br />
• 10 µM CuSO4 · 5 H2O durante 1 dilución*<br />
• 10 µM CuSO4 · 5 H2O durante 76 diluciones
Materiales y Métodos<br />
• 10 µM FeSO4 · 7 H2O durante 1 dilución<br />
• 10 µM ZnSO4 · 7 H2O durante 1 dilución<br />
• 10 µM CuSO4 · 5 H2O + 10 µM ZnSO4 · 7 H2O durante 1 dilución<br />
*1 dilución correspon<strong>de</strong> a los primeros 21 días <strong>de</strong> tratamiento.<br />
Las disoluciones <strong>de</strong> estos metales se esterilizaron previamente por filtración con<br />
un filtro estéril <strong>de</strong> 0´2 μm (Pall Corporation) antes <strong>de</strong> ser añadidas al medio <strong>de</strong> cultivo.<br />
2.1.4 Tratamientos <strong>de</strong> plantas <strong>de</strong> soja<br />
Los tratamientos que se llevaron a cabo en las plantas a partir <strong>de</strong> los primeros 15<br />
días <strong>de</strong> crecimiento fueron los siguientes:<br />
• Tratamiento foliar <strong>de</strong> Cu: las hojas fueron pintadas cada cuatro días con una<br />
disolución 10 µM CuSO4 · 5 H2O.<br />
• Tratamiento radicular <strong>de</strong> Cu: el medio hidropónico <strong>de</strong> half-Hoagland fue<br />
suplementado con 10 µM CuSO4 · 5 H2O. Los medios hidropónicos fueron<br />
renovados una vez a la semana.<br />
Las plantas se recogieron a los 28 días <strong>de</strong> crecimiento. Los tejidos cosechados<br />
fueron: hoja joven (primer trifolio), hoja madura (tercer trifolio), tallo, raíz y flor.<br />
2.2 TÉCNICAS DE BIOLOGÍA MOLECULAR<br />
Todo el material fue autoclavado durante 20 min a 120 ºC antes <strong>de</strong> su uso. Las<br />
soluciones se prepararon con H2O miliQ y se autoclavaron en las mismas condiciones.<br />
2.2.1 Extracción <strong>de</strong>l RNA <strong>de</strong> suspensiones celulares <strong>de</strong> soja<br />
Tras ser recogidas mediante filtración a través <strong>de</strong> papel Miracloth (Hoechst,<br />
Calbiochem) y lavadas con medio <strong>de</strong> cultivo KN 1 fresco, las células <strong>de</strong> soja (0´3 g) se<br />
congelaron con nitrógeno líquido y se rompieron con la ayuda <strong>de</strong> un mortero hasta la<br />
obtención <strong>de</strong> un polvo fino. Para la extracción y posterior purificación <strong>de</strong>l RNA, se<br />
utilizó el kit “RNeasy Plant Mini Kit” (Quiagen GMBH, Hi<strong>de</strong>n, Alemania) según las<br />
instrucciones <strong>de</strong>l fabricante. A continuación, se resuspendió en 35 μl <strong>de</strong> H2O miliQ con<br />
0´1% (v/v) <strong>de</strong> inhibidor <strong>de</strong> RNAsas DEPC.<br />
56
57<br />
Materiales y Métodos<br />
La concentración <strong>de</strong> RNA se <strong>de</strong>terminó espectrofotométricamente midiendo la<br />
absorbancia a 260 nm. Para el cálculo <strong>de</strong> la concentración, cada unidad <strong>de</strong> absorbancia a<br />
260 nm se consi<strong>de</strong>ró como 40 μg/ml <strong>de</strong> RNA. Finalmente, el RNA se diluyó en agua<br />
con 0´1% (v/v) <strong>de</strong> DEPC hasta una concentración <strong>de</strong> trabajo estándar <strong>de</strong> 2 μg/μl.<br />
2.2.2 Extracción <strong>de</strong>l RNA <strong>de</strong> plantas <strong>de</strong> soja<br />
Para la extracción y purificación <strong>de</strong>l RNA <strong>de</strong> plantas se siguió el mismo<br />
procedimiento que con las suspensiones celulares, se utilizó el kit “RNeasy Plant Mini<br />
Kit” (Quiagen GMBH, Hi<strong>de</strong>n, Alemania), según las instrucciones <strong>de</strong>l fabricante. Se<br />
partió <strong>de</strong> 0´1 g <strong>de</strong> material para todos los tejidos analizados (hoja joven, hoja madura,<br />
tallo, raíz y flor). En el caso <strong>de</strong> la raíz, se realizó una incubación adicional <strong>de</strong> 3 min a 56<br />
ºC tal y como indica el manual en el paso 3. A continuación, el RNA se resuspendió en<br />
30 μl <strong>de</strong> H2O miliQ con 0´1% (v/v) <strong>de</strong> DEPC y se midió su concentración (apartado<br />
2.2.1). Finalmente, el RNA se diluyó en H2O miliQ con 0´1% (v/v) <strong>de</strong> DEPC hasta una<br />
concentración <strong>de</strong> trabajo estándar <strong>de</strong> 2 μg/μl.<br />
2.2.3 RT-PCR semicuantitativa<br />
La técnica <strong>de</strong> RT-PCR (Transcripción reversa – Reacción en ca<strong>de</strong>na <strong>de</strong> la<br />
polimerasa) se utilizó para estudiar <strong>de</strong> modo semicuantitativo los niveles <strong>de</strong> mRNA <strong>de</strong><br />
los genes GmCCS y GmCSD2. La realización <strong>de</strong> una RT-PCR conlleva dos etapas: la<br />
síntesis <strong>de</strong>l DNA complementario (cDNA) a partir <strong>de</strong>l mRNA y la amplificación<br />
mediante cebadores específicos <strong>de</strong>l cDNA <strong>de</strong>rivado <strong>de</strong>l mRNA <strong>de</strong>l gen <strong>de</strong> interés.<br />
2.2.3.1 Síntesis <strong>de</strong> cDNA<br />
El RNA extraído tal y como se explica en el apartado anterior, ha sido tratado<br />
previamente con 5 unida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> DNAsa I libre <strong>de</strong> RNAsa a 37 ºC durante 10 min para<br />
eliminar la posible contaminación con DNA genómico antes <strong>de</strong> ser purificado con las<br />
columnas <strong>de</strong>l kit “RNeasy Plant Mini Kit”, las cuales eliminan posteriormente esta<br />
DNAsa.<br />
Se sintetizó la hebra <strong>de</strong> cDNA a partir <strong>de</strong> 5 μg <strong>de</strong> RNA, utilizando como cebador<br />
un oligonucleótido compuesto por <strong>de</strong>soxirribonucleótidos <strong>de</strong> timina <strong>de</strong>nominado oligo<br />
dT. Para ello se añadió el cebador (dT)12-18 (Invitrogen) a una concentración final <strong>de</strong> 1<br />
μM e incubamos a 70 ºC durante 10 min. Tras enfriar rápidamente en hielo durante al
Materiales y Métodos<br />
menos 5 min, se añadió el tampón <strong>de</strong> la retrotranscriptasa y la mezcla <strong>de</strong><br />
<strong>de</strong>soxirribonucleótidos, incubándose todo a 42 ºC durante 1 min. Pasado este minuto, se<br />
añadieron 200 unida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> la retrotranscriptasa (M-MLV retrotanscriptase, Promega)<br />
incubándose durante 1 h a 42 ºC. La retrotranscriptasa se inactivó a 70 ºC durante 10<br />
min y la muestra se trató con RNAsa H libre <strong>de</strong> DNAsa que digiere el RNA <strong>de</strong> las<br />
dobles ca<strong>de</strong>nas formadas por RNA y DNA. Finalmente, el cDNA sintetizado se diluyó<br />
hasta un volumen final <strong>de</strong> 120 μl con H2O miliQ estéril, y se conservó a -80 ºC.<br />
2.2.3.2 Condiciones <strong>de</strong> PCR<br />
Tras encontrar las condiciones <strong>de</strong> PCR a<strong>de</strong>cuadas para cada pareja <strong>de</strong> cebadores,<br />
los productos <strong>de</strong> amplificación fueron clonados y secuenciados para comprobar su<br />
i<strong>de</strong>ntidad.<br />
Las PCRs se realizaron en un termociclador GeneAmp PCR System 9700 (PE<br />
Applied Biosystems) en tubos <strong>de</strong> 0´2 ml en los que se dispuso la siguiente mezcla <strong>de</strong><br />
reacción:<br />
cDNA 8 μl<br />
dNTP mix (10 mM) 3´5 μl<br />
Tampón Taq × 10 5 μl<br />
MgCl2 (50 mM) 4 μl<br />
Cebador 5’ (10 µM) 2 μl<br />
Cebador 3’ (10 µM) 2 μl<br />
H2O miliQ 24´5 μl<br />
Taq Platinum (5 u/µl) 1 μl<br />
58
GmCCS<br />
GmCCS´<br />
GmCSD2<br />
Gen Cebador Secuencia (5´- 3´)<br />
NSP-GmCCS1<br />
NSP-GmCCS2<br />
NSP-GmCCS3<br />
NSP-GmCSD2<br />
CpCCS<br />
Actina<br />
FW-CCS<br />
RW-CCS<br />
FW-SAC<br />
RW-KPN<br />
FW-SOD<br />
3´SOD1<br />
2-19 FW<br />
2-5 FW<br />
2-4 RW<br />
3-SOD4<br />
5´-SOJA+X1<br />
3´-SOJA+X1<br />
5´-ACT<br />
3´-ACT<br />
Tabla 2-1: Cebadores utilizados para cada gen.<br />
59<br />
Materiales y Métodos<br />
GGATCCATGGCATTTCTGAGGTCA<br />
TCTAGACTATCAGACCTTGCTAGT<br />
GAGCTCATGGACCACAAACTCT<br />
GGTACCCTATCAGACCTTGCTA<br />
GTGGCTCTGTGAGTGAGTGAG<br />
GCTTCACAGAAGACATAACATCAG<br />
GTTAGTTCCTTGTTGTCTG<br />
GCATGCCATGGATTTCCGTC<br />
GTCAGCCATCATGATGCATC<br />
CATAAGCAGGTCCAGGATCCAG<br />
ATGGC(TCAG)AA(TC)GT(TCAG)GT<br />
(TCAG)GA(AG)(TC)T(TCAG)AA(AG)<br />
(TCAG)CC(TCAG)(AG)(CT)(TCAG)AC<br />
(TCAG)GT(TCAG)AC(TC)TT(TCAG)TT<br />
ATTGTAGGTCGTCCTCGTC<br />
TTGCATAAAGTGA AAGAACAG<br />
Como se muestra en la Fig. 2-3, todas las PCRs realizadas constaron <strong>de</strong> una etapa<br />
<strong>de</strong> <strong>de</strong>snaturalización a 94 ºC durante 3 min, seguida <strong>de</strong> varios ciclos compuestos por<br />
una etapa <strong>de</strong> <strong>de</strong>snaturalización a 94 ºC durante 30 s, otra <strong>de</strong> hibridación <strong>de</strong> los<br />
cebadores y otra <strong>de</strong> extensión. La temperatura <strong>de</strong> hibridación (Tm) varía para cada<br />
pareja <strong>de</strong> cebadores (Tabla 2-2). Todos los programas <strong>de</strong> PCR se finalizaron con una<br />
etapa <strong>de</strong> extensión a 72 ºC durante 10 min.
Materiales y Métodos<br />
94 ºC 94 ºC<br />
3 min 30 s<br />
35 ciclos<br />
Tm<br />
30 s<br />
72 ºC 72 ºC<br />
t 10 min<br />
Figura 2-3: Programa tipo <strong>de</strong> PCR utilizado. La temperatura <strong>de</strong> hibridación (Tm) y<br />
el tiempo <strong>de</strong> extensión (t) se ajustaron <strong>de</strong> forma apropiada para cada gen.<br />
Gen<br />
GmCCS<br />
GmCCS´<br />
GmCSD2<br />
NSP-GmCCS1<br />
NSP-GmCCS2<br />
NSP-GmCCS3<br />
NSP-GmCSD2<br />
Actina<br />
Tm (ºC)<br />
54<br />
55<br />
54<br />
50<br />
50<br />
50<br />
55<br />
46<br />
Tiempo <strong>de</strong><br />
extensión (s)<br />
Tabla 2-2: Temperatura <strong>de</strong> hibridación y tiempo <strong>de</strong> extensión a los que se ha<br />
realizado cada amplificación, así como el tamaño <strong>de</strong>l producto amplificado.<br />
60<br />
90<br />
60<br />
60<br />
60<br />
60<br />
60<br />
60<br />
45<br />
930<br />
762<br />
791<br />
755<br />
678<br />
1160<br />
609<br />
334<br />
4 ºC<br />
∞<br />
Tamaño <strong>de</strong>l<br />
producto (pb)
94 ºC 94 ºC<br />
4 min 1 min<br />
40 ciclos<br />
52 ºC<br />
2 min<br />
61<br />
72 ºC 72 ºC<br />
90 s 10 min<br />
Materiales y Métodos<br />
Figura 2-4: Programa <strong>de</strong> PCR utilizado para amplificar el gen que codifica a la<br />
hipotética chaperona cpCCS <strong>de</strong> soja. (*) Significa que las rampas <strong>de</strong> temperatura<br />
anterior y posterior a la etapa <strong>de</strong> hibridación a 52 ºC corrieron más lentas que en el<br />
programa tipo.<br />
2.2.4 Electroforesis <strong>de</strong> DNA en geles <strong>de</strong> agarosa<br />
*<br />
La electroforesis se realizó sobre un soporte sólido <strong>de</strong> agarosa en tampón TBE. En<br />
estas condiciones, a pH neutro, el DNA presenta una carga negativa <strong>de</strong> manera que,<br />
sometido a un campo eléctrico, migra hacia el ánodo. Las moléculas <strong>de</strong> DNA lineal<br />
migran a través <strong>de</strong>l gel a una velocidad inversamente proporcional al logaritmo <strong>de</strong> su<br />
peso molecular. De este modo, pudo <strong>de</strong>terminarse el tamaño <strong>de</strong> los fragmentos <strong>de</strong> DNA<br />
<strong>de</strong> interés en relación con marcadores comerciales <strong>de</strong> peso molecular conocidos.<br />
La electroforesis horizontal en geles <strong>de</strong> agarosa se utilizó como método general <strong>de</strong><br />
análisis <strong>de</strong> preparaciones <strong>de</strong> DNA, y para separar, i<strong>de</strong>ntificar o purificar fragmentos <strong>de</strong><br />
DNA. La concentración <strong>de</strong> agarosa <strong>de</strong> los geles <strong>de</strong>pendió <strong>de</strong>l tamaño <strong>de</strong>l fragmento que<br />
se <strong>de</strong>seó analizar. En nuestro caso, <strong>de</strong>bido a la diversidad <strong>de</strong> tamaños, se utilizaron geles<br />
<strong>de</strong>s<strong>de</strong> el 0´7% <strong>de</strong> agarosa para los fragmentos más gran<strong>de</strong>s hasta el 1´2% para los más<br />
pequeños.<br />
Para preparar el gel, la agarosa (Pronadisa) se fundió mediante calentamiento y<br />
con agitación en tampón TBE. Una vez preparada la disolución <strong>de</strong> agarosa, se añadió<br />
bromuro <strong>de</strong> etidio a una concentración final <strong>de</strong> 5 μg/μl, se vertió en el mol<strong>de</strong> <strong>de</strong>l gel y<br />
4 ºC<br />
∞
Materiales y Métodos<br />
se colocó el peine para formar los pocillos. El bromuro <strong>de</strong> etidio se intercala en la doble<br />
hélice <strong>de</strong>l DNA y fluoresce bajo luz ultravioleta. Una vez solidificado el gel (20 min),<br />
se retiró el peine y se colocó con el mol<strong>de</strong> en la cubeta <strong>de</strong> electroforesis. La cubeta se<br />
rellenó con TBE hasta cubrir el gel y se dispusieron en los pocillos las muestras diluidas<br />
y con el tampón <strong>de</strong> carga añadido 1/5 <strong>de</strong>l volumen total <strong>de</strong> la muestra. Juntamente con<br />
las muestras, se aplicó 1 μg <strong>de</strong> marcadores <strong>de</strong> peso molecular (1 kb Plus DNA Lad<strong>de</strong>r,<br />
Invitrogen). Se conectó la fuente a 60 V y se <strong>de</strong>jó correr hasta que el colorante azul <strong>de</strong><br />
bromofenol llegó a 2/3 <strong>de</strong>l gel. Las preparaciones <strong>de</strong> DNA se observaron y<br />
fotografiaron bajo luz ultravioleta, en un equipo <strong>de</strong> análisis <strong>de</strong> imágenes (Gel Doc,<br />
BioRad).<br />
Tampón <strong>de</strong> carga x 6: 30% (v/v) Glicerol, 0´25% (p/v) Azul <strong>de</strong> bromofenol, 0´25%<br />
(p/v) Azul <strong>de</strong> xilen-cianol.<br />
TBE: 90 mM Tris-borato (pH=8), 2 mM EDTA.<br />
2.2.5 Clonación <strong>de</strong> los productos <strong>de</strong> PCR<br />
Los productos <strong>de</strong> amplificación obtenidos en la RT-PCR semicuantitativa fueron<br />
clonados y secuenciados para i<strong>de</strong>ntificarlos con total seguridad. Para realizar esta<br />
clonación, se siguieron los procedimientos que se <strong>de</strong>scriben en los siguientes apartados.<br />
2.2.5.1 Extracción <strong>de</strong> los productos <strong>de</strong> PCR <strong>de</strong> geles <strong>de</strong> agarosa mediante lana <strong>de</strong><br />
vidrio<br />
Una vez separados los productos <strong>de</strong> PCR mediante electroforesis en gel <strong>de</strong><br />
agarosa, éstos se visualizaron bajo luz ultravioleta y la zona <strong>de</strong>l gel don<strong>de</strong> se localizó la<br />
banda se recortó con un bisturí estéril. El fragmento <strong>de</strong> agarosa que contiene el DNA se<br />
troceó y se colocó junto con 20 μl <strong>de</strong> H2O miliQ estéril en un eppendorf <strong>de</strong> 0´5 ml al<br />
que se le había practicado un orificio en el fondo y en el que se había dispuesto lana <strong>de</strong><br />
vidrio hasta aproximadamente la mitad <strong>de</strong> su volumen. El tubo con la lana <strong>de</strong> vidrio y la<br />
agarosa se acopló a un tubo eppendorf <strong>de</strong> 1´5 ml y se centrifugó a 9170 x g durante 10<br />
min. El eluyente obtenido tras la centrifugación contiene el DNA. El tubo con la lana <strong>de</strong><br />
vidrio se acopló a un nuevo eppendorf <strong>de</strong> 1´5 ml, se añadieron otros 20 μl <strong>de</strong> H2O<br />
milliQ estéril y se centrifugó <strong>de</strong> nuevo en las mismas condiciones anteriores. A los dos<br />
eluyentes resultantes se añadió H2O miliQ hasta llegar a los 300 μl <strong>de</strong> volumen total y<br />
62
63<br />
Materiales y Métodos<br />
se eliminaron posibles contaminaciones <strong>de</strong> proteínas extrayendo la fase acuosa superior<br />
con un volumen <strong>de</strong> fenol:cloroformo-isoamilalcohol (1:1, v/v) mediante centrifugación<br />
a 5870 x g durante 10 min. Posteriormente se extrajo <strong>de</strong> nuevo la fase acuosa superior<br />
con un volumen <strong>de</strong> cloroformo:isoamilalcohol (24:1, v/v) mediante centrifugación a<br />
5870 x g durante 10 min. Finalmente, el DNA se precipitó con dos volúmenes <strong>de</strong> etanol<br />
al 96% y 1/5 <strong>de</strong>l volumen <strong>de</strong> 3 M acetato <strong>de</strong> sodio a -20 ºC durante como mínimo 1 h. A<br />
continuación, se centrifugó a 13200 x g durante 30 min, se <strong>de</strong>cantó y se añadieron 200<br />
μl <strong>de</strong> etanol al 70%. Se volvió a centrifugar a 15500 x g durante 5 min, se <strong>de</strong>cantó y se<br />
<strong>de</strong>jó secar al aire el sedimento. Por último, el DNA se resuspendió con 10-15 μl <strong>de</strong> H2O<br />
milliQ estéril.<br />
2.2.5.2 Ligación <strong>de</strong> los productos <strong>de</strong> PCR<br />
Una <strong>de</strong> las características <strong>de</strong> la Taq polimerasa que se utilizó en las reacciones<br />
<strong>de</strong> PCR (Taq Platinum, Invitrogen), es que introduce una base a<strong>de</strong>nina (A) en los<br />
extremos 3’ <strong>de</strong>l amplicón. El plásmido pGEM-T-easy (Promega) contiene una timina<br />
(T) en los extremos 5’ lo que permite la unión <strong>de</strong>l fragmento amplificado mediante la<br />
acción <strong>de</strong> la enzima T4 ligasa (Promega). La ligación <strong>de</strong>l gen GmCCS al vector<br />
pMALc2x modificado (modif.), ambos con extremos cohesivos conteniendo los sitios<br />
<strong>de</strong> restricción <strong>de</strong> las enzimas BamHI y XbaI, se realizó también con la enzima T4 ligasa.<br />
La mezcla <strong>de</strong> ligación <strong>de</strong>be contener, <strong>de</strong> forma aproximada, cantida<strong>de</strong>s equimolares <strong>de</strong><br />
plásmido y fragmento que se <strong>de</strong>sea clonar para que la ligación sea óptima. Las<br />
ligaciones, tanto para el vector pGEM-T-easy como para el vector pMALc2x modif., se<br />
realizaron mediante una primera incubación durante 1 h a temperatura ambiente seguido<br />
<strong>de</strong> una incubación posterior durante toda la noche a 8 ºC.<br />
2.2.5.3 Preparación <strong>de</strong> células competentes<br />
La preparación <strong>de</strong> células competentes (permeabilización <strong>de</strong> la pared y<br />
membrana <strong>de</strong> las células) se ha realizado mediante el tratamiento con CaCl2 frío<br />
siguiendo el siguiente protocolo. El día <strong>de</strong> antes se prepara un cultivo previo <strong>de</strong> 4 ml <strong>de</strong><br />
LB (Pronadisa) con “un glicerol” <strong>de</strong> bacterias <strong>de</strong> Escherichia coli JM109 (Promega) o<br />
DH5α comerciales. A continuación, se prepara un cultivo <strong>de</strong> 25 ml en un erlenmeyer <strong>de</strong><br />
100 ml con un inóculo <strong>de</strong>l cultivo previo. Este cultivo se crece a 37 ºC hasta que la<br />
D.O.600nm llegue a 0´4 unida<strong>de</strong>s. Entonces, se pone 1 ml <strong>de</strong> estas células en tubos<br />
eppendorfs previamente enfriados. Estos tubos eppendorfs se centrifugan a 4400 x g
Materiales y Métodos<br />
durante 10 min a 4 ºC. Una vez centrifugados, se retira el sobrenadante con una pipeta y<br />
el sedimento se resuspen<strong>de</strong> en 100 μl <strong>de</strong> 0´1 M CaCl2 frío. Las células competentes se<br />
mantienen en hielo si van a ser transformadas inmediatamente o se guardan<br />
fraccionadas (100-200 μl) con un 20% <strong>de</strong> glicerol a -80 ºC para su conservación a largo<br />
plazo. Una vez <strong>de</strong>scongeladas, se aconseja no volver a congelar las células competentes,<br />
ya que pier<strong>de</strong>n eficiencia al <strong>de</strong>scongelarlas por segunda vez.<br />
2.2.5.4 Transformación <strong>de</strong> E. coli<br />
Las células competentes <strong>de</strong> la cepa JM109 (Promega) y DH5α comerciales <strong>de</strong> E.<br />
coli se transformaron mediante choque térmico con las mezclas <strong>de</strong> ligación. Para ello,<br />
las bacterias competentes que se conservan a -80 ºC fueron <strong>de</strong>scongeladas en hielo<br />
durante 15-20 min. Una vez <strong>de</strong>scongeladas, se añadieron 100 μl <strong>de</strong> bacterias a 10 μl <strong>de</strong><br />
ligación y se incubó en hielo durante otros 20 min. A continuación, el tubo conteniendo<br />
la mezcla <strong>de</strong> ligación se transfirió rápidamente a 42 ºC y se mantuvo a esa temperatura<br />
durante 2 min. Seguidamente, se incubó en hielo durante 15 min. A continuación, se<br />
añadieron a la mezcla 850 μl <strong>de</strong> medio LB y se incubó durante 1 h a 37 ºC con<br />
agitación. Se centrifugó a 13000 x g durante 3 min para recoger las células y se<br />
eliminaron 700 μl <strong>de</strong> sobrenadante. Los 200 μl restantes <strong>de</strong> sobrenadante se utilizaron<br />
para resuspen<strong>de</strong>r las células. La mezcla se sembró en placas <strong>de</strong> LB con Ampicilina (50<br />
μg/ml) a razón <strong>de</strong> 200 μl <strong>de</strong> mezcla por placa. La Ampicilina fue utilizada como<br />
marcador selectivo, ya que tanto el vector pGEM-T-easy como el vector pMALc2x<br />
modificado, confieren resistencia a este antibiótico. Tras incubar las placas sembradas a<br />
37 ºC durante toda la noche, aparecieron abundantes colonias correspondientes la<br />
mayoría <strong>de</strong> las veces a clones positivos conteniendo la construcción <strong>de</strong>seada. Las<br />
colonias, así obtenidas, se numeraron y se inocularon algunas <strong>de</strong> ellas en tubos con 4 ml<br />
<strong>de</strong> LB y 100 μg μl -1 <strong>de</strong> Ampicilina para el posterior análisis <strong>de</strong> su DNA plasmídico <strong>de</strong><br />
forma individual. Los cultivos <strong>de</strong> uso continuo se mantuvieron a 4 ºC durante algunas<br />
semanas (no más <strong>de</strong> un mes). Para el mantenimiento in<strong>de</strong>finido, los cultivos se<br />
guardaron con 20% (v/v) glicerol a -80 ºC.<br />
2.2.5.5 Aislamiento <strong>de</strong> DNA plasmídico<br />
Tras incubar los cultivos en medio LB líquido con Ampicilina toda la noche a 37<br />
ºC, se procedió a aislar su DNA plasmídico. Para ello, 3 ml <strong>de</strong>l cultivo líquido fueron<br />
64
65<br />
Materiales y Métodos<br />
centrifugados a 15500 x g durante 3 min y se retiró cuidadosamente el sobrenadante con<br />
una pipeta Pasteur. A continuación, se utilizó el kit <strong>de</strong> aislamiento <strong>de</strong> DNA plasmídico<br />
“High pure plasmid isolation kit” (Roche) según las instrucciones <strong>de</strong>l fabricante. La<br />
elución se realizó con 10 μl <strong>de</strong> tampón <strong>de</strong> elución más 20 μl <strong>de</strong> H2O milliQ estéril.<br />
Una alícuota <strong>de</strong>l DNA plasmídico obtenido fue digerido con las enzimas <strong>de</strong><br />
restricción a<strong>de</strong>cuadas que cortaron el plásmido liberando el producto <strong>de</strong> PCR clonado.<br />
Los fragmentos originados en las digestiones se separaron mediante electroforesis en<br />
geles <strong>de</strong> agarosa y se observaron bajo luz ultravioleta (apartado 2.2.4). Los plásmidos<br />
que habían incorporado el inserto <strong>de</strong>l tamaño <strong>de</strong>seado se enviaron a secuenciar (Servicio<br />
<strong>de</strong> secuenciación <strong>de</strong>l CNIO, Madrid) para comprobar la i<strong>de</strong>ntidad <strong>de</strong>l producto clonado<br />
y los cultivos positivos elegidos se conservaron en 20% (v/v) glicerol estéril a -80 ºC.<br />
2.3 FRACCIONAMIENTO SUBCELULAR<br />
2.3.1 Aislamiento <strong>de</strong> cloroplastos, tilacoi<strong>de</strong>s y estroma a partir <strong>de</strong> suspensiones<br />
celulares y plantas <strong>de</strong> soja<br />
Los cultivos <strong>de</strong> suspensiones celulares <strong>de</strong> soja presentan una ten<strong>de</strong>ncia natural a<br />
agregarse lo que dificulta su manipulación, a lo que hay que añadir los problemas que<br />
presenta la ruptura <strong>de</strong> la pared celular <strong>de</strong> estas células. Las distintas fracciones celulares<br />
se obtuvieron a partir <strong>de</strong> 50 ml <strong>de</strong> cultivo <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> tres semanas <strong>de</strong> crecimiento,<br />
tiempo éste en el que los cultivos presentan un color ver<strong>de</strong> intenso.<br />
Las células se filtraron a través <strong>de</strong> papel Miracloth (Hoechst, Calbiochem) para<br />
eliminar el medio <strong>de</strong> cultivo y se resuspendieron en tampón B1. Este tampón se aña<strong>de</strong> a<br />
razón <strong>de</strong> 1´5 ml/g <strong>de</strong> células filtradas. La rotura <strong>de</strong> las células se llevó a cabo con un<br />
homogeneizador manual <strong>de</strong> teflón durante 10 min. Para evitar el calentamiento <strong>de</strong> la<br />
preparación, se interrumpió 1 min el proceso <strong>de</strong> rotura cada 2 min, manteniendo la<br />
muestra constantemente en hielo. El extracto celular se agitó durante 10 min a 4 ºC para<br />
favorecer la liberación <strong>de</strong> los cloroplastos retenidos entre los restos celulares.<br />
Posteriormente, el extracto se centrifugó a 300 x g durante 2 min, reservando el<br />
sobrenadante. El sedimento se resuspendió en tampón B1 y se centrifugó <strong>de</strong> nuevo en<br />
las mismas condiciones. Los dos sobrenadantes obtenidos anteriormente se mezclaron y<br />
se centrifugaron a 13000 x g durante 10 min. El sedimento obtenido contiene<br />
fundamentalmente cloroplastos. Este sedimento se resuspendió en tampón B2 con ayuda
Materiales y Métodos<br />
<strong>de</strong> un pincel, provocando la ruptura <strong>de</strong>l cloroplasto por choque osmótico. Los<br />
cloroplastos rotos fueron centrifugados a 13000 x g durante 10 min obteniendo como<br />
sedimento las membranas tilacoidales y como sobrenadante el estroma. Las membranas<br />
fueron resuspendidas en tampón B3 sacarosa y las fracciones <strong>de</strong>l estroma se<br />
concentraron en tubos Centripep-10 y Centricon-10 (Amicon).<br />
Se recogieron las hojas <strong>de</strong> las plantas <strong>de</strong> soja (60 g) <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> 28 días <strong>de</strong><br />
crecimiento, se lavaron con agua <strong>de</strong>sionizada y se cortaron en trozos pequeños. A<br />
continuación, los trozos se homogeneizaron con ayuda <strong>de</strong> una licuadora en tampón B1<br />
con un volumen <strong>de</strong> tampón en relación 1:2 (p/v). La mezcla se filtró a través <strong>de</strong> una<br />
capa <strong>de</strong> papel Miracloth (Calbiochem) y se centrifugó a 300 x g durante 2 min. Los<br />
pasos siguientes fueron los mismos que se han <strong>de</strong>scrito para las suspensiones celulares.<br />
Todos los pasos fueron realizados en cámara fría y bajo luz tenue. Tras su<br />
aislamiento, los cloroplastos, los tilacoi<strong>de</strong>s y el estroma se congelaron en N2 líquido y<br />
almacenaron a -80 ºC. Una vez <strong>de</strong>scongelados <strong>de</strong>ben ser mantenidos a 4 ºC durante su<br />
utilización.<br />
Tampón B1 células: 400 mM NaCl, 2 mM MgCl2, 20 mM Tricina (pH=8), 0´2% (p/v)<br />
Sacarosa.<br />
Tampón B1 plantas: 400 mM NaCl, 2 mM MgCl2, 40 mM Ascorbato, 20 mM Tricina<br />
(pH=8), 0´2% (p/v) BSA.<br />
Tampón B2: 150 mM NaCl, 5 mM MgCl2, 20 mM Tricina (pH=8).<br />
Tampón B3 sacarosa: 15 mM NaCl, 5 mM MgCl2, 50 mM MES (pH=6), 400 mM<br />
Sacarosa.<br />
Todos los tampones llevaban los inhibidores <strong>de</strong> proteasas Pefabloc (100 µg/ml),<br />
antipaína (1 µg/ml) y leupeptina (1 µg/ml).<br />
2.3.2 Aislamiento <strong>de</strong> cloroplastos intactos a partir <strong>de</strong> suspensiones celulares y<br />
plantas <strong>de</strong> soja<br />
La obtención <strong>de</strong> cloroplastos intactos se realizó según el método <strong>de</strong>scrito por van<br />
Wijk y col. (1995) modificado según Andreasson y col. (1988), adaptado tanto a<br />
suspensiones celulares como a plantas <strong>de</strong> soja.<br />
Las hojas <strong>de</strong> soja (60 g), troceadas y lavadas con agua <strong>de</strong>sionizada, se<br />
homogenizaron en un homogenizador tipo politrón en presencia <strong>de</strong> tampón A y, tras<br />
66
67<br />
Materiales y Métodos<br />
filtrar el homogenizado por dos capas <strong>de</strong> papel Miracloth (Hoechst, Calbiochem), se<br />
agitó suavemente durante 10 min a 4 ºC para favorecer la liberación <strong>de</strong> los cloroplastos<br />
retenidos entre los restos celulares. Posteriormente, el extracto se centrifugó a 300 x g<br />
durante 2 min, reservando el sobrenadante. En el caso <strong>de</strong> las suspensiones celulares (6<br />
g), la homogenización se realizó con un homogenizador <strong>de</strong> teflón en presencia <strong>de</strong><br />
tampón A, tal y como se ha <strong>de</strong>scrito anteriormente (apartado 2.3.1). Posteriormente, el<br />
lisado se centrifugó a 300 x g durante 1 min.<br />
El sobrenadante obtenido en ambas muestras (plantas y suspensiones celulares)<br />
se centrifugó a 1000 x g durante 2 min. Se reservó el sedimento y el sobrenadante se<br />
volvió a centrifugar a 2000 x g durante 5 min. De esta forma, se obtienen en el<br />
sedimento fundamentalmente los cloroplastos. Este sedimento se resuspendió en el<br />
menor volumen posible (100 μl) <strong>de</strong> tampón B con ayuda <strong>de</strong> un pincel y se cargó<br />
cuidadosamente sobre un colchón <strong>de</strong> percoll al 35% (p/v) preparado en tampón B. La<br />
muestra se centrifugó a 5000 x g durante 10 min en un rotor basculante. Tras la<br />
centrifugación se observó una banda ver<strong>de</strong> intensa <strong>de</strong> cloroplastos intactos, situada<br />
aproximadamente a 1 cm <strong>de</strong> la superficie <strong>de</strong>l líquido (Fig. 2-5), que recogimos<br />
cuidadosamente con una pipeta <strong>de</strong> boca ancha. Finalmente, los cloroplastos intactos se<br />
lavaron con tampón B centrifugando a 1300 x g durante 5 min para eliminar posibles<br />
restos <strong>de</strong> percoll, y se resuspendieron suavemente con ayuda <strong>de</strong> un pincel en tampón C.<br />
Los cloroplastos se conservaron en presencia <strong>de</strong> los inhibidores <strong>de</strong> proteasas Pefabloc<br />
(100 µg/ml), antipaína (1 µg/ml) y leupeptina (1 µg/ml).<br />
Tampón A: 330 mM Sorbitol, 5 mM Ascorbato, 2 mM EDTA, 20 mM NaCl, 1 mM<br />
MgCl2, 1 mM MnCl2, 0´5 mM KH2PO4, 5 mM MES-KOH (pH=6´1).<br />
Tampón B: 330 mM Sorbitol, 5 mM Ascorbato, 2 mM EDTA, 20 mM NaCl, 1 mM<br />
MgCl2, 1 mM MnCl2, 50 mM HEPES-KOH (pH=7´6).<br />
Tampón C: 330 mM Sorbitol, 5 mM MgCl2, 50 mM HEPES-KOH (pH=7´6).<br />
Todos los tampones llevaban los inhibidores <strong>de</strong> proteasas Pefabloc (100 µg/ml),<br />
antipaína (1 µg/ml) y leupeptina (1 µg/ml).
