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Las proteínas PR10 de plantas

Las proteínas PR10 ("pathogenesis related") se producen en las plantas en respuesta a diferentes situaciones de estrés. Aunque se conocen las estructuras de algunos miembros de la familia, esta información es insuficiente para conocer tanto su acción molecular como su función celular. La clave para avanzar en ambos objetivos puede estar en la similitud de plegamiento que tienen con el receptor del ácido abscísico, PYR/PYL/RCAR. Su actividad, que además de implicar la interacción receptor-hormona requiere la interacción con una proteína reguladora, puede ser un modelo para las proteínas PR10. En la fresa se ha determinado la estructura de un miembro de la familia, la proteína Fra, se tienen ligandos candidatos, tipo flavonoides, y se busca la proteína interactora. El avance está limitado por el desarrollo de técnicas biofísicas, para identificar las interacciones moleculares débiles, y la robustez de los análisis de sistemas para avanzar en la búsqueda de funciones.

En respuesta al estrés físico, químico y/o biológico, las plantas producen una serie de proteínas denominadas genéricamente como «pathogenesis-related proteins» (PR). Dentro de éstas se encuentra el grupo de las proteínas de la Clase 10 (PR10) cuya función, más allá de ser producidas en situaciones de estrés, permanece desconocida. Las proteínas PR10 tienen una amplia distribución en el reino vegetal. Se caracterizan por presentar una estructura altamente conservada compuesta por unos 160 aminoácidos, que incluye 3 hélices α y siete láminas β antiparalelas que encierran una cavidad hidrofóbica probablemente esencial para su función ya que presenta la configuración óptima para la unión específica de ligandos naturales (1). Su superficie exterior es también de gran interés biológico ya que en ella se localizan los aminoácidos responsables de su interacción con otras proteínas. En particular, un subgrupo de proteínas PR10 presentes en ciertos alimentos causan reacciones alérgicas en humanos como consecuencia de los determinantes antigénicos que conforman su superficie.

Sorprendentemente, la clave para llegar a conocer la acción molecular y la función de estas proteínas PR10 viene dada por una proteína, que no es de la familia, pero que presenta una estructura muy similar. Se trata de la proteína PYR/PYL/RCAR, el receptor de la hormona ácido abscísico (ABA) (2). Su patrón de plegamiento es común en el grupo de proteínas con dominio START, muy extendido en diferentes reinos. El ABA desempeña en las plantas una función reguladora importante, tanto en procesos del desarrollo como en respuesta a las situaciones de estrés hídrico. Se trata de un compuesto con 15 átomos de carbono, que incluye un oxociclohexeno y varios grupos hidroxilo, y que encaja en la cavidad de la proteína PYR/PYL/RCAR, donde es estabilizado por el conjunto de interacciones tanto polares como hidrofóbicas de sus diferentes grupos funcionales (3). Esta interacción molecular tiene dos consecuencias. Una primera es un cambio conformacional en el complejo ABA-receptor. La segunda es la participación de otra proteína interactora con el complejo ABA-receptor, una proteína fosfatasa del tipo 2C del grupo A. La fosfatasa actúa como regulador negativo de la señalización por ABA. Este modelo de interacción específica de una proteína con un pequeño ligando que condiciona una interacción ulterior con otra proteína es un comportamiento recurrente en la acción de casi todas las hormonas vegetales.

El modelo de interacción molecular ABA-receptor-proteína fosfatasa da respuesta a la función de sus componentes, tanto a nivel celular como a nivel de organismo entero. Sin embargo, su extensión al caso de las proteínas PR10 solo ha tenido un valor limitado. Así, una de las proteínas PR10 más estudiada es la que corresponde al alérgeno del polen de abedul, conocida como Bet v 1. Su estructura ha sido resuelta por cristalografía en unión a ligandos naturales tales como naringenina y kinetina, pero más allá de esta interacción molecular, el significado funcional es desconocido.

