La proteasoma 26S es la principal máquina de destrucción selectiva de proteínas en la célula eucariota. Su estructura y su mecanismo de reconocimiento de sustratos son asombrosamente conservados desde las levaduras hasta el ser humano. Sin embargo, en las plantas el número de genes que codifican las subunidades de la proteasoma varía mucho, y hasta ahora no estaba claro cómo influyen esas duplicaciones en la regulación. Junto a este trabajo, en el archivo hay estudios sobre la orquesta celular de los genes, los motores de la célula y la sinfonía estocástica de la expresión; todos ellos abordan de un modo u otro la dinámica de las redes génicas, pero este artículo destaca porque por primera vez sigue de forma sistemática la evolución de los genes de la proteasoma y de sus elementos reguladores a lo largo de toda la línea verde de las plantas.
Los autores reunieron los genomas de 18 especies de Viridiplantae, desde el alga unicelular Chlamydomonas reinhardtii hasta las plantas con flores, y mediante búsquedas por homología identificaron todos los genes de las subunidades de la proteasoma 26S. Para cada familia de subunidades construyeron alineamientos y árboles filogenéticos, y luego los conciliaron con el árbol de especies para reconstruir la historia de las duplicaciones. Escanearon los promotores de los genes de la proteasoma en busca de un enriquecimiento de motivos cortos de ADN, comparando su frecuencia cerca del inicio de la transcripción con el fondo del genoma. Además, usaron datos de modificaciones postraduccionales, predicciones de regiones intrínsecamente desordenadas y cálculos del potencial electrostático. Para comprobar el papel de las proteínas de unión a telómeros realizaron experimentos de cambio de movilidad electroforética, análisis de mutantes de Arabidopsis y un reanálisis de datos de ChIP-seq.
En 16 de las 18 especies aparecieron genes duplicados de la proteasoma, y los patrones de duplicación son específicos de cada especie y en su mayoría surgieron hace poco. Las antiguas duplicaciones de todo el genoma apenas influyeron en la expansión de la familia, mientras que las recientes, por ejemplo en musgos o leguminosas, dejaron su huella. A nivel de proteínas, la selección fue purificadora: solo cuatro casos de 886 mostraron indicios de selección positiva. Las diferencias entre parálogos se reducían a un ajuste fino del potencial electrostático de la superficie y a un cambio de los sitios de fosforilación. Mucho mayor fue la divergencia en la regulación: los parálogos respondían de manera distinta al estrés, y esta tendencia se observa desde los musgos hasta las angiospermas. En los promotores de los genes de la proteasoma de las angiospermas está enriquecido el motivo PRCE, que reconocen los factores NAC53/78 y también, según se descubrió, las proteínas TRB1/3/5. Los mutantes trb4 trb5 resultaron hipersensibles al inhibidor de la proteasoma y tenían alterada la inducción de los genes de la proteasoma. Por último, el análisis de coevolución reveló una red de 386 proteínas que evolucionan de forma coordinada con la proteasoma y están enriquecidas en esos mismos motivos reguladores.
El trabajo muestra por primera vez que en las plantas la conservada maquinaria de degradación de proteínas evoluciona no por cambios en las proteínas mismas, sino mediante una reestructuración de la lógica reguladora. Esto la distingue de los estudios vecinos, que se centraban en aspectos concretos de la expresión génica o en la dinámica de las redes génicas, pero no relacionaban las duplicaciones con la evolución de los promotores. El descubrimiento del papel de las proteínas TRB en la regulación de la proteasoma añade una nueva capa a nuestra comprensión de cómo la célula coordina la proteostasis con otros procesos, incluidos el ciclo celular y la fotosíntesis.
Futuras investigaciones podrán comprobar cómo interactúan exactamente las proteínas TRB con NAC53/78 a lo largo del tiempo y qué reorganizaciones de la cromatina provocan. También es interesante averiguar si las propias TRB son degradadas por la proteasoma, lo que cerraría el bucle de retroalimentación. La comparación con otros eucariotas, sobre todo con los animales, que también tienen duplicaciones de subunidades, ayudará a entender hasta qué punto es universal la estrategia de diversificación reguladora.
Los resultados son importantes para la biología vegetal, la biología evolutiva del desarrollo y el estudio del sistema ubiquitina-proteasoma. También pueden ser útiles en biotecnología vegetal, donde el ajuste fino de la proteostasis es clave para la resistencia al estrés.
Comprobar la relevancia funcional de los motivos específicos de especie hallados en los promotores de los genes de la proteasoma en distintas especies. Determinar qué factores de transcripción reconocen esos motivos fuera de las angiospermas.
En biología vegetal sigue abierta la pregunta de cómo se adaptan las máquinas celulares conservadas a condiciones ambientales diversas. Este trabajo vincula las duplicaciones génicas con la evolución de las redes reguladoras, que es un problema central de la biología evolutiva del desarrollo. Además, arroja luz sobre la coordinación entre la proteostasis y el metabolismo energético, algo importante para entender las respuestas de las plantas al estrés.
En Arabidopsis, los promotores de los genes de la proteasoma contienen un motivo que también aparece en los telómeros, los extremos de los cromosomas. Las proteínas que normalmente protegen los extremos de los cromosomas resultaron ser capaces de activar los genes de la proteasoma.
No publicado en arXiv. Aquí están su página, el PDF y la formalización: puede comprobarlo usted mismo, no solo leer nuestro análisis.