Materiales y Métodos<br />
Figura 2-5: Aislamiento <strong>de</strong> cloroplastos intactos mediante centrifugación en<br />
percoll. La flecha indica la banda que forman los cloroplastos intactos.<br />
2.3.3 Aislamiento <strong>de</strong> estroma y tilacoi<strong>de</strong>s a partir <strong>de</strong> cloroplastos intactos <strong>de</strong><br />
suspensiones celulares y plantas <strong>de</strong> soja<br />
Los cloroplastos intactos aislados a partir <strong>de</strong> suspensiones celulares y hojas <strong>de</strong><br />
soja, tal y como se ha <strong>de</strong>scrito en el apartado 2.3.2, fueron utilizados para aislar<br />
tilacoi<strong>de</strong>s y estroma. Los cloroplastos intactos fueron recogidos mediante centrifugación<br />
y resuspendidos en 5 ml <strong>de</strong> tampón D con ayuda <strong>de</strong> un pincel, provocando la ruptura <strong>de</strong>l<br />
cloroplasto por choque osmótico. Los cloroplastos rotos fueron centrifugados a 13000 x<br />
g durante 10 min, obteniendo como sedimento las membranas tilacoidales y como<br />
sobrenadante el estroma. Las membranas fueron resuspendidas en medio B3 sacarosa<br />
(300 μl) y las fracciones <strong>de</strong>l estroma se concentraron hasta 100 μl en tubos Centripep-10<br />
y Centricon-10 (Amicon), como se <strong>de</strong>scribe en el apartado 2.3.1. Tanto los tilacoi<strong>de</strong>s<br />
como el estroma aislados se conservaron en presencia <strong>de</strong> los inhibidores <strong>de</strong> proteasas<br />
Pefabloc (100 µg/ml), antipaína (1 µg/ml) y leupeptina (1 µg/ml).<br />
Tampón D: 5 mM MgCl2, 50 mM HEPES-KOH (pH=7´6).<br />
Tampón B3 sacarosa: 15 mM NaCl, 5 mM MgCl2, 50 mM MES pH=6´0, 400 mM<br />
Sacarosa.<br />
Todos los tampones llevaban los inhibidores <strong>de</strong> proteasas Pefabloc (100 µg/ml),<br />
antipaína (1 µg/ml) y leupeptina (1 µg/ml).<br />
68
2.4 TÉCNICAS BIOQUÍMICAS<br />
2.4.1 Extracción <strong>de</strong> clorofila<br />
69<br />
Materiales y Métodos<br />
Se tomaron 200 μl <strong>de</strong> muestra (tilacoi<strong>de</strong>s) y se añadieron 800 μl <strong>de</strong> acetona pura.<br />
A continuación, la muestra fue sonicada durante 2 min en un baño <strong>de</strong> ultrasonidos y se<br />
centrifugó a 15500 x g durante 5 min. Se recogió el sobrenadante y se midió la<br />
absorbancia a 645, 663 y 750 nm. Para el cálculo <strong>de</strong> la concentración (mg/l) <strong>de</strong> clorofila<br />
total (ChlT), clorofila a (Chla) y clorofila b (Chlb), se utilizaron las siguientes<br />
ecuaciones:<br />
[Chl]T = 20´2 . A645 + 8´02 . A663<br />
[Chl]a = 12´7 . A663 – 2´69 . A645<br />
[Chl]b = 22´9 . A645 – 4´68 . A663<br />
2.4.2 Electroforesis SDS-PAGE <strong>de</strong> proteínas<br />
La electroforesis en gel <strong>de</strong> poliacrilamida (PAGE) se llevó a cabo según el<br />
protocolo <strong>de</strong> Laemmli (1970), en presencia <strong>de</strong>l <strong>de</strong>tergente do<strong>de</strong>cil sulfato <strong>de</strong> sodio<br />
(SDS) y urea como agente <strong>de</strong>snaturalizante. El equipo <strong>de</strong> electroforesis utilizado fue el<br />
Miniprotean III (BioRad). Gracias a la unión <strong>de</strong>l <strong>de</strong>tergente y al pH ligeramente básico<br />
<strong>de</strong>l tampón <strong>de</strong> electroforesis, se consigue que todas las proteínas migren hacia el ánodo<br />
al someterlas a un campo eléctrico. El agente reductor, β-mercaptoetanol, presente en el<br />
tampón <strong>de</strong> carga, rompe los puentes disulfuro <strong>de</strong> las proteínas favoreciendo su<br />
<strong>de</strong>snaturalización.<br />
Este tipo <strong>de</strong> electroforesis se llevó a cabo en un gel compuesto por dos fases: un<br />
gel superior o concentrador y un gel inferior o separador. El primero lleva una<br />
concentración <strong>de</strong> acrilamida menor y un pH <strong>de</strong> 6´8. El segundo es <strong>de</strong> una concentración<br />
<strong>de</strong> acrilamida superior y un pH <strong>de</strong> 8´8. Esta diferencia <strong>de</strong> pH entre los dos geles genera<br />
un gradiente <strong>de</strong> voltaje que provoca una aceleración <strong>de</strong> las proteínas y el consiguiente<br />
apilamiento <strong>de</strong> éstas en el frente electroforético. Ello tiene un efecto concentrador, que<br />
llega a su máximo justo antes <strong>de</strong> entrar en el gel inferior, obteniéndose así la máxima<br />
resolución.<br />
En este trabajo, se utilizaron dos tipos <strong>de</strong> geles separadores: geles <strong>de</strong>l 12% (p/v)<br />
y <strong>de</strong>l 15% (p/v) <strong>de</strong> acrilamida. La conveniencia <strong>de</strong> estos dos tipos <strong>de</strong> geles <strong>de</strong>pendió <strong>de</strong>l
Materiales y Métodos<br />
peso molecular <strong>de</strong> las proteínas a analizar. Los geles separadores se prepararon con la<br />
siguiente composición:<br />
Gel separador (5 ml) 12% (p/v) 15% (p/v)<br />
Urea 1´2 g 1´2 g<br />
Tris-HCl 1´5 M (pH=8´8) 1´25 ml 1´25 ml<br />
SDS 10% (p/v) 50 μl 50 μl<br />
Acrilamida/Bisacrilamida 40% (p/v) 1´5 ml 1´87 ml<br />
H2O miliQ 1´75 ml 1´25 ml<br />
APS 10% (p/v) 25 μl 25 μl<br />
TEMED 2´5 μl 2´5 μl<br />
Debido al carácter higroscópico <strong>de</strong> la urea, hay que tener la precaución <strong>de</strong><br />
disolver la misma sin añadir el H2O y una vez disuelta ajustar el volumen a 5 ml con<br />
H2O. Una vez ajustado el volumen, añadimos el TEMED y el APS preparado en el<br />
momento. El mol<strong>de</strong> se rellenó con gel separador hasta un nivel <strong>de</strong> aproximadamente 1<br />
cm por <strong>de</strong>bajo <strong>de</strong>l peine. A continuación, se añadió alcohol isopropílico hasta el bor<strong>de</strong><br />
<strong>de</strong>l mol<strong>de</strong> lo que evita la <strong>de</strong>shidratación <strong>de</strong>l gel y favorece la formación <strong>de</strong> un frente<br />
uniforme. El gel se <strong>de</strong>jó polimerizar durante 45 min.<br />
Una vez polimerizado el gel separador, se retiró el alcohol lavando con H2O<br />
milliQ y se añadió el gel concentrador que se preparó con la siguiente composición:<br />
Gel concentrador 4% (p/v)<br />
Tris-HCl 0´5 M (pH=6´8) 625 μl<br />
SDS 10% (p/v) 25 μl<br />
Acrilamida/Bisacrilamida 40% (p/v) 244 μl<br />
H2O miliQ 1´61 ml<br />
APS 10% (p/v) 25 μl<br />
TEMED 5 μl<br />
Tras añadir el gel concentrador sobre el gel separador se colocó el peine y se<br />
<strong>de</strong>jó polimerizar durante 30 min.<br />
70
71<br />
Materiales y Métodos<br />
Una vez que los geles estuvieron completamente polimerizados, se retiraron los<br />
peines, se lavaron los pocillos con H2O milliQ para eliminar posibles restos <strong>de</strong><br />
acrilamida/bisacrilamida y se colocaron en la cubeta <strong>de</strong> electroforesis vertical en<br />
presencia <strong>de</strong>l tampón <strong>de</strong> electroforesis. Antes <strong>de</strong> ser cargadas en los pocillos con una<br />
micropipeta, las muestras fueron <strong>de</strong>snaturalizadas. La <strong>de</strong>snaturalización <strong>de</strong> las muestras<br />
<strong>de</strong> origen bacteriano se realizó hirviendo durante 5 min con el tampón <strong>de</strong><br />
<strong>de</strong>snaturalización. Sin embargo, la <strong>de</strong>snaturalización <strong>de</strong> las muestras <strong>de</strong> origen vegetal<br />
se realizó a temperatura ambiente y en oscuridad durante 1 h con el tampón <strong>de</strong><br />
<strong>de</strong>snaturalización. Este método <strong>de</strong> <strong>de</strong>snaturalización supone una alternativa válida a la<br />
<strong>de</strong>snaturalización térmica en el caso <strong>de</strong> proteínas <strong>de</strong>l cloroplasto, ya que la<br />
<strong>de</strong>snaturalización térmica suele resultar en agregados proteicos <strong>de</strong> alto peso molecular,<br />
dificultando la separación y, por lo tanto, la i<strong>de</strong>ntificación <strong>de</strong> las proteínas <strong>de</strong> interés.<br />
A<strong>de</strong>más <strong>de</strong> las muestras, se cargó en el mismo gel un patrón con proteínas <strong>de</strong> pesos<br />
moleculares conocidos entre 12 y 110 kDa, aproximadamente (Low-range prestained<br />
SDS-PAGE standars, BioRad). La electroforesis se <strong>de</strong>sarrolló a un voltaje constante <strong>de</strong><br />
100-200 V, hasta que el frente <strong>de</strong> colorante alcanzó el final <strong>de</strong>l gel (alre<strong>de</strong>dor <strong>de</strong> 2-3 h).<br />
Finalizada la electroforesis, el gel se retiró <strong>de</strong>l mol<strong>de</strong> y se tiñó durante 1-24 h<br />
con la disolución <strong>de</strong> teñido, tras lo cual se <strong>de</strong>coloró con la disolución <strong>de</strong> <strong>de</strong>steñido hasta<br />
que el fondo quedó claro y las bandas proteicas fueron apreciables. Por último, el gel se<br />
conservó en agua milliQ.<br />
Tampón <strong>de</strong> electroforesis: 15 g/l Tris-HCl (pH=8´3), 72 g/l Glicina, 5 g/l SDS.<br />
Tampón <strong>de</strong> <strong>de</strong>snaturalización × 4: 62 mM Tris-HCl (pH=6´8), 2´3% (p/v) SDS, 10%<br />
Glicerol, 5% β-mercaptoetanol, 0´02% Azul <strong>de</strong> bromofenol.<br />
Disolución <strong>de</strong> teñido: 0´25 g Azul <strong>de</strong> Coomassie, 450 ml Metanol, 60 ml Ácido acético,<br />
490 ml Agua <strong>de</strong>sionizada.<br />
Disolución <strong>de</strong> <strong>de</strong>steñido: 250 ml Metanol, 750 ml Ácido acético, 1500 ml Agua<br />
<strong>de</strong>sionizada.<br />
2.4.3 Ensayo <strong>de</strong> actividad SOD<br />
La actividad SOD ha sido <strong>de</strong>tectada por tinción selectiva según el método<br />
<strong>de</strong>scrito por Beuchamp y Fridovich (1971), basado en la inhibición <strong>de</strong> la reducción<br />
fotoquímica <strong>de</strong>l azul <strong>de</strong> nitrotetrazolio (NBT) <strong>de</strong>bido a los radicales superóxido (O2 - )
Materiales y Métodos<br />
generados por la acción <strong>de</strong> la luz sobre una disolución <strong>de</strong> riboflavina y TEMED. La<br />
electroforesis PAGE se llevó a cabo según el protocolo <strong>de</strong> Laemmli (1970), en ausencia<br />
<strong>de</strong> agentes <strong>de</strong>snaturalizantes como el SDS y la urea. El equipo <strong>de</strong> electroforesis<br />
utilizado fue el Miniprotean III (BioRad).<br />
El gel nativo separador <strong>de</strong>l 15% (p/v) <strong>de</strong> acrilamida se preparó con la siguiente<br />
composición:<br />
Gel separador (10 ml / 2 geles) 15% (p/v)<br />
Tris-HCl 1´5 M (pH=8´8) 2´5 ml<br />
Acrilamida/Bisacrilamida 40% (p/v) 3´75 ml<br />
H2O miliQ 3´75 ml<br />
APS 10% (p/v) 50 μl<br />
TEMED 9 μl<br />
Una vez ajustado el volumen, añadimos el TEMED y el APS preparado en el<br />
momento. El mol<strong>de</strong> se rellenó con gel separador hasta un nivel <strong>de</strong> aproximadamente 1<br />
cm por <strong>de</strong>bajo <strong>de</strong>l peine. A continuación, se añadió alcohol isopropílico hasta el bor<strong>de</strong><br />
<strong>de</strong>l mol<strong>de</strong> lo que evita la <strong>de</strong>shidratación <strong>de</strong>l gel y favorece la formación <strong>de</strong> un frente<br />
uniforme. El gel se <strong>de</strong>jó polimerizar durante 45 min.<br />
Una vez polimerizado el gel separador, se retiró el alcohol lavando con H2O<br />
milliQ y se añadió el gel nativo concentrador que se preparó con la siguiente<br />
composición:<br />
Gel concentrador (5 ml) 4% (p/v)<br />
Tris-HCl 0´5 M (pH=6´8) 2´5 ml<br />
Acrilamida/Bisacrilamida 40% (p/v) 1´3 ml<br />
H2O miliQ 6´1 ml<br />
APS 10% (p/v) 50 μl<br />
TEMED 10 μl<br />
Tras añadir el gel concentrador sobre el gel separador, se colocó el peine y se<br />
<strong>de</strong>jó polimerizar durante 30 min.<br />
Una vez que los geles estuvieron completamente polimerizados, se retiraron los<br />
peines, se lavaron los pocillos con H2O milliQ para eliminar posibles restos <strong>de</strong><br />
acrilamida/bisacrilamida y se colocaron en la cubeta <strong>de</strong> electroforesis vertical en<br />
presencia <strong>de</strong>l tampón <strong>de</strong> electroforesis. Las muestras cargadas en este ensayo fueron<br />
72
73<br />
Materiales y Métodos<br />
estromas <strong>de</strong> suspensiones celulares y plantas <strong>de</strong> soja (20-30 μg). Antes <strong>de</strong> ser cargadas<br />
en los pocillos, se igualó la concentración <strong>de</strong> las muestras en base a proteína. La<br />
electroforesis se <strong>de</strong>sarrolló a un voltaje constante <strong>de</strong> 200 V durante 2´5 h a 4 ºC.<br />
Tampón <strong>de</strong> electroforesis x 5: 25 mM Tris-HCl (pH=8´3), 192 mM Glicina.<br />
Tampón <strong>de</strong> carga × 10: 0´25 mM Tris-HCl (pH=6´8), 50% (p/v) Glicerol, 0´02% (p/v)<br />
Azul <strong>de</strong> bromofenol.<br />
Finalizada la electroforesis, el gel se retira <strong>de</strong>l mol<strong>de</strong> y se empieza el revelado e<br />
i<strong>de</strong>ntificación <strong>de</strong> las isoenzimas <strong>de</strong> la SOD mediante el uso <strong>de</strong> inhibidores específicos<br />
(Tabla 2-3). Para ello se necesitan tres geles idénticos, cargados con las mismas<br />
muestras y a las mismas concentraciones. El primero será el gel control (Gel 1), el<br />
segundo se incubará con KCN (Gel 2) y el tercero se incubará con H2O2 (Gel 3).<br />
Isoenzima / Inhibidor H2O2 KCN<br />
CuZnSOD Se inhibe Se inhibe<br />
FeSOD Se inhibe No se inhibe<br />
MnSOD No se inhibe No se inhibe<br />
Tabla 2-3: Inhibición <strong>de</strong> la actividad SOD por H2O2 y KCN.<br />
Los geles se incubaron durante 1 h a temperatura ambiente en:<br />
Gel 1: Tampón A.<br />
Gel 2: 3 mM KCN en tampón A.<br />
Gel 3: 5 mM H2O2 en tampón A.<br />
A continuación, los tres geles fueron incubados durante 30 min a temperatura<br />
ambiente y en oscuridad con 0´48 mM NBT en tampón A. La siguiente incubación fue<br />
durante 30 min a temperatura ambiente y en oscuridad con 30 μM riboflavina y 0´02%<br />
(p/v) TEMED en tampón A. Después <strong>de</strong> estas incubaciones, se lavaron los geles durante<br />
5 min a temperatura ambiente y en oscuridad con tampón A. Por último, los geles<br />
fueron revelados exponiéndose a la luz durante 10 min.<br />
Tampón A: 50 mM KPi (pH=7´8).
Materiales y Métodos<br />
2.5 TÉCNICAS INMUNOQUÍMICAS<br />
2.5.1 Western Blot<br />
Una vez separadas las proteínas mediante electroforesis SDS-PAGE (apartado<br />
2.4.2), éstas se transfirieron a una membrana <strong>de</strong> nitrocelulosa (Trans-blot transfer<br />
medium, BioRad) para los métodos <strong>de</strong> revelado colorimétricos con la peroxidasa y la<br />
fosfatasa alcalina o a una membrana <strong>de</strong> PVDF (Pall Corporation) para el método <strong>de</strong><br />
revelado quimioluminiscente. La membrana <strong>de</strong> nitrocelulosa se activó sumergiéndose<br />
unos segundos en H2O milliQ antes <strong>de</strong> equilibrarse con el tampón <strong>de</strong> transferencia, la<br />
membrana <strong>de</strong> PVDF se activó <strong>de</strong> la misma manera pero se utilizó metanol en lugar <strong>de</strong><br />
H2O milliQ para su activación. Estas proteínas se <strong>de</strong>tectaron mediante anticuerpos<br />
específicos (Tabla 2-4). Para ello, tras <strong>de</strong>sarrollar la electroforesis, el gel sin teñir se<br />
dispuso junto a la membrana en el equipo <strong>de</strong> transferencia (Mini Trans-blot, BioRad).<br />
Tanto el gel como la membrana, previamente hidratada, se colocaron entre dos papeles<br />
Whatman y dos esponjas, todo ello empapado en tampón TBS. Los papeles Whatman y<br />
la membrana se recortaron con las dimensiones exactas <strong>de</strong>l gel para que la transferencia<br />
transcurriera eficientemente. La transferencia se llevó a cabo a un voltaje constante <strong>de</strong><br />
100 V durante 90 min en presencia <strong>de</strong>l tampón <strong>de</strong> transferencia.<br />
Una vez realizada la transferencia, la membrana se incubó con el anticuerpo<br />
específico para la proteína que se <strong>de</strong>seaba <strong>de</strong>tectar. Este anticuerpo, <strong>de</strong>nominado<br />
anticuerpo primario es reconocido a su vez por un anticuerpo secundario. El anticuerpo<br />
secundario se encuentra conjugado con una molécula que permite la <strong>de</strong>tección <strong>de</strong>l<br />
complejo formado por la proteína <strong>de</strong> interés. En nuestro caso se han utilizado dos tipos<br />
<strong>de</strong> anticuerpos secundarios; conjugados con peroxidasa y conjugados con fosfatasa<br />
alcalina biotinada (Tabla 2-4). El tipo <strong>de</strong> método <strong>de</strong> revelado realizado <strong>de</strong>pendió <strong>de</strong>l<br />
tipo <strong>de</strong> anticuerpo secundario utilizado y <strong>de</strong> la sensibilidad requerida. Para el anticuerpo<br />
secundario conjugado con peroxidasa se realizaron el método <strong>de</strong> revelado colorimétrico<br />
y el quimioluminiscente, siendo este segundo más sensible. Para el anticuerpo<br />
secundario conjugado con la fosfatasa alcalina biotinada se realizó el método <strong>de</strong><br />
revelado colorimétrico correspondiente. A continuación, se <strong>de</strong>tallan los protocolos<br />
seguidos para cada uno <strong>de</strong> estos revelados.<br />
Tampón <strong>de</strong> transferencia: 14´4 g/l Glicina, 3´03 g/l Tris-HCl, 200 ml Metanol.<br />
74
Método <strong>de</strong> revelado colorimétrico con la peroxidasa<br />
75<br />
Materiales y Métodos<br />
Tras la transferencia, se lavó la membrana con tampón TBS y se <strong>de</strong>jó incubando<br />
con agitación toda la noche a 4 ºC en tampón TBS conteniendo 5% <strong>de</strong> leche en polvo.<br />
Esta incubación permite que las proteínas <strong>de</strong> la leche bloqueen el resto <strong>de</strong> la membrana<br />
impidiendo que los anticuerpos se unan inespecíficamente a ella. Tras esta incubación,<br />
realizamos dos lavados <strong>de</strong> 10 min con TBS 0´1% leche en polvo. Tras los lavados, se<br />
añadió el anticuerpo primario en TBS con 0´1% <strong>de</strong> leche en la dilución apropiada.<br />
Incubamos con el anticuerpo primario durante 1 h a temperatura ambiente y retiramos el<br />
exceso lavando <strong>de</strong> nuevo dos veces con TBS 0´1% leche. Añadimos el anticuerpo<br />
secundario conjugado con la peroxidasa (Goat Anti-mouse IgG horseradish peroxidase<br />
conjugate, BioRad) diluido en TBS con 0´1% <strong>de</strong> leche en polvo. La membrana se<br />
incubó durante 1 h a temperatura ambiente. Retiramos el exceso <strong>de</strong> anticuerpo<br />
secundario lavando dos veces durante 10 min con TBS con 0´1% <strong>de</strong> leche en polvo y<br />
preparamos la mezcla <strong>de</strong> reacción <strong>de</strong> la peroxidasa (disolución A y disolución B). Las<br />
dos disoluciones se mezclaron rápidamente y se añadieron a la membrana. Las proteínas<br />
que reaccionaron con los anticuerpos se hicieron visibles al cabo <strong>de</strong> 5-10 min. Para<br />
<strong>de</strong>tener la reacción, se lavó la membrana con H2O milliQ. Tras secar la membrana, ésta<br />
fue escaneada utilizando un escáner mo<strong>de</strong>lo EPSON Perfection 2400 PHOTO. El<br />
análisis <strong>de</strong>nsitométrico se llevó a cabo utilizando el software Quantity One (BioRad).<br />
Una vez analizada, la membrana se guardó envuelta en papel <strong>de</strong> aluminio entre dos<br />
capas <strong>de</strong> papel <strong>de</strong> filtro para evitar la <strong>de</strong>coloración por la luz.<br />
TBS: 25 mM Tris-HCl (pH=7´5), 0´9% NaCl.<br />
Disolución A: 25 ml TBS, 50 μl H2O2.<br />
Disolución B: 15 mg Naftol, 5 ml Metanol.<br />
Método <strong>de</strong> revelado colorimétrico con la fosfatasa alcalina<br />
Para el revelado con la alcalínfosfatasa se utilizó el kit “Amplified Alcaline<br />
Phosphatase Goat Anti-rabbit Inmuno-blot Assay” <strong>de</strong> BioRad, siguiendo las<br />
instrucciones proporcionadas por el fabricante. La gran especificidad <strong>de</strong> la unión entre<br />
la biotina y la estreptavidina permite que se produzca una reducción <strong>de</strong>l ruido <strong>de</strong> fondo<br />
y un aumento <strong>de</strong> la sensibilidad <strong>de</strong> la <strong>de</strong>tección, pudiendo <strong>de</strong>tectarse con este método <strong>de</strong><br />
revelado hasta 10 pg <strong>de</strong> proteína en la membrana. Al igual que en el método anterior <strong>de</strong><br />
revelado, la membrana una vez transferida se lavó con TBS y se bloqueó durante toda la
Materiales y Métodos<br />
noche a 4 ºC con TBS 5% leche. A continuación, se lavó la membrana con TTBS (180<br />
ml TBS y 90 μl Tween 20) dos veces durante 10 min. Tras incubar con el anticuerpo<br />
primario durante 90 min y realizar dos lavados <strong>de</strong> 10 min con TTBS, la membrana se<br />
incubó con el anticuerpo secundario (Biotinylated Goat Anti-Rabbit IgG, BioRad)<br />
durante 60 min a temperatura ambiente. Durante esta incubación se preparó el complejo<br />
estreptavidina-fosfatasa alcalina. Tras la incubación con el anticuerpo secundario, la<br />
membrana se lavó dos veces con TTBS y se incubó durante 90 min con el complejo<br />
estreptavidina–fosfatasa alcalina que formamos previamente a temperatura ambiente.<br />
Tras realizar cuatro lavados con TTBS revelamos la membrana con las disoluciones <strong>de</strong><br />
NBT (azul <strong>de</strong> nitrotetrazolio) y BCIP (5-bromo-4-cloro-indolilfosfato) en<br />
dimetilformamida proporcionadas en el kit. Tras secar la membrana, ésta fue escaneada<br />
utilizando un escáner mo<strong>de</strong>lo EPSON perfection 2400 PHOTO.<br />
Método <strong>de</strong> revelado quimioluminiscente con la peroxidasa<br />
El método <strong>de</strong> revelado quimioluminiscente con la peroxidasa es más sensible<br />
que el método colorimétrico. Se utilizó el anticuerpo secundario conjugado con la<br />
peroxidasa (Anti-chicken IgG whole molecule peroxidase conjugate, Sigma-Aldrich). El<br />
procedimiento es similar al <strong>de</strong>scrito con el método <strong>de</strong> la fosfatasa alcalina hasta el paso<br />
<strong>de</strong> la incubación con el anticuerpo secundario. La <strong>de</strong>tección <strong>de</strong> bandas se realizó<br />
incubando con el reactivo Supersignal West Pico Chemiluminescent Substrate (Pierce)<br />
durante 5 min a temperatura ambiente, según las instrucciones <strong>de</strong>l fabricante.<br />
Posteriormente, la membrana se expuso en un cuarto oscuro a una película fotográfica<br />
(CL-XPosure Blue X-Ray Film, Pierce). El revelado <strong>de</strong> las películas se realizó en un<br />
baño <strong>de</strong> revelador T-Max Professional (Kodak, Rochester, EEUU) durante 4-5 min,<br />
seguido <strong>de</strong> un baño <strong>de</strong> paro (agua <strong>de</strong>stilada) y otro baño <strong>de</strong> fijador Polymax (Kodak)<br />
durante 2-3 min. Todas las películas se digitalizaron usando un escáner mo<strong>de</strong>lo EPSON<br />
Perfection 2400 PHOTO.<br />
76
2.5.2 Desarrollo <strong>de</strong> anticuerpos contra GmCCS y GmCuZnSOD<br />
77<br />
Materiales y Métodos<br />
El anticuerpo policlonal <strong>de</strong> conejo anti-GmCCS fue producido por Genosphere<br />
Biotechnologies (París) contra un péptido sintético <strong>de</strong> 15 aminoácidos,<br />
CVPEDFLISAAVSEF, diseñado a partir <strong>de</strong> la secuencia <strong>de</strong> la chaperona <strong>de</strong>positada en<br />
el Centro Nacional <strong>de</strong> Información Biotecnológica (NCBI;<br />
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/) con el código AF329816. Mediante análisis “western<br />
blot”, se comprobó la baja reactividad <strong>de</strong>l anticuerpo contra nuestra proteína<br />
recombinante purificada. Para mejorar la especificidad <strong>de</strong> este anticuerpo, se purificó<br />
por cromatografía <strong>de</strong> afinidad utilizando como antígeno el péptido sintético<br />
(Genosphere Biotechnologies, París). Para la elección <strong>de</strong> este péptido se tuvo en cuenta<br />
que el anticuerpo no reconociera a la enzima CuZnSOD ni a otras chaperonas <strong>de</strong> Cu <strong>de</strong><br />
plantas. Para ello, se realizó un alineamiento <strong>de</strong> la secuencia <strong>de</strong> GmCCS con las<br />
secuencias <strong>de</strong> estas otras proteínas. A<strong>de</strong>más, se prestó atención a que el péptido<br />
diseñado no formara parte <strong>de</strong> los dominios conservados <strong>de</strong> unión a metal, ni <strong>de</strong>l péptido<br />
señal <strong>de</strong> tránsito al cloroplasto que contiene la proteína GmCCS no madura.<br />
El anticuerpo policlonal <strong>de</strong> conejo anti-GmCuZnSOD fue producido por Sigma-<br />
Genosys (Reino Unido) contra un péptido sintético <strong>de</strong> 13 aminoácidos,<br />
EDDLGKGGHELSL, diseñado a partir <strong>de</strong> la secuencia <strong>de</strong>positada en el Instituto <strong>de</strong><br />
Investigación Genómica (TIGR; http://www.tigr.org/) con el código TC224966. Para la<br />
elección <strong>de</strong> este péptido, se realizó un alineamiento <strong>de</strong> la secuencia <strong>de</strong> GmCuZnSOD<br />
con las secuencias <strong>de</strong> GmCCS, GmFeSOD y GmMnSOD con el objetivo <strong>de</strong> que el<br />
anticuerpo producido no reconociese a ninguna <strong>de</strong> estas proteínas. A<strong>de</strong>más, se tuvo en<br />
cuenta que el péptido diseñado no formara parte <strong>de</strong> los dominios conservados <strong>de</strong> unión<br />
a metal, ni <strong>de</strong>l péptido señal <strong>de</strong> la enzima GmCuZnSOD. Este anticuerpo reconoce tanto<br />
a la isoenzima CuZnSOD cloroplástica (CSD2) como a la citosólica (CSD1) <strong>de</strong> plantas.