La fresa cultivada es una baya de consumo común con un alto contenido en compuestos fenólicos, entre los que destacan los flavonoides, que dan al fruto su color característico. Estos compuestos presentan, entre otras, propiedades antioxidantes que permiten considerar a la fresa como un fruto beneficioso para la salud humana. Sin embargo, también es un fruto catalogado como alergénico. En el centro de ambos hechos está una proteína de la familia PR10 denominada Fra. El silenciamiento específico de Fra en los frutos de fresa ha permitido establecer que ésta proteína puede ser un elemento regulador en la producción de flavonoides (4). Estudios cristalográficos y biofísicos han identificado a algunos flavonoides, como la catequina o la naringenina, como ligandos específicos de las proteínas Fra (5) (Figura 1). Aunque valiosa, esta información de interacción molecular es limitada. No solo hay que comprobar la realidad in vivo de esta interacción Fra -flavonoide, sino que cabría esperar la concurrencia de un tercer participante, una proteína interactora. Existen limitaciones importantes para seguir avanzando en el conocimiento de la acción molecular de Fra y su función biológica. Para el estudio de las interacciones moleculares, la identificación de los ligandos fisiológicos y las medidas de su afinidad de unión sigue representando un reto para la Bioquímica más tradicional y reduccionista. Técnicas biofísicas en constante desarrollo tratan de soslayar este problema con posibilidades de estudio in vitro e in vivo, desde las técnicas más consolidadas basadas en difracción de rayos X, RMN, calorimetría y resonancia de plasmones superficiales, hasta las más recientes de termoforesis y reflectometría. Para los estudios funcionales, campo de la Biología de Sistemas propio de la Bioquímica más actual, se necesita de estudios sistémicos que se apoyen en modelos que integren y analicen la gran cantidad de datos experimentales que hoy se pueden obtener por las técnicas etiquetadas como «ómicas». Ambas limitaciones están entre los desafíos más importantes que tiene hoy la Bioquímica y la Biología Molecular.

Estructura tridimensional del complejo Fra3-catequina. Modelo espacial de la proteína Fra3 (azul) y su representación en forma de trazo (naranja). La molécula de catequina (ligando específico de Fra3) está representada en forma de bolas y varillas (blanco). En el zoom se han resaltado las cadenas laterales de los aminoácidos de Fra3 (naranja) implicados en la unión del ligando catequina (blanco).
Referencias:
  1. Fernandes H, Michalska K, Sikorski M, Jaskolski M. 2013. FEBS J. 280: 1169-1199.
  2. Park SY, Fung P, Nishimura N, Jensen DR, Fujii H, Zhao Y, Lumba S, Santiago J, Rodrigues A, Chou TF, Alfred SE, Bonetta D, Filkenstein R, Provat NJ, Desveaux D, Rodríguez PL, McCourt P, Zhu JK, Schroeder JI, Volkman BF, Ciutler SR. 2009. Science 324: 1068-1071.
  3. Santiago J, Dupeux F, Round A, Antoni R, Park SY, Jamin M, Cutler SR, Rodríguez PL, Márquez JA. 2009. Nature 462: 665-668.
  4. Muñoz C, Hoffmann T, Medina-Escobar N, Ludemann F, Botella MA, Valpuesta V, Schwab W. 2010. Molec. Plant 3: 113-124.
  5. Casañal A, Zander U, Muñoz C, Dupeux F, Luque I, Botella MA, Schwab W, Valpuesta V, Márquez JA. 2013. J Biol. Chem. 288: 35322-35332.

Entrevista a Victoriano Valpuesta

P.- ¿Cuándo surgió su vocación científica?

R.- No hay un momento concreto. Quizás nunca se me ha presentado como una vocación específica. Creo que es el resultado de una búsqueda continua de encontrar una explicación a los que nos rodea, y a nosotros mismos. Y esto hacerlo una forma de vida. Lo que es un lujo. Nunca pensé de joven que iba a acabar siendo científico, aunque la inquietud por conocer y el gusto por el estudio, desde muy joven, fueron los orígenes. El ambiente familiar de estudio y lectura fue esencial.

P.- ¿Le influyó alguien de forma especial?

R.- Para mí fue un antes y un después de ir a USA con el Dr. Bukovac. Ahora es difícil siquiera imaginar las diferencias que había entre España y USA en 1978, cuando fui, pero entonces eran abismales. Más aún en el ambiente universitario, que fue el que viví. De ser un postdoc, que era en aquellos tiempos bastante menos de lo que es hoy, te trasplantas en 24 horas a una Universidad, Michigan State University, una de las grandes de Estados Unidos. Me impresionó la biblioteca, cuyo edificio era más grande que el mayor que había en mi ciudad, Sevilla. Entrar en ella era como entrar en un templo del saber. Y allí se retiraba John Bukovac cuando tenía que escribir, y el retiro podía durar días enteros. Su dedicación y pasión por saber era inmensa y envolvente. Antes y después han habido muchos investigadores y profesores de los que aprendí mucho, pero quizás por la edad, quizás por el momento, de citar uno ha de ser Bukovac.

P.- ¿Cuáles son desde su punto de vista las características que definen a un buen investigador?

R.- Para mí hay dos esenciales. La primera es el gusto por el estudio. Por encima de todo. El que no estudia, y mucho, no llega al fondo de los temas, se queda en el camino, incluso llega a aburrirse, algo realmente penoso para un investigador. La segunda es la capacidad de integrar conocimientos muy diversos en la solución de un problema. Esto requiere tener siempre presente la pregunta que uno se hace al iniciar cualquier investigación. La pregunta siempre es una, generalmente básica, las respuestas son múltiples, a diferentes escalas, y hay que integrarlas todas. Ese viaje, reduccionismo-holismo, hay que hacerlo continuamente.

