La cisteína y su contribución a diferentes procesos de señalización en arabidopsis thaliana (2011)

La cisteina es la primera molecula sintetizada en plantas que contiene azufre reducido y ocupa una posicion central en el metabolismo debido a sus funciones bioquimicas. Las celulas de Arabidopsis thaliana contienen diferentes enzimas OAcetilserina(tiol)liasas (OASTL) que catalizan la biosintesis de cisteina y estan localizadas en el citosol, plastidios y mitocondrias, para dar lugar a multiples conjuntos subcelulares de cisteina. Se ha avanzado mucho en el estudio de las OASTLs mas abundantes, sin embargo, hasta ahora, la informacion sobre las menos abundantes es escasa. En el primer capitulo de esta tesis se establece la reaccion enzimatica catalizada por la isoforma minoritaria citosolica OASTL CS-LIKE (AT5G28030). Para ello, expresamos esta enzima en bacterias y caracterizamos la proteina recombinante purificada. Nuestros resultados demuestran que CS-LIKE cataliza la desulfuracion de L-cisteina a sulfuro, amonio y piruvato. Por tanto, CS-LIKE es una nueva L-Cisteina desulfhidrasa localizada en el citoplasma y hemos propuesto que se designe DES1. El impacto y la funcionalidad de DES1 en el metabolismo de la cisteina se pone de manifiesto por el fenotipo de los mutantes insercionales de T-DNA des1-1 y des1-2. Los resultados obtenidos nos permiten proponer que DES1 es una L-Cisteina desulfhidrasa involucrada en mantener la homeostasis de cisteina en el citosol, principalmente durante los estadios mas tardios del desarrollo o bajo perturbaciones ambientales. En el segundo capitulo de esta tesis se describe ampliamente el fenotipo de senescencia prematura de los mutantes des1, observandose un incremento de la expresion de los genes asociados a la senescencia, de otros marcadores como vacuolas asociadas a la senescencia (SAV) y una alteracion del perfil transcripcional. Ademas se ha observado en ambos mutantes una clara induccion del proceso de autofagia mediante la acumulacion de la proteina ATG8 y fundamentalmente de su forma conjugada. Puesto que la ausencia de DES1 en estos mutantes provoca una reduccion en los niveles endogenos de sulfuro, hemos observado que tratamientos con H2S revierten la presencia de vacuolas asociadas a la senescencia, asi como la induccion de la autofagia. Esta reversion de la autofagia por sulfuro se observa tambien en plantas sometidas a limitacion por carbono. A nivel transcripcional tambien observamos que el sulfuro reduce considerablemente la alteracion transcripcional de genes que muestra el mutante des1-1 en estadios de crecimiento tardios. Por tanto, proponemos que el H2S actua como una molecula senalizadora que regula negativamente la autofagia y modula el perfil transcripcional en Arabidopsis. En A. thaliana, la mayoria de la cisteina es sintetizada en el citosol por la accion de la isoforma mayoritaria citosolica OAS-A1. Por otra parte, la unica cisteina desulfhidrasa citosolica descrita hasta la fecha es DES1. De esta manera DES1 y OASA1 llevan a cabo funciones opuestas para mantener la homeostasis de cisteina en el citosol. En el tercer capitulo de esta tesis se describe el papel de la cisteina en la respuesta inmune de las plantas. Partiendo de la base de que los transcriptomas de los mutantes deficientes en OAS-A1 y DES1 presentaban una alta correlacion con la respuesta a distintos estreses bioticos, se estudio la respuesta de ambos mutantes a la infeccion por distintos patogenos de plantas. Los mutantes des1 son resistentes a patogenos necrotrofos y biotrofos y acumulan acido salicilico, es decir, se comportan como mutantes SAR (resistencia sistemica adquirida). En cambio, los mutantes oas-a1 son mas sensibles a ambos tipos de patogenos y carecen de respuesta hipersensible durante la resistencia inducida por efector (ETI: effector-triggered immunity). Estos resultados muestran que la cisteina podria ser un metabolito crucial durante la interaccion planta-patogeno, ya que su desequilibrio en el citosol tiene claras consecuencias en la susceptibilidad de las plantas a patogenos. Puesto que la isoforma citosolica OAS-A1 es la principal enzima OASTL de Arabidopsis, un control eficiente de su actividad es crucial para mantener la homeostasis de cisteina en condiciones de estres. Tanto el estres abiotico como biotico conducen a la produccion de especies reactivas del oxigeno y nitrogeno, que conducen a la produccion de peroxinitrito, un potente agente nitrante que tiene la capacidad de nitrar de forma no estocastica los residuos de tirosina de las proteinas. En el cuarto capitulo de esta tesis hemos demostrado que OAS-A1 sufre un proceso de inactivacion producido por la modificacion especifica del residuo de tirosina 302 mediante nitracion, inhibiendo la actividad enzimatica de OAS-A1. Esta modificacion posttraduccional de OAS-A1 mediante nitracion puede representar un rapido y eficiente mecanismo regulatorio para controlar la biosintesis de cisteina y glutation en respuesta a distintos factores de estres.