Materiales y Métodos<br />
Proteína (soja)<br />
MBP-His6-CCS<br />
MBP-His6<br />
CCS<br />
CuZnSOD<br />
CuZnSOD<br />
PsbA / D1<br />
RbcL<br />
Anticuerpo 1º<br />
Dilución<br />
Anti-His<br />
(GE Healthcare)<br />
1:3000<br />
Anti-GmCCS<br />
Ver apartado 2.5.2.<br />
1:100<br />
Anti-GmCuZnSOD<br />
Ver apartado 2.5.2.<br />
1:1000<br />
*Anti-CuZnSOD<br />
1:250<br />
Anti-PsbA<br />
(Agrisera)<br />
1:4000<br />
Anti-RbcL<br />
(Agrisera)<br />
1:20000<br />
78<br />
Anticuerpo 2º<br />
Dilución<br />
Anti-ratón<br />
1:1000<br />
Anti-conejo<br />
1:3000<br />
Anti-conejo<br />
1:3000<br />
Anti-conejo<br />
1:3000<br />
Anti-pollo<br />
1:20000<br />
Anti-pollo<br />
1:20000<br />
Revelado<br />
Peroxidasa<br />
Colorimétrico<br />
Fosfatasa alcalina<br />
Colorimétrico<br />
Fosfatasa alcalina<br />
Colorimétrico<br />
Fosfatasa alcalina<br />
Colorimétrico<br />
Peroxidasa<br />
Quimioluminiscente<br />
Peroxidasa<br />
Quimioluminiscente<br />
Tabla 2-4: Anticuerpos, diluciones y tipo <strong>de</strong> revelado utilizados para los análisis<br />
western. El anticuerpo primario *Anti-CuZnSOD fue producido contra la proteína<br />
entera <strong>de</strong> cebada y fue gentilmente donado por el profesor B. Sabater <strong>de</strong> la Universidad<br />
<strong>de</strong> Alcalá <strong>de</strong> Henares.<br />
2.6 OBTENCIÓN DE LA PROTEÍNA GmCCS RECOMBINANTE<br />
2.6.1 Clonación<br />
La secuencia <strong>de</strong>l gen <strong>de</strong> la chaperona GmCCS se encuentra <strong>de</strong>positada en la base<br />
<strong>de</strong> datos <strong>de</strong>l NCBI con el código AF329816. Su longitud es <strong>de</strong> 983 pb y codifica para<br />
una proteína <strong>de</strong> 328 aminoácidos con un peso molecular <strong>de</strong> 32687 Da y un punto<br />
isoeléctrico <strong>de</strong> 5´55.<br />
La obtención <strong>de</strong>l gen a clonar se realizó a partir <strong>de</strong> suspensiones celulares <strong>de</strong><br />
soja crecidas en medio KN 1 suplementado con 10 µM Cu, condición don<strong>de</strong> se obtiene<br />
una mayor expresión <strong>de</strong> este gen. Para ello, se ha extraído RNA (apartado 2.2.1),<br />
sintetizado cDNA y amplificado el ORF (marco <strong>de</strong> lectura abierto, “open reading<br />
frame”) completo con el péptido señal <strong>de</strong>l gen mediante RT-PCR (apartado 2.2.3)<br />
usando los cebadores específicos FW-CCS y RW-CCS (Tabla 2-1), los cuales<br />
introdujeron los sitios <strong>de</strong> restricción <strong>de</strong> las enzimas BamHI y XbaI en cada uno <strong>de</strong> los<br />
extremos <strong>de</strong>l gen GmCCS. Se confirmó la i<strong>de</strong>ntidad <strong>de</strong>l producto <strong>de</strong> PCR por<br />
secuenciación (Servicio <strong>de</strong> secuenciación <strong>de</strong>l CNIO, Madrid) como la secuencia <strong>de</strong>l gen
79<br />
Materiales y Métodos<br />
que codifica para la chaperona GmCCS con una mutación puntual conservativa en la<br />
posición I175V <strong>de</strong> la secuencia proteica, introducida acci<strong>de</strong>ntalmente por la Taq<br />
polimerasa en la PCR.<br />
Una vez obtenido el gen, se procedió a realizar su clonación. Para ello, se eligió<br />
una estrategia que requiere dos vectores diferentes: pGEM-T Easy (Promega) y<br />
pMALc2x modificado (Pryor y Leiting, 1997). El plásmido utilizado como vector <strong>de</strong><br />
expresión es un <strong>de</strong>rivado <strong>de</strong>l plásmido pMALc2x (New England BioLabs) modificado<br />
con la adición <strong>de</strong> una cola-His6 y la secuencia <strong>de</strong> bases que reconoce la proteasa<br />
trombina (Fig. 2-6). Se eligió este plásmido porque la MBP (“maltose binding protein”)<br />
confiere una mayor solubilidad a la CCS y, junto a la cola-His6, facilitaría la posterior<br />
purificación <strong>de</strong> esta proteína. De esta forma, se realizó primero una subclonación <strong>de</strong>l<br />
gen CCS en el vector pGEM-T Easy. A continuación, se aisló el plásmido pGEM-T<br />
Easy <strong>de</strong> las bacterias E. coli JM109 (apartado 2.2.5.5) y fue digerido con las enzimas<br />
BamHI y XbaI para extraer el gen <strong>de</strong> interés. Con estas mismas enzimas, se digirió el<br />
vector pMALc2x modif. y se ligó posteriormente al gen CCS (apartado 2.2.5.2). Se<br />
transformaron las bacterias E. coli competentes <strong>de</strong> la cepa DH5α (apartados 2.2.5.3 y<br />
2.2.5.4) con la mezcla <strong>de</strong> ligación y los transformantes se seleccionaron en placas <strong>de</strong><br />
LB-agar conteniendo 50 µg/ml <strong>de</strong> Ampicilina. La presencia <strong>de</strong>l inserto se comprobó<br />
mediante digestión con BamH1 y XbaI y se confirmó posteriormente por secuenciación<br />
(Servicio <strong>de</strong> secuenciación <strong>de</strong>l CNIO, Madrid). El clon positivo elegido se guardó a 4<br />
ºC para su uso continuado o con un 20% <strong>de</strong> glicerol estéril a -80 ºC para su<br />
conservación a largo plazo.
Materiales y Métodos<br />
A<br />
B<br />
Factor X a<br />
I E G R G H H H H H H L V P R G S<br />
MalE...ATC GAG GGA AGG GGA CAT CAC CAT CAC CAT CAC CTG GTG CCA CGC GGT AGT<br />
A M G E F G S S R V D L Q A S L<br />
GCC ATG GGA GAA TTC GGA TCC TCT AGA GTC GAC CTG CAG GCA AGC TTG…LacZ<br />
NcoI EcoRI BamHI XbaI SalI PstI HindIII<br />
Figura 2-6: Estrategia seguida para la clonación <strong>de</strong> GmCCS. (A) Sitios <strong>de</strong><br />
reconocimiento <strong>de</strong> las enzimas <strong>de</strong> restricción y la proteasa trombina en el plásmido<br />
pMALc2Xmodif. (B) La construcción <strong>de</strong> pMALc2Xmodif-CCS. El plásmido<br />
pMALc2Xmodif. fue digerido con BamHI y XbaI. El fragmento <strong>de</strong> DNA obtenido en la<br />
PCR fue digerido y ligado con este plásmido, obteniendo, así, el vector recombinante<br />
pMALc2Xmodif.-CCS.<br />
80<br />
Trombina
2.6.2 Inducción <strong>de</strong> la expresión en E. coli<br />
81<br />
Materiales y Métodos<br />
Se probaron diferentes condiciones <strong>de</strong> inducción <strong>de</strong> la expresión con el objetivo<br />
<strong>de</strong> obtener la mayor cantidad posible <strong>de</strong> proteína <strong>de</strong> fusión MBP-His6-GmCCS. Los<br />
parámetros modificados fueron: la temperatura <strong>de</strong> inducción, el tiempo <strong>de</strong> inducción, la<br />
concentración <strong>de</strong>l inductor <strong>de</strong> la expresión Isopropil-β-tio-D-galactopiranósido (IPTG)<br />
y las concentraciones <strong>de</strong> CuSO4 y ZnSO4. Se creció durante toda la noche una colonia<br />
<strong>de</strong> E. coli DH5α con el plásmido pMALc2x-GmCCS en su interior a 37 ºC y con<br />
agitación, en 4 ml <strong>de</strong> medio LB esterilizado previamente en el autoclave y<br />
suplementado con 100 µg/ml <strong>de</strong> Ampicilina esterilizada previamente por filtración con<br />
filtros <strong>de</strong> 0´2 μm (Pall Corporation). A la mañana siguiente, se inocularon 5 ml <strong>de</strong> este<br />
cultivo previo a 500 ml <strong>de</strong> medio LB fresco (dilución 1:100) y se crecieron en<br />
esterilidad a 37 ºC con una agitación <strong>de</strong> 225 r.p.m. hasta que la D.O.600nm alcanzó 0´6<br />
unida<strong>de</strong>s, que coinci<strong>de</strong> con la fase exponencial <strong>de</strong> crecimiento <strong>de</strong> las células. En este<br />
momento, se añadió el inductor <strong>de</strong> la expresión 0´3 mM IPTG (Sigma), 0´5 mM CuSO4<br />
y 0´5 mM ZnSO4, los cuales fueron esterilizados previamente por filtración. Los<br />
metales Cu y Zn provocan un aumento notable <strong>de</strong> la expresión <strong>de</strong> la proteína <strong>de</strong> fusión.<br />
Se continuó incubando el cultivo a 37 ºC durante 3 h adicionales hasta que alcanzó una<br />
D.O.600nm <strong>de</strong> 1´2 unida<strong>de</strong>s, momento en el que las células se encuentran en la fase<br />
estacionaria <strong>de</strong> crecimiento. Las células se recogieron por centrifugación durante 5 min<br />
a 10000 x g en frío y se guardaron a – 20 ºC.<br />
2.6.3 Purificación<br />
Las bacterias E. coli DH5α con el plásmido pMALc2x-GmCCS en su interior,<br />
fueron <strong>de</strong>scongeladas y resuspendidas en 8 volúmenes (respecto al cultivo) <strong>de</strong> tampón<br />
A en presencia <strong>de</strong> los inhibidores <strong>de</strong> proteasas 1 mM fluoruro <strong>de</strong> fenilmetilsulfonilo<br />
(PMSF) (Sigma) y 1 mM Pefabloc (Fluka). A continuación, se lisaron por<br />
ultrasonicación (sonicador Ultrasonic Processor XL 2020 Misonix) en 6 ciclos <strong>de</strong> 1 min<br />
a una potencia <strong>de</strong>l 12% con intervalos <strong>de</strong> enfriamiento <strong>de</strong> 1 min en hielo para evitar la<br />
<strong>de</strong>snaturalización proteica. Para separar el extracto crudo que contiene la proteína <strong>de</strong><br />
fusión <strong>de</strong> las membranas celulares y células sin romper, se centrifugó durante 30 min a<br />
14500 x g a 4 ºC. Se analizaron tanto el sobrenadante como el sedimento mediante<br />
SDS-PAGE (apartado 2.4.2), para averiguar en qué fracción se encontraba la proteína<br />
<strong>de</strong> fusión. Al tratarse <strong>de</strong> una proteína soluble, se esperaba que se encontrara
Materiales y Métodos<br />
mayoritariamente en el sobrenadante, sin embargo, <strong>de</strong>tectamos la proteína <strong>de</strong> fusión en<br />
ambas partes, en forma soluble y en forma <strong>de</strong> cuerpos <strong>de</strong> inclusión. Se <strong>de</strong>cidió trabajar<br />
con el sobrenadante <strong>de</strong>bido a que la manipulación <strong>de</strong> la proteína soluble era más sencilla<br />
técnicamente.<br />
El sobrenadante (extracto crudo) se filtró con filtros <strong>de</strong> 0´45 μm <strong>de</strong> acetato <strong>de</strong><br />
celulosa (Cole-Parmer) y se cargó en una columna 1 x 5 ml Hitrap Ni 2+ -IMAC (GE<br />
Healthcare) previamente equilibrada con 7 veces su volumen <strong>de</strong> tampón A, a un flujo <strong>de</strong><br />
1 ml/min a 4 ºC. De esta forma, la proteína <strong>de</strong> fusión se retuvo en la columna a través <strong>de</strong><br />
la afinidad <strong>de</strong> su cola <strong>de</strong> His por el Ni 2+ , eliminando, así, la mayor parte <strong>de</strong>l resto <strong>de</strong> las<br />
proteínas presentes en el extracto celular. A continuación, la columna se lavó con 5<br />
veces su volumen <strong>de</strong> tampón A y, seguidamente, con otras 5 veces su volumen <strong>de</strong><br />
tampón B, para eluir las proteínas contaminantes que no se fijaron a la resina. La<br />
proteína <strong>de</strong> fusión se eluyó usando un gradiente lineal <strong>de</strong> 50-450 mM <strong>de</strong> imidazol en el<br />
mismo tampón. Todas las disoluciones utilizadas con la columna Hitrap Ni 2+ -IMAC<br />
fueron filtradas previamente. Se recogieron fracciones <strong>de</strong> 0´75 ml a un flujo <strong>de</strong> 0´5<br />
ml/min con ayuda <strong>de</strong> un colector automático y se analizaron mediante SDS-PAGE para<br />
i<strong>de</strong>ntificar todas aquellas fracciones ricas en la proteína <strong>de</strong> fusión MBP-His6-GmCCS.<br />
Las fracciones ricas en esta proteína se juntaron y dializaron frente al tampón C<br />
don<strong>de</strong> la proteasa trombina funciona óptimamente. Todas las diálisis se realizaron<br />
mediante dos cambios consecutivos en un volumen <strong>de</strong> 2 L cada uno a 4 ºC con<br />
membranas <strong>de</strong> diálisis (MWCO: 10000, Spectrum). La proteína <strong>de</strong> fusión se digirió con<br />
10 µg/ml <strong>de</strong> la proteasa trombina (GE Healthcare) a 22 ºC durante 22 h obteniendo<br />
como producto una mezcla <strong>de</strong> las proteínas GmCCS y MBP-His6.<br />
La muestra digerida se volvió a cargar en otra columna Hitrap Ni 2+ -IMAC. Para<br />
ello, se añadió a la digestión la cantidad <strong>de</strong> NaCl necesaria para igualar la concentración<br />
<strong>de</strong> esta sal a la <strong>de</strong>l tampón A y, por otro lado, se equilibró la columna con 7 veces su<br />
volumen <strong>de</strong> este tampón a un flujo <strong>de</strong> 1 ml/min a 4 ºC. A continuación, la columna se<br />
lavó con 10 veces su volumen <strong>de</strong> tampón A para eluir las proteínas no fijadas a la<br />
resina. La proteína GmCCS quedó retenida a la columna <strong>de</strong>bido al contenido <strong>de</strong> sus<br />
histidinas intrínsecas y se eluyó usando un gradiente lineal <strong>de</strong> 0-450 mM <strong>de</strong> imidazol en<br />
el mismo tampón. Se recogieron fracciones <strong>de</strong> 0´75 ml a un flujo <strong>de</strong> 0´5 ml/min y se<br />
analizaron mediante SDS-PAGE. En estas condiciones, GmCCS eluyó unas fracciones<br />
antes que la MBP-His6, lográndose, así, separar ambas proteínas <strong>de</strong> una manera eficaz.<br />
82
83<br />
Materiales y Métodos<br />
Finalmente, para conseguir una pureza aún superior <strong>de</strong> la proteína recombinante,<br />
las fracciones seleccionadas fueron dializadas frente al tampón D y se cargaron en una<br />
columna <strong>de</strong> intercambio aniónico débil Toyopearl TSK DEAE-650s (Tosoh)<br />
previamente equilibrada con 5 veces su volumen <strong>de</strong> tampón D con un flujo <strong>de</strong> 2 ml/min<br />
a 4 ºC. El volumen <strong>de</strong> resina utilizado en la columna <strong>de</strong>pendió <strong>de</strong>l volumen <strong>de</strong> muestra<br />
a cargar. A continuación, la columna se lavó con 5 veces su volumen <strong>de</strong> tampón D. La<br />
elución <strong>de</strong> la proteína se realizó mediante un gradiente lineal <strong>de</strong> pH <strong>de</strong>s<strong>de</strong> 7´5 a 4´5 en<br />
el mismo tampón a un flujo <strong>de</strong> 1 ml/min a 4 ºC. El análisis <strong>de</strong> la pureza <strong>de</strong> la suspensión<br />
<strong>de</strong> la proteína obtenida se realizó mediante SDS-PAGE.<br />
La concentración <strong>de</strong> proteína <strong>de</strong>l extracto crudo y <strong>de</strong> la solución proteica<br />
parcialmente purificada se midió según el método <strong>de</strong>scrito por Bradford (1976). La<br />
concentración <strong>de</strong> proteína pura se calculó utilizando el coeficiente <strong>de</strong> extinción molar<br />
ε280nm(M -1 cm -1 ) = 15470.<br />
Tampón A: 20 mM NaPi (pH=7´4), 500 mM NaCl.<br />
Tampón B: 20 mM NaPi (pH=7.4), 500 mM NaCl, 50 mM imidazol.<br />
Tampón C: 20 mM NaPi (pH=7), 140 mM NaCl.<br />
Tampón D: 20 mM Bis-Tris Propano (pH=7´5), 20 mM NaCl.<br />
Columna Hitrap Ni2+ -IMAC<br />
Gradiente 50-450 mM imidazol<br />
Digestión trombina<br />
22 h 22 ºC<br />
Columna Hitrap Ni2+ -IMAC<br />
Gradiente 0-450 mM imidazol<br />
Columna Toyopearl TSK DEAE-650S<br />
Gradiente pH 7.5-4.5<br />
Figura 2-7: Esquema <strong>de</strong> las etapas llevadas a cabo para purificar la proteína GmCCS<br />
recombinante.
Materiales y Métodos<br />
2.7 SERVICIOS<br />
2.7.1 Análisis MALDI-TOF<br />
El análisis MALDI-TOF (“matrix-assisted laser <strong>de</strong>sorption-time of flight”) fue<br />
utilizado para i<strong>de</strong>ntificar la proteína recombinante purificada. La metodología <strong>de</strong> este<br />
análisis se basa en una digestión tríptica seguida <strong>de</strong> un análisis <strong>de</strong> los péptidos<br />
resultantes por espectrometría <strong>de</strong> masas. La i<strong>de</strong>ntificación se llevó a cabo a través <strong>de</strong> la<br />
huella peptídica <strong>de</strong> la proteína sumada a la información <strong>de</strong> la secuencia <strong>de</strong> alguno <strong>de</strong> los<br />
péptidos. Para ello, mediante SDS-PAGE (apartado 2.4.2) en un gel <strong>de</strong>l 15% (p/v), se<br />
tiñó con Coomassie Brilliant Blue R-205 (Sigma) y se cortó manualmente la banda<br />
correspondiente <strong>de</strong> la proteína que interesaba analizar con la ayuda <strong>de</strong> un bisturí.<br />
Debido a la sensibilidad <strong>de</strong> este tipo <strong>de</strong> análisis, es importante evitar contaminaciones,<br />
por tanto, se <strong>de</strong>be trabajar con guantes y limpiar todo el instrumental con metanol. La<br />
banda <strong>de</strong>l gel cortada se guardó en un tubo eppendorf <strong>de</strong> 1,5 ml con una gota <strong>de</strong> H2O<br />
milliQ para evitar que se secara, y se envió para ser analizada en un equipo MALDI-<br />
TOF/TOF 4700 Proteomics Analyzer, Applied Biosystems (Servicio <strong>de</strong> la Plataforma<br />
<strong>de</strong> Proteómica, Parque Científico <strong>de</strong> Barcelona).<br />
2.7.2 Determinación <strong>de</strong> la secuencia N-terminal<br />
El extremo amino terminal <strong>de</strong> la proteína se secuenció mediante un método<br />
basado en la <strong>de</strong>gradación secuencial <strong>de</strong> Edman. La muestra <strong>de</strong> proteína se analizó<br />
usando un gel SDS-PAGE <strong>de</strong>l 15% (p/v) (apartado 2.4.2), el cual fue transferido a una<br />
membrana <strong>de</strong> PVDF (Pall Corporation). La membrana se tiñó con Coomassie Brilliant<br />
Blue R-205 (Sigma). La proteína transferida en la membrana se cortó con la ayuda <strong>de</strong><br />
un bisturí y se guardó a 4 ºC. El análisis se llevó a cabo en un secuenciador Perkin<br />
Elmer, Procise 494 (Servicio <strong>de</strong>l Centro <strong>de</strong> Investigaciones Biológicas, Madrid) y en un<br />
secuenciador Applied Biosystems Procise 492 (Servicio <strong>de</strong> Proteómica y<br />
Bioinformática <strong>de</strong> la Universidad Autónoma <strong>de</strong> Barcelona).<br />
84
2.7.3 ICP-MS<br />
85<br />
Materiales y Métodos<br />
La técnica <strong>de</strong> espectrometría <strong>de</strong> masas con plasma <strong>de</strong> acoplamiento inductivo<br />
(ICP-MS, “inductively coupled plasma mass spectrometry”), es una variante <strong>de</strong> las<br />
técnicas <strong>de</strong> análisis por espectrometría <strong>de</strong> masas. Las ventajas principales <strong>de</strong> esta<br />
técnica radican en la alta precisión, bajos límites <strong>de</strong> <strong>de</strong>tección y bajo coste económico,<br />
analizando la mayoría <strong>de</strong> los elementos e isótopos presentes en la tabla periódica <strong>de</strong><br />
manera simultánea en pocos min.<br />
Se analizó el contenido <strong>de</strong> los metales Cu y Zn en la muestra <strong>de</strong> la proteína<br />
recombinante GmCCS purificada. Para ello, la solución proteica fue dializada con H2O<br />
milliQ para eliminar los iones <strong>de</strong> Cu y Zn unidos inespecíficamente y a continuación se<br />
envió para ser analizada al Servicio Científico-Técnico <strong>de</strong> la Universidad <strong>de</strong> Barcelona.<br />
También se analizó el contenido <strong>de</strong> Cu <strong>de</strong> los siguientes tejidos <strong>de</strong> la planta: hoja<br />
joven (primer trifolio), hoja madura (tercer trifolio), tallo y raíz. Para ello, las muestras<br />
<strong>de</strong> estos tejidos vegetales fueron lavadas primero con 2 mM EDTA y seguidamente con<br />
agua <strong>de</strong>sionizada. A continuación, fueron secadas en una estufa durante 6 días a 60 ºC y<br />
una vez secas, fueron molidas con la ayuda <strong>de</strong> un molinillo <strong>de</strong> bolas hasta conseguir una<br />
textura <strong>de</strong> polvo fino. Las muestras molidas se enviaron para ser analizadas al Servicio<br />
<strong>de</strong> Ionómica <strong>de</strong>l CEBAS-<strong>CSIC</strong> <strong>de</strong> Murcia.<br />
2.8 TÉCNICAS ESPECTROSCÓPICAS<br />
La espectroscopia molecular pue<strong>de</strong> ser <strong>de</strong>finida como el estudio <strong>de</strong> la interacción<br />
<strong>de</strong> ondas electromagnéticas con la materia. Como consecuencia <strong>de</strong> esta interacción, la<br />
materia pue<strong>de</strong> absorber, emitir o dispersar radiación, modificando parámetros como el<br />
índice <strong>de</strong> refracción, los estados excitados, los estados redox, etc.<br />
Una <strong>de</strong> las principales aplicaciones que hemos realizado para las técnicas<br />
espectroscópicas fue la caracterización <strong>de</strong> la proteína recombinante pura GmCCS. Para<br />
ello, la solución proteica fue dializada y al mismo tiempo concentrada en el tampón <strong>de</strong><br />
trabajo correspondiente mediante tres diluciones 1:10 a 4 ºC con tubos Centripep-10 y<br />
Centricon-10 (Amicon). Para obtener Cu + se probó la utilización <strong>de</strong> Cu 2+ añadido como<br />
CuCl2 junto al reductor ascorbato, sin embargo, el ascorbato interfirió en las medidas <strong>de</strong><br />
fluorescencia y dicroísmo circular. Por tanto, se utilizó directamente Cu + comercial<br />
añadido como CuCl (Sigma-Aldrich) diluido en NH4Cl.
Materiales y Métodos<br />
2.8.1 Absorción UV-Vis<br />
La calidad <strong>de</strong> las membranas tilacoidales aisladas a partir <strong>de</strong> suspensiones<br />
celulares y plantas <strong>de</strong> soja (apartado 2.3) se comprobó realizando espectros en la región<br />
<strong>de</strong>l Vis, 350-750 nm, en don<strong>de</strong> la clorofila presenta varias bandas <strong>de</strong> absorción. Para<br />
ello, se diluyó 1 μl <strong>de</strong> muestra <strong>de</strong> tilacoi<strong>de</strong>s en 1 ml <strong>de</strong> tampón B3 sacarosa (apartado<br />
2.3) y se registró el espectro correspondiente en un espectrofotómetro <strong>de</strong> fotodiodos<br />
DU640 (Beckman Instruments, Fullerton, CA).<br />
La concentración <strong>de</strong> la proteína GmCCS recombinante pura se calculó utilizando<br />
el coeficiente <strong>de</strong> extinción molar ε280nm(M -1 cm -1 ) = 15470. Los aminoácidos aromáticos<br />
<strong>de</strong> la proteína absorben luz a esta longitud <strong>de</strong> onda. Esta proteína purificada fue<br />
caracterizada espectroscópicamente. Una <strong>de</strong> las técnicas utilizadas fue la absorción UV-<br />
Vis, para ello se realizaron titulaciones con concentraciones crecientes <strong>de</strong> los metales<br />
Cu + , Zn 2+ y Co 2+ . La titulación en el UV <strong>de</strong> GmCCS (3 μM) con Cu + añadido como<br />
CuCl diluido en NH4Cl, se llevó a cabo en tampón A y el cambio <strong>de</strong> absorbancia a 240<br />
nm fue registrado. La titulación en el UV-Vis <strong>de</strong> GmCCS (5 μM) con Zn 2+ (ZnCl2) se<br />
realizó en presencia <strong>de</strong> 10 μM <strong>de</strong>l indicador mag-fura-2 (Molecular Probes, Eugene,<br />
OR) en tampón B y el cambio <strong>de</strong> absorbancia a 322 nm fue registrado. Se realizaron<br />
espectros <strong>de</strong> absorción en el Vis añadiendo Co 2+ (CoCl2) a una suspensión <strong>de</strong> GmCCS<br />
en tampón B y se registró el cambio <strong>de</strong> absorbancia a 730 nm. Antes <strong>de</strong> las titulaciones,<br />
todas las disoluciones fueron incubadas varios minutos bajo una atmósfera <strong>de</strong> nitrógeno.<br />
Con los metales Zn 2+ y Cu + se utilizó como blanco la proteína junto con el tampón.<br />
Debido a que el Cu + fue el único metal que absorbió a la longitud <strong>de</strong> onda elegida, se<br />
registraron espectros sólo con Cu + a cada una <strong>de</strong> las concentraciones analizadas para ser<br />
sustraídos <strong>de</strong>l resto <strong>de</strong> espectros experimentales. Con el Co 2+ se utilizó como blanco el<br />
tampón. Los espectros se registraron a 25 ºC en un espectrofotómetro <strong>de</strong> fotodiodos<br />
DU640 (Beckman Instruments, Fullerton, CA). La Kd <strong>de</strong>l complejo metal-proteína se<br />
calculó a partir <strong>de</strong> las representaciones <strong>de</strong> dobles recíprocos.<br />
Tampón A: 20 mM NaPi (pH=7.0), 150 mM NaCl.<br />
Tampón B: 20 mM Hepes (pH=7.0), 150 mM NaCl, 10 mM ácido ascórbico.<br />
86
2.8.2 Fluorescencia<br />
87<br />
Materiales y Métodos<br />
Los fluoróforos <strong>de</strong> la ca<strong>de</strong>na peptídica <strong>de</strong> las proteínas son el triptófano y, en<br />
menor medida, la tirosina y la fenilalanina. Al irradiar la proteína a la longitud <strong>de</strong> onda<br />
a<strong>de</strong>cuada estos residuos absorben energía (se excitan), relajándose a continuación por<br />
diversos mecanismos, en particular por emisión <strong>de</strong> luz <strong>de</strong> menor frecuencia<br />
(fluorescencia). Esta diferencia entre la frecuencia <strong>de</strong> absorción y <strong>de</strong> emisión se<br />
<strong>de</strong>nomina “Stokes shift”. Algunos cofactores <strong>de</strong> las cromoproteínas también pue<strong>de</strong>n<br />
absorber luz y emitirla en forma <strong>de</strong> fluorescencia.<br />
La afinidad <strong>de</strong> la unión <strong>de</strong> Cu + a la proteína recombinante pura GmCCS (2 μM)<br />
se analizó también mediante fluorescencia. La titulación se llevó a cabo en tampón A<br />
(apartado 2.8.1). Antes <strong>de</strong> la titulación, las disoluciones <strong>de</strong> trabajo se incubaron varios<br />
min bajo una atmósfera <strong>de</strong> argón. Se midió la fluorescencia intrínseca <strong>de</strong>l triptófano<br />
excitando a 290 nm y registrando el espectro <strong>de</strong> 300 a 400 nm. Como blanco se utilizó<br />
el tampón. Los espectros <strong>de</strong> fluorescencia se obtuvieron a 25 ºC en un<br />
espectrofluorímetro Aminco-Bowman Series 2. Este trabajo se ha realizado en<br />
colaboración con la profesora Milagros Medina <strong>de</strong>l Departamento <strong>de</strong> Bioquímica y<br />
Biología Molecular y Celular <strong>de</strong> la Universidad <strong>de</strong> Zaragoza.<br />
2.8.3 Dicroísmo circular<br />
La técnica <strong>de</strong> dicroísmo circular (DC) mi<strong>de</strong> la diferencia entre la absorbancia <strong>de</strong><br />
luz polarizada circularmente a la izquierda y a la <strong>de</strong>recha. Cualquier región <strong>de</strong>l espectro<br />
don<strong>de</strong> la proteína o sus cofactores absorban luz pue<strong>de</strong> presentar, en principio, señal <strong>de</strong><br />
DC. En el UV-lejano se pue<strong>de</strong> observar la organización espacial <strong>de</strong> los enlaces<br />
peptídicos (los distintos elementos <strong>de</strong> estructura secundaria presentan espectros<br />
diferentes en la zona <strong>de</strong> 200 a 250 nm). En el UV-cercano se mi<strong>de</strong> la asimetría <strong>de</strong> los<br />
residuos aromáticos inducida por el entorno. Por último, en el Vis se pue<strong>de</strong>n observar<br />
los cambios en el entorno <strong>de</strong> los cofactores que absorban en esta zona <strong>de</strong>l espectro.<br />
Se midió el DC en el UV-lejano entre 190 y 250 nm, utilizando una cubeta <strong>de</strong><br />
0´1 cm a 25 ºC en un espectropolarímetro Chirascan (Applied Photophysics Ltd). Este<br />
trabajo se ha realizado en colaboración con la profesora Milagros Medina <strong>de</strong>l<br />
Departamento <strong>de</strong> Bioquímica y Biología Molecular y Celular <strong>de</strong> la Universidad <strong>de</strong><br />
Zaragoza. Para ello, se dializó la proteína recombinante pura GmCCS (14 μM) en<br />
tampón C. Las disoluciones utilizadas se incubaron durante varios min bajo una
Materiales y Métodos<br />
atmósfera <strong>de</strong> nitrógeno. Los espectros obtenidos con todos los componentes <strong>de</strong> la<br />
solución <strong>de</strong> medida excepto la proteína (tampón y metal) fueron sustraídos <strong>de</strong>l resto <strong>de</strong><br />
espectros experimentales. Los datos fueron analizados a través <strong>de</strong>l Servidor Dichroweb<br />
(http://www.cryst.bbk.ac.uk/cdweb/html/home.html) utilizando el algoritmo K2d<br />
(Whitmore y Wallace, 2004; 2008).<br />
Tampón C: 5 mM NaPi (pH=7.5).<br />
2.9 ANÁLISIS BIOINFORMÁTICO<br />
2.9.1 Análisis <strong>de</strong> secuencias<br />
El alineamiento <strong>de</strong> las secuencias, tanto <strong>de</strong> nucleótidos como <strong>de</strong> aminoácidos, se<br />
realizó utilizando el programa ClustalW (Thompson y col., 1994). El análisis <strong>de</strong><br />
homología <strong>de</strong> las secuencias <strong>de</strong> nucleótidos y aminoácidos se llevó a cabo utilizando el<br />
Servidor BLAST. La i<strong>de</strong>ntificación <strong>de</strong> los posibles intrones <strong>de</strong> las secuencias se llevó a<br />
cabo con el Servidor Web GenScan (Burge y Karlin, 1997).<br />
2.9.2 Mo<strong>de</strong>lado molecular<br />
La secuencia <strong>de</strong> aminoácidos <strong>de</strong> la chaperona GmCCS se comparó mediante el<br />
programa ClustalW con la secuencia CCS <strong>de</strong> otro organismo, cuya estructura está<br />
resuelta y <strong>de</strong>positada. La secuencia <strong>de</strong> la proteína CCS <strong>de</strong> levadura (1jk9_B.pdb; Lamb<br />
y col., 2001) con los aminoácidos 20-237, fue el mol<strong>de</strong> utilizado para <strong>de</strong>sarrollar el<br />
mo<strong>de</strong>lado por homología <strong>de</strong> la GmCCS. El mo<strong>de</strong>lado <strong>de</strong> la estructura <strong>de</strong> la proteína<br />
GmCCS se llevó a cabo a través <strong>de</strong>l programa Geno3D (http://geno3d-pbil.ibcp.fr;<br />
Combet y col., 2002). La estructura <strong>de</strong> la proteína se visualizó con el programa Swiss-<br />
PdbViewer (http://www.expasy.org/spdbv/).<br />
88
RESULTADOS
3 RESULTADOS<br />
3.1 REGULACIÓN TRANSCRIPCIONAL DE GmCCS<br />
91<br />
Resultados<br />
La proteína CCS (“copper chaperone for superoxi<strong>de</strong> dismutase”) es una<br />
chaperona que suministra Cu + a la enzima CuZnSOD aunque no se <strong>de</strong>scartan otras<br />
funciones. El material vegetal utilizado para estudiar la regulación <strong>de</strong> los genes GmCCS<br />
y GmCSD2 a nivel <strong>de</strong> mRNA fueron suspensiones celulares <strong>de</strong> soja crecidas en<br />
condiciones control (0´1 μM Cu) y suplementadas con 10 µM CuSO4 · 5 H2O durante<br />
una dilución o generación (apartado 2.1.3) y plantas <strong>de</strong> soja crecidas en condiciones<br />
control (0´1 μM Cu) y suplementadas con 10 µM CuSO4 · 5 H2O foliar o radicular en<br />
cultivo hidropónico (apartado 2.1.4). Fisiológicamente, estas suspensiones celulares y<br />
plantas <strong>de</strong> soja no presentaron síntomas visibles <strong>de</strong> toxicidad por efecto <strong>de</strong>l exceso <strong>de</strong><br />
Cu suministrado. En la Fig. 3-1 se muestran las suspensiones celulares y plantas <strong>de</strong> soja<br />
tipo utilizadas, las cuales presentan un fenotipo normal tanto en condiciones control<br />
como expuestas a un exceso <strong>de</strong> Cu. En la figura se muestran también los tejidos<br />
analizados <strong>de</strong> plantas <strong>de</strong> soja.<br />
3.1.1 Regulación por “splicing” alternativo<br />
En la RT-PCR que se muestra en la Fig. 3-2 se utilizaron los cebadores FW-SAC<br />
y RW-KPN (Tabla 2-1), los cuales amplifican al gen GmCCS sin el péptido <strong>de</strong> tránsito<br />
al cloroplasto, <strong>de</strong>nominado GmCCS´ en la tabla. En suspensiones celulares <strong>de</strong> soja, se<br />
obtuvieron tres bandas <strong>de</strong> diferente tamaño en condiciones control (0´1 μM Cu) y una<br />
banda en condiciones <strong>de</strong> exceso <strong>de</strong> Cu (10 μM Cu) con el tamaño esperado y que se<br />
induce fuertemente en respuesta al exceso <strong>de</strong> este metal (Fig. 3-2A). En planta entera <strong>de</strong><br />
soja, con estos mismos cebadores, se obtuvieron varias bandas <strong>de</strong> diferente tamaño en<br />
condiciones control (C) y tratamiento <strong>de</strong> Cu foliar (CuF), mientras que con el<br />
tratamiento <strong>de</strong> Cu radicular (CuR) se obtuvo una sola banda con el tamaño esperado y<br />
que se induce fuertemente en respuesta al exceso <strong>de</strong> Cu (Fig. 3-2C). Este patrón <strong>de</strong><br />
expresión, se repitió en todos los tejidos analizados <strong>de</strong> la planta: hoja joven (primer<br />
trifolio), hoja madura (tercer trifolio), tallo y raíz. Estos productos <strong>de</strong> PCR se clonaron y<br />
secuenciaron. Con las secuencias obtenidas se realizaron alineamientos con la secuencia<br />
<strong>de</strong>positada <strong>de</strong>l gen que codifica para la chaperona. En base a estos alineamientos y a los<br />
programas Blast y GenScan llegamos al siguiente resultado. En el caso <strong>de</strong> las
Resultados<br />
suspensiones celulares, i<strong>de</strong>ntificamos las tres bandas como CCS <strong>de</strong> soja. La banda<br />
inferior se correspon<strong>de</strong> con una secuencia <strong>de</strong> 762 pb, similar a la <strong>de</strong>positada (GmCCS).<br />
La banda intermedia correspon<strong>de</strong> a dos grupos <strong>de</strong> secuencias <strong>de</strong> 873 (NSP-GmCCS1) y<br />
895 pb (NSP-GmCCS2) con un intrón <strong>de</strong> 111 y 133 pb, respectivamente. La banda<br />
superior se correspon<strong>de</strong> con una secuencia <strong>de</strong> 1836 pb (NSP-GmCCS3) que contiene un<br />
intrón <strong>de</strong> 1074 pb (Fig. 3-3). La banda <strong>de</strong> unos 1650 pb observada principalmente en<br />
planta, no se clonó ni fue secuenciada. En la Tabla 3-1 se muestran las secuencias <strong>de</strong> los<br />
posibles péptidos resultantes <strong>de</strong> la traducción <strong>de</strong> cada uno <strong>de</strong> los transcritos. En todos<br />
los transcritos que contienen un intrón, se obtienen péptidos truncados, ya que la<br />
presencia <strong>de</strong>l intrón genera un codón <strong>de</strong> terminación que provoca la parada prematura<br />
<strong>de</strong> la traducción. En el caso <strong>de</strong> planta entera, se <strong>de</strong>tectaron los transcritos GmCCS, NSP-<br />
GmCCS2 y NSP-GmCCS3, similares a los transcritos i<strong>de</strong>ntificados en las suspensiones<br />
celulares, en todos los tejidos analizados <strong>de</strong> la planta: hoja joven, hoja madura, tallo,<br />
raíz y flor. A través <strong>de</strong> los cebadores diseñados en las secuencias intrónicas (Tabla 2-1)<br />
<strong>de</strong> NSP-GmCCS1 (2-19 FW), NSP-GmCCS2 (2-5 FW) y NSP-GmCCS3 (2-4 RW), se<br />
confirmaron los resultados obtenidos tanto en suspensiones celulares como en planta<br />
entera (Fig. 3-2). El transcrito más abundante en todos los casos fue GmCCS seguido<br />
<strong>de</strong>l NSP-GmCCS3 tanto en suspensiones celulares como en planta entera. En la Fig. 3-<br />
2C se observa que el perfil <strong>de</strong> expresión <strong>de</strong> la hoja joven es bastante parecido al perfil<br />
<strong>de</strong> la hoja madura, salvo que en condiciones control el transcrito NSP-GmCCS3 es<br />
ligeramente más abundante en hoja madura y en condiciones CuF es más abundante en<br />
hoja joven. En condiciones CuR el perfil es idéntico para ambos tejidos. En la Fig. 3-4<br />
se muestra la secuencia <strong>de</strong> nucleótidos correspondiente a cada uno <strong>de</strong> los exones e<br />
intrones obtenidos para el gen que codifica para la chaperona. Este patrón <strong>de</strong> expresión<br />
sugiere que el gen GmCCS está regulado por “splicing” alternativo <strong>de</strong> tipo retención <strong>de</strong><br />
intrón.<br />
En la Fig. 3-5A se muestra otra RT-PCR don<strong>de</strong> se utilizaron los cebadores FW-<br />
CCS y RW-CCS (Tabla 2-1). Estos cebadores amplifican el gen GmCCS <strong>de</strong> la misma<br />
forma que los cebadores anteriores (FW-SAC y RW-KPN) pero incluyendo el péptido<br />
<strong>de</strong> tránsito al cloroplasto. En este caso, el perfil <strong>de</strong> expresión se repite respecto al<br />
obtenido en la Fig. 3-2 con los cebadores anteriores, tanto en suspensiones celulares<br />
como en planta entera. Comparando el perfil <strong>de</strong> expresión es importante resaltar que: en<br />
las suspensiones celulares C hay una menor abundancia <strong>de</strong>l transcrito GmCCS que en<br />
hoja joven C, el transcrito NSP-GmCCS3 es ligeramente más abundante en hoja<br />
92
93<br />
Resultados<br />
respecto a las suspensiones celulares y el transcrito NSP-GmCCS2 es más abundante en<br />
suspensiones celulares que en hoja.<br />
Por otro lado, para comprobar que esta regulación por “splicing” alternativo no<br />
era fruto <strong>de</strong> una contaminación <strong>de</strong> DNA genómico en la muestra <strong>de</strong> RNA, se repitieron<br />
las PCRs utilizando como mol<strong>de</strong> el RNA extraído a partir <strong>de</strong> suspensiones celulares y<br />
<strong>de</strong> planta entera (Fig. 3-5B). Los cebadores utilizados fueron FW-SAC y 2-4RW, los<br />
cuales amplifican al gen NSP-GmCCS3. El resultado <strong>de</strong> esta amplificación fue que no se<br />
obtuvo ninguna banda, lo que confirmó la ausencia <strong>de</strong> contaminación por DNA<br />
genómico en las muestras <strong>de</strong> RNA, tal y como se esperaba, puesto que todas las<br />
muestras <strong>de</strong> RNA fueron purificadas tras su extracción.<br />
A<br />
B<br />
0´1 μM Cu (C) 10 μM Cu foliar (CuF) 10 μM Cu radicular (CuR)<br />
Hoja joven<br />
(1 er trifolio)<br />
0´1 μM Cu 10 μM Cu<br />
Hoja madura<br />
(3 er trifolio)<br />
Raíz Tallo Flor<br />
Figura 3-1: Material biológico vegetal utilizado para estudiar la regulación <strong>de</strong> los genes<br />
GmCCS y GmCSD2. (A) Suspensiones celulares <strong>de</strong> soja crecidas en condiciones control<br />
(0´1 μM Cu) y en exceso <strong>de</strong> Cu (10 μM Cu). (B) Plantas <strong>de</strong> soja crecidas en condiciones<br />
control (0´1 μM Cu) (C), suplementadas con 10 μM Cu foliar (CuF) y radicular (CuR).<br />
Los tejidos analizados se presentan en la parte inferior.