P.- ¿Podría resumirnos brevemente su trayectoria profesional?

R.- Estudié Química en la Universidad de Sevilla, donde toda la Bioquímica que se daba era la estructura de los aminoácidos en el tercer trimestre de la asignatura Química Orgánica II. La Química me dio un soporte que nunca perdí y me ayuda muchas veces en la comprensión y explicación de los procesos biológicos. La Tesis la hice en un Centro del CSIC en Sevilla, el CEBAC, y se centró en la purificación y caracterización cinética de una peroxidasa del olivo. El trabajo en Enzimología fue esencial para ser disciplinado y riguroso en el laboratorio. En Michigan State seguí trabajando en peroxidasas, de cerezo, pero con una orientación más aplicada, en relación a la obtención de frutos partenocárpicos, sin semillas. La reincorporación como postdoc al CSIC fue efímera pues nos invitaron a todos a dejar la Institución, 1980, ya que el futuro de la misma no estaba nada claro en aquellos tiempos, eso se nos dijo. En Septiembre de 1981 llegué a la Universidad de Málaga. Muchos me ayudaron, en la docencia e investigación, pero si alguien debo indicar en esto último es Jacobo Cárdenas, Catedrático de Bioquímica. Hombre culto y sabio, y que iba un paso por delante de los acontecimientos en muchos aspectos, incluido el científico. Desde entonces he realizado investigación, con financiación continua, desde la asimilación de nitrógeno por plantas, respuestas al estrés salino y procesos de desarrollo en frutos. Las aproximaciones han ido cambiando con los tiempos, desde la enzimología y la biología molecular hasta las genéticas y genómicas. Este es, a grandes rasgos, el recorrido personal y bioquímico.  

P.- ¿La repetiría en su totalidad?

R.- Sí, y probablemente la exprimiría y extendería más. No hay que olvidar que cuando empezamos los de nuestra generación, años 70s, las posibilidades eran muy inferiores a las de hoy en día. Nuestra profesión es un privilegio.  

P.- ¿Cuál ha sido su mayor sorpresa en el área de investigación en la que trabaja?

R.- Todo y nada en particular. Quizás que nada está establecido, y que van a seguir habiendo sorpresas. La precisión molecular de las interacciones que conforman a los seres vivos no deja de sorprenderme. Casi más me sorprende, lo poco que todavía conocemos, a pesar de los avances continuos que presenciamos.

P.- ¿Cuál es su opinión sobre cómo está articulada la carrera científica en España?

R.- Francamente, creo que no existe, que cada cual lucha por la suya. Las Universidades prácticamente la ignoran y el CSIC está tan corto de medios que es testimonial. En el caso de las Universidades no solo es de una miopía extraordinaria, pues la calidad y el futuro de las mismas las determina, en una parte muy importante, la calidad y extensión de su investigación, sino que va en contra de lo que debe ser la Universidad, no solo debe enseñar el conocimiento, sino que debe crearlo. Se ha perdido la esencia de la Universidad. En el caso del CSIC, mi conocimiento es limitado, pero la carencia de medios es dramática. Mi posición de Gestor de Biotecnología en el Plan Nacional me ha hecho testigo de muchos casos de jóvenes muy bien preparados a los que no se les da una oportunidad. Y, francamente, este país los necesita. Pero no es un problema de Instituciones, Universidad o CSIC, es un problema social, un problema de educación general a nivel de país. Y no estoy seguro que se estén dando los pasos adecuados para un futuro mejor.

Perfil de Victoriano Valpuesta

Victoriano Valpuesta (Sevilla, 1949). Licenciado y Doctor en Ciencias Químicas por la Universidad de Sevilla. La investigación bioquímica se inició en el CSIC (CEBAS, Sevilla) donde realizó la Tesis Doctoral. Realizó una estancia postdoctoral (1978-1980) en Michigan State University en el laboratorio del Dr. Martin J. Bukovac. Desde el año 1981 es Profesor de la Universidad de Málaga, donde es Catedrático desde 1990. Posteriormente ha tenido dos estancias en sabático en la Universidad de California (Davis, 1991-1992) y la Universidad de Queensland (Brisbane, 2003). Su investigación ha ido evolucionando desde la Enzimología y la Biología Molecular hasta los Estudios Genómicos, con aplicación en diferentes campos de la Biotecnología Vegetal. Como Gestor ha sido Vicerrector Adjunto de Investigación en la Universidad de Málaga, Director del Instituto Andaluz de Biotecnología y Gestor del Programa Nacional de Biotecnología.