El péptido LURE, que es secretada por las células sinérgicas dentro del óvulo actúa como una llave para unirse a la cerradura, que es el receptor PRK6 que se encuentra en la punta del tubo polínico. Figura extraída y adaptada de la página web de "El nacimiento de nuevas especies vegetales", un proyecto apoyado por la Beca de Investigación Científica en Áreas Innovadoras. Crédito:ITbM, Universidad de Nagoya
La fertilización en plantas con flores se produce mediante la entrega de espermatozoides al óvulo mediante el crecimiento preciso de los tubos polínicos a partir del polen. La guía del tubo polínico juega un papel crucial en el control del crecimiento de los tubos polínicos y un péptido atrayente del tubo polínico LURE se secreta a partir de las células sinérgicas junto al óvulo dentro del óvulo para llevar a una fertilización exitosa. SEÑUELO es específico de cada especie vegetal y, por tanto, es responsable de la fertilización entre una misma especie.
LURE1 ya ha sido identificado en una planta modelo Arabidopsis thaliana, y ha habido informes sobre la presencia de receptores en el tubo polínico responsables de detectar LURE1. El modelo de llave y cerradura ilustra la relación entre el péptido LURE (ligando) y su receptor. Hasta ahora, los investigadores no sabían a qué receptor LURE se une, o cómo lo hace.
Para identificar el receptor exacto en el tubo polínico de LURE, Tetsuya Higashiyama, un profesor de la Universidad de Nagoya y sus colaboradores en la Universidad de Tsinghua, que tienen experiencia en biología estructural de ligandos y receptores de plantas, realizó análisis de los complejos por cristalografía de rayos X. El equipo examinó la proteína que se une a LURE al hacer LURE de Arabidopsis thaliana y su receptor de proteína mediante cultivos de células de insectos. Como resultado, pudieron determinar que LURE se une específicamente a un receptor de proteína llamado PRK6 (quinasa 6 similar al receptor de polen) en el tubo polínico. Los resultados de este estudio se informan en Comunicaciones de la naturaleza .
La estructura del lado derecho muestra la distribución de carga en la superficie de LURE (el azul muestra cargas positivas). Figura reproducida de Zhang, Liu, Nagae y col., 2017, Comunicaciones de la naturaleza . Crédito:ITbM, Universidad de Nagoya
El equipo de investigación logró obtener y analizar la estructura cristalina de LURE unido al receptor PRK6. Como resultado de sus análisis, encontraron que LURE se une al insertarse entre la región de repetición rica en leucina y la región transmembrana del receptor PRK6.
LURE está unido a una región cercana a la membrana de PRK6. Esta región se llama región de bucle y el equipo identificó que la interacción electrostática entre la carga positiva de LURE y la carga negativa en la región de bucle de PRK6 fue significativa para la unión. Además, también pudieron demostrar que se forma un puente disulfuro en la región del bucle PRK6 tras la unión de LURE. Este puente entre los residuos de cisteína contribuye a la estabilización de la región del bucle que desempeña un papel importante para la unión a LURE.
Informes anteriores han demostrado que la unión entre péptidos y receptores en plantas ocurre principalmente en la región de repetición rica en leucina. En segundo lugar, cuando una molécula de ligando se une a un receptor en la región externa de la célula, generalmente se forma un complejo para comunicar señales dentro de la célula. Por otra parte, la unión entre LURE y PRK6 se había producido en una posición diferente a la que se ha informado en las plantas hasta ahora, y no se hicieron complejos tras la unión. Este esquema de unión único entre LURE y PRK6 parece reflejar el mecanismo de control preciso de la dirección del crecimiento del tubo polínico.
Al observar más de cerca la unión entre LURE y la región de bucle de PRK6, pudieron identificar los aminoácidos relevantes requeridos para la unión. El equipo probó el grado de unión y la guía del tubo polínico cambiando los aminoácidos, y encontró que tanto la arginina (R83) ubicada en LURE como el ácido aspártico (D234) en PRK6 eran importantes.
El tubo polínico mutante (abajo), que ha sufrido la modificación de un aminoácido en el receptor PRK6 considerado necesario para unirse a LURE, muestra una atracción reducida por LURE en comparación con el tubo polínico de tipo salvaje (arriba). El asterisco muestra la posición donde se colocó el SEÑUELO (barra de escala =20 μm). Figura reproducida de Zhang, Liu, Nagae y col., 2017, Comunicaciones de la naturaleza . Crédito:ITbM, Universidad de Nagoya
"Nuestro laboratorio ha trabajado intensamente para identificar el péptido atrayente del tubo polínico LURE y su proteína receptora PRK6, y esta vez, pudimos determinar la estructura cristalina del complejo ligado a LURE para demostrar que PRK6 es el receptor real de LURE, "dice Higashiyama." A través de su interacción con el receptor PRK6, descubrimos que LURE puede cambiar la dirección del crecimiento del tubo polínico hacia el óvulo, pero todavía no estamos seguros de cómo LURE puede controlar la dirección de crecimiento con tanta precisión, "explica Higashiyama.
"Hemos demostrado que PRK6 tiende a concentrarse en LURE, por lo que puede ser que tras la unión de LURE en la región de bucle de PRK6, PRK6 cambia su comportamiento en la punta del tubo polínico. Al realizar observaciones en tiempo real de las actividades moleculares de LURE y PRK6 en la superficie de los tubos polínicos, esperamos comprender el mecanismo exacto de la guía del tubo polínico ".
El péptido LURE y el receptor PRK6 actúan como llave y cerradura, que es específico para cada especie vegetal. Higashiyama y su grupo prevén que este trabajo ayudará a revelar por qué la guía del tubo polínico es exitosa entre la misma especie y es difícil entre diferentes especies.
"Esperamos poder diseñar sistemas específicos de 'llave y cerradura' para que la guía del tubo polínico sea eficiente entre diferentes especies de plantas, y puede conducir a una hibridación exitosa entre diferentes especies, "dice Higashiyama." Plantas como el trigo harinero, semilla de colza, y el algodón son especies importantes que han surgido como resultado del cruzamiento. Creemos que nuestra investigación será significativa para la generación de especies de plantas cruzadas específicamente diseñadas ".