Resultados<br />
A<br />
pb<br />
2000<br />
1650<br />
1000<br />
850<br />
C<br />
650<br />
M B 1 2<br />
pb<br />
2000<br />
1650<br />
1000<br />
850<br />
650<br />
NSP-GmCCS3<br />
NSP-GmCCS2<br />
NSP-GmCCS1<br />
GmCCS<br />
NSP-GmCCS1<br />
NSP-GmCCS2<br />
NSP-GmCCS3<br />
Actina<br />
Figura 3-2: Análisis mediante RT-PCR <strong>de</strong> la expresión <strong>de</strong>l gen GmCCS en<br />
suspensiones celulares y plantas <strong>de</strong> soja. (A) B: blanco; 1: suspensiones celulares<br />
crecidas en condiciones control; 2: suspensiones celulares crecidas en condiciones <strong>de</strong><br />
exceso <strong>de</strong> Cu (10 μM). (B) 1: suspensiones celulares crecidas en condiciones control; 2:<br />
suspensiones celulares crecidas en condiciones <strong>de</strong> exceso <strong>de</strong> Cu (10 μM); 3:<br />
suspensiones celulares crecidas en condiciones <strong>de</strong> exceso <strong>de</strong> Zn (10 μM); 4:<br />
suspensiones celulares crecidas en condiciones <strong>de</strong> exceso <strong>de</strong> Cu y Zn (ambos 10 μM).<br />
(C) 1: hoja joven C; 2: hoja joven CuF; 3: hoja joven CuR; 4: hoja madura C; 5: hoja<br />
madura CuF; 6: hoja madura CuR; 7: raíz C; 8: raíz CuF; 9: raíz CuR; 10: tallo C; 11:<br />
tallo CuF; 12: tallo CuR; 13: flor C. M: Marcador 1.0 kb plus DNA.<br />
94<br />
B<br />
pb<br />
2000<br />
1650<br />
1000<br />
850<br />
650<br />
M 1 2 3 4<br />
M 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 M<br />
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13<br />
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13<br />
3 6 9 12<br />
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13<br />
Actina<br />
NSP-GmCCS3<br />
NSP-GmCCS2<br />
NSP-GmCCS1<br />
GmCCS<br />
Actina<br />
NSP-GmCCS3<br />
NSP-GmCCS2<br />
GmCCS<br />
NSP-GmCCS1<br />
NSP-GmCCS2<br />
NSP-GmCCS3
E1<br />
I 1<br />
E2<br />
FW-SAC 2-19 FW<br />
GmCCS<br />
I 2<br />
2-5 FW<br />
TRANSCRITOS (mRNAs)<br />
E1 E2 E 3 E 4<br />
NSP-GmCCS1<br />
E1 I 1 E2 E 3 E 4<br />
NSP-GmCCS2<br />
E1 E2 I 2 E 3 E 4<br />
NSP-GmCCS3<br />
762 pb<br />
873 pb<br />
895 pb<br />
Traducción<br />
I 3<br />
Pre mRNA<br />
E 3 I 3<br />
E 4<br />
2-4 RW<br />
95<br />
POSIBLES PÉPTIDOS<br />
E1 E2 E 3 E 4<br />
27 kDa<br />
2´1 kDa<br />
5´4 kDa<br />
Resultados<br />
1836 pb<br />
19´9 kDa<br />
2080 pb<br />
RW -KPN<br />
Figura 3-3: Esquema <strong>de</strong> los mRNAs <strong>de</strong> GmCCS i<strong>de</strong>ntificados en soja. Las cajas azules<br />
representan los exones, las cajas naranja, rosa y amarilla representan los intrones. Las<br />
líneas ver<strong>de</strong>s representan los posibles péptidos resultantes <strong>de</strong> la traducción <strong>de</strong> cada uno<br />
<strong>de</strong> los mensajeros. Los cebadores utilizados en la RT-PCR se indican con flechas negras<br />
que muestran su polaridad. NSP = no splicing.
Resultados<br />
ATGGACCACAAACTCTCTTCTCAGCCTGACGCTGTCTTGCCCGAGTTACTG<br />
GTCAGTTAGATAGATTCTCTCTCTCCCTCTCTCTCTTTTTGGCTCAGTTAAAT<br />
CTAATTCTTAGTTAGTTCCTTGTTGTCTGAATTTTATTTTATTTTTCCGATTTC<br />
AGACGGAGTTCATGGTGGACATGAAATGCGAAGGTTGTGTTAATGCTGTCA<br />
AAAATAAGTTGAACGAGATAAATGGTAAGTGTTCGCTGCTTTCAATATGAA<br />
TGAGTGGAATTGGATATATACAAATTAAATTAAATCAGTTCACAAATCGTG<br />
TGGTTTTAAGCATGCCATGGATTTCCGTCTTCATATTATGGTGGTTCTTGTTC<br />
AGGAGTTAAGAACGTAGAGGTGGACTTGAGCAATCAGGTTGTGAGGATTCT<br />
CGGTTCAACGCCGGTGAAGACTATGACTGAAGCTTTGGAGCAGACTGGTAG<br />
AAAAGCCCGGTTAATTGGACAAGGAGTGCCGGAAGACTTCTTAATATCTGC<br />
TGCTGTTTCCGAATTCAAAGGTCCAGATATTTTTGGTGTTGTTCGCCTGGCTC<br />
AAGTAAATATGGAACTGGCTAGGATTGAAGCCAACTTTAGCGGGCTGTCGC<br />
CAGGAAAGCATGGTTGGTCTATTAATGAGTTTGGTGATCTGACTAGAGGTG<br />
CAGCAAGCACTGGTAAAATGTTCAATCCGGTAAATGAGGAAAACAGTAAA<br />
GAGGTTTGCTTTTCCACATTCCTATCAAACTTCTGTTTTCCTGACTTGGTGTT<br />
AACATATTTCCTGTAGGTTTAATTACTCATTTGGTTCCTACACTTGCCCATAT<br />
TATGTGTTTTAGTCCGTATACCTTTAAACTCTATGTTTTAGTCCCAATGCAAG<br />
CAATTTTTTGTGTCAATCCCTGTCACCTGTTACCAAGTAACTCCATTAACTCT<br />
AGGTTCTCTAATGCGCAAATGACACAGAATTGGAAGCACCACAAAGGCAAT<br />
GAACTTAAATTTTGCGTGCACAACTGCAGAAATTCTAGCATTTACATGCTGT<br />
TCATGTGCAGTTTAGAAACTAGACTATAGAGTACTGTACTACGAAGGATAA<br />
ATGTCTAGTTTATAGAGACTAAATGCAACTTGAATAAGTGTAGCAACCAAG<br />
TGAACAATTAAACCTTTCCTTTAAGGATCGATGACTGGTATATATATTATTA<br />
CGAAACACTAAAACAGTTTGGATAGTGAATTATTTTTTTGGAATCATAAAGT<br />
GTATGGATGCATCATGATGGCTGACTGTTTTCCTCTCAAATGTTAGTTTGAC<br />
AGCTATTACCGAAATTTTAATTCTGCTACTGGGGGTTGAGTAGGTAGGAAG<br />
ATGCAGACACATGGAATACCTCAATTTCTTCGTCAAGCTACAAAATACCTTT<br />
AAAACCTCGTTTTTTTAATATTGAAAAGGGCCGAAAGGCCTACTTTTTAAAC<br />
CTCTTCTACCAATTGATGAATGCATTCTCTGCCCCCTTTGCCTCTACTGACAA<br />
ATGTTTTAATGCATAACATGCCTTAATAATATCATTAGATGGTCATTCCTCA<br />
TTCATTTACTTGCAGTCTATGTCCCTAGTCTGTTGTGCTCATGCCTTTTTGTTT<br />
TTATTGTTGAGTTCTGTTCTTACCGATATAGTAATGGTAATTTTTAGAAATCC<br />
TAAGTAAGTTTTTAGTCAAATATTTTAGTTATTGATTTGATTTATAAATAAA<br />
ATTAATTTCCAAAACAAATCAAAATTATTTTCAAATTTTAATGATTTCAAAC<br />
CCAATTTAACGAAGCCTGATTGATTGGATCTTCAGCCACTGGGCGACCTGGG<br />
AACACTAGAAGCTAACGAAAAGGGTGAGGCCTTCTATAGTGGGGTCAAAGA<br />
AAAGCTGAGGGTGGCTGATCTTATTGGACGATCTGTGGTGGTATATGCAACT<br />
GAAGATAAATCAGAACATGGTATAACTGCTGCAGTAATTGCCAGAAGTGCT<br />
GGGGTGGGTGAGAACTATAAGAAACTCTGTACGTGTGATGGCACCACCATA<br />
TGGGAGGCCACGGATACAGATTTTGTTACTAGCAAGGTCTGATAG<br />
Figura 3-4: Secuencia <strong>de</strong> nucleótidos correspondiente al pre-mRNA <strong>de</strong> GmCCS don<strong>de</strong><br />
se indican los exones en color negro y los intrones en color naranja (intrón 1), rosa<br />
(intrón 2) y amarillo (intrón 3). La secuencia <strong>de</strong> bases que traducida da lugar al péptido<br />
que reconoce el anticuerpo anti-GmCCS se encuentra subrayada.<br />
96
A<br />
pb<br />
2000<br />
1650<br />
1000<br />
850<br />
650<br />
M 1 2<br />
97<br />
Resultados<br />
Figura 3-5: Análisis mediante RT-PCR <strong>de</strong> la expresión <strong>de</strong>l gen GmCCS en<br />
suspensiones celulares y plantas <strong>de</strong> soja. (A) 1: suspensiones celulares crecidas en<br />
condiciones control; 2: hoja joven C. Los cebadores utilizados fueron FW-SAC y RW-<br />
KPN. (B) 1: RNA <strong>de</strong> suspensiones celulares crecidas en condiciones control; 2: RNA <strong>de</strong><br />
hoja joven C. Los cebadores utilizados fueron FW-SAC y 2-4RW. M: Marcador 1.0 kb<br />
plus DNA.<br />
3.1.2 Regulación por cobre<br />
En la Fig. 3-2A se observa una fuerte inducción <strong>de</strong> la expresión <strong>de</strong>l gen GmCCS<br />
en respuesta al exceso <strong>de</strong> Cu (10 μM), suplementado a las suspensiones celulares <strong>de</strong><br />
soja en la 1ª generación <strong>de</strong> crecimiento. Como consecuencia <strong>de</strong> esta fuerte inducción,<br />
aparentemente no se observa la presencia <strong>de</strong>l resto <strong>de</strong> mensajeros (NSP-GmCCS1, NSP-<br />
GmCCS2 y NSP-GmCCS3) encontrados en las suspensiones celulares crecidas en<br />
condiciones control. Sin embargo, utilizando cebadores diseñados a partir <strong>de</strong> la<br />
secuencia intrónica <strong>de</strong> cada uno <strong>de</strong> los transcritos <strong>de</strong>scritos, se confirmó la presencia <strong>de</strong><br />
los tres transcritos con intrón (NSP-GmCCS1, NSP-GmCCS2 y NSP-GmCCS3).<br />
En base a un estudio publicado en humano don<strong>de</strong> se <strong>de</strong>scribe que la chaperona<br />
CCS contiene dos átomos <strong>de</strong> Cu + y un átomo <strong>de</strong> Zn 2+ por proteína (Stasser y col., 2005),<br />
se propuso estudiar el efecto <strong>de</strong> estos metales (Cu y Zn) <strong>de</strong> forma individual y conjunta<br />
en la expresión <strong>de</strong>l gen GmCCS. Para ello, el medio <strong>de</strong> cultivo KN 1 <strong>de</strong> las suspensiones<br />
celulares <strong>de</strong> soja fue suplementado con concentraciones 10 μM <strong>de</strong> Cu 2+ y Zn 2+ ,<br />
individual y conjuntamente. El resultado se muestra en la Fig. 3-2B, don<strong>de</strong> se observa<br />
una fuerte inducción <strong>de</strong> la expresión <strong>de</strong> GmCCS en respuesta al exceso <strong>de</strong> Cu. Por el<br />
B<br />
pb<br />
2000<br />
1650<br />
1000<br />
850<br />
650<br />
M 1 2
Resultados<br />
contrario, no se observa ninguna respuesta frente al exceso <strong>de</strong> Zn, dando lugar a un<br />
perfil <strong>de</strong> expresión semejante al obtenido en condiciones control.<br />
En el caso <strong>de</strong> la planta entera <strong>de</strong> soja (Fig. 3-2C), se observa una inducción <strong>de</strong> la<br />
expresión <strong>de</strong>l transcrito GmCCS y una represión <strong>de</strong> la expresión <strong>de</strong>l transcrito NSP-<br />
GmCCS3 en respuesta al exceso <strong>de</strong> Cu (10 μM) en los tejidos <strong>de</strong> hoja joven, hoja<br />
madura y tallo, tratados con Cu radicular (CuR). Sin embargo, el perfil <strong>de</strong> expresión en<br />
estos tejidos tratados con Cu foliar (CuF) es muy similar a los <strong>de</strong> condiciones control<br />
(C). Es interesante observar que en el tratamiento radicular no se <strong>de</strong>tecta apenas<br />
inducción <strong>de</strong> la expresión <strong>de</strong> GmCCS en raíz siendo en este tejido la expresión <strong>de</strong>l gen<br />
alta en las tres condiciones <strong>de</strong> crecimiento analizadas (C, CuF y CuR). Esto se <strong>de</strong>be<br />
muy probablemente a que la raíz es un tejido que está en contacto directo con el medio<br />
hidropónico y almacena más cantidad <strong>de</strong> Cu que el resto <strong>de</strong> los tejidos. Esto se confirmó<br />
por ICP-MS, cuyos datos muestran un mayor contenido <strong>de</strong> Cu en los tejidos <strong>de</strong> las<br />
plantas tratadas CuR respecto a los tejidos C y CuF, excepto las raíces que tienen un<br />
alto contenido <strong>de</strong> Cu en las tres condiciones <strong>de</strong> cultivo (Fig. 3-6).<br />
Figura 3-6: Análisis por ICP-MS <strong>de</strong>l contendido <strong>de</strong> Cu en diferentes tejidos <strong>de</strong> la<br />
planta <strong>de</strong> soja. 1: hoja joven C; 2: hoja joven CuF; 3: hoja joven CuR; 4: hoja madura C;<br />
5: hoja madura CuF; 6: hoja madura CuR; 7: tallo C; 8: tallo CuF; 9: tallo CuR; 10: raíz<br />
C; 11: raíz CuF; 12: raíz CuR.<br />
98
3.2 REGULACIÓN TRANSCRIPCIONAL DE GmCSD2<br />
99<br />
Resultados<br />
La enzima CuZnSOD (cuprozinc superóxido dismutasa) constituye una <strong>de</strong>fensa<br />
<strong>de</strong> la célula frente a las especies reactivas <strong>de</strong> oxígeno. Para realizar su función necesita<br />
interaccionar previamente con la chaperona CCS que le suministra el Cu que necesita<br />
como cofactor. Se han <strong>de</strong>scrito tres isoformas <strong>de</strong> CuZnSOD codificadas por los genes<br />
CSD1 (citosólica), CSD2 (cloroplástica) y CSD3 (peroxisomal). Las dos isoenzimas<br />
mayoritarias en el tejido ver<strong>de</strong> son CSD1 y CSD2. Nuestro estudio se ha centrado en la<br />
isoenzima cloroplástica CSD2 <strong>de</strong> soja (GmCSD2). El material vegetal utilizado ha sido<br />
el mismo que se indica en el apartado 3.1 para el gen GmCCS (Fig. 3-1).<br />
3.2.1 Regulación por “splicing” alternativo<br />
En la RT-PCR que se muestra en la Fig. 3-7 se utilizaron los cebadores FW-<br />
SOD y 3´SOD1 (Tabla 2-1), los cuales están diseñados sobre las regiones UTR <strong>de</strong>l gen<br />
que codifica para la enzima CuZnSOD cloroplástica <strong>de</strong> soja (GmCSD2). En<br />
suspensiones celulares <strong>de</strong> soja, se obtuvieron dos bandas <strong>de</strong> tamaño parecido al<br />
esperado tanto en condiciones control (0´1 μM Cu) como en exceso <strong>de</strong> Cu (10 μM Cu).<br />
La banda inferior fue más abundante que la banda superior y se induce en respuesta al<br />
Cu (Fig. 3-7A). En planta entera y con estos mismos cebadores, se obtuvo una banda<br />
<strong>de</strong>l tamaño esperado en todas las condiciones <strong>de</strong> crecimiento (C, CuF y CuR) y tejidos<br />
(hoja joven, hoja madura, tallo, raíz y flor) analizados (Fig. 3-7C). Al contrario <strong>de</strong> lo<br />
que ocurría para GmCCS, el patrón <strong>de</strong> expresión <strong>de</strong> GmCSD2 en hoja joven es muy<br />
diferente al perfil en hoja madura. En la hoja joven C, el mensajero GmCSD2 es más<br />
abundante que en la hoja madura C y el efecto <strong>de</strong>l Cu también varía, como se explicará<br />
en el siguiente apartado. Estos productos <strong>de</strong> PCR se clonaron y secuenciaron. Con las<br />
secuencias obtenidas se realizaron alineamientos con la secuencia <strong>de</strong>positada para el<br />
gen GmCSD2. En base a estos alineamientos y a los programas Blast y GenScan,<br />
llegamos a los siguientes resultados. En las suspensiones celulares, i<strong>de</strong>ntificamos las<br />
dos bandas obtenidas como CuZnSOD cloroplástica <strong>de</strong> soja. La banda inferior<br />
correspon<strong>de</strong> con una secuencia <strong>de</strong> 791 pb (GmCSD2) similar a la <strong>de</strong>positada. La banda<br />
superior se correspon<strong>de</strong> con una secuencia <strong>de</strong> 891 pb (NSP-GmCSD2) y retiene un<br />
intrón <strong>de</strong> 100 pb. Al igual que antes, la presencia <strong>de</strong>l intrón provoca un cambio en el<br />
marco <strong>de</strong> lectura <strong>de</strong>l gen generando un codón <strong>de</strong> terminación prematuro lo que da lugar
Resultados<br />
a la traducción <strong>de</strong> un péptido truncado (Fig. 3-8). En la Tabla 3-1 se muestra la<br />
secuencia <strong>de</strong>l posible péptido resultante <strong>de</strong> la traducción <strong>de</strong>l transcrito NSP-GmCSD2.<br />
En el caso <strong>de</strong> la planta entera, se <strong>de</strong>tectaron los transcritos GmCSD2 y NSP-GmCSD2,<br />
similares a los transcritos i<strong>de</strong>ntificados en las suspensiones celulares, en todos los<br />
tejidos analizados <strong>de</strong> la planta: hoja joven, hoja madura, tallo, raíz y flor. A través <strong>de</strong>l<br />
cebador diseñado en la secuencia intrónica <strong>de</strong> NSP-GmCSD2 (3-SOD4) (Tabla 2-1), se<br />
confirmaron los resultados obtenidos tanto en suspensiones celulares como en planta <strong>de</strong><br />
soja (Fig. 3-7C). El transcrito GmCSD2 fue mayoritario respecto el transcrito NSP-<br />
GmCSD2 en todos los casos analizados en suspensiones celulares y en planta entera. En<br />
la Fig. 3-9 se muestra la secuencia <strong>de</strong> nucleótidos correspondiente a los exones y el<br />
intrón obtenidos para el gen que codifica para la enzima CuZnSOD cloroplástica <strong>de</strong><br />
soja. Este patrón <strong>de</strong> expresión, sugiere que el gen GmCSD2 está regulado por “splicing”<br />
alternativo <strong>de</strong> tipo retención <strong>de</strong> intrón.<br />
100
A<br />
B<br />
C<br />
pb<br />
1000<br />
850<br />
650<br />
pb<br />
1000<br />
850<br />
650<br />
pb<br />
1000<br />
850<br />
650<br />
M B 1 2<br />
M 1 2 3 4<br />
101<br />
NSP-GmCSD2<br />
GmCSD2<br />
NSP-GmCSD2<br />
Actina<br />
M 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13<br />
NSP-GmCSD2<br />
GmCSD2<br />
Actina<br />
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13<br />
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13<br />
NSP-GmCSD2<br />
GmCSD2<br />
Resultados<br />
NSP-GmCSD2<br />
Actina<br />
Figura 3-7: Análisis mediante RT-PCR <strong>de</strong> la expresión <strong>de</strong>l gen GmCSD2 en<br />
suspensiones celulares y plantas <strong>de</strong> soja. (A) B: blanco; 1: suspensiones celulares<br />
crecidas en condiciones control; 2: suspensiones celulares crecidas en condiciones <strong>de</strong><br />
exceso <strong>de</strong> Cu (10 μM). (B) 1: suspensiones celulares crecidas en condiciones control; 2:<br />
suspensiones celulares crecidas en condiciones <strong>de</strong> exceso <strong>de</strong> Cu (10 μM); 3:<br />
suspensiones celulares crecidas en condiciones <strong>de</strong> exceso <strong>de</strong> Zn (10 μM); 4:<br />
suspensiones celulares crecidas en condiciones <strong>de</strong> exceso <strong>de</strong> Cu y Zn (ambos 10 μM).<br />
(C) 1: hoja joven C; 2: hoja joven CuF; 3: hoja joven CuR; 4: hoja madura C; 5: hoja<br />
madura CuF; 6: hoja madura CuR; 7: raíz C; 8: raíz CuF; 9: raíz CuR; 10: tallo C; 11:<br />
tallo CuF; 12: tallo CuR; 13: flor C. M: Marcador 1.0 kb plus DNA.
