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O primeiro fator pioneiro encontrado em plantas permite que as células mudem seu destino
Esses genes desnecessários são impedidos de se tornarem ativos por serem armazenados em uma densa cromatina, um pacote compacto de material genético misturado com proteínas.
Por Katherine Unger Baillie - 27/01/2021


Usando uma técnica experimental pela qual as flores podem ser induzidas a se formar a partir de raízes de plantas, biólogos liderados por Doris Wagner, da Universidade da Pensilvânia, descobriram uma proteína que permite o afrouxamento inicial da cromatina que pode permitir que novas proteínas sejam feitas e as plantas assumam diferentes formas . Crédito: Universidade da Pensilvânia

As células não expressam todos os genes que contêm o tempo todo. A porção de nosso genoma que codifica a cor dos olhos, por exemplo, não precisa ser ativada nas células do fígado. Nas plantas, os genes que codificam a estrutura de uma flor podem ser desativados nas células que formarão uma folha.

Esses genes desnecessários são impedidos de se tornarem ativos por serem armazenados em uma densa cromatina, um pacote compacto de material genético misturado com proteínas.

Em um novo estudo na revista Nature Communications , biólogos da Universidade da Pensilvânia identificam uma proteína que permite que as células vegetais alcancem esses genes inacessíveis para alternar entre diferentes identidades. Chamada de " fator de transcrição pioneiro" , a proteína LEAFY se firma em porções específicas do feixe da cromatina, afrouxando a estrutura e recrutando outras proteínas que eventualmente permitem que os genes sejam primeiro transcritos em RNA e depois traduzidos em proteínas.

"Os programas que não são necessários em uma determinada célula, tecido ou condição são efetivamente desligados por várias modificações da cromatina que os tornam muito inacessíveis", diz a bióloga Doris Wagner da School of Arts & Sciences, autora sênior do trabalho. “A questão sempre foi: como você vai de fechada para aberta? Descobrimos que o LEAFY, essa proteína que já sabíamos ser importante na reprogramação de células vegetais, é um desses fatores de transcrição pioneiros que chegam a entrar na porta, como fosse, para alterar o programa das células. "

Fatores de transcrição pioneiros foram caracterizados pela primeira vez por Kenneth Zaret, membro do corpo docente da Perelman School of Medicine, cujo próprio trabalho examinou essas proteínas regulatórias em animais, como no contexto do desenvolvimento do fígado. No início de seu tempo na Penn, Wagner ouviu Zaret dar uma palestra sobre seu trabalho nessa área e ficou curioso em procurar fatores semelhantes em plantas, uma vez que a expressão de genes flexíveis é tão crítica para sua sobrevivência.

Na verdade, as plantas devem alternar entre expressar conjuntos inteiros de genes diferentes o tempo todo. Em solos ricos, eles podem crescer mais ramos para ficarem maiores, enquanto em uma seca eles podem expressar mais genes associados ao desenvolvimento de flores, de modo que podem lançar sementes e se reproduzir antes de sucumbir.

A estrutura da proteína LEAFY (em vermelho) permite que ela se ligue à hélice
do DNA, tornando-a acessível para ser transcrita em RNA e depois em proteínas.
Crédito: Cortesia do laboratório Wagner

Como as células vegetais determinam sua identidade e destino tem sido o foco do trabalho de Wagner desde o início de sua carreira, assim como LEAFY. Durante seus dias de pós-doutorado, Wagner mostrou que o LEAFY pode reprogramar células de raiz para produzir flores. “Isso nos deu uma boa pista de que o LEAFY pode ter essa atividade 'pioneira', mas tivemos que olhar mais de perto para provar isso”, diz ela.
 
Para fazer isso, Wagner e colegas primeiro usaram proteínas isoladas e fitas de material genético para mostrar que o LEAFY, embora não outros fatores de transcrição, se liga aos nucleossomos, subunidades da cromatina onde o DNA se forma em um agrupamento de proteínas chamadas histonas. Especificamente, a ligação ocorreu no gene AP1, que é conhecido por ser ativado pelo LEAFY para fazer com que as plantas façam flores.

Para confirmar que essa conexão era verdadeira em um organismo vivo , os pesquisadores pegaram raízes de plantas e aplicaram um composto que faz com que elas floresçam espontaneamente. Durante a floração, eles descobriram que não apenas LEAFY se ligava fortemente ao AP1, mas que o sítio de ligação também era ocupado por uma histona. "Isso nos diz que as histonas e o LEAFY estão realmente ocupando a mesma porção do DNA", diz Wagner.

Além disso, eles mostraram que a estrutura da cromatina começou a se abrir na região AP1 quando o LEAFY foi ativado, uma faceta chave do que os fatores de transcrição pioneiros fazem. Essa abertura era limitada e o afrouxamento total da cromatina demorava dias. O que aconteceu rapidamente, os pesquisadores descobriram, foi que o LEAFY deslocou uma proteína histona ligante, criando uma pequena abertura local que também permitiu que outros fatores de transcrição penetrassem no DNA.

Embora fatores de transcrição pioneiros tenham sido propostos para existir em plantas, o novo trabalho fornece o primeiro suporte concreto de apoio a esta concepção para LEAFY. E Wagner acredita que existem outros. “Se necessário, as plantas podem alterar todo o plano corporal ou gerar uma planta inteira a partir de um pequeno pedaço de folha”, diz ela. "Prevemos que colocar isso em movimento exigirá fatores de transcrição pioneiros. Portanto, as plantas podem realmente ter mais desses fatores do que os animais."

No próximo trabalho, ela e sua equipe esperam se aprofundar mais nos processos que precedem e seguem essa atividade "pioneira" do LEAFY: Alguma coisa restringe sua atividade e como os outros fatores que ela recruta desvendam totalmente os genes ocultos? “Seria ótimo descobrir os dois lados dessa equação”, diz Wagner.

As descobertas são significativas na agricultura e na pecuária, onde o LEAFY já é manipulado para estimular a floração mais precoce, por exemplo. E à medida que se entende mais sobre os fatores de transcrição pioneiros em plantas , Wagner pode imaginar um ajuste fino de outros aspectos do crescimento e da atividade das plantas, que poderiam ser aproveitados para ajudar as culturas a se adaptarem a novas condições ambientais, como aquelas que estão sendo introduzidas pelas mudanças climáticas.

 

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