Pesquisadores desafiam teoria estabelecida sobre movimento estomático

Mais de 30 anos atrás, Diekmann e colegas observaram pela primeira vez que mudanças na morfologia do vacúolo dentro das células de guarda acompanham a abertura e o fechamento estomáticos. Experimentos recentes, no entanto, sugerem que a compreensão tradicional dos mecanismos de fusão do vacúolo — particularmente o papel de metabólitos específicos — pode ser mais complexa do que se pensava anteriormente.

Estômatos são pequenas aberturas nas superfícies de folhas, caules e outros órgãos da planta. Eles desempenham um papel importante em permitir o movimento de água, dióxido de carbono e oxigênio para dentro e para fora da planta.

Cada estoma é ladeado por duas células especializadas conhecidas como células-guarda, que controlam sua abertura e fechamento. O inchaço das células-guarda leva à abertura dos estômatos, enquanto o retorno das células-guarda à sua forma original resulta no fechamento. O volume das células-guarda pode aumentar em até tanto quanto 40% durante a abertura!

A abertura estomática ocorre em resposta a sinais ambientais, como luz, umidade e concentração de dióxido de carbono. Por exemplo, os estômatos tendem a abrir durante o dia quando a luz está disponível para a fotossíntese e fecham à noite ou durante condições de seca. Quando os estômatos estão fechados, os vacúolos nas células-guarda são numerosos e fragmentados, enquanto que, quando os estômatos estão abertos, as células-guarda contêm um único vacúolo grande. Notavelmente, o vacúolo a fusão da membrana é necessária para abertura completa dos estômatos.

A estrutura teórica predominante para a série de processos moleculares que levam à fusão do vacúolo da planta é que, após ocorrer o sinal de abertura do poro:

“Complexos de proteínas” são conjuntos de duas ou mais proteínas que interagem entre si para desempenhar uma função biológica específica. O prefixo “trans” refere-se a complexos de proteínas que estão localizados em diferentes membranas, enquanto “cis” indica que as proteínas estão na mesma membrana. Portanto, quando as proteínas SNARE são reunidas por HOPS e interagem, elas formam uma trans- Complexo SNARE; após a fusão da membrana, eles se tornam um cis-Complexo SNARE.

Os resultados de um experimento desafiam a estrutura atual.

Vacúolos de folhas expostas ao metabólito wortmanina (ou seja, tratamento com wortmanina) que remove PI3P, continuar a fundir. Como se acredita que PI3P seja essencial para o recrutamento de HOPS, pode-se esperar que a remoção de PI3P deste sistema prejudique a capacidade da célula de fundir vacúolos.

Os cientistas estavam enganados em sua explicação do papel dos metabólitos no processo de fusão do vacúolo?

Um artigo recente no in silico As plantas visavam explicar esse fenômeno. O pesquisador de pós-doutorado Dr. Charles Hodgens, anteriormente na University of Tennessee-Knoxville e agora na North Carolina State University, liderou um estudo que desenvolveu e testou a viabilidade de uma estrutura teórica alternativa sobre o modo de ação de HOPS e PI3P na fusão de vacúolos vegetais.

Os autores levantaram a hipótese de que remover HOPS do supercomplexo HOPS:trans-SNARE pode ser crucial para a fusão, o que significa que HOPS pode promover e inibir a fusão de vacúolos. Para confirmar isso, eles precisavam identificar uma proteína que pudesse deslocar HOPS. Não encontrando evidências na literatura sobre plantas, eles se voltaram para a levedura em busca de pistas. Isso os levou à proteína candidata Sec17, conhecida por seu papel na fusão de membranas de levedura.

Em seguida, os autores partiram para confirmar a presença de Sec17 em plantas. Eles obtiveram a sequência de aminoácidos para Sec17 e pesquisaram o banco de dados de proteínas BLASTP para a sequência correspondente em plantas. Eles encontraram uma sequência correspondente para uma proteína encontrada em células de guarda, sugerindo que ela provavelmente desempenha a mesma função ou uma função relacionada em plantas.

Essa descoberta apoiou sua hipótese e os levou a propor uma nova estrutura teórica para os processos moleculares que levam à fusão do vacúolo da planta.

A estrutura é a seguinte:

1. LÚPULO é recrutados para o vacúolo por PI3P;
2. O HOPS amarra um par de vacúolos e acompanhantes suas proteínas SNARE para formar um supercomplexo HOPS:trans-SNARE;
3. O HOPS previne a atividade de fusão por dificultar o acesso da Sec17. Adepois que o sinal de abertura do poro ocorre;
4. Seção 17 reduz a afinidade de ligação entre HOPS e trans-SNARE;
5. LÚPULO é deslocado; e
6. o trans-SNARE fusíveis as membranas do vacúolo.

Os autores testaram a validade desta estrutura usando um modelo de simulação de dinâmica de fusão de vacúolos que eles desenvolveram. Este modelo integra conhecimento estabelecido sobre os mecanismos moleculares envolvidos na fusão de vacúolos com observações da morfologia do vacúolo. Essas observações foram feitas pelos autores, que conduziram análises de microscopia para observar o estado e a velocidade da fusão de vacúolos em células vivas.

O modelo previu o mesmo resultado observado, confirmando que os processos moleculares descritos por sua estrutura eram precisos.

Após confirmar que a presença de HOPS no supercomplexo HOPS:trans-SNARE inibe a fusão de vacúolos usando o modelo, os autores especularam sobre o motivo pelo qual o tratamento com Wortmannin não previne a fusão de vacúolos. Após a exposição ao Wortmannin, sem PI3P recrutando HOPS, o supercomplexo HOPS:trans-SNARE que inibe a fusão de vacúolos não é formado. No entanto, Sec17 continua a reduzir a afinidade de ligação entre HOPS e trans-SNARE dos supercomplexos HOPS:trans-SNARE existentes na mesma taxa, fazendo com que HOPS se dissocie do supercomplexo e resultando na fusão de vacúolos.

Este trabalho demonstra o valor dos modelos na avaliação de estruturas teóricas para melhorar nossa compreensão das funções biológicas.

LEIA O ARTIGO:

Charles Hodgens, DT Flaherty, Anne-Marie Pullen, Imran Khan, Nolan J English, Lydia Gillan, Marcela Rojas-Pierce, Belinda S Akpa, Inferência baseada em modelo de um papel duplo para HOPS na regulação da fusão do vacúolo da célula guarda, in silico Plants, 2024;, diae015, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diae015

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O código usado para realizar as análises deste artigo está disponível em https://gitlab.com/hodgenscode/hodgens2023.