Resultados<br />
GmCSD2<br />
UTR1<br />
NSP-GmCSD2<br />
UTR1<br />
E1 E2<br />
E1<br />
UTR1<br />
TRANSCRITOS (mRNAs)<br />
I<br />
(100 pb)<br />
791 pb<br />
UTR2<br />
E2<br />
Pre mRNA<br />
E1<br />
FW-SOD 3-SOD4<br />
891 pb<br />
UTR2<br />
I<br />
Traducción<br />
Figura 3-8: Esquema <strong>de</strong> los mRNAs <strong>de</strong> CSD2 i<strong>de</strong>ntificados en soja. Las cajas moradas<br />
representan los exones, las cajas azules representan las regiones UTR y la caja naranja<br />
representa el intrón. Las líneas marrones representan los posibles péptidos resultantes <strong>de</strong><br />
la traducción <strong>de</strong> cada uno <strong>de</strong> los mensajeros. Los cebadores utilizados en la RT-PCR se<br />
indican con flechas negras que muestran su polaridad. NSP = no splicing.<br />
GTGGCTCTGTGAGTGAGTGAGGATTATATAATTTGCTTTCACCACCAACCAA<br />
CCACAAATTCACACACACATATTCTTTGTTGCAATATCACAAACACCTCGTC<br />
CGTCACAATGCAGCTAGCTGTGGCGGCCAACGCTGTCGTTTCACCGTCGCCG<br />
TTCCGACCTCATCCCCTTCTCCGGTCATCCTTCTCCGGCGTCTCCGTTAAGCT<br />
CACTCCCCAATCCATAACGTTTTCACGCTTGAAGCCCCTCACCGTCTTCGCC<br />
GCCACCAAGAAGGCCGTCGCTGTCCTCAAGGGGACCTCCGCCGTCGAAGGC<br />
GTCGCCACTCTCATCCAAGAAGACGATGGCCCGACGACAGTTTCTGTTAGC<br />
ATCACTGGCCTTACTCCGGGGCTTCATGGTTTTCACCTACATGAGTATGGTG<br />
ATACCACAAATGGGTGTATATCAACAGGAGCACATTTTAATCCTAATAACTT<br />
GACACATGGTGCTCCTGAGGATGAAGTCCGTCATGCGGGTGACCTGGGAAA<br />
CATAGTTGCTAATGCAGAGGGTATTACTTCTTTCCTTTCTCATTTGTCTTCCT<br />
CTACTATGTACTTCTTTCTGGATCCTGGACCTGCTTATGTATCATTTTGTCAA<br />
TTGTTTAAACACAGGGGTTGCAGAGGCTACAATTGTGGATAATCAGATACC<br />
ACTCTCTGGCCCTAATTCAGTAGTTGGATGAGCCTTGGTGGTCCATGAGCTT<br />
GANGATGACCTTGGAAAGGGTGGGCATGAACTCAGTTTGACAACTGGAAAT<br />
GCTGGTGGAAGATTAGCGTGTGGTGTGGTTGGTTTGACTCCAGCATAAATA<br />
GTGAAGCAAATGTTTTTGTAGCAGTCGTGTTATTTTATCTGATGTTATGTCTT<br />
CTGTGAAGC<br />
Figura 3-9: Secuencia <strong>de</strong> nucleótidos correspondiente al pre-mRNA <strong>de</strong> GmCSD2<br />
don<strong>de</strong> se indican las regiones 5'-UTR y 3'-UTR en color azul, los exones en color negro<br />
y el intrón en color naranja.<br />
102<br />
E2<br />
891 pb<br />
UTR2<br />
3´SOD1<br />
POSIBLES PÉPTIDOS<br />
20´8 kDa<br />
19´4 kDa
Nombre<br />
NSP-GmCCS1<br />
NSP-GmCCS2<br />
NSP-GmCCS3<br />
NSP-GmCSD2<br />
MDHKLSSQPDAVLPELLVS<br />
103<br />
Resultados<br />
Tabla 3-1: Secuencia y peso molecular <strong>de</strong> los posibles péptidos truncados resultantes <strong>de</strong><br />
la traducción prematura <strong>de</strong> los transcritos NSP-GmCCS1, NSP-GmCCS2, NSP-<br />
GmCCS3 y NSP-GmCSD2. El péptido elegido para producir el anticuerpo anti-GmCCS<br />
se encuentra subrayado en la secuencia <strong>de</strong> NSP-GmCCS3. El péptido elegido para<br />
producir el anticuerpo anti-GmCSD2 no está incluido en la secuencia <strong>de</strong> NSP-<br />
GmCSD2.<br />
3.2.2 Regulación por cobre<br />
Péptido truncado teórico<br />
MDHKLSSQPDAVLPELLTEFMVDMKCEGCVNAVKNKLNEINGKC<br />
SLLSI<br />
MDHKLSSQPDAVLPELLTEFMVDMKCEGCVNAVKNKLNEINGVK<br />
NVEVDLSNQVVRILGSTPVKTMTEALEQTGRKARLIGQGVPEDFLI<br />
SAAVSEFKGPDIFGVVRLAQVNMELARIEANFSGLSPGKHGWSINE<br />
FGDLTRGAASTGKMFNPVNEENSKEVCFSTFLSNFCFPDLVLTYFL<br />
MQLAVAANAVVSPSPFRPHPLLRSSFSGVSVKLTPQSITFSRLKPLT<br />
VFAATKKAVAVLKGTSAVEGVATLIQEDDGPTTVSVSITGLTPGLH<br />
GFHLHEYGDTTNGCISTGAHFNPNNLTHGAPEDEVRHAGDLGNIV<br />
ANAEGITSFLSHLSSSTMYFFLDPGPAYVSFCQLFKHRGCRGYNCG<br />
Pm<br />
(kDa)<br />
19´9<br />
19´4<br />
En la Fig. 3-7A se observa una fuerte inducción <strong>de</strong> la expresión <strong>de</strong>l transcrito<br />
GmCSD2 en respuesta al exceso <strong>de</strong> Cu (10 μM), suplementado a las suspensiones<br />
celulares <strong>de</strong> soja en la 1ª generación <strong>de</strong> crecimiento. Por el contrario, la expresión <strong>de</strong>l<br />
transcrito NSP-GmCSD2 se mantiene constante en respuesta al exceso <strong>de</strong> este metal. A<br />
pesar <strong>de</strong> que en estas condiciones <strong>de</strong> exceso <strong>de</strong> Cu, las suspensiones celulares expresan<br />
mayoritariamente GmCSD2, también se visualiza expresión <strong>de</strong>l transcrito NSP-<br />
GmCSD2 en el gel, a diferencia <strong>de</strong> lo que ocurría con GmCCS.<br />
Dado que la enzima CuZnSOD cloroplástica contiene átomos <strong>de</strong> Cu 2+ y Zn 2+<br />
como cofactores, se propuso estudiar el efecto <strong>de</strong> estos metales (Cu y Zn) <strong>de</strong> forma<br />
individual y conjunta en la expresión <strong>de</strong>l gen GmCSD2, <strong>de</strong> la misma manera que se hizo<br />
con el gen GmCCS. Para ello, el medio <strong>de</strong> cultivo KN 1 <strong>de</strong> las suspensiones celulares <strong>de</strong><br />
soja se suplementó con 10 μM <strong>de</strong> estos metales Cu 2+ y Zn 2+ , individual y<br />
conjuntamente. El resultado se muestra en la Fig. 3-7B, don<strong>de</strong> se observa una fuerte<br />
inducción <strong>de</strong> la expresión <strong>de</strong> GmCSD2 en respuesta al exceso <strong>de</strong> Cu, como se <strong>de</strong>scribió<br />
anteriormente. Por el contrario, no se observa ninguna respuesta frente al exceso <strong>de</strong> Zn,<br />
dando lugar a un perfil <strong>de</strong> expresión semejante al obtenido en condiciones control.<br />
2´1<br />
5´4
Resultados<br />
Tampoco se observa un efecto cooperante <strong>de</strong>l Zn 2+ sobre el Cu 2+ en la expresión <strong>de</strong><br />
GmCSD2.<br />
En el caso <strong>de</strong> la planta entera <strong>de</strong> soja (Fig. 3-7C), se observa una inducción <strong>de</strong> la<br />
expresión <strong>de</strong>l transcrito GmCSD2 en respuesta al exceso <strong>de</strong> Cu (10 μM) en el tejido <strong>de</strong><br />
hoja joven suplementado con Cu foliar y radicular. La respuesta <strong>de</strong> inducción <strong>de</strong> la<br />
expresión <strong>de</strong> este gen por efecto <strong>de</strong>l Cu es más rápida en la hoja joven que en la hoja<br />
madura. El comportamiento <strong>de</strong> la hoja madura es diferente respecto a la hoja joven ya<br />
que no se <strong>de</strong>tecta apenas expresión <strong>de</strong> GmCSD2 en condiciones C y CuF, sin embargo,<br />
en condiciones CuR se induce la expresión <strong>de</strong> este transcrito. El perfil <strong>de</strong> expresión en<br />
el tallo es similar al encontrado en hoja joven. En la raíz, la expresión <strong>de</strong> GmCSD2 es ya<br />
alta en el C y, por tanto, no se observa inducción con ninguno <strong>de</strong> los tratamientos (CuF<br />
y CuR) como también sucedía con GmCCS. Como se indicaba en el apartado anterior,<br />
este hecho se <strong>de</strong>be muy probablemente a que la raíz es un tejido que está en contacto<br />
directo con la solución <strong>de</strong> nutrientes y acumula Cu en exceso. De hecho, los datos <strong>de</strong><br />
ICP-MS muestran un mayor contenido <strong>de</strong> Cu en los tejidos <strong>de</strong> las plantas tratadas con<br />
Cu radicular respecto a los tejidos en condiciones C y tratados CuF, excepto las raíces<br />
que tienen un alto contenido <strong>de</strong> Cu en las tres condiciones <strong>de</strong> cultivo (Fig. 3-6).<br />
3.3 IDENTIFICACIÓN, LOCALIZACIÓN Y REGULACIÓN DE GmCCS Y<br />
GmCSD2<br />
El material biológico vegetal utilizado para el estudio a nivel <strong>de</strong> proteína se<br />
<strong>de</strong>talla a continuación. Suspensiones celulares <strong>de</strong> soja crecidas en condiciones control<br />
(0´1 μM Cu), suplementadas <strong>de</strong> forma individual con 10 µM CuSO4 · 5 H2O, 10 µM<br />
FeSO4 · 7 H2O y 10 µM ZnSO4 · 7 H2O durante una generación, y células adaptadas a<br />
10 µM CuSO4 · 5 H2O durante varias generaciones (apartado 2.1.3). También se<br />
utilizaron plantas <strong>de</strong> soja crecidas en condiciones control (0´1 μM Cu) y suplementadas<br />
con 10 µM CuSO4 · 5 H2O foliar (apartado 2.1.4) (Fig. 3-1). No se utilizaron muestras<br />
<strong>de</strong> planta entera CuR porque la aplicación <strong>de</strong> CuF es más parecida a la aplicación <strong>de</strong> Cu<br />
que reciben las suspensiones celulares.<br />
Mediante los programas informáticos <strong>de</strong> localización subcelular TargetIP y<br />
ChloroP (Emanuelsson y col., 1999), se predijo teóricamente la localización<br />
104
105<br />
Resultados<br />
cloroplástica y la existencia <strong>de</strong> un péptido señal <strong>de</strong> tránsito al cloroplasto para cada una<br />
<strong>de</strong> las proteínas analizadas (GmCCS y GmCSD2).<br />
3.3.1 Calidad <strong>de</strong>l fraccionamiento subcelular<br />
Para estudiar la i<strong>de</strong>ntificación, localización y regulación a nivel <strong>de</strong> proteína <strong>de</strong> la<br />
chaperona CCS y la enzima CuZnSOD cloroplástica (CSD2), se llevó a cabo un<br />
fraccionamiento subcelular a partir <strong>de</strong> suspensiones celulares y hojas <strong>de</strong> soja con el<br />
objetivo <strong>de</strong> obtener preparaciones <strong>de</strong> cloroplastos, estroma y tilacoi<strong>de</strong>s (apartado 2.3).<br />
En primer lugar se comprobó la calidad <strong>de</strong>l fraccionamiento utilizando las técnicas <strong>de</strong><br />
espectroscopia <strong>de</strong> absorción electrónica UV-Vis (apartado 2.8.1) y western blot<br />
(apartado 2.5.1).<br />
La Fig. 3-10 muestra el espectro <strong>de</strong> absorción <strong>de</strong> una preparación <strong>de</strong> membranas<br />
tilacoidales extraídas a partir <strong>de</strong> cloroplastos <strong>de</strong> soja don<strong>de</strong> se observan varias bandas <strong>de</strong><br />
absorción en la zona visible <strong>de</strong>l espectro, <strong>de</strong>bidas a los distintos pigmentos unidos a los<br />
diferentes complejos proteicos presentes en la preparación. Se observa una banda con<br />
máximo hacia 680 nm, <strong>de</strong>bida mayoritariamente a Chl a; la posición <strong>de</strong> esta banda es<br />
indicativa <strong>de</strong> la estabilidad e integridad <strong>de</strong> la preparación aislada. Si la muestra estuviera<br />
<strong>de</strong>gradada o en mal estado, este máximo a 680 nm se <strong>de</strong>splazaría total o parcialmente<br />
hacia 670 nm, longitud <strong>de</strong> onda don<strong>de</strong> absorbe la Chl a no asociada a proteína en<br />
tampones acuosos. Se observa también la presencia <strong>de</strong> un hombro hacia 650 nm <strong>de</strong>bido<br />
a Chl b, presente principalmente en la LHCII o antena externa <strong>de</strong>l PSII. Las bandas <strong>de</strong><br />
absorción hacia 430 y 415 nm son producidas por las bandas Soret <strong>de</strong> las Chl, mientras<br />
que el pico alre<strong>de</strong>dor <strong>de</strong> 490 nm es <strong>de</strong>bido a la presencia <strong>de</strong> diferentes carotenoi<strong>de</strong>s<br />
asociados con los distintos complejos proteicos. Por otro lado, la relación Chl a/b<br />
(apartado 2.4.1) <strong>de</strong> la preparación <strong>de</strong> tilacoi<strong>de</strong>s podría servir también como indicador <strong>de</strong><br />
la calidad <strong>de</strong> la muestra, siendo su valor normal <strong>de</strong>scrito en soja entre 2´8-3. Todas las<br />
preparaciones <strong>de</strong> tilacoi<strong>de</strong>s utilizadas en este trabajo mostraron un espectro y una<br />
relación Chl a/b como las <strong>de</strong>scritas anteriormente, confirmando la buena calidad <strong>de</strong> las<br />
mismas.<br />
La calidad <strong>de</strong>l fraccionamiento se ha comprobado también utilizando los<br />
anticuerpos comerciales anti-RbcL y anti-PsbA (Tabla 2-4) como marcadores <strong>de</strong>l<br />
estroma y tilacoi<strong>de</strong>, respectivamente. La Fig. 3-11 muestra que los cloroplastos<br />
reaccionan con ambos anticuerpos, el estroma reacciona con anti-RbcL y los tilacoi<strong>de</strong>s
Resultados<br />
reaccionan con anti-PsbA. Este resultado confirma, <strong>de</strong> nuevo, la buena calidad <strong>de</strong> las<br />
muestras utilizadas en este trabajo.<br />
Banda Soret<br />
Chl<br />
Carotenos<br />
Figura 3-10: Espectro <strong>de</strong> absorción <strong>de</strong> membranas tilacoidales <strong>de</strong> soja.<br />
1 2 3 4 5<br />
Figura 3-11: Western blot utilizando los anticuerpos anti-RbcL y anti-PsbA. 1:<br />
cloroplastos intactos (18 μg <strong>de</strong> proteína); 2: estroma (30 μg <strong>de</strong> proteína); 3: tilacoi<strong>de</strong>s<br />
(13 μg <strong>de</strong> proteína) <strong>de</strong> suspensiones celulares <strong>de</strong> soja suplementadas con 10 μM Cu. 4:<br />
estroma (8´6 μg <strong>de</strong> proteína); 5: tilacoi<strong>de</strong>s (20 μg <strong>de</strong> proteína) <strong>de</strong> hojas <strong>de</strong> plantas <strong>de</strong><br />
soja crecidas en condiciones CuF.<br />
106<br />
Chl b<br />
Chl a<br />
RbcL (53 kDa)<br />
PsbA (38 kDa)
3.3.2 Western blot anti-GmCCS<br />
107<br />
Resultados<br />
Hemos producido un anticuerpo policlonal <strong>de</strong> conejo anti-GmCCS (apartado<br />
2.5.2) contra un péptido sintético <strong>de</strong> 15 aminoácidos, CVPEDFLISAAVSEF, (Fig. 3-<br />
12A), diseñado a partir <strong>de</strong> la secuencia <strong>de</strong> la chaperona <strong>de</strong>positada en el NCBI<br />
(AF329816). Para la elección <strong>de</strong> este péptido se tuvo en cuenta que el anticuerpo no<br />
reconociera a la enzima CuZnSOD ni a otras chaperonas <strong>de</strong> Cu <strong>de</strong> plantas. Para ello, se<br />
realizó un alineamiento <strong>de</strong> la secuencia <strong>de</strong> GmCCS con las secuencias <strong>de</strong> estas otras<br />
proteínas. A<strong>de</strong>más, se prestó atención a que el péptido diseñado no formara parte <strong>de</strong> los<br />
dominios conservados <strong>de</strong> unión a metal, ni <strong>de</strong>l péptido señal <strong>de</strong> tránsito al cloroplasto<br />
que contiene la proteína GmCCS no madura. Mediante análisis <strong>de</strong> western blot, se<br />
comprobó la baja reactividad <strong>de</strong>l anticuerpo contra nuestra proteína recombinante<br />
purificada, así como la presencia <strong>de</strong> un alto ruido <strong>de</strong> fondo. Para mejorar la<br />
especificidad <strong>de</strong> este anticuerpo y reducir el ruido <strong>de</strong> fondo, se purificó por<br />
cromatografía <strong>de</strong> afinidad utilizando el péptido sintético. En la Fig. 3-12B se muestra la<br />
validación <strong>de</strong> este anticuerpo anti-GmCCS purificado contra nuestra proteína<br />
recombinante, parcialmente purificada.<br />
A<br />
B<br />
MAFLRSIATTAIATIPAALAFSSSSSSSFPRSSQSPNPQNRLGLVKTLATPP<br />
SALHMDHKLSSQPDAVLPELLTEFMVDMKCEGCVNAVKNKLNEINGVKNV<br />
EVDLSNQVVRILGSTPVKTMTEALEQTGRKARLIGQGVPEDFLISAAVSEF<br />
KGPDIFGVVRLAQVNMELARIEANFSGLSPGKHGWSINEFGDLTRGAAST<br />
GKMFNPVNEENSKEPLGDLGTLEANEKGEAFYSGVKEKLRVADLIGRSVV<br />
VYATEDKSEHGITAAVIARSAGVGENYKKLCTCDGTTIWEATDTDFVTSKV<br />
kDa<br />
52<br />
37<br />
28<br />
M P<br />
GmCCS<br />
Figura 3-12: (A) Secuencia <strong>de</strong> la proteína CCS <strong>de</strong> soja don<strong>de</strong> se señala con una caja el<br />
péptido elegido para producir el anticuerpo anti-GmCCS, las secuencias consenso <strong>de</strong><br />
unión a metal se indican en negrita y el péptido <strong>de</strong> tránsito al cloroplasto se encuentra<br />
subrayado. (B) Análisis western blot para validar el anticuerpo anti-GmCCS contra<br />
nuestra proteína recombinante, parcialmente purificada.
Resultados<br />
En la Fig. 3-13A se muestra un western blot contra la GmCCS don<strong>de</strong> se<br />
observan tres bandas diferentes en el estroma <strong>de</strong> suspensiones celulares <strong>de</strong> soja. Una<br />
banda intermedia cuyo peso molecular aparente es <strong>de</strong> 37 kDa, que correspon<strong>de</strong>ría al<br />
monómero CCS, otra banda <strong>de</strong> bajo peso molecular <strong>de</strong> 23 kDa, que podría ser el<br />
producto resultante <strong>de</strong> la traducción <strong>de</strong>l transcrito NSP-GmCCS3 (Tabla 3-1), y otra<br />
banda superior y significativamente más abundante cuyo peso molecular aparente es <strong>de</strong><br />
94 kDa, que sería una forma oligomérica <strong>de</strong> la GmCCS. Es importante <strong>de</strong>stacar que<br />
todas las proteínas analizadas mediante SDS-PAGE en este trabajo poseen pesos<br />
moleculares aparentes ligeramente superiores a los pesos moleculares teóricos<br />
correspondientes.<br />
Esta forma oligomérica <strong>de</strong> unos 94 kDa podría estar formada sólo la GmCCS o<br />
contener también la enzima GmCuZnSOD, ya que ambas proteínas tienen que<br />
interaccionar en el cloroplasto para que la chaperona ceda el metal a la superóxido<br />
dismutasa. Para resolver el problema, realizamos el mismo western blot pero con el<br />
anticuerpo contra la proteína entera <strong>de</strong> la CuZnSOD <strong>de</strong> cebada (Tabla 2-4). Este<br />
anticuerpo anti-CuZnSOD reacciona con el oligómero <strong>de</strong> la CCS (94 kDa) así como con<br />
el monómero <strong>de</strong> la CCS (37 kDa) y la forma truncada NSP-GmCCS3 (23 kDa) (Fig. 3-<br />
14). Esto no es sorpren<strong>de</strong>nte ya que el dominio II <strong>de</strong> la chaperona CCS es homólogo a<br />
la enzima CuZnSOD, el cual facilita el reconocimiento <strong>de</strong> su Diana. Este anticuerpo<br />
reconoció, a<strong>de</strong>más, otros polipéptidos, tres <strong>de</strong> ellos que se inducen fuertemente por<br />
exceso <strong>de</strong> Cu y cuyos pesos moleculares aparentes están <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> los esperados para la<br />
CuZnSOD. Pensamos que estos polipéptidos correspon<strong>de</strong>n a distintas isoformas <strong>de</strong> esta<br />
enzima y que su origen es cloroplástico ya que partimos <strong>de</strong> cloroplastos intactos. Sin<br />
embargo, ninguno <strong>de</strong> los otros polipéptidos se vieron afectados significativamente por<br />
el tratamiento con Cu, incluidos los correspondientes a la GmCCS. Esto indicaría,<br />
primero, que los otros dos polipéptidos <strong>de</strong>tectados con ese anticuerpo no correspon<strong>de</strong>n a<br />
la CuZnSOD y, segundo, que el trímero <strong>de</strong> unos 94 kDa no contiene CuZnSOD. Para<br />
confirmar este segundo supuesto, se <strong>de</strong>sarrolló otro anticuerpo anti-GmCuZnSOD que<br />
no reconociese a la chaperona CCS. Este anticuerpo policlonal <strong>de</strong> conejo anti-<br />
CuZnSOD <strong>de</strong> soja (apartado 2.5.2) fue producido contra un péptido sintético <strong>de</strong> 13<br />
aminoácidos, EDDLGKGGHELSL, (Fig. 3-15), diseñado a partir <strong>de</strong> la secuencia <strong>de</strong> la<br />
enzima CuZnSOD cloroplástica <strong>de</strong> soja <strong>de</strong>positada en el TIGR (TC224966). Para la<br />
elección <strong>de</strong> este péptido, se realizó un alineamiento <strong>de</strong> la secuencia <strong>de</strong> GmCuZnSOD<br />
cloroplástica con las secuencias <strong>de</strong> GmCCS, GmFeSOD y GmMnSOD con el objetivo<br />
108
109<br />
Resultados<br />
<strong>de</strong> que el anticuerpo producido no reconociese a ninguna <strong>de</strong> estas proteínas. A<strong>de</strong>más, se<br />
tuvo en cuenta que el péptido diseñado no formara parte <strong>de</strong> los dominios conservados<br />
<strong>de</strong> unión a metal, ni <strong>de</strong>l péptido <strong>de</strong> tránsito al cloroplasto <strong>de</strong> la enzima GmCuZnSOD.<br />
Este anticuerpo reconoce tanto a la isoenzima cloroplástica (GmCSD2) como a la<br />
citosólica (GmCSD1). En la Fig. 3-16B no se observa señal en torno a 94 kDa con este<br />
nuevo anticuerpo anti-GmCuZnSOD, diseñado especialmente para que no reconociera a<br />
la GmCCS. Este resultado indicaría que la estructura oligomérica <strong>de</strong>tectada con el<br />
anticuerpo anti-GmCCS no contiene GmCuZnSOD y, por su peso molecular aparente <strong>de</strong><br />
94 kDa, se trataría probablemente <strong>de</strong> un trímero <strong>de</strong> GmCCS. Este trímero resistió la<br />
<strong>de</strong>snaturalización <strong>de</strong> las muestras (estromas <strong>de</strong> suspensiones celulares <strong>de</strong> soja crecidas<br />
en condiciones control y suplementadas con 10 μM Cu durante una y varias<br />
generaciones) hirviendo durante 5 min con el tampón <strong>de</strong> <strong>de</strong>snaturalización (Fig. 3-13B).<br />
El trímero resistió también la <strong>de</strong>snaturalización <strong>de</strong> las muestras hirviendo durante 15<br />
min con una concentración alta <strong>de</strong> DTT (datos no mostrados).
Resultados<br />
kDa<br />
106,9<br />
93,6<br />
52,3<br />
37,2<br />
28,2<br />
18,8<br />
A B<br />
M 1 2 3<br />
M 1 2 3<br />
C<br />
4 5 6 7 8<br />
Trímero GmCCS<br />
Monómero GmCCS<br />
NSP-GmCCS3<br />
Figura 3-13: Western blot utilizando el anticuerpo anti-GmCCS. (A) Estroma <strong>de</strong><br />
suspensiones celulares <strong>de</strong> soja crecidas: 1: en condiciones control; 2: suplementadas con<br />
10 μM Cu durante una generación; 3: adaptadas durante varias generaciones a 10 µM<br />
Cu. Las tres muestras (30 μg <strong>de</strong> proteína) se <strong>de</strong>snaturalizaron a temperatura ambiente<br />
durante 1 h. (B) Muestras 1, 2 y 3 (30 μg <strong>de</strong> proteína) <strong>de</strong>snaturalizadas hirviendo 5 min.<br />
(C) 4: cloroplastos intactos <strong>de</strong> suspensiones celulares control (30 μg <strong>de</strong> proteína); 5:<br />
cloroplastos intactos <strong>de</strong> suspensiones celulares suplementadas con 10 µM Cu durante<br />
una generación (18 μg <strong>de</strong> proteína); 6: estroma <strong>de</strong> hojas control (30 μg <strong>de</strong> proteína); 7:<br />
tilacoi<strong>de</strong>s <strong>de</strong> suspensiones celulares suplementadas con 10 µM Cu durante una<br />
generación (13 μg <strong>de</strong> proteína); 8: tilacoi<strong>de</strong>s <strong>de</strong> hojas control (20 μg <strong>de</strong> proteína).<br />
110<br />
Trímero GmCCS<br />
Monómero GmCCS<br />
NSP-GmCCS3
kDa<br />
121<br />
100<br />
54<br />
39<br />
30<br />
20<br />
A B<br />
M 3 2 1 M<br />
M 1 2 3<br />
111<br />
Resultados<br />
Trímero GmCCS<br />
Monómero GmCCS<br />
CuZnSOD 1<br />
CuZnSOD 2<br />
CuZnSOD 3<br />
NSP-GmCCS3<br />
Figura 3-14: Western blot utilizando el anticuerpo anti-GmCCS (A) y el anticuerpo<br />
anti-CuZnSOD contra la proteína entera <strong>de</strong> cebada (B). Las muestras analizadas (30 μg<br />
<strong>de</strong> proteína) fueron estromas <strong>de</strong> suspensiones celulares <strong>de</strong> soja crecidas en: 1,<br />
condiciones control; 2, suplementadas con 10 μM Cu durante una generación; 3,<br />
adaptadas durante varias generaciones a 10 µM Cu.<br />
MQLAVAANAVVSPSPFRPHPLLRSSFSGVSVKLTPQSITFSRLKPLTVFAATKKAVAVLKGTSAVEGV<br />
ATLIQEDDGPTTVSVSITGLTPGLHGFHLHEYGDTTNGCISTGAHFNPNNLTHGAPEDEVRHAGDLGNI<br />
VANAEGVAEATIVDNQIPLSGPNSVVGRALVVHELEDDLGKGGHELSLTTGNAGGRLACGVVGLTPA<br />
Figura 3-15: Secuencia <strong>de</strong> la proteína GmCuZnSOD cloroplástica <strong>de</strong> soja don<strong>de</strong> se<br />
señala con una caja el péptido elegido para producir el anticuerpo anti-GmCuZnSOD.<br />
A B<br />
kDa M 1 2 3 kDa M 1 2<br />
106,5<br />
97,6<br />
106,5<br />
97,6<br />
Trímero GmCCS<br />
Figura 3-16: Western blot utilizando dos anticuerpos diferentes anti-CuZnSOD: (A)<br />
contra la proteína CuZnSOD entera <strong>de</strong> cebada y (B) contra un péptido sintético <strong>de</strong> la<br />
enzima CuZnSOD <strong>de</strong> soja. Las muestras analizadas fueron estromas <strong>de</strong> suspensiones<br />
celulares <strong>de</strong> soja crecidas en: 1, condiciones control; 2, suplementadas con 10 μM Cu<br />
durante una generación; 3, adaptadas durante varias generaciones a 10 µM Cu.
Resultados<br />
El supuesto trímero <strong>de</strong> GmCCS, el monómero <strong>de</strong> GmCCS y NSP-GmCCS3<br />
fueron <strong>de</strong>tectados también en cloroplastos <strong>de</strong> suspensiones celulares crecidas en<br />
condiciones control y suplementadas con 10 μM Cu durante una generación, así como<br />
en estroma extraído a partir <strong>de</strong> hojas <strong>de</strong> plantas <strong>de</strong> soja crecidas en condiciones control.<br />
Sin embargo, en tilacoi<strong>de</strong>s extraídos tanto <strong>de</strong> suspensiones celulares como <strong>de</strong> hojas, se<br />
<strong>de</strong>tectó únicamente el trímero <strong>de</strong> GmCCS <strong>de</strong> entre las tres especies encontradas en el<br />
estroma (Fig. 3-13C). Por otro lado, se observó que la expresión <strong>de</strong> cada una <strong>de</strong> las tres<br />
especies encontradas para la proteína GmCCS (trímero, monómero y NSP-GmCCS3) se<br />
mantiene constante en respuesta al exceso <strong>de</strong> Cu suplementado al medio <strong>de</strong> cultivo <strong>de</strong><br />
las suspensiones celulares <strong>de</strong> soja durante una y varias generaciones (Fig. 3-13). Por el<br />
contrario y como se <strong>de</strong>scribió anteriormente, a nivel <strong>de</strong> mRNA se inducía la expresión<br />
<strong>de</strong>l transcrito GmCCS y se reprimía la expresión <strong>de</strong>l transcrito NSP-GmCCS3 en<br />
respuesta al exceso <strong>de</strong> Cu, tanto en suspensiones celulares como en planta entera <strong>de</strong> soja<br />
(Fig. 3-2).<br />
3.3.3 Western blot anti-GmCSD2 y ensayo <strong>de</strong> actividad SOD<br />
Se analizaron cloroplastos intactos, así como estroma y tilacoi<strong>de</strong>s proce<strong>de</strong>ntes <strong>de</strong><br />
dichos cloroplastos intactos <strong>de</strong> suspensiones celulares <strong>de</strong> soja crecidas en condiciones<br />
control y suplementadas con 10 μM Cu durante una y varias generaciones, utilizando<br />
tanto el anticuerpo <strong>de</strong>sarrollado contra la proteína entera CuZnSOD <strong>de</strong> cebada (Fig. 3-<br />
14B) como el <strong>de</strong>sarrollado a partir <strong>de</strong>l péptido sintético <strong>de</strong> la CuZnSOD <strong>de</strong> soja (Fig. 3-<br />
17). Como ya se comentó anteriormente, se <strong>de</strong>tectan tres isoformas <strong>de</strong> la enzima<br />
GmCSD2 con un peso molecular aparente entre 20 y 29 kDa. El origen <strong>de</strong> estas<br />
isoformas es cloroplástico ya que se parte <strong>de</strong> cloroplastos intactos para evitar una<br />
posible contaminación <strong>de</strong>l citosol. Las tres isoformas se localizaron tanto en el estroma<br />
como en el tilacoi<strong>de</strong> <strong>de</strong> las suspensiones celulares <strong>de</strong> soja. En nuestras condiciones <strong>de</strong><br />
crecimiento control, la concentración <strong>de</strong> GmCSD2 no parece ser muy abundante, pero<br />
se observa una fuerte inducción <strong>de</strong> la expresión <strong>de</strong> las tres isoformas <strong>de</strong> la proteína<br />
GmCSD2 en respuesta al exceso <strong>de</strong> Cu (Fig. 3-14B y 3-17).<br />
En el ensayo <strong>de</strong> actividad SOD que se muestra en la Fig. 3-18 tampoco se<br />
<strong>de</strong>tecta actividad CuZnSOD o es muy escasa en los estromas <strong>de</strong> suspensiones celulares<br />
<strong>de</strong> soja crecidas en condiciones control (0´1 μM Cu). En este ensayo <strong>de</strong> actividad SOD<br />
(Fig. 3-18), se analizó el efecto <strong>de</strong> los metales Cu 2+ , Fe 2+ y Zn 2+ en la regulación <strong>de</strong><br />
112
113<br />
Resultados<br />
GmCSD2 suplementando el medio <strong>de</strong> cultivo <strong>de</strong> las suspensiones celulares <strong>de</strong> soja con<br />
un exceso (10 μM) <strong>de</strong> cada uno <strong>de</strong> ellos (apartado 2.1.3). El resultado fue que se induce<br />
la expresión <strong>de</strong> la enzima GmCuZnSOD y se reprime ligeramente la expresión <strong>de</strong> la<br />
enzima GmFeSOD en respuesta al exceso <strong>de</strong> Cu. No se observaron cambios en la<br />
expresión <strong>de</strong> la proteína GmCuZnSOD por efecto <strong>de</strong>l exceso <strong>de</strong> Fe o Zn. A<strong>de</strong>más, se<br />
observó una inducción <strong>de</strong> la expresión <strong>de</strong> la enzima GmFeSOD en respuesta al exceso<br />
<strong>de</strong> Fe. En este ensayo <strong>de</strong> actividad SOD se visualizaron sólo dos isoformas <strong>de</strong> la enzima<br />
GmCuZnSOD, sin embargo, cuando se cargó una mayor cantidad <strong>de</strong> muestra, se<br />
visualizó una tercera isoforma localizada entre las otras dos más abundantes (Fig. 3-19).<br />
Este resultado está <strong>de</strong> acuerdo con el obtenido en el análisis <strong>de</strong> western blot don<strong>de</strong> se<br />
visualizaron también tres isoformas cloroplásticas <strong>de</strong> la enzima GmCuZnSOD. Los<br />
resultados obtenidos <strong>de</strong> la regulación por Cu (10 μM) a nivel <strong>de</strong> proteína <strong>de</strong> la enzima<br />
GmCSD2 mediante los análisis <strong>de</strong> western blot y los ensayos <strong>de</strong> actividad SOD están en<br />
concordancia con los datos obtenidos a nivel <strong>de</strong> mRNA, don<strong>de</strong> la expresión <strong>de</strong>l<br />
transcrito GmCSD2 se induce fuertemente en respuesta al exceso <strong>de</strong> Cu, tanto en<br />
suspensiones celulares como en planta entera <strong>de</strong> soja (Fig. 3-7).<br />
kDa 1 2 3 4<br />
28,9<br />
19,9<br />
CuZnSOD 1<br />
CuZnSOD 2<br />
CuZnSOD 3<br />
Figura 3-17: Western blot utilizando el anticuerpo contra el péptido sintético <strong>de</strong><br />
GmCuZnSOD. 1: Cloroplastos intactos <strong>de</strong> suspensiones celulares <strong>de</strong> soja crecidas en<br />
condiciones control (30 μg <strong>de</strong> proteína); 2,3,4: cloroplastos intactos (18 μg <strong>de</strong> proteína),<br />
tilacoi<strong>de</strong>s (13 μg <strong>de</strong> proteína), estroma (30 μg <strong>de</strong> proteína), respectivamente, <strong>de</strong><br />
suspensiones celulares <strong>de</strong> soja suplementadas con 10 μM Cu durante una generación.
Resultados<br />
C Cu Fe Zn<br />
Figura 3-18: Ensayo en gel nativo <strong>de</strong> la actividad <strong>de</strong> las enzimas SOD <strong>de</strong> estroma (15<br />
μg <strong>de</strong> proteína) aislado a partir <strong>de</strong> suspensiones celulares <strong>de</strong> soja crecidas durante una<br />
generación en: 1, condiciones control; 2, suplementadas con 10 μM Cu; 3,<br />
suplementadas con 10 μM Fe; 4, suplementadas con 10 μM Zn.<br />
MnSOD<br />
FeSOD<br />
CuZnSOD1<br />
CuZnSOD2<br />
CuZnSOD3<br />
1 2 3<br />
Figura 3-19: Ensayo en geles nativos <strong>de</strong> la actividad <strong>de</strong> las enzimas SOD <strong>de</strong> estroma<br />
(20 μg <strong>de</strong> proteína) aislado <strong>de</strong>: 1, suspensiones celulares <strong>de</strong> soja crecidas en condiciones<br />
control; 2, suspensiones celulares <strong>de</strong> soja suplementadas con 0´5 μM Cu durante una<br />
generación; 3, hojas <strong>de</strong> plantas <strong>de</strong> soja crecidas en condiciones control. Los geles se<br />
preincubaron con A) no inhibidor, B) KCN (inhibe a CuZnSOD) y C) H2O2 (inhibe a<br />
CuZnSOD y FeSOD).<br />
114<br />
MnSOD<br />
FeSOD<br />
CuZnSOD 1<br />
CuZnSOD 2<br />
CuZnSOD 3<br />
A B C<br />
1 2 3 1 2 3
115<br />
Resultados<br />
La ausencia o muy escasa actividad CuZnSOD en el estroma <strong>de</strong> suspensiones<br />
celulares <strong>de</strong> soja crecidas en condiciones control nos llevó a analizar lo que ocurría en<br />
planta entera <strong>de</strong> soja crecida también en condiciones control. A<strong>de</strong>más, se analizó la<br />
actividad SOD <strong>de</strong> los estromas extraídos a partir <strong>de</strong> suspensiones celulares <strong>de</strong> soja<br />
suplementadas con una concentración <strong>de</strong> 0´5 μM Cu 2+ (Fig. 3-19). El resultado fue que<br />
en plantas <strong>de</strong> soja control no se <strong>de</strong>tectó actividad CuZnSOD <strong>de</strong> la misma manera que<br />
ocurría en las suspensiones celulares control. Esto quiere <strong>de</strong>cir que la actividad SOD<br />
cloroplástica en nuestras condiciones <strong>de</strong> cultivo se <strong>de</strong>be fundamentalmente a la enzima<br />
FeSOD. La ausencia <strong>de</strong> actividad CuZnSOD cloroplástica no es, por lo tanto, un<br />
marcador <strong>de</strong> <strong>de</strong>ficiencia <strong>de</strong> Cu en soja, ya que tanto las suspensiones celulares como las<br />
plantas <strong>de</strong> soja control crecieron bien y no mostraron ningún síntoma <strong>de</strong> estrés por<br />
<strong>de</strong>ficiencia <strong>de</strong> Cu en nuestras condiciones <strong>de</strong> cultivo (Fig. 3-1). En la Fig. 3-19 se<br />
muestra la inducción <strong>de</strong> la expresión <strong>de</strong> las tres isoformas <strong>de</strong> la enzima GmCSD2 en<br />
suspensiones celulares <strong>de</strong> soja suplementadas con 0´5 μM Cu. Esta concentración <strong>de</strong> Cu<br />
(0´5 μM) es suficiente para visualizar las isoformas <strong>de</strong> GmCSD2 con la misma<br />
intensidad y abundancia que se visualizan suplementando con una concentración <strong>de</strong> 10<br />
μM Cu. La expresión <strong>de</strong> la enzima GmFeSOD se reprime ligeramente por efecto <strong>de</strong>l<br />
suplemento <strong>de</strong> 0´5 μM Cu. A<strong>de</strong>más, se observa una mayor expresión <strong>de</strong> esta enzima<br />
FeSOD en el estroma <strong>de</strong> suspensiones celulares comparada con la obtenida en hojas <strong>de</strong><br />
soja.<br />
3.4 CLONACIÓN, SOBREEXPRESIÓN Y PURIFICACIÓN DE GmCCS<br />
3.4.1 Clonación<br />
La obtención <strong>de</strong>l gen a clonar se realizó mediante RT-PCR a partir <strong>de</strong><br />
suspensiones celulares <strong>de</strong> soja crecidas en medio KN 1 suplementado con 10 µM Cu,<br />
condición don<strong>de</strong> se obtiene una mayor expresión <strong>de</strong> este gen. El gen obtenido <strong>de</strong> la<br />
GmCCS posee una mutación puntual conservativa en la posición I175V <strong>de</strong> la secuencia<br />
proteica, introducida acci<strong>de</strong>ntalmente por la Taq polimerasa en la PCR. Una vez<br />
obtenido el gen, se procedió a realizar su clonación. Para ello, se eligió una estrategia<br />
que requiere dos vectores diferentes: pGEM-T Easy (Promega) y pMALc2x modif.<br />
(Pryor y Leiting, 1997). El plásmido utilizado como vector <strong>de</strong> expresión es un <strong>de</strong>rivado<br />
<strong>de</strong>l plásmido pMALc2x (New England BioLabs) modificado con la adición <strong>de</strong> una cola-
Resultados<br />
His6 y la secuencia <strong>de</strong> bases que reconoce la proteasa trombina (Fig. 2-6). Se eligió este<br />
plásmido porque la MBP confiere una mayor solubilidad a la CCS y, junto a la cola-<br />
His6, facilitaría, en principio, la posterior purificación <strong>de</strong> esta proteína mediante IMAC.<br />
El procedimiento <strong>de</strong>tallado que fue seguido para realizar la clonación <strong>de</strong>l gen GmCCS<br />
se <strong>de</strong>scribe en el apartado 2.6.1 <strong>de</strong> Materiales y Métodos.<br />
3.4.2 Inducción <strong>de</strong> la expresión en Escherichia coli<br />
Se expresó con éxito el gen entero <strong>de</strong> la chaperona GmCCS en la bacteria E. coli<br />
DH5α. Para ello, se probaron diferentes condiciones <strong>de</strong> inducción <strong>de</strong> la expresión con el<br />
objetivo <strong>de</strong> obtener la mayor cantidad posible <strong>de</strong> proteína <strong>de</strong> fusión MBP-His6-GmCCS.<br />
Los parámetros modificados fueron: la temperatura, el tiempo, la concentración <strong>de</strong>l<br />
inductor (IPTG) y la concentración <strong>de</strong> CuSO4 y ZnSO4. Las concentraciones <strong>de</strong> IPTG<br />
probadas fueron 0´3, 0´6 y 1 mM. Las bacterias E. coli DH5α lisadas por sonicación se<br />
centrifugaron y se analizaron los niveles <strong>de</strong> proteína <strong>de</strong> fusión tanto en el sobrenadante<br />
(fracción soluble) como en el sedimento (cuerpos <strong>de</strong> inclusión, pare<strong>de</strong>s celulares y<br />
material que no se ha roto bien) mediante SDS-PAGE. La concentración óptima <strong>de</strong><br />
inductor elegida fue 0´3 mM <strong>de</strong> IPTG (datos no mostrados). Existe un estudio publicado<br />
en humano don<strong>de</strong> se <strong>de</strong>scribe que la chaperona CCS contiene dos átomos <strong>de</strong> Cu + y un<br />
átomo <strong>de</strong> Zn 2+ , e inducen la expresión <strong>de</strong> esta proteína recombinante en presencia <strong>de</strong> los<br />
dos metales (Stasser y col., 2005). En la Fig. 3-20A se muestran las fracciones solubles<br />
e insolubles <strong>de</strong> un cultivo inducido a una temperatura <strong>de</strong> 23 ºC durante 12 h don<strong>de</strong> se<br />
analiza el efecto <strong>de</strong> la presencia <strong>de</strong> exceso <strong>de</strong> Cu y Zn en el medio <strong>de</strong> cultivo a dos<br />
concentraciones diferentes <strong>de</strong> cada uno: 0´5 mM Cu + 0´5 mM Zn (calles S3 y P3) y 3<br />
mM Cu + 30 μM Zn (calles S4 y P4). El resultado <strong>de</strong> este experimento es que se<br />
observa un incremento notable <strong>de</strong> la expresión <strong>de</strong> la proteína <strong>de</strong> fusión en presencia <strong>de</strong><br />
Cu y Zn en el medio <strong>de</strong> inducción comparado con el cultivo inducido con IPTG sin<br />
suplemento <strong>de</strong> estos metales. Ambas concentraciones analizadas para los metales Cu y<br />
Zn dieron un perfil <strong>de</strong> expresión parecido, por lo que se eligió 0´5 mM Cu + 0´5 mM Zn<br />
como concentraciones óptimas <strong>de</strong> inducción. En presencia <strong>de</strong> los metales Cu y Zn, parte<br />
<strong>de</strong> la proteína <strong>de</strong> fusión sedimenta en forma <strong>de</strong> cuerpos <strong>de</strong> inclusión <strong>de</strong> manera que la<br />
obtenemos en ambas fracciones (sobrenadante y sedimento). En la Fig. 3-20B se<br />
muestran las fracciones solubles e insolubles <strong>de</strong> un cultivo inducido a una temperatura<br />
116
117<br />
Resultados<br />
<strong>de</strong> 37 ºC durante 3 h para comparar la expresión con la obtenida a la temperatura<br />
anterior <strong>de</strong> 23 ºC. De nuevo se confirma que la presencia <strong>de</strong> 0´5 mM Cu + 0´5 mM Zn<br />
en el medio <strong>de</strong> cultivo provoca un incremento notable <strong>de</strong> la expresión <strong>de</strong> la proteína <strong>de</strong><br />
fusión. Se eligió la fracción soluble para continuar con el proceso <strong>de</strong> purificación<br />
porque su manipulación es más sencilla técnicamente que la <strong>de</strong> la fracción insoluble en<br />
forma <strong>de</strong> cuerpos <strong>de</strong> inclusión. En cuanto a la temperatura <strong>de</strong> inducción, la cantidad <strong>de</strong><br />
proteína <strong>de</strong> fusión sobreexpresada no varía significativamente entre la inducción a 23 ºC<br />
durante 12 h (Fig. 3-20A) y a 37 ºC durante 3 h (Fig. 3-20B). Por ello, se eligió 37 ºC<br />
como temperatura óptima <strong>de</strong> inducción pues el tiempo requerido <strong>de</strong> inducción es mucho<br />
menor (3 h) ya que coinci<strong>de</strong> con la temperatura óptima <strong>de</strong> crecimiento <strong>de</strong> esta bacteria.<br />
Por último, se analizó si había diferencias en la expresión <strong>de</strong> la proteína <strong>de</strong> fusión entre<br />
añadir los metales Cu y Zn al principio <strong>de</strong> la fase inicial <strong>de</strong> crecimiento o en el<br />
momento <strong>de</strong> inducción con IPTG que coinci<strong>de</strong> con la fase exponencial <strong>de</strong> crecimiento<br />
<strong>de</strong>l cultivo (Fig. 3-20C). El resultado fue que la expresión <strong>de</strong> la proteína <strong>de</strong> fusión es<br />
in<strong>de</strong>pendiente <strong>de</strong>l momento en que se aña<strong>de</strong>n los metales Cu y Zn. Por lo tanto, se<br />
eligió el momento <strong>de</strong> la inducción con IPTG (fase exponencial) para añadir 0´5 mM Cu<br />
y 0´5 mM Zn al cultivo. En el apartado 2.6.2 <strong>de</strong> Materiales y Métodos, se <strong>de</strong>scribe en<br />
<strong>de</strong>talle el procedimiento seguido para sobreexpresar óptimamente la proteína <strong>de</strong> fusión<br />
MBP-His6-GmCCS.
Resultados<br />
A<br />
kDa M S1 S2 S3 P1 P3<br />
114<br />
88<br />
50,7<br />
35,5<br />
28,8<br />
22<br />
kDa<br />
104<br />
81<br />
48<br />
36<br />
27<br />
M S1 S2 S3 S4 P2 P3 P4<br />
B C<br />
Figura 3-20: Análisis SDS-PAGE 12% (p/v) y tinción Coomassie <strong>de</strong> la sobreexpresión<br />
<strong>de</strong> la proteína <strong>de</strong> fusión MBP-His6-GmCCS en E. coli. (A) La temperatura <strong>de</strong> inducción<br />
fue 23 ºC durante 12 h. (B) La temperatura <strong>de</strong> inducción fue a 37 ºC durante 3 h. M:<br />
marcadores <strong>de</strong> pesos moleculares; S1: fracción soluble no inducida; S2: fracción soluble<br />
+ 0´3 mM IPTG; S3: fracción soluble + 0´3 mM IPTG + 0´5 mM CuSO4 + 0´5 mM<br />
ZnSO4; S4: fracción soluble + 0´3 mM IPTG + 3 mM CuSO4 + 30 μM ZnSO4; P1:<br />
fracción insoluble no inducida; P2: fracción insoluble + 0´3 mM IPTG; P3: fracción<br />
insoluble + 0´3 mM IPTG + 0´5 mM CuSO4 + 0´5 mM ZnSO4; P4: fracción insoluble +<br />
0´3 mM IPTG + 3 mM CuSO4 + 30 μM ZnSO4. (C) Fracciones solubles <strong>de</strong> cultivos<br />
inducidos a 37 ºC + 0´3 mM IPTG + 0´5 mM CuSO4 + 0´5 mM ZnSO4. Los metales Cu<br />
y Zn fueron añadidos: 1, al principio <strong>de</strong> la fase inicial <strong>de</strong> crecimiento; 2, en el momento<br />
<strong>de</strong> inducción con IPTG, coincidiendo con la fase exponencial <strong>de</strong> crecimiento <strong>de</strong>l<br />
cultivo.<br />
118<br />
M 1 2<br />
Proteína <strong>de</strong> fusión<br />
MBP-His 6-CCS<br />
Proteína <strong>de</strong> fusión<br />
MBP-His 6 -CCS
3.4.3 Purificación<br />
119<br />
Resultados<br />
En el apartado 2.6.3 <strong>de</strong> Materiales y Métodos se <strong>de</strong>scribe el protocolo puesto a<br />
punto para purificar con éxito la proteína recombinante GmCCS. En la Fig. 2-7 se<br />
muestra un esquema <strong>de</strong> las etapas llevadas a cabo para purificar la chaperona.<br />
En primer lugar, el extracto crudo aclarado mediante centrifugación se cargó en<br />
una columna 1 x 5 ml Hitrap Ni 2+ -IMAC previamente equilibrada. De esta forma, la<br />
proteína <strong>de</strong> fusión se retuvo en la columna a través <strong>de</strong> la afinidad <strong>de</strong> su cola <strong>de</strong> His por<br />
el Ni 2+ , eliminando así la mayor parte <strong>de</strong>l resto <strong>de</strong> las proteínas presentes en el extracto<br />
celular. A continuación, la columna se lavó y la proteína <strong>de</strong> fusión se eluyó con un<br />
gradiente lineal 50-450 mM imidazol. Se recogieron las fracciones y se analizaron<br />
mediante SDS-PAGE para i<strong>de</strong>ntificar todas aquellas fracciones ricas en la proteína <strong>de</strong><br />
fusión MBP-His6-GmCCS (Fig. 3-21A). Se observan dos bandas mayoritarias que se<br />
correspon<strong>de</strong>n con la proteína <strong>de</strong> fusión MBP-His6-GmCCS (75´6 kDa) y con la proteína<br />
truncada MBP-His6 (52´6 kDa). Este resultado se confirmó utilizando el anticuerpo<br />
monoclonal comercial anti-His (Tabla 2-4). El análisis western blot <strong>de</strong> las fracciones<br />
eluidas <strong>de</strong> la columna muestra que tanto la proteína <strong>de</strong> fusión como la proteína truncada<br />
reaccionan con el anticuerpo anti-His (Fig. 3-21B). A pesar <strong>de</strong> que la proteína <strong>de</strong> fusión<br />
es mucho más abundante que la proteína truncada (Fig. 3-21A), en el western blot la<br />
señal correspondiente a la proteína truncada es mucho más intensa que la <strong>de</strong> la proteína<br />
<strong>de</strong> fusión. Esta mayor inmunoreactividad <strong>de</strong> la proteína truncada podría <strong>de</strong>berse a que la<br />
cola <strong>de</strong> His está más accesible al anticuerpo en ésta que en la proteína <strong>de</strong> fusión.
Resultados<br />
A<br />
B<br />
kDa<br />
101<br />
97<br />
54<br />
37<br />
29<br />
kDa<br />
101<br />
97<br />
54<br />
37<br />
29<br />
kDa<br />
114<br />
88<br />
50,7<br />
35,5<br />
M C 3 6 9 11 13 15 17 19<br />
M 40 37 34 31 29 27 25 23 21<br />
C 11 13 15 17 19 21 23 25<br />
Figura 3-21: Primera etapa <strong>de</strong> purificación <strong>de</strong> la proteína recombinante GmCCS<br />
mediante cromatografía IMAC. (A) Análisis SDS-PAGE 12% (p/v) y tinción<br />
Coomassie <strong>de</strong> las fracciones eluidas <strong>de</strong> la columna. (B) Western blot utilizando el<br />
anticuerpo monoclonal anti-His <strong>de</strong> las fracciones eluidas <strong>de</strong> la columna. M: Marcadores<br />
<strong>de</strong> peso molecular. C: Extracto celular cargado en la columna.<br />
120<br />
Proteína <strong>de</strong> fusión<br />
MBP-His 6-CCS<br />
Proteína Truncada<br />
His 6 -MBP<br />
Proteína <strong>de</strong> fusión<br />
MBP-His 6 -CCS<br />
Proteína Truncada<br />
His 6 -MBP<br />
Proteína <strong>de</strong> fusión<br />
MBP-His 6 -CCS<br />
Proteína Truncada<br />
His 6 -MBP
121<br />
Resultados<br />
Se seleccionaron las fracciones con un contenido mayor <strong>de</strong> la proteína <strong>de</strong> fusión<br />
y se digirieron con la proteasa trombina 10 µg/ml a 22 ºC durante 22 h, obteniendo<br />
como producto una mezcla <strong>de</strong> las proteínas GmCCS y MBP-His6. En la Fig. 3-22A se<br />
muestra el análisis SDS-PAGE don<strong>de</strong> se observa que la digestión <strong>de</strong> la proteína <strong>de</strong><br />
fusión ha sido prácticamente completa, obteniéndose eficazmente la proteína GmCCS<br />
en forma <strong>de</strong> doblete. Las mismas muestras se analizaron mediante western blot con el<br />
anticuerpo anti-His que reaccionó contra la proteína <strong>de</strong> fusión y la proteína truncada,<br />
como era esperable (Fig. 3-22B).<br />
A<br />
kDa<br />
104<br />
81<br />
48<br />
36<br />
27<br />
19<br />
M C Tr<br />
Proteína <strong>de</strong> fusión<br />
MBP-His 6 -CCS<br />
Proteína Truncada<br />
His 6 -MBP<br />
CCS<br />
C Tr M<br />
Figura 3-22: Segunda etapa <strong>de</strong> purificación <strong>de</strong> la proteína recombinante GmCCS.<br />
Digestión con trombina. (A) Análisis SDS-PAGE 15% (p/v) y tinción Coomassie. (B)<br />
Western blot utilizando el anticuerpo monoclonal anti-His. C: Proteína eluida <strong>de</strong> la<br />
primera columna Hitrap Ni 2+ -IMAC; Tr: productos <strong>de</strong> la digestión <strong>de</strong> la proteína <strong>de</strong><br />
fusión con trombina; M: Marcadores <strong>de</strong> peso molecular.<br />
B
Resultados<br />
La mezcla proteica resultante <strong>de</strong> la digestión se volvió a cargar en la columna<br />
Hitrap Ni 2+ -IMAC, utilizada en la primera etapa <strong>de</strong> la purificación. La proteína GmCCS<br />
quedó retenida a la columna <strong>de</strong>bido a sus aminoácidos que interaccionan con el Ni 2+ y<br />
se eluyó usando un gradiente lineal 0-450 mM imidazol. Se recogieron las fracciones y<br />
se analizaron mediante SDS-PAGE. En la Fig. 3-23 se observa que la proteína GmCCS<br />
eluyó algunas fracciones antes que la proteína truncada MBP-His6, lográndose, así,<br />
separar ambas proteínas con éxito.<br />
kDa<br />
101<br />
97<br />
54<br />
37<br />
29<br />
20<br />
101<br />
97<br />
54<br />
37<br />
29<br />
20<br />
M C Tr 5 8 10 12 14 16 18<br />
M 36 34 32 30 28 26 24 22 20<br />
Figura 3-23: Tercera etapa <strong>de</strong> purificación <strong>de</strong> la proteína recombinante GmCCS<br />
mediante cromatografía IMAC. Análisis SDS-PAGE 15% (p/v) y tinción Coomassie.<br />
M: Marcadores <strong>de</strong> peso molecular; C: Proteína eluida <strong>de</strong> la primera columna Hitrap<br />
Ni 2+ -IMAC; Tr: productos <strong>de</strong> la digestión <strong>de</strong> la proteína <strong>de</strong> fusión con trombina; 5-36:<br />
fracciones eluidas <strong>de</strong> la columna. Las fracciones elegidas se indican entre corchetes.<br />
122<br />
Proteína <strong>de</strong> fusión<br />
MBP-His 6 -CCS<br />
Proteína Truncada<br />
His 6-MBP<br />
CCS<br />
Proteína <strong>de</strong> fusión<br />
MBP-His 6 -CCS<br />
Proteína Truncada<br />
His 6 -MBP
123<br />
Resultados<br />
Finalmente, para conseguir una pureza superior <strong>de</strong> la proteína recombinante, las<br />
fracciones seleccionadas (marcadas con corchetes en la Fig. 3-23) se cargaron en una<br />
columna <strong>de</strong> intercambio aniónico débil Toyopearl TSK DEAE-650s previamente<br />
equilibrada. A continuación, la columna se lavó y se realizó la elución <strong>de</strong> la proteína<br />
mediante un gradiente lineal 7´5-4´5 <strong>de</strong> pH. El análisis <strong>de</strong> la pureza <strong>de</strong> las fracciones<br />
eluidas se realizó mediante SDS-PAGE. En la Fig. 3-24A se muestra el resultado <strong>de</strong><br />
esta última etapa don<strong>de</strong> la preparación <strong>de</strong> GmCCS ha quedado libre <strong>de</strong> proteínas<br />
contaminantes. La proteína pura aparece en SDS-PAGE como una doble banda con<br />
pesos moleculares aparentes en torno a 37 kDa. Este peso molecular aparente es mayor<br />
que el peso molecular teórico <strong>de</strong> la proteína, obtenido a partir <strong>de</strong> su secuencia <strong>de</strong>rivada<br />
<strong>de</strong> aminoácidos (32´6 kDa).<br />
A B<br />
kDa M C 1 3 6 9 12 15 18 21 24 26 28 30 32<br />
104<br />
97<br />
50<br />
37<br />
29<br />
34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 53 54 55 56 57<br />
Figura 3-24: Cuarta etapa <strong>de</strong> purificación <strong>de</strong> la proteína recombinante GmCCS<br />
mediante cromatografía <strong>de</strong> intercambio aniónico débil utilizando una columna<br />
Toyopearl TSK DEAE-650s. (A) Análisis SDS-PAGE 15% (p/v) y tinción Coomassie.<br />
C: Proteína eluida <strong>de</strong> la segunda columna Hitrap Ni 2+ -IMAC; 1-57: fracciones eluidas<br />
<strong>de</strong> la columna. (B) Análisis western blot utilizando el anticuerpo anti-GmCCS. P:<br />
proteína recombinante purificada; M: Marcadores <strong>de</strong> peso molecular.<br />
CCS<br />
CCS<br />
kDa<br />
107<br />
94<br />
52<br />
37<br />
28<br />
18<br />
M P<br />
CCS
Resultados<br />
Ambas bandas reaccionaron con el anticuerpo específico contra la chaperona<br />
anti-GmCCS mediante western blot (Fig. 3-24B). Por otro lado, el análisis MALDI-<br />
TOF (apartado 2.7.1) confirmó la i<strong>de</strong>ntidad <strong>de</strong> ambas bandas como CCS <strong>de</strong> soja. El<br />
análisis <strong>de</strong> la secuencia N-terminal (apartado 2.7.2) <strong>de</strong> la banda inferior revela que la<br />
diferencia <strong>de</strong> tamaño entre ambas se <strong>de</strong>be a la pérdida <strong>de</strong> los primeros 40-50<br />
aminoácidos <strong>de</strong> la proteína, que correspon<strong>de</strong>n al péptido señal <strong>de</strong> tránsito al cloroplasto<br />
(Fig. 3-25). Nuestra hipótesis es que proteasas endógenas <strong>de</strong> la bacteria E. coli digieren<br />
a la chaperona en tres puntos diferentes localizados alre<strong>de</strong>dor <strong>de</strong>l final <strong>de</strong> su péptido<br />
señal, simulando <strong>de</strong> alguna manera lo que ocurre en el cloroplasto durante la<br />
maduración <strong>de</strong> esta proteína. Po<strong>de</strong>mos concluir, por tanto, que la proteína recombinante<br />
GmCCS fue purificada con un alto grado <strong>de</strong> pureza siguiendo la metodología aquí<br />
<strong>de</strong>scrita. El rendimiento aproximado <strong>de</strong> la purificación fue 0´5 ml <strong>de</strong> proteína pura 60<br />
µM a partir <strong>de</strong> 0´5 l <strong>de</strong> cultivo <strong>de</strong> bacterias. El análisis por ICP-MS (apartado 2.7.3)<br />
<strong>de</strong>mostró que la proteína purificada no contenía metales y, por tanto, era obtenida en<br />
forma apo.<br />
MAFLRSIATTAIATIPAALAFSSSSSSSFPRSSQSPNPQNRLGLVKTLATPPSALHMDHKLSSQPDA<br />
VLPELLTEFMVDMKCEGCVNAVKNKLNEINGVKNVVVDLSNQVVRILGSTPVKTMTEALEQTG<br />
RKARLIGQGVPEDFLISAAVSEFKGPDIFGVVRLAQVNMELARIEANFGGLSPGKHGWSINEFGD<br />
LTRGAASTGKMFNPVNEENSKEPLGDLGTLEANEKGEAFYSGVKEKLRVADLIGRSVVVYATE<br />
DKSEHGITAAVIARSAGVGENYKKLCTCDGTTIWEATDTDFVTSKV<br />
Figura 3-25: Procesamiento heterogéneo <strong>de</strong> GmCCS por las proteasas <strong>de</strong> E. coli. El<br />
péptido <strong>de</strong> tránsito al cloroplasto está subrayado. Las tres secuencias N-terminal (seis<br />
aminoácidos) diferentes obtenidas en el análisis por <strong>de</strong>gradación secuencial Edman se<br />
indican en la parte superior <strong>de</strong> la figura. Las flechas indican su posición en la secuencia<br />
<strong>de</strong> aminoácidos.<br />
124<br />
LATPPS…<br />
TPPSAL…<br />
LVKTLA…
3.5 CARACTERIZACIÓN ESPECTROSCÓPICA DE LA GmCCS<br />
RECOMBINANTE PURIFICADA<br />
3.5.1 Absorción UV-Vis<br />
125<br />
Resultados<br />
En la Fig 3-26 se presentan los espectros <strong>de</strong> absorción UV <strong>de</strong> GmCCS añadiendo<br />
concentraciones crecientes <strong>de</strong> Cu + . La adicción <strong>de</strong> iones Cu + da lugar a un aumento <strong>de</strong><br />
la absorbancia a 240 nm como consecuencia <strong>de</strong> la interacción <strong>de</strong>l ión metálico con la<br />
proteína. Para el cálculo <strong>de</strong> la constante <strong>de</strong> disociación Kd <strong>de</strong>l complejo GmCCS-Cu + se<br />
utilizó la representación <strong>de</strong> los dobles recíprocos. La representación <strong>de</strong> 1/Abs240<br />
respecto a 1/[Cu] se ajusta a dos rectas, cuyas pendientes son Kd1 = 0´18 μM y Kd2 =<br />
6´08 μM. Se sugiere, por tanto, que GmCCS posee dos sitios diferentes <strong>de</strong> unión <strong>de</strong>l ión<br />
Cu + , cada uno con distinta afinidad. Según su secuencia, la chaperona contiene dos<br />
sitios <strong>de</strong> unión a metal en los dominios I (MXCXXC) y III (CXC). Los pares <strong>de</strong> cisteína<br />
<strong>de</strong> estos dominios I (Cys7 y Cys10) y III (Cys209 y Cys211) se encuentran indicados en<br />
el mo<strong>de</strong>lo estructural <strong>de</strong> GmCCS con color rojo (Fig. 3-29) (apartado 2.9.2).<br />
Los espectros <strong>de</strong> absorción UV-Vis <strong>de</strong> la chaperona añadiendo concentraciones<br />
crecientes <strong>de</strong> Zn 2+ en presencia <strong>de</strong>l indicador mag-fura-2 se presentan en la Fig. 3-27.<br />
La adición <strong>de</strong> iones Zn 2+ da lugar a un aumento <strong>de</strong> la absorbancia a 322 nm <strong>de</strong>bido a la<br />
formación <strong>de</strong>l complejo GmCCS-Zn 2+ . Como en el caso anterior, se analizaron los datos<br />
mediante la representación <strong>de</strong> 1/Abs322 respecto a 1/[Zn] dando lugar el ajuste a una<br />
única recta cuya pendiente correspon<strong>de</strong> a una Kd.= 9´15 μM. Se propone, por lo tanto,<br />
que la GmCCS posee un único sitio <strong>de</strong> unión al ión Zn 2+ , con menor afinidad que los <strong>de</strong><br />
Cu + y estaría situado probablemente en el dominio II <strong>de</strong> GmCCS, homólogo a la enzima<br />
GmCuZnSOD.
Resultados<br />
A<br />
B<br />
C<br />
Abs 240 nm<br />
0,12<br />
0,1<br />
0,08<br />
0,06<br />
0,04<br />
0,02<br />
0<br />
0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00 45,00<br />
[Cu] micromolar<br />
Y= 7´93 + 48´23 X<br />
R= 0´9649<br />
Figura 3-26: Unión <strong>de</strong> Cu + a GmCCS. (A) Espectros <strong>de</strong> absorción UV; (B)<br />
Representación <strong>de</strong>l cambio <strong>de</strong> absorción a 240 nm en función <strong>de</strong> la [Cu + ]; (C)<br />
representación <strong>de</strong> los dobles recíprocos para calcular las Kd <strong>de</strong>l complejo GmCCS-Cu + .<br />
Los datos mostrados son representativos <strong>de</strong> al menos dos réplicas in<strong>de</strong>pendientes <strong>de</strong>l<br />
experimento.<br />
126<br />
Y= 16´69 + 3´04 X<br />
R= 0´9869<br />
K d2 = 6´08 µM<br />
K d1 = 0´18 µM
A<br />
B<br />
C<br />
Abs 322-400 nm<br />
0.2<br />
0.18<br />
0.16<br />
0.14<br />
0.12<br />
0.1<br />
0.08<br />
0.06<br />
0.04<br />
0.02<br />
1/Abs 0<br />
0 2 4 6 8 10 12<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
-1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0<br />
-10<br />
[Zn] micromolar<br />
127<br />
Y= 21´58 + 2´36 X<br />
R2 = 0´9936<br />
K d = 9´15 µM<br />
1/[Zn]<br />
Resultados<br />
Figura 3-27: Unión <strong>de</strong> Zn 2+ a GmCCS. (A) Espectros <strong>de</strong> absorción UV-Vis; (B)<br />
Representación <strong>de</strong> los cambios <strong>de</strong> absorción a 322-400 nm en función <strong>de</strong> la [Zn 2+ ]; (C)<br />
Representación <strong>de</strong> los dobles recíprocos para la <strong>de</strong>terminación <strong>de</strong> la Kd <strong>de</strong>l complejo<br />
GmCCS-Zn 2+ . Los datos mostrados son representativos <strong>de</strong> al menos dos réplicas<br />
in<strong>de</strong>pendientes <strong>de</strong>l experimento.
Resultados<br />
En la Fig. 3-28 se presentan los espectros <strong>de</strong> absorción Vis <strong>de</strong> GmCCS<br />
añadiendo Co 2+ . La adición <strong>de</strong> Co 2+ da lugar a un aumento <strong>de</strong> la absorbancia a 730 nm<br />
<strong>de</strong>bido a la formación <strong>de</strong>l complejo GmCCS-Co 2+ . Aunque el Co no es un cofactor<br />
fisiológico <strong>de</strong> la chaperona CCS, se utiliza normalmente como test <strong>de</strong> funcionalidad in<br />
vitro <strong>de</strong> la apo-chaperona.<br />
Figura 3-28: Unión <strong>de</strong> Co 2+ (9 μM) a GmCCS. Espectros <strong>de</strong> absorción Vis. El espectro<br />
obtenido tras la adición <strong>de</strong>l metal se indica en color gris.<br />
128
129<br />
Resultados<br />
Figura 3-29: Mo<strong>de</strong>lado <strong>de</strong> la chaperona GmCCS utilizando como mol<strong>de</strong> la estructura<br />
<strong>de</strong> la proteína CCS <strong>de</strong> levadura (1jk9_B.pdb). Los pares <strong>de</strong> cisteína <strong>de</strong> unión a Cu +<br />
(Cys7 y Cys10) y (Cys209 y Cys211) se indican con color rojo, los triptófanos (Trp113<br />
y Trp217) en color azul y las tirosinas (Tyr160, Tyr180 y Tyr205) en rosa.<br />
3.5.2 Fluorescencia<br />
Dominio II Dominio III<br />
Dominio I<br />
La unión a Cu + se analizó también a través <strong>de</strong> los cambios observados en la<br />
fluorescencia intrínseca <strong>de</strong> la proteína GmCCS purificada. El triptófano (Trp) y en<br />
menor medida la tirosina (Tyr) y la fenilalanina (Phe), son los principales fluoróforos<br />
intrínsecos <strong>de</strong> las proteínas. GmCCS contiene tres Tyr y dos Trp, señalados en el<br />
mo<strong>de</strong>lo estructural <strong>de</strong> esta chaperona en color rosa y azul, respectivamente (Fig. 3-29).<br />
La Fig. 3-30A muestra el espectro <strong>de</strong> emisión <strong>de</strong> la chaperona GmCCS que contiene dos<br />
picos con máximos a 322 nm (contribución parcial <strong>de</strong> las Tyr) y a 338 nm (contribución<br />
<strong>de</strong> los Trp). Se midió la variación <strong>de</strong> la fluorescencia a λ338nm correspondiente a los Trp.<br />
El Trp217 sería el principal responsable <strong>de</strong> las variaciones observadas ya que está<br />
próximo a un par <strong>de</strong> cisteínas localizadas en el dominio <strong>de</strong> unión a metal
Resultados<br />
(Cys209XCys211) (Fig. 3-29). En la Fig. 3-30B se observa una disminución <strong>de</strong> la emisión<br />
a 338 nm por las primeras adiciones <strong>de</strong> Cu + y seguidamente se produce un incremento<br />
<strong>de</strong> la emisión a esta longitud <strong>de</strong> onda por las siguientes adiciones <strong>de</strong>l metal. Este<br />
comportamiento podría reflejar un cambio en la hidrofobicidad <strong>de</strong>l ambiente que ro<strong>de</strong>a<br />
al residuo Trp217, <strong>de</strong>bido probablemente a un cambio conformacional <strong>de</strong> la proteína<br />
por efecto <strong>de</strong>l ión metálico.<br />
A<br />
B<br />
Fluorescencia a 338 nm<br />
1<br />
0<br />
0 5 10 15 20 25<br />
-1<br />
-2<br />
-3<br />
-4<br />
-5<br />
-6<br />
-7<br />
Tyr<br />
Trp<br />
[Cu] Micromolar<br />
Figura 3-30: (A) Espectro <strong>de</strong> fluorescencia <strong>de</strong> GmCCS. (B) Representación <strong>de</strong> la<br />
fluorescencia a 338 nm en función <strong>de</strong> la [Cu + ]. Los datos mostrados son representativos<br />
<strong>de</strong> al menos dos réplicas in<strong>de</strong>pendientes.<br />
130
3.5.3 Dicroísmo circular<br />
m<strong>de</strong>g<br />
9<br />
7<br />
5<br />
3<br />
1<br />
-1<br />
-3<br />
-5<br />
-7<br />
190 200 210 220 230 240 250<br />
Longitud <strong>de</strong> onda (nm)<br />
131<br />
Resultados<br />
Los espectros <strong>de</strong> dicroísmo circular en el UV lejano <strong>de</strong> la proteína GmCCS<br />
purificada añadiendo concentraciones crecientes <strong>de</strong> Cu + , se presentan en la Fig. 3-31. El<br />
espectro analizado a través <strong>de</strong>l servidor Dichroweb (apartado 2.8.3) muestra que la<br />
estructura secundaria <strong>de</strong> la chaperona tiene aproximadamente un 7% <strong>de</strong> contenido en<br />
hélice α, un 45% en lámina β y un 48% en estructura <strong>de</strong>sor<strong>de</strong>nada. Estos porcentajes<br />
son muy similares a los obtenidos a partir <strong>de</strong>l mo<strong>de</strong>lado <strong>de</strong> la estructura <strong>de</strong> la chaperona<br />
GmCCS (apartado 2.9.2): 10% <strong>de</strong> contenido en hélice α, un 40% en lámina β y un 50%<br />
en estructura <strong>de</strong>sor<strong>de</strong>nada. El contenido <strong>de</strong> estructura <strong>de</strong>sor<strong>de</strong>nada es<br />
sorpren<strong>de</strong>ntemente alto, indicando que la estructura <strong>de</strong> la GmCCS con sus tres dominios<br />
diferentes es poco compacta abierta y probablemente es muy flexible. La presencia <strong>de</strong><br />
Cu + no parece que provoque una reorganización general significativa <strong>de</strong> la estructura<br />
secundaria <strong>de</strong> la proteína. Los espectros a λ menores <strong>de</strong> 200 nm no son fiables por<br />
posibles interferencias <strong>de</strong>l medio.<br />
h.α. (%) l.β. (%) e.d. (%)<br />
DC GmCCS 7 45 48<br />
Mo<strong>de</strong>lo GmCCS 10 40 50<br />
Figura 3-31: Dicroísmo circular en el UV lejano <strong>de</strong> GmCCS. Las concentraciones <strong>de</strong><br />
Cu + utilizadas fueron 0 μM (rosa), 6 μM (azul oscuro), 57 μM (ver<strong>de</strong>) y 120 μM (azul<br />
claro). Los porcentajes <strong>de</strong> los componentes <strong>de</strong> estructura secundaria (hélice α = h.α.,<br />
lámina β = l.β. y estructura <strong>de</strong>sor<strong>de</strong>nada = e.d.) calculados a partir <strong>de</strong>l espectro<br />
experimental y <strong>de</strong>l mo<strong>de</strong>lo estructural <strong>de</strong> GmCCS, se indican en la tabla situada en el<br />
interior.
Resultados<br />
3.6 BÚSQUEDA DE UNA HIPOTÉTICA cpCCS EN SOJA<br />
Tottey y col. (2002) i<strong>de</strong>ntificaron y caracterizaron una chaperona ATX1 en la<br />
cianobacteria Synechocystis PCC 6803 que contiene el dominio <strong>de</strong> unión a metal CxxC<br />
y transporta Cu entre las Cu-ATPasas CtaA (membrana citoplasmática) y PacS<br />
(membrana tilacoidal), siendo liberado finalmente a la Pc, proteína clave para la<br />
fotosíntesis. Dada la similitud existente entre el cloroplasto y su antecesor, una<br />
cianobacteria, se i<strong>de</strong>ntificaron posteriormente los homólogos <strong>de</strong> CtaA y PacS en<br />
plantas: PAA1/HMA6 localizado en la envuelta <strong>de</strong>l cloroplasto (Shikanai y col., 2003)<br />
y PAA2/HMA8 localizado en la membrana tilacoidal (Ab<strong>de</strong>l-Ghany y col., 2005b;<br />
Bernal y col., 2007) (Fig. 1-7).<br />
En A. thaliana se i<strong>de</strong>ntificó una chaperona <strong>de</strong>nominada cpCCS cuya secuencia<br />
fue <strong>de</strong>positada en el año 2003 por Burkhead y col. (datos no publicados) en el NCBI<br />
con el código AY303948. Esta chaperona cpCCS contiene un péptido <strong>de</strong> tránsito al<br />
cloroplasto, un dominio <strong>de</strong> unión a metal y podría realizar la función <strong>de</strong> transportar Cu<br />
<strong>de</strong>s<strong>de</strong> HMA6 hasta HMA8 en el cloroplasto. Actualmente no se ha i<strong>de</strong>ntificado todavía<br />
la chaperona que realiza esta función <strong>de</strong> transportar Cu <strong>de</strong>s<strong>de</strong> HMA6 hasta HMA8 en<br />
los cloroplastos <strong>de</strong> las plantas (Ab<strong>de</strong>l-Ghany y col., 2005b). A pesar <strong>de</strong> su semejanza en<br />
el nombre, esta chaperona cpCCS no es la misma que la AtCCS (Wintz y Vulpe, 2002)<br />
porque su secuencia <strong>de</strong> aminoácidos es diferente y le falta el dominio <strong>de</strong> unión a<br />
CuZnSOD.<br />
Hemos intentado en este trabajo i<strong>de</strong>ntificar en soja el homólogo <strong>de</strong> esta<br />
hipotética cpCCS cloroplástica <strong>de</strong>scrita en Arabidopsis e implicada en el transporte <strong>de</strong><br />
Cu entre HMA6 y HMA8. Para ello, se diseñaron cebadores <strong>de</strong>generados a partir <strong>de</strong> las<br />
secuencias <strong>de</strong> los genes que codifican para cpCCS (AY303948) y AtATX1<br />
(AK220937). Es importante aclarar que la chaperona <strong>de</strong> Cu ATX1 <strong>de</strong> Synechocystis es<br />
totalmente diferente a la ATX1 i<strong>de</strong>ntificada en levadura, humano y planta. El extremo<br />
N-terminal <strong>de</strong> AtATX1 muestra un plegamiento con estructura βαββαβ y un dominio <strong>de</strong><br />
unión a Cu + MxCxxC, típicos <strong>de</strong> las proteínas <strong>de</strong> esta familia (metalochaperonas <strong>de</strong> tipo<br />
ATX1). Se intentó utilizar también el gen que codifica para la ATX1 <strong>de</strong> Synechocystis<br />
en el diseño <strong>de</strong> los cebadores, sin embargo, no fue posible porque la <strong>de</strong>generación era<br />
excesiva. En total se diseñaron tres cebadores, dos 5´ y uno 3´, los cuales fueron<br />
probados y los que dieron señal en la RT-PCR fueron seleccionados (5´-SOJA+X1 y 3´-<br />
SOJA+X1) (Tabla 2-1). Se utilizó un programa <strong>de</strong> RT-PCR especial que se indica en la<br />
132
133<br />
Resultados<br />
Fig. 2-4. Este programa varía, entre otras cosas, el tiempo <strong>de</strong> hibridación, siendo más<br />
alto, y las rampas <strong>de</strong> temperatura anterior y posterior a la etapa <strong>de</strong> hibridación corrieron<br />
más lentas que en el programa tipo; ambos cambios se realizaron para facilitar la<br />
correcta hibridación <strong>de</strong> los oligos <strong>de</strong>generados al DNA. El mol<strong>de</strong> utilizado para la RT-<br />
PCR fue cDNA <strong>de</strong> suspensiones celulares (crecidas en condiciones control y<br />
suplementadas con 10 μM Cu durante una generación) y hojas jóvenes <strong>de</strong> plantas <strong>de</strong><br />
soja (crecidas en condiciones control y suplementadas con 10 μM Cu radicular). No se<br />
observó ninguna banda en las RT-PCRs realizadas excepto con la muestra <strong>de</strong> hoja joven<br />
<strong>de</strong> planta <strong>de</strong> soja control. En la Fig. 3-32 se muestra el producto <strong>de</strong> esta RT-PCR que<br />
correspon<strong>de</strong> con una banda <strong>de</strong> 800 pb, tamaño a<strong>de</strong>cuado para tratarse <strong>de</strong> la chaperona<br />
cpCCS <strong>de</strong> soja. Este producto <strong>de</strong> PCR se clonó y secuenció. Con la secuencia obtenida<br />
se realizó un alineamiento con la secuencia <strong>de</strong>positada <strong>de</strong>l gen que codifica para la<br />
hipotética chaperona cpCCS <strong>de</strong> Arabidopsis. La secuencia clonada no presentaba<br />
homología alguna con la <strong>de</strong> cpCCS. Por otro lado, las secuencias homólogas a nuestra<br />
secuencia clonada, obtenidas mediante el programa Blast, no codificaban para ninguna<br />
proteína relacionada con la homeostasis <strong>de</strong>l Cu. Estas secuencias que presentaban<br />
homología con nuestra secuencia clonada codificaban para la ribonucleoproteína<br />
nuclear heterogénea y la proteína beta-cetoacil-CoA sintasa. Ninguna <strong>de</strong> estas proteínas<br />
coincidían con la chaperona que buscábamos, por lo que no se consiguió encontrar la<br />
hipotética cpCCS que transporta Cu <strong>de</strong>s<strong>de</strong> HMA6 hasta HMA8 <strong>de</strong> soja.<br />
pb<br />
1000<br />
850<br />
650<br />
M 1<br />
Figura 3-32: Análisis mediante RT-PCR para intentar amplificar el gen cpCCS <strong>de</strong> soja.<br />
1: hoja joven <strong>de</strong> planta crecida en condiciones control.
DISCUSIÓN
4 DISCUSIÓN<br />
4.1 REGULACIÓN TRANSCRIPCIONAL DE GmCCS Y GmCSD2<br />
137<br />
Discusión<br />
En este trabajo se ha estudiado la regulación a nivel transcripcional <strong>de</strong> los genes<br />
CCS y CSD2 <strong>de</strong> suspensiones celulares y plantas <strong>de</strong> soja, crecidas en condiciones<br />
control (0´1 μM Cu) y suplementadas con un exceso <strong>de</strong> Cu (10 μM), mediante la técnica<br />
PCR reversa (RT-PCR). Fisiológicamente, estas suspensiones celulares y plantas <strong>de</strong><br />
soja presentaron un fenotipo aparentemente normal, sin síntomas visibles <strong>de</strong> <strong>de</strong>ficiencia<br />
en los controles ni <strong>de</strong> toxicidad por el metal suministrado.<br />
Ambos genes, GmCCS y GmCSD2, se expresan en todos los tejidos analizados<br />
(hoja joven, hoja madura, tallo, raíz y flor). En A. thaliana, los mRNAs <strong>de</strong> la CCS<br />
(Ab<strong>de</strong>l-Ghany y col., 2005a), CSD1, CSD2 y FSD1 (Ab<strong>de</strong>l-Ghany y Pilon, 2008) se<br />
expresan también en raíz y en tejido fotosintético. En la literatura existen otros ejemplos<br />
<strong>de</strong> proteínas cloroplásticas, HMA6/PAA1 (Ab<strong>de</strong>l-Ghany y col., 2005b) y CUTA<br />
(Burkhead y col., 2003), cuyos mRNAs se expresan tanto en tejido fotosintético como<br />
no fotosintético. Sin embargo, los mRNAs que codifican para las proteínas Pc (Ab<strong>de</strong>l-<br />
Ghany y Pilon, 2008) y HMA8/PAA2 (Ab<strong>de</strong>l-Ghany y col., 2005b), se expresan<br />
únicamente en tejido fotosintético <strong>de</strong> A. thaliana. En el tejido no fotosintético, se<br />
encuentran los plastidios no activos fotosintéticamente. El hecho <strong>de</strong> que se exprese el<br />
mRNA <strong>de</strong> estos genes en la raíz, no significa que exista traducción <strong>de</strong> la proteína<br />
correspondiente y, en caso <strong>de</strong> traducirse, podría no ser funcional.<br />
4.1.1 Regulación por “splicing” alternativo<br />
GmCCS y GmCSD2 están regulados por un mecanismo <strong>de</strong> “splicing” alternativo<br />
<strong>de</strong> tipo retención <strong>de</strong> intrón. Se ha <strong>de</strong>mostrado que la retención <strong>de</strong> intrón es el tipo <strong>de</strong><br />
“splicing” alternativo más frecuente en Arabidopsis y arroz, y que los transcritos<br />
resultantes están implicados principalmente en funciones como la fotosíntesis y la<br />
respuesta frente al estrés (Ner-Gaon y col., 2004; Wang y Bren<strong>de</strong>l, 2006; Campbell y<br />
col., 2006). En el caso <strong>de</strong>l gen GmCCS, se han <strong>de</strong>tectado cuatro mensajeros (GmCCS,<br />
NSP-GmCCS1, NSP-GmCCS2 y NSP-GmCCS3) en suspensiones celulares y tres<br />
mensajeros (GmCCS, NSP-GmCCS2 y NSP-GmCCS3) en planta entera <strong>de</strong> soja. En el<br />
caso <strong>de</strong>l gen GmCSD2, se han <strong>de</strong>tectado dos mensajeros (GmCSD2 y NSP-GmCSD2)
Discusión<br />
tanto en suspensiones celulares como en planta entera. Los intrones <strong>de</strong> cada uno <strong>de</strong> los<br />
transcritos analizados poseen secuencias ricas en uridina y a<strong>de</strong>nosina, característica<br />
típica <strong>de</strong> los intrones <strong>de</strong> plantas dicotiledóneas y en menor proporción <strong>de</strong><br />
monocotiledóneas (Goodall y Filipowicz, 1991). En Arabidopsis y arroz se proponen las<br />
secuencias C(A)AG/GTAA y TGCAG/G como secuencias consenso para los sitios <strong>de</strong>l<br />
donador y <strong>de</strong>l aceptor <strong>de</strong> “splicing” respectivamente. Sin embargo, estos límites son<br />
menos <strong>de</strong>finidos para los intrones <strong>de</strong> las plantas que para los <strong>de</strong> animales. Las<br />
secuencias <strong>de</strong> los genes estudiados en esta Tesis Doctoral, GmCCS y GmCSD2,<br />
cumplen esta regla consenso. Se ha <strong>de</strong>scrito que un porcentaje (14% en Arabidopsis y<br />
17% en arroz) <strong>de</strong> los genes que sufren “splicing” alternativo no cumplen esta regla (GT-<br />
AG, GC-AG, AT-AC) (Ner-Gaon y col., 2007). Estas secuencias que no cumplen la<br />
regla se pue<strong>de</strong>n encontrar en TIGR<br />
(http://www.tigr.org/tdb/e2k1/ath1/Arabidopsis_nonconsensus_splice_sites.shtml).<br />
En todos nuestros transcritos que contienen un intrón, se obtienen péptidos<br />
truncados, ya que la presencia <strong>de</strong>l intrón genera un codón <strong>de</strong> terminación que provoca la<br />
parada prematura <strong>de</strong> la traducción. Los péptidos truncados no suelen ser funcionales<br />
pero para comprobarlo habría que realizar ensayos <strong>de</strong> complementación en plantas<br />
transgénicas o en mutantes <strong>de</strong> levaduras. Por otro lado, el hecho <strong>de</strong> que el intrón no sea<br />
eliminado en la maduración <strong>de</strong>l mRNA, pue<strong>de</strong> dar lugar también a péptidos truncados<br />
inactivos sin función alguna, esta estrategia le serviría a la célula como una manera<br />
económica <strong>de</strong> regular la cantidad <strong>de</strong> proteína activa producida finalmente. De los cuatro<br />
péptidos truncados que se obtienen fruto <strong>de</strong> la regulación por “splicing” alternativo <strong>de</strong><br />
los genes GmCCS y GmCSD2, sólo NSP-GmCCS3 y NSP-GmCSD2 pue<strong>de</strong>n ser<br />
<strong>de</strong>tectados con los anticuerpos que disponemos actualmente. NSP-GmCCS3 conserva la<br />
secuencia <strong>de</strong> aminoácidos que reconoce el anticuerpo correspondiente anti-GmCCS y<br />
NSP-GmCSD2 podría ser <strong>de</strong>tectado con el anticuerpo contra la proteína CuZnSOD<br />
entera <strong>de</strong> cebada.<br />
Se ha <strong>de</strong>mostrado que en el genoma <strong>de</strong> A. thaliana sólo existe una copia <strong>de</strong>l gen<br />
CCS localizada en el cromosoma 1 (Wintz y Vulpe, 2002), sin embargo, en patata se<br />
han encontrado dos copias <strong>de</strong> este gen (Trinda<strong>de</strong> y col., 2003). Las secuencias<br />
disponibles en las bases <strong>de</strong> datos indican que la presencia <strong>de</strong> dos genes es una<br />
característica común en monocotiledóneas pero no en dicotiledóneas. Este hecho<br />
sugiere que los genes <strong>de</strong> la patata pue<strong>de</strong>n ser el resultado <strong>de</strong> una duplicación reciente.<br />
En ambas plantas dicotiledóneas, A. thaliana y patata, se <strong>de</strong>scribe que el gen CCS está<br />
138
139<br />
Discusión<br />
compuesto por seis exones y cinco intrones. Recientemente se ha <strong>de</strong>positado el genoma<br />
<strong>de</strong> soja completo secuenciado (http://www.phytozome.net/soybean.php) don<strong>de</strong> se<br />
encuentra un único gen para la CCS, localizado en el cromosoma 5 y constituido por 6<br />
exones y 5 intrones, como en A. thaliana y patata. Tres <strong>de</strong> estos intrones han sido<br />
i<strong>de</strong>ntificados en esta Tesis Doctoral (intrones 1, 2 y 3), los cuales correspon<strong>de</strong>n al<br />
segundo, tercero y quinto intrón, respectivamente, en la secuencia <strong>de</strong> soja <strong>de</strong>positada.<br />
En el caso <strong>de</strong> la CuZnSOD, existen tres genes diferentes que codifican para la<br />
CuZnSOD cloroplástica (CSD2) en el genoma <strong>de</strong> soja secuenciado, localizados uno en<br />
el cromosoma 11 y dos en el cromosoma 12, constituidos cada uno <strong>de</strong> ellos por 8<br />
exones y 7 intrones. Uno <strong>de</strong> los genes localizado en el cromosoma 12 coinci<strong>de</strong> con el<br />
gen CSD2 utilizado en esta Tesis Doctoral, y hemos i<strong>de</strong>ntificado uno <strong>de</strong> los 7 intrones<br />
que correspon<strong>de</strong> con el cuarto intrón <strong>de</strong> la secuencia <strong>de</strong>positada. Por otro lado, existen<br />
también tres genes diferentes que codifican para la CuZnSOD citosólica (CSD1) en el<br />
genoma <strong>de</strong> soja secuenciado, localizados en los cromosomas 3, 16 y 19, y constituidos<br />
cada uno por 7 exones y 6 intrones. Dos <strong>de</strong> estos genes, localizados en los cromosomas<br />
3 y 19, codifican para la misma secuencia proteica <strong>de</strong> CSD1. El hecho <strong>de</strong> que existan<br />
varios genes diferentes para CSD1 y CSD2 en soja, siendo ésta una planta<br />
dicotiledónea, sugiere que estos genes pue<strong>de</strong>n ser el resultado <strong>de</strong> una duplicación<br />
reciente posterior a la antigua separación <strong>de</strong> las plantas monocotiledóneas y<br />
dicotiledóneas, momento en el que las dicotiledóneas perdieron una copia. Esta<br />
duplicación génica pue<strong>de</strong> generar isoformas diferentes <strong>de</strong> la misma proteína.<br />
Existen varios ejemplos <strong>de</strong> cuproproteínas reguladas por este mecanismo <strong>de</strong><br />
“splicing” alternativo en plantas: CUTA <strong>de</strong> Arabidopsis (Burkhead y col., 2003),<br />
COX19 <strong>de</strong> Arabidopsis (Attallah y col., 2007b), CuZnSOD <strong>de</strong> Populus (Srivastava y<br />
col., 2009) y HMA8 <strong>de</strong> soja (Bernal M., 2006, Tesis Doctoral, Universidad <strong>de</strong><br />
Zaragoza). Se han publicado estudios recientes <strong>de</strong> “splicing” alternativo en los genomas<br />
<strong>de</strong> maíz, musgo (Rensing y col., 2008) y tres especies <strong>de</strong> leguminosas (Wang y col.,<br />
2008). La mayor parte <strong>de</strong> los casos <strong>de</strong> “splicing” alternativo no han sido caracterizados<br />
funcionalmente en plantas, pero se sugiere su participación en importantes funciones<br />
como la respuesta a estreses entre los que se encuentra el estrés abiótico (Mazzucotelli y<br />
col., 2008). El mecanismo <strong>de</strong> “splicing” alternativo en genes que participan en algún<br />
tipo <strong>de</strong> estrés podría ser una herramienta muy útil para <strong>de</strong>sarrollar mecanismos <strong>de</strong><br />
adaptación y supervivencia.
Discusión<br />
4.1.2 Regulación por cobre<br />
Los genes GmCCS y GmCSD2 están regulados por cobre a nivel transcripcional<br />
o postranscripcional. La presencia <strong>de</strong> un exceso <strong>de</strong> este metal (10 μM) provoca una<br />
fuerte inducción <strong>de</strong> la expresión <strong>de</strong> ambos genes tanto en suspensiones celulares como<br />
en plantas <strong>de</strong> soja. Aparentemente, el Cu influye en el patrón <strong>de</strong> “splicing” <strong>de</strong> GmCCS<br />
ya que cuando este metal está en exceso, se visualiza sólo un mensajero (GmCCS) en el<br />
gel. Sin embargo, mediante RT-PCR utilizando un cebador diseñado en la zona<br />
intrónica <strong>de</strong> cada uno <strong>de</strong> los mensajeros con intrón, se amplificaron el resto <strong>de</strong><br />
mensajeros (NSP-GmCCS1, NSP-GmCCS2 y NSP-GmCCS3). En plantas, el perfil <strong>de</strong><br />
expresión <strong>de</strong> los tejidos tratados con Cu foliar (CuF) es el mismo que en condiciones<br />
control (C). Este hecho junto a los datos <strong>de</strong> ICP-MS, indican que el tratamiento CuF no<br />
fue muy eficaz y que probablemente el Cu no entra fácilmente <strong>de</strong>bido a barreras físicas<br />
y/o químicas <strong>de</strong> la superficie <strong>de</strong> la hoja. Otro punto a tener en cuenta es que la expresión<br />
<strong>de</strong> GmCCS en los tejidos fotosintéticos (hoja joven, hoja madura y tallo) se induce en<br />
respuesta al tratamiento con Cu radicular (CuR), sin embargo, en los tallos la inducción<br />
es menor que en hojas. En las raíces no se observa inducción <strong>de</strong> la expresión <strong>de</strong><br />
GmCCS, <strong>de</strong>bido a que ya es muy alta incluso en condiciones control, <strong>de</strong>bido muy<br />
probablemente al alto contenido <strong>de</strong> Cu en este tejido en todas las condiciones <strong>de</strong><br />
crecimiento. Para el gen GmCSD2, el Cu no influye en el patrón <strong>de</strong> “splicing”. En<br />
plantas <strong>de</strong> soja, sólo se visualizaba el mensajero GmCSD2 en el gel, sin embargo,<br />
mediante RT-PCR utilizando un cebador diseñado en la zona intrónica, se amplificó el<br />
mensajero NSP-GmCSD2. Se observaron diferencias en la expresión <strong>de</strong>l gen GmCSD2<br />
entre la hoja joven y la hoja madura, a diferencia <strong>de</strong>l gen GmCCS. En condiciones C, se<br />
expresa más GmCSD2 en la hoja joven que en la hoja madura. A<strong>de</strong>más, GmCSD2<br />
<strong>de</strong>muestra una mayor sensibilidad al exceso <strong>de</strong> Cu que GmCCS, ya que su expresión<br />
también se induce en la hoja joven tratada con CuF. En cambio, el perfil <strong>de</strong> expresión <strong>de</strong><br />
GmCSD2 en la hoja madura es parecido al perfil <strong>de</strong> GmCCS, en condiciones C y CuF la<br />
expresión <strong>de</strong> GmCSD2 es igual y en condiciones CuR aumenta. En tabaco también se ha<br />
<strong>de</strong>mostrado que el cambio <strong>de</strong> expresión <strong>de</strong>l gen CSD2 en respuesta al exceso <strong>de</strong> Cu es<br />
más pronunciado en hojas jóvenes que en hojas maduras (Kurepa y col., 1997).<br />
El Cu regula la expresión <strong>de</strong> los genes GmCCS y GmCSD2 induciendo<br />
fuertemente su expresión. En Arabidopsis se ha <strong>de</strong>scrito que la regulación <strong>de</strong> CSD2 por<br />
Cu es postranscripcional a través <strong>de</strong> miR398 (Yamasaki y col., 2007), sin embargo, se<br />
140
141<br />
Discusión<br />
<strong>de</strong>sconoce el mecanismo por el que actúa este metal en la expresión <strong>de</strong> CCS. Se han<br />
<strong>de</strong>scrito en levadura dos factores <strong>de</strong> transcripción Ace1 y Mac1 (Jungmann y col.,<br />
1993). En condiciones tóxicas <strong>de</strong> Cu, la proteína Ace1 une cuatro iones <strong>de</strong> Cu + e induce<br />
la expresión <strong>de</strong> genes implicados en la <strong>de</strong>toxificación <strong>de</strong> Cu (MTs y CuZnSOD) tras<br />
unirse a los elementos <strong>de</strong> respuesta a metales (MREs, “metal response elements”)<br />
localizados en los promotores <strong>de</strong> estos genes. Tanto los factores <strong>de</strong> transcripción como<br />
los elementos cis/trans implicados en esta regulación transcripcional son prácticamente<br />
<strong>de</strong>sconocidos en plantas. Se han i<strong>de</strong>ntificado las secuencias homólogas <strong>de</strong> los<br />
promotores <strong>de</strong> tres genes que codifican para la CuZnSOD <strong>de</strong> maíz reconocidos por los<br />
factores <strong>de</strong> transcripción Ace1 (S. cerevisae) y Amt1 (Candida glabrata) (Ruzsa y<br />
Scandalios, 2003). A<strong>de</strong>más, se ha i<strong>de</strong>ntificado el elemento cis negativo <strong>de</strong> respuesta a<br />
Cu, GTACT, don<strong>de</strong> el factor <strong>de</strong> transcripción PpSBP2 (“squamosa promoter-binding<br />
protein”) se une y reprime la expresión <strong>de</strong>l gen que codifica para la FeSOD<br />
cloroplástica en la planta Barbula unguiculata (Nagae y col., 2008). Se ha postulado<br />
que las plantas pue<strong>de</strong>n contener sensores específicos para metales que <strong>de</strong>tectan cambios<br />
en el nivel <strong>de</strong> metal como la <strong>de</strong>ficiencia o el exceso, y provocan cascadas <strong>de</strong><br />
señalización que activan la respuesta apropiada. En plantas no se han i<strong>de</strong>ntificado<br />
todavía las vías <strong>de</strong> transducción <strong>de</strong> la señal. Se ha <strong>de</strong>scrito la activación <strong>de</strong> diferentes<br />
vías <strong>de</strong> proteínas quinasas activadas por mitógeno <strong>de</strong> M. sativa en respuesta a<br />
concentraciones tóxicas <strong>de</strong> Cu o Cd (Jonak y col., 2004). Queda por esclarecer si la<br />
activación <strong>de</strong> la cascada <strong>de</strong> las MAP kinasas es <strong>de</strong>pendiente <strong>de</strong>l metal o <strong>de</strong> un efecto<br />
causado por el estrés oxidativo y la reactividad <strong>de</strong> los grupos tioles provocados ambos<br />
por la concentración elevada <strong>de</strong> Cu y Cd.<br />
En patata, la expresión <strong>de</strong>l gen CCS se induce por el tratamiento con auxinas y<br />
se inhibe ligeramente por el tratamiento foliar mediante spray con concentraciones altas<br />
<strong>de</strong> Cu (Trinda<strong>de</strong> y col., 2003). Estos autores atribuyen la ausencia <strong>de</strong> cambios notables<br />
en la expresión <strong>de</strong> StCCS por efecto <strong>de</strong>l Cu a la ineficaz penetración <strong>de</strong>l metal a través<br />
<strong>de</strong> la epi<strong>de</strong>rmis <strong>de</strong> las plantas en el tiempo ensayado. En A. thaliana, la expresión <strong>de</strong><br />
este gen se induce por exceso <strong>de</strong> Cu y en la senescencia (Ab<strong>de</strong>l-Ghany y col., 2005a;<br />
Schiavon y col., 2007). La expresión <strong>de</strong> los genes CSD1 y CSD2 <strong>de</strong> Arabidopsis<br />
también se induce en respuesta al exceso <strong>de</strong> Cu (Ab<strong>de</strong>l-Ghany y col., 2005b). Se han<br />
i<strong>de</strong>ntificado otros genes involucrados en la homeostasis <strong>de</strong> Cu en plantas que se inducen<br />
a nivel transcripcional en respuesta a concentraciones altas <strong>de</strong> Cu: HMA5 (Andrés-Colás<br />
y col., 2006), HMA8 (Bernal M., 2006, Tesis Doctoral, Universidad <strong>de</strong> Zaragoza),
Discusión<br />
HMA9 (Lee y col., 2007), MTs (Guo y col., 2003) y COX17 (Balandin y Castresana,<br />
2002). También existen en la literatura datos sobre otros genes involucrados en la<br />
homeostasis <strong>de</strong> Cu en plantas que se reprimen en respuesta a concentraciones altas <strong>de</strong><br />
Cu: HMA6, HMA8, FeSOD, Pc y CCH (Schiavon y col., 2007; Ab<strong>de</strong>l-Ghany y col.,<br />
2005b; Lee y col., 2005). Actualmente existen datos con microarrays <strong>de</strong> expresión<br />
génica en hojas <strong>de</strong> arroz don<strong>de</strong> i<strong>de</strong>ntifican 305 genes que se inducen (genes<br />
relacionados con la <strong>de</strong>fensa frente al estrés) o reprimen (genes relacionados con la<br />
fotosíntesis y el transporte) en respuesta al exceso <strong>de</strong> Cu (Sudo y col., 2008).<br />
4.2 IDENTIFICACIÓN, LOCALIZACIÓN Y REGULACIÓN DE GmCCS Y<br />
GmCSD2<br />
4.2.1 GmCCS<br />
Mediante western blot se confirmó la presencia <strong>de</strong> tres polipéptidos en el<br />
estroma <strong>de</strong> suspensiones celulares y plantas <strong>de</strong> soja, que según su peso molecular<br />
correspon<strong>de</strong>n probablemente a NSP-GmCCS3 (23 kDa), al monómero <strong>de</strong> GmCCS (37<br />
kDa) y al trímero <strong>de</strong> GmCCS (94 kDa). Para confirmar la i<strong>de</strong>ntidad <strong>de</strong> estas bandas<br />
obtenidas en el western blot, sería necesario analizarlas mediante MS. NSP-GmCCS1 y<br />
NSP-GmCCS2 no se <strong>de</strong>tectan porque aparte <strong>de</strong> su bajo peso molecular, no contienen el<br />
péptido contra el que reacciona el anticuerpo. Este posible trímero <strong>de</strong> GmCCS es la<br />
forma mayoritaria y es estable incluso hirviendo la muestra durante 5 min en tampón<br />
<strong>de</strong>snaturalizante. En tilacoi<strong>de</strong>s <strong>de</strong> suspensiones celulares y plantas <strong>de</strong> soja, la única<br />
forma que se <strong>de</strong>tecta es el trímero <strong>de</strong> GmCCS. Siendo la chaperona GmCCS una<br />
proteína soluble, lo esperable era que se <strong>de</strong>tectara únicamente en el estroma y no se<br />
<strong>de</strong>tectara en el tilacoi<strong>de</strong>. Sin embargo, su presencia en el tilacoi<strong>de</strong> es razonable ya que<br />
su función consiste en suministrar Cu a la enzima CuZnSOD que <strong>de</strong>toxifica los<br />
radicales superóxido generados <strong>de</strong> la fotosíntesis en la membrana tilacoidal por el PSI y<br />
que se localiza también en el tilacoi<strong>de</strong>, como se menciona posteriormente. El hecho <strong>de</strong><br />
que el trímero <strong>de</strong> GmCCS sea la única forma que se <strong>de</strong>tecta en el tilacoi<strong>de</strong> podría<br />
sugerir que esta forma es funcionalmente más activa que la forma monomérica y NSP-<br />
GmCCS3 y, por lo tanto, se encuentra en don<strong>de</strong> más se la necesita, es <strong>de</strong>cir en don<strong>de</strong> se<br />
produce la mayor cantidad <strong>de</strong> radicales libres <strong>de</strong> oxígeno. En la literatura se ha <strong>de</strong>scrito<br />
la existencia <strong>de</strong> dímeros <strong>de</strong> la chaperona CCS <strong>de</strong> levadura con Cu (Schmidt y col.,<br />
142
143<br />
Discusión<br />
1999a) y sin Cu a través <strong>de</strong> sus dominios II (Lamb y col., 1999), un “cluster” <strong>de</strong> Cu <strong>de</strong><br />
la CCS <strong>de</strong> humano responsable <strong>de</strong> la formación <strong>de</strong> holodímeros a través <strong>de</strong> sus<br />
dominios III, heterotetrámeros con dos hCuZnSOD a través <strong>de</strong> sus dominios II (Stasser<br />
y col., 2005, 2007) y un “cluster” <strong>de</strong> Cu responable <strong>de</strong> la formación <strong>de</strong> dímeros y<br />
tetrámeros <strong>de</strong> la chaperona COX17 <strong>de</strong> levadura (Heaton y col., 2001).<br />
La expresión <strong>de</strong> las tres formas <strong>de</strong> GmCCS <strong>de</strong>tectadas (trímero, monómero y<br />
NSP-GmCCS3) en el estroma <strong>de</strong> suspensiones celulares <strong>de</strong> soja se mantiene constante<br />
en respuesta a un exceso <strong>de</strong> Cu (10 μM), suministrado durante una o varias<br />
generaciones. Este resultado contrasta con el obtenido a nivel <strong>de</strong> mRNA don<strong>de</strong> sí que se<br />
observa una fuerte inducción <strong>de</strong> la expresión <strong>de</strong> los transcritos GmCCS y NSP-GmCCS3<br />
por efecto <strong>de</strong>l Cu. En maíz, se ha <strong>de</strong>scrito que la expresión <strong>de</strong> CCS a nivel <strong>de</strong> mensajero<br />
y <strong>de</strong> proteína no cambia apenas por el exceso <strong>de</strong> Cu (Ruzsa y Scandalios, 2003). Por<br />
otro lado, existen datos <strong>de</strong> proteómica en raíces <strong>de</strong> Cannabis sativa (Bona y col., 2007),<br />
embriones en germinación <strong>de</strong> arroz (Zhang y col., 2009) y raíces y hojas <strong>de</strong> Elsholtzia<br />
splen<strong>de</strong>ns (Li y col., 2009), don<strong>de</strong> i<strong>de</strong>ntifican las proteínas que se reprimen e inducen en<br />
respuesta al exceso <strong>de</strong> Cu. La chaperona CCS no se encuentra entre ellas.<br />
4.2.2 GmCSD2<br />
Se han <strong>de</strong>tectado mediante western blot tres isoformas cloroplásticas <strong>de</strong><br />
GmCuZnSOD en suspensiones celulares <strong>de</strong> soja. El peso molecular aparente <strong>de</strong> estas<br />
isoformas (20-29 kDa) es mayor que el teórico esperado según su secuencia <strong>de</strong><br />
aminoácidos, hecho que también ocurre en otros estudios como el publicado por<br />
Srivastava y col. (2009). Mediante ensayo <strong>de</strong> actividad SOD, técnica menos sensible<br />
que el western blot, se visualizaron sólo dos isoformas <strong>de</strong> GmCuZnSOD, sin embargo,<br />
cuando se cargó el doble <strong>de</strong> proteína se visualizó la tercera isoforma. Este resultado<br />
concuerda con la existencia <strong>de</strong> tres genes diferentes en el genoma <strong>de</strong> soja secuenciado<br />
recientemente que codifican para la CSD2. Las tres isoformas contienen la secuencia <strong>de</strong><br />
aminoácidos <strong>de</strong>l péptido sintético que reconoce nuestro anticuerpo contra la GmCSD2.<br />
Las isoformas <strong>de</strong> la CuZnSOD i<strong>de</strong>ntificadas hasta ahora en la literatura son: cinco en<br />
Pinus sylvestris <strong>de</strong> las cuales cuatro son citosólicas y una es cloroplástica (Streller y<br />
col., 1994), siete en arroz <strong>de</strong> las cuales dos son cloroplásticas<br />
(http://www.gramene.org), tres en Arabidopsis siendo una citosólica, otra cloroplástica<br />
y otra peroxisomal (Kliebenstein y col., 1998), dos en cebada (Mascher y col., 2005),
Discusión<br />
una en Olea europaea (Butteroni y col., 2005), una en Radix lethospermi (Haddad y<br />
Yuan, 2005), tres en remolacha (Pra<strong>de</strong>dova y col., 2009), tres citosólicas en tabaco<br />
(Sheng y col., 2004) y una cloroplástica en algodón (Hu y col., 2007). Se han<br />
i<strong>de</strong>ntificado tres isoformas citosólicas y una isoforma cloroplástica <strong>de</strong> CuZnSOD en<br />
maíz que se inducen por Cu (Ruzsa y Scandalios, 2003), aunque otros autores han<br />
i<strong>de</strong>ntificado cuatro isoformas cloroplásticas <strong>de</strong> CuZnSOD en esta misma planta (Mauro<br />
y col., 2005). Esta inconsistencia sobre el número <strong>de</strong> isoformas <strong>de</strong> la enzima CuZnSOD<br />
<strong>de</strong> una misma planta podría ser <strong>de</strong>bida a variaciones fisiológicas por diferencias en las<br />
condiciones <strong>de</strong> cultivo o <strong>de</strong>sarrollo y/o diferencias genéticas entre varieda<strong>de</strong>s. La<br />
existencia <strong>de</strong> varias isoformas <strong>de</strong> la CuZnSOD en plantas pue<strong>de</strong> <strong>de</strong>berse a la presencia<br />
<strong>de</strong> múltiples genes o a la existencia <strong>de</strong> modificaciones postraduccionales como la<br />
fosforilación, carboximetilación, eliminación <strong>de</strong> aminoácidos en el extremo C-terminal<br />
o diferentes estados conformacionales <strong>de</strong> la proteína. En este sentido, es importante<br />
<strong>de</strong>stacar que han sido i<strong>de</strong>ntificadas varias isoformas <strong>de</strong> la MnSOD <strong>de</strong> patata en<br />
diferentes estados <strong>de</strong> fosforilación (Bykova y col., 2003).<br />
Las tres isoformas <strong>de</strong> CuZnSOD <strong>de</strong>tectadas en soja se inducen con Cu, su origen<br />
es cloroplástico y se localizan tanto en el estroma como en el tilacoi<strong>de</strong>. Su presencia en<br />
el tilacoi<strong>de</strong>, a<strong>de</strong>más <strong>de</strong>l estroma, como ocurre con la GmCCS, es razonable ya que la<br />
fotosíntesis es la mayor fuente <strong>de</strong> radicales superóxido, localizada fundamentalmente en<br />
el lado aceptor <strong>de</strong>l PSI (reacción <strong>de</strong> Mehler). En este sentido, se ha <strong>de</strong>mostrado<br />
mediante la técnica <strong>de</strong> inmuno-oro que la CuZnSOD cloroplástica <strong>de</strong> espinaca pue<strong>de</strong><br />
encontrarse tanto en el estroma <strong>de</strong> forma soluble como en los tilacoi<strong>de</strong>s <strong>de</strong> forma<br />
asociada a membranas (Ogawa y col., 1995).<br />
La expresión <strong>de</strong> GmCSD2 se induce fuertemente en respuesta al exceso <strong>de</strong> Cu <strong>de</strong><br />
la misma manera que ocurre a nivel <strong>de</strong> mRNA. El polipéptido NSP-GmCSD2, en caso<br />
<strong>de</strong> existir, podría ser <strong>de</strong>tectado con el anticuerpo contra la CuZnSOD <strong>de</strong> la proteína<br />
entera <strong>de</strong> cebada, sin embargo, no se <strong>de</strong>tecta en el western blot. Son numerosos los<br />
trabajos publicados don<strong>de</strong> estudian el efecto <strong>de</strong>l Cu en la expresión <strong>de</strong> la CuZnSOD. Se<br />
ha <strong>de</strong>scrito en la planta Festuca alta que el Cu induce la expresión <strong>de</strong> CuZnSOD a nivel<br />
<strong>de</strong> mRNA y actividad (Lee y col., 2007). Se ha <strong>de</strong>scrito en tabaco que el exceso <strong>de</strong> Cu<br />
aumenta el nivel <strong>de</strong> mRNA pero no la actividad <strong>de</strong> la CuZnSOD cloroplástica (Kurepa<br />
y col., 1997), a diferencia <strong>de</strong> nuestros resultados en soja, don<strong>de</strong> se observa inducción<br />
tanto a nivel <strong>de</strong> mRNA como <strong>de</strong> proteína. Se ha <strong>de</strong>mostrado que el exceso <strong>de</strong> Cu induce<br />
la actividad <strong>de</strong> la CuZnSOD citosólica en raíces <strong>de</strong> soja (Chongpraditnun y col., 1992).<br />
144
145<br />
Discusión<br />
Se ha <strong>de</strong>scrito un aumento <strong>de</strong> la actividad CuZnSOD en cultivos celulares <strong>de</strong> tabaco<br />
tratados con Cu (Bueno y Piqueras, 2002), sin embargo, el Cu no afectó a la actividad<br />
CuZnSOD en hojas <strong>de</strong> Pisum sativum (Palma y col., 1987). Se ha estudiado el efecto<br />
<strong>de</strong>l exceso <strong>de</strong> Cu y Cd en hojas <strong>de</strong> A. thaliana y se ha observado un aumento <strong>de</strong> la<br />
actividad <strong>de</strong> los tres tipos <strong>de</strong> SOD en respuesta a Cu (Drazkiewicz y col., 2004, 2007).<br />
Sorpren<strong>de</strong>ntemente, la actividad CuZnSOD es prácticamente in<strong>de</strong>tectable en<br />
nuestras condiciones <strong>de</strong> crecimiento control (0´1 μM Cu), tanto <strong>de</strong> suspensiones<br />
celulares como <strong>de</strong> planta entera <strong>de</strong> soja en cultivo hidropónico. Ab<strong>de</strong>l-Ghany y col.<br />
(2005b) tampoco <strong>de</strong>tectaron actividad CuZnSOD en plantas <strong>de</strong> A. thaliana crecidas en<br />
condiciones control (0´1 μM Cu), sin embargo, el exceso <strong>de</strong> Cu (5 y 50 μM) indujo su<br />
expresión tal y como suce<strong>de</strong> con nuestros resultados. Cuando analizamos el nivel <strong>de</strong><br />
mRNA GmCSD2 en hoja madura control tampoco se <strong>de</strong>tecta el transcrito, sin embargo,<br />
en hoja joven y suspensiones celulares control sí se <strong>de</strong>tecta. En presencia <strong>de</strong> exceso <strong>de</strong><br />
Cu (0´5 μM y 10 μM), la actividad GmCuZnSOD se hace aparente y la GmFeSOD<br />
disminuye. Este resultado concuerda con la inducción por Cu <strong>de</strong> la expresión <strong>de</strong>l gen y<br />
<strong>de</strong> la proteína observada mediante RT-PCR y western blot, respectivamente, y<br />
<strong>de</strong>muestra que existe un balance precisamente regulado entre los distintos tipos <strong>de</strong> SOD<br />
cloroplásticas, <strong>de</strong>pendiendo <strong>de</strong> la disponibilidad <strong>de</strong>l ión Cu. Esto quiere <strong>de</strong>cir que la<br />
actividad SOD cloroplástica en nuestras condiciones <strong>de</strong> cultivo control correspon<strong>de</strong> casi<br />
exclusivamente a la enzima FeSOD. Por todo ello, se podría sugerir que la ausencia <strong>de</strong><br />
actividad CuZnSOD cloroplástica no es un marcador <strong>de</strong> <strong>de</strong>ficiencia <strong>de</strong> Cu en soja, ya<br />
que tanto las suspensiones celulares como las plantas <strong>de</strong> soja control crecieron bien y no<br />
mostraron ningún síntoma <strong>de</strong> <strong>de</strong>ficiencia en nuestras condiciones <strong>de</strong> cultivo. Sin<br />
embargo, se ha postulado el uso potencial como marcadores <strong>de</strong>l status <strong>de</strong> Cu en las<br />
plantas <strong>de</strong> los transcritos y proteínas Pc, FeSOD, CuZnSOD cloroplástica y CuZnSOD<br />
citosólica, los cuales son sensibles a la disponibilidad <strong>de</strong> Cu (Cohu y Pilon, 2007).<br />
Recientemente, se ha <strong>de</strong>scrito un papel como marcador <strong>de</strong>l status <strong>de</strong> Cu para el<br />
transcrito <strong>de</strong> CCS en humano (Olivares y col., 2008) y la proteína <strong>de</strong> esta chaperona en<br />
ganado (Hepburn y col., 2009).<br />
La nula o escasa actividad CuZnSOD <strong>de</strong>tectada en soja crecida en condiciones<br />
control podría sugerir, por un lado, que esta enzima es más importante en la<br />
homeostasis <strong>de</strong>l Cu comparado con la respuesta al estrés oxidativo y, por otro lado, que<br />
la chaperona GmCCS podría tener otras funciones aparte <strong>de</strong> transportar Cu a la<br />
CuZnSOD. Esta segunda hipótesis se apoyaría en el hecho <strong>de</strong> que ambas proteínas,
Discusión<br />
GmCSD2 y GmCCS, estén reguladas por Cu <strong>de</strong> manera diferente a pesar <strong>de</strong> que se<br />
supone que su metabolismo está íntimamente ligado. En A. thaliana se ha <strong>de</strong>scrito que<br />
cuando la concentración <strong>de</strong> Cu es baja, los niveles <strong>de</strong> mRNA, proteína y actividad <strong>de</strong> la<br />
FeSOD aumentan notablemente, mientras que los niveles <strong>de</strong> las CuZnSOD cloroplástica<br />
y citosólica son prácticamente in<strong>de</strong>tectables, lo que provoca a su vez un <strong>de</strong>scenso en la<br />
expresión <strong>de</strong> su chaperona CCS (Ab<strong>de</strong>l-Ghany y col., 2005b). Esta regulación<br />
coordinada <strong>de</strong> genes nucleares se dirige probablemente al uso óptimo <strong>de</strong> Cu en el<br />
cloroplasto y sugiere que los niveles <strong>de</strong> Cu en el estroma y citosol regulan la expresión<br />
nuclear a través <strong>de</strong> vías <strong>de</strong> señalización <strong>de</strong>sconocidas actualmente (Pilon y col., 2006).<br />
Recientemente, se ha <strong>de</strong>scubierto un miRNA, miR398, que media esta regulación en A.<br />
thaliana, <strong>de</strong>gradando el mRNA <strong>de</strong> las CuZnSOD citosólica y cloroplástica cuando la<br />
concentración <strong>de</strong> Cu es limitante (0´2-0´5 μM) (Yamasaki y col., 2007). Este miR398 <strong>de</strong><br />
Arabidopsis regula también al mRNA <strong>de</strong> COX5b.1, un gen nuclear que codifica para la<br />
subunidad 5b <strong>de</strong> la Cit c oxidasa mitocondrial (Jones-Rhoa<strong>de</strong>s y Bartel, 2004). La<br />
expresión <strong>de</strong> miR398 se reprime transcripcionalmente por estreses oxidativos como el<br />
generado por el Cu, lo que conlleva a una acumulación <strong>de</strong> los transcritos <strong>de</strong> las<br />
CuZnSOD cloroplástica y citosólica incrementando, así, la tolerancia <strong>de</strong> la planta a este<br />
metal (Sunkar y col., 2006). La sacarosa induce la expresión <strong>de</strong> miR398, lo que provoca<br />
una disminución <strong>de</strong> los mensajeros <strong>de</strong> las CuZnSOD cloroplástica y citosólica así como<br />
la concentración <strong>de</strong> las proteínas correspondientes (Dugas y Bartel, 2008). Estos<br />
mismos autores publican un alineamiento <strong>de</strong> la secuencia complementaria <strong>de</strong> miR398<br />
con la secuencia <strong>de</strong> los transcritos CSD1 y CSD2 <strong>de</strong> varias plantas entre las que se<br />
encuentra la soja. A<strong>de</strong>más, <strong>de</strong>scriben una función adicional para miR398 como represor<br />
<strong>de</strong> la traducción aparte <strong>de</strong> la <strong>de</strong>gradación <strong>de</strong>l mRNA (Dugas y Bartel, 2008). Otros tres<br />
miRNAs adicionales han sido <strong>de</strong>scritos en Arabidopsis (miR397, miR408 y miR857)<br />
que reconocen y <strong>de</strong>gradan los transcritos <strong>de</strong> las cuproproteínas plantacianina y varias<br />
lacasas (Ab<strong>de</strong>l-Ghany y Pilon, 2008). En general, se propone a los miRNAs como<br />
reguladores importantes <strong>de</strong> la respuesta frente al estrés abiótico en plantas (Lu y Huang,<br />
2008). Recientemente, se ha <strong>de</strong>scrito en Arabidopsis la existencia <strong>de</strong> la proteína SPL7<br />
(squamosa promoter binding protein-like-7) la cual tiene un dominio SBP con el que se<br />
une al dominio GTAC <strong>de</strong>l promotor <strong>de</strong> miR398 activando, así, la transcripción <strong>de</strong> este<br />
miRNA. SPL7 también activa la transcripción <strong>de</strong> otros miRNAs (miR397, miR408 y<br />
miR857), transportadores <strong>de</strong> Cu (COPT1, COPT2, ZIP2, FRO3 y YSL2) y la chaperona<br />
CCH, jugando un papel central en la regulación <strong>de</strong> la homeostasis <strong>de</strong> Cu en<br />
146
147<br />
Discusión<br />
Arabidopsis, principalmente en respuesta a la <strong>de</strong>ficiencia <strong>de</strong> Cu (Yamasaki y col.,<br />
2009).<br />
En resumen, la regulación tanto a nivel transcripcional como postranscripcional<br />
<strong>de</strong> CCS y CSD2 <strong>de</strong> soja por “splicing” alternativo y Cu sugiere que esta regulación es<br />
esencial en el control <strong>de</strong> la homeostasis <strong>de</strong> Cu en el cloroplasto. Según el mo<strong>de</strong>lo <strong>de</strong><br />
regulación <strong>de</strong> la homeostasis <strong>de</strong> Cu en el cloroplasto propuesto por Ab<strong>de</strong>l-Ghany y col.<br />
(2005a; b), <strong>de</strong>be existir un equilibrio entre el mecanismo <strong>de</strong> transporte y distribución <strong>de</strong><br />
Cu a las cuproproteínas cloroplásticas para que el proceso fotosintético sea óptimo. Es<br />
<strong>de</strong>cir, <strong>de</strong>be existir un equilibrio entre la actividad <strong>de</strong> la Pc en el lumen tilacoidal y las<br />
activida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> las superóxido dismutasas (CuZnSOD y FeSOD) en el tilacoi<strong>de</strong> y<br />
estroma cloroplásticos, asegurando así un nivel a<strong>de</strong>cuado <strong>de</strong> Pc para que el PSI pueda<br />
reducirse y una actividad superóxido dismutasa suficiente como para po<strong>de</strong>r eliminar los<br />
radicales O - 2 generados en la ca<strong>de</strong>na <strong>de</strong> transporte electrónico fotosintético. El buen<br />
funcionamiento <strong>de</strong> este equilibrio estaría regulado por la inducción o represión selectiva<br />
<strong>de</strong> la FeSOD y CuZnSOD, y por la regulación <strong>de</strong> la cuprochaperona CCS cloroplástica<br />
en respuesta a Cu.<br />
Recientemente, se ha propuesto en Arabidopsis un mecanismo alternativo <strong>de</strong><br />
transporte <strong>de</strong> Cu al cloroplasto a través <strong>de</strong> otros transportadores <strong>de</strong> baja afinidad. Así, el<br />
Cu 2+ podría entrar en la célula a través <strong>de</strong> un transportador <strong>de</strong> la familia YSL para ser<br />
transportado posteriormente al estroma cloroplástico a través <strong>de</strong>l transportador HMA1<br />
(Seigneurin-Berny y col., 2006), localizado en la membrana interna <strong>de</strong>l cloroplasto que<br />
interaccionaría con la proteína soluble CUTA (Burkhead y col., 2003) <strong>de</strong>l espacio<br />
intermembrana. También mediante un mecanismo similar, HMA1 podría ser el<br />
encargado <strong>de</strong> suministrar Cu 2+ , e incluso Zn 2+ , a la CuZnSOD (Pilon y col., 2006).<br />
También se ha <strong>de</strong>scrito un segundo mecanismo por el que la CuZnSOD <strong>de</strong> mamíferos y<br />
Caenorhabditis elegans pue<strong>de</strong> adquirir Cu a través <strong>de</strong> una vía in<strong>de</strong>pendiente <strong>de</strong> CCS<br />
que utiliza glutatión (Carroll y col., 2004; Jensen y Culotta, 2005). Este mecanismo u<br />
otro similar podría explicar la falta <strong>de</strong> un fenotipo severo en los mutantes sin CCS <strong>de</strong><br />
Arabidopsis (Chu y col., 2005). El responsable <strong>de</strong>l transporte <strong>de</strong> Cu 2+ al transportador<br />
tilacoidal HMA8 también permanece sin i<strong>de</strong>ntificar. En el tilacoi<strong>de</strong>, este mecanismo <strong>de</strong><br />
transporte alternativo podría explicarse en base al estudio realizado por Shingles y col.<br />
(2004). Estos autores propusieron la existencia <strong>de</strong> al menos dos transportadores <strong>de</strong> Cu<br />
en la membrana tilacoidal y sugirieron que podrían pertenecer a la familia HMA y/o a la<br />
familia ZIP. A día <strong>de</strong> hoy, uno <strong>de</strong> ellos sería el transportador HMA8 (PAA2)
Discusión<br />
i<strong>de</strong>ntificado en A. thaliana (Ab<strong>de</strong>l-Ghany y col. 2005b) y soja (Bernal y col., 2007), sin<br />
embargo quedaría al menos otro transportador por i<strong>de</strong>ntificar. Todo esto nos indica que<br />
aún existen muchos aspectos <strong>de</strong>sconocidos <strong>de</strong> la homeostasis <strong>de</strong>l Cu en el cloroplasto.<br />
4.3 SOBREEXPRESIÓN Y PURIFICACIÓN DE GmCCS<br />
Se ha sobreexpresado en E. coli DH5α la chaperona CCS <strong>de</strong> suspensiones<br />
celulares <strong>de</strong> soja. La presencia <strong>de</strong> un exceso <strong>de</strong> Cu y Zn en el medio <strong>de</strong> inducción<br />
favoreció la expresión <strong>de</strong> una mayor cantidad <strong>de</strong> proteína <strong>de</strong> fusión MBP-His6-GmCCS.<br />
Este incremento pue<strong>de</strong> ser <strong>de</strong>bido a un mecanismo <strong>de</strong> regulación transcripcional, don<strong>de</strong><br />
los metales podrían activar a factores <strong>de</strong> transcripción <strong>de</strong>l gen que codifica para la<br />
proteína <strong>de</strong> fusión o a un mecanismo <strong>de</strong> regulación postranscripcional, don<strong>de</strong> los<br />
metales que funcionan como cofactores <strong>de</strong> la CCS estabilizarían el plegamiento <strong>de</strong> la<br />
proteína <strong>de</strong> fusión. Las concentraciones <strong>de</strong> Cu y Zn utilizadas fueron las mismas que<br />
utilizaron anteriormente Stasser y col. (2005) para expresar la CCS <strong>de</strong> humano (hCCS),<br />
es <strong>de</strong>cir 0´5 mM para cada metal. Estos autores explican que si se expresa hCCS<br />
añadiendo sólo Cu al medio <strong>de</strong> inducción, se obtiene una proteína purificada con un alto<br />
contenido en Cu 2+ que hay que reducir posteriormente con ditionito y dializar a<br />
continuación para eliminar los iones <strong>de</strong> Cu 2+ unidos inespecíficamente (Eisses y col.,<br />
2000). Afirman que la adición <strong>de</strong> Zn 2+ al medio <strong>de</strong> inducción evita la necesidad <strong>de</strong><br />
reducir posteriormente la proteína purificada. Existen otros estudios en la literatura<br />
don<strong>de</strong> aña<strong>de</strong>n los metales Cu y Zn en exceso al medio <strong>de</strong> inducción para sobreexpresar<br />
la proteína recombinante. Así, Ahl y col. (2004) aña<strong>de</strong>n 3 mM Cu 2+ y 30 μM Zn 2+ para<br />
coexpresar la chaperona CCS <strong>de</strong> levadura (yCCS) junto a la enzima hCuZnSOD.<br />
Srivastava y col. (2009) aña<strong>de</strong>n 500 μM Cu 2+ y 100 μM Zn 2+ para expresar la enzima<br />
CuZnSOD <strong>de</strong> Populus.<br />
Se ha purificado la chaperona GmCCS recombinante con gran pureza. En el gel<br />
don<strong>de</strong> se analizó la muestra purificada, se observaron dos bandas <strong>de</strong> tamaño ligeramente<br />
diferente, ambas i<strong>de</strong>ntificadas como GmCCS mediante análisis MALDI-TOF y western<br />
blot. El resultado <strong>de</strong> la secuenciación <strong>de</strong>l extremo N-terminal <strong>de</strong> la banda inferior indica<br />
que está formada por una mezcla <strong>de</strong> péptidos <strong>de</strong> masas parecidas, los cuales<br />
correspon<strong>de</strong>n a la proteína GmCCS con el péptido señal digerido en puntos muy<br />
próximos pero diferentes. El hecho <strong>de</strong> que estas formas ya se encuentran presentes en el<br />
148
149<br />
Discusión<br />
extracto bacteriano sugiere que la hipótesis más probable sea que las proteasas<br />
endógenas <strong>de</strong> E. coli son las responsables <strong>de</strong> estas digestiones. Estas proteasas<br />
reconocen al péptido señal <strong>de</strong> la proteína y lo cortan aunque no tan específicamente<br />
como lo hacen las proteasas <strong>de</strong>l cloroplasto, <strong>de</strong> ahí que se obtenga una mezcla <strong>de</strong> varios<br />
péptidos muy parecidos. Sólo existe un artículo en la literatura don<strong>de</strong> se publica la<br />
expresión y purificación <strong>de</strong> la CCS recombinante <strong>de</strong> plantas, en concreto <strong>de</strong> la CCS <strong>de</strong><br />
tomate (LeCCS) (Zhu y col., 2000) aunque el estudio es mucho menos <strong>de</strong>tallado.<br />
4.4 CARACTERIZACIÓN ESPECTROSCÓPICA DE LA GmCCS<br />
RECOMBINANTE PURIFICADA<br />
En este trabajo se ha caracterizado espectroscópicamente la proteína<br />
recombinante pura apo-GmCCS. La chaperona se obtuvo en forma plegada y “activa”<br />
(se dice que la apoproteína es activa cuando mantiene su capacidad <strong>de</strong> unir metales <strong>de</strong><br />
transición). Para analizar la unión a metal y su estequiometría se han utilizado las<br />
técnicas <strong>de</strong> absorción electrónica UV-Vis (Cu + , Zn 2+ y Co 2+ ), fluorescencia (Cu + ) y<br />
dicroísmo circular (Cu + ). Para ello hemos seguido las especificaciones técnicas <strong>de</strong>scritas<br />
en Eren y col. (2007), don<strong>de</strong> caracterizan el dominio N-terminal <strong>de</strong>l transportador<br />
HMA2 <strong>de</strong> Arabidopsis. Los datos obtenidos <strong>de</strong> las titulaciones sugieren que esta<br />
proteína es capaz <strong>de</strong> unir los tres metales analizados, Cu + , Zn 2+ y Co 2+ . En base a los<br />
valores obtenidos <strong>de</strong> las Kd, se propone que GmCCS presenta un sitio con alta afinidad<br />
y otro sitio con menor afinidad <strong>de</strong> unión a Cu + . Por otro lado, los datos sugieren que la<br />
proteína posee un sitio <strong>de</strong> unión a Zn 2+ <strong>de</strong> menor afinidad que en el caso <strong>de</strong>l Cu + y<br />
estaría situado probablemente en el dominio II <strong>de</strong> GmCCS, homólogo a la enzima<br />
CuZnSOD. La estequiometría publicada para la CCS <strong>de</strong> levadura y <strong>de</strong> humano es <strong>de</strong> dos<br />
moles <strong>de</strong> Cu + y un mol <strong>de</strong> Zn 2+ por mol <strong>de</strong> proteína (Schmidt y col., 1999a; Eisses y<br />
col., 2000; Lamb y col., 2000; Rae y col., 2001; Stasser y col., 2005). El dominio II <strong>de</strong><br />
la chaperona contendría un átomo <strong>de</strong> Zn 2+ y otro <strong>de</strong> Cu + con funciones estructurales, y<br />
el segundo átomo <strong>de</strong> Cu + con función catalítica estaría unido a los dominios I y III <strong>de</strong> la<br />
chaperona, siendo el único átomo que se transfiere, <strong>de</strong>jando el sitio <strong>de</strong> unión vacío y<br />
disponible para comenzar otro ciclo catalítico (Schmidt y col., 1999a; Eisses y col.,<br />
2000; Lamb y col., 2000; Rae y col., 2001). Sin embargo, estudios recientes en humano<br />
afirman que un átomo <strong>de</strong> Cu + está unido al dominio I y el segundo átomo <strong>de</strong> Cu + al
Discusión<br />
dominio III, formando éste último un “cluster” <strong>de</strong> Cu con el dominio III <strong>de</strong> otro<br />
monómero <strong>de</strong> hCCS dando lugar, así, al holodímero. A continuación, se uniría una<br />
hCuZnSOD a cada uno <strong>de</strong> los dominios II <strong>de</strong> ambos monómeros <strong>de</strong> hCCS para formar<br />
el heterotetrámero (Stasser y col., 2005, 2007). A pesar <strong>de</strong> la existencia <strong>de</strong> estructuras<br />
cristalinas disponibles para la CCS (Lamb y col., 1999, 2000), la CuZnSOD (Djinovic y<br />
col., 1992; Banci y col., 2003) y el heterodímero CCS-CuZnSOD (Lamb y col., 2001)<br />
<strong>de</strong> levadura, todavía no se conocen en <strong>de</strong>talle los mecanismos funcionales <strong>de</strong>l<br />
reconocimiento y la transferencia <strong>de</strong> Cu entre ambas proteínas.<br />
Los porcentajes <strong>de</strong> estructura secundaria obtenidos a partir <strong>de</strong>l espectro <strong>de</strong><br />
dicroísmo circular son muy similares a los obtenidos a partir <strong>de</strong>l mo<strong>de</strong>lado <strong>de</strong> la<br />
estructura <strong>de</strong> la chaperona GmCCS. El contenido <strong>de</strong> estructura <strong>de</strong>sor<strong>de</strong>nada es<br />
sorpren<strong>de</strong>ntemente alto, indicando que la GmCCS con sus tres dominios diferentes es<br />
muy poco compacta. En plantas, aún no hay datos estructurales disponibles. En un<br />
futuro, nuestro laboratorio preten<strong>de</strong> abordar la cristalización <strong>de</strong> la proteína purificada<br />
GmCCS para posteriores estudios <strong>de</strong> estructura/función.<br />
4.5 BÚSQUEDA DE UNA HIPOTÉTICA cpCCS EN SOJA<br />
Como un trabajo colateral <strong>de</strong> esta Tesis Doctoral, hemos buscado en soja el<br />
homólogo <strong>de</strong> la hipotética cpCCS cloroplástica (AY303948) <strong>de</strong>scrita en Arabidopsis e<br />
implicada en el transporte <strong>de</strong> Cu entre HMA6/PAA1 (envuelta <strong>de</strong>l cloroplasto) y<br />
HMA8/PAA2 (tilacoi<strong>de</strong>). Tottey y col. (2002) i<strong>de</strong>ntificaron y caracterizaron una<br />
chaperona ATX1 que realizaba esta función en Synechocystis. Para ello, se diseñaron<br />
cebadores <strong>de</strong>generados a partir <strong>de</strong> las secuencias <strong>de</strong> los genes que codifican para cpCCS<br />
(AY303948) y AtATX1 (AK220937), los cuales fueron utilizados con un programa <strong>de</strong><br />
RT-PCR especial. La secuencia amplificada y clonada no presentó homología con la <strong>de</strong><br />
cpCCS ni codificó para ninguna proteína relacionada con la homeostasis <strong>de</strong>l Cu. Por lo<br />
tanto y a pesar <strong>de</strong> los datos no confirmados en Arabidopsis (Ab<strong>de</strong>l-Ghany y col.,<br />
2005b), seguimos a la búsqueda <strong>de</strong> una posible chaperona que realiza esta función <strong>de</strong><br />
transportar Cu <strong>de</strong>s<strong>de</strong> HMA6 hasta HMA8 en cloroplastos <strong>de</strong> plantas. Sin embargo, la<br />
existencia <strong>de</strong> esta hipotética chaperona no está garantizada, y otros mecanismos podrían<br />
ser los responsables <strong>de</strong> la adquisición <strong>de</strong> Cu por el transportador HMA8 <strong>de</strong>l tilacoi<strong>de</strong>.<br />
150
CONCLUSIONES
5 CONCLUSIONES<br />
153<br />
Conclusiones<br />
1. El gen GmCCS está regulado por un mecanismo <strong>de</strong> “splicing” alternativo con<br />
retención <strong>de</strong> intrón que genera 4 transcritos (GmCCS, NSP-GmCCS1, NSP-<br />
GmCCS2 y NSP-GmCCS3) en suspensiones celulares y 3 transcritos (GmCCS,<br />
NSP-GmCCS2 y NSP-GmCCS3) en planta entera <strong>de</strong> soja. Estos transcritos se<br />
expresaron en todos los tejidos analizados: hoja joven, hoja madura, tallo, raíz y<br />
flor. La expresión <strong>de</strong>l gen se induce fuertemente en respuesta al exceso <strong>de</strong> Cu en<br />
el medio.<br />
2. El gen GmCSD2 está regulado por un mecanismo <strong>de</strong> “splicing” alternativo con<br />
retención <strong>de</strong> intrón que genera 2 transcritos (GmCSD2 y NSP-GmCSD2), tanto<br />
en suspensiones celulares como en planta entera <strong>de</strong> soja. Estos transcritos se<br />
expresaron en todos los tejidos analizados: hoja joven, hoja madura, tallo, raíz y<br />
flor. La expresión <strong>de</strong>l gen se induce fuertemente en respuesta al exceso <strong>de</strong> Cu en<br />
el medio.<br />
3. A nivel <strong>de</strong> proteína, la expresión <strong>de</strong> GmCCS se mantiene constante en respuesta<br />
al exceso <strong>de</strong> Cu. La chaperona se encuentra formando mayoritariamente<br />
estructura oligomérica en forma posiblemente <strong>de</strong> trímeros, aunque la forma<br />
monomérica y NSP-GmCCS3 también se <strong>de</strong>tectan en suspensiones celulares y<br />
planta entera <strong>de</strong> soja. El trímero se localiza tanto en el estroma como en el<br />
tilacoi<strong>de</strong> y es estable incluso hirviendo en condiciones <strong>de</strong>snaturalizantes,<br />
mientras que las otras dos formas se encuentran únicamente en el estroma.<br />
4. La expresión <strong>de</strong> la enzima GmCuZnSOD es in<strong>de</strong>tectable en las suspensiones<br />
celulares y plantas <strong>de</strong> soja crecidas en condiciones control pero su expresión se<br />
induce fuertemente en respuesta al exceso <strong>de</strong> Cu. Se han <strong>de</strong>tectado tres<br />
isoformas <strong>de</strong> la GmCuZnSOD cloroplástica que se localizan tanto en el estroma<br />
como en la membrana tilacoidal.
Conclusiones<br />
5. Se ha purificado la proteína recombinante GmCCS <strong>de</strong> suspensiones celulares <strong>de</strong><br />
soja con un alto grado <strong>de</strong> pureza. La preparación es una mezcla <strong>de</strong> la proteína<br />
con y sin el péptido señal, posiblemente digerido por las propias proteasas<br />
endógenas <strong>de</strong> la bacteria recombinante.<br />
6. La proteína GmCCS recombinante pura se obtiene como apo y es activa ya que<br />
se ha <strong>de</strong>mostrado que une dos moles <strong>de</strong>l ión Cu + y un mol <strong>de</strong>l ión Zn 2+ por mol<br />
<strong>de</strong> proteína. La chaperona presenta un sitio con alta afinidad y otro con menor<br />
afinidad <strong>de</strong> unión a Cu + , a<strong>de</strong>más posee un sitio <strong>de</strong> unión a Zn 2+ <strong>de</strong> menor<br />
afinidad que los <strong>de</strong>l Cu + . No se observaron cambios significativos en su<br />
estructura secundaria por efecto <strong>de</strong>l Cu, lo que indica que se purifica en forma<br />
plegada.<br />
7. Se ha buscado sin éxito la hipotética cpCCS que transporta Cu <strong>de</strong>s<strong>de</strong> HMA6<br />
(envuelta) hasta HMA8 (tilacoi<strong>de</strong>) en soja.<br />
154
BIBLIOGRAFÍA
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