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Establecimiento y mantención de células troncales de plantas mediado por comunicación intercelular

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Establecimiento y mantención de células troncales de plantas mediado por comunicación intercelular Powered By Docstoc
					Pontificia Universidad Católica de Chile Facultad de Ciencias Biológicas Programa de Doctorado Genética Molecular y Microbiología

“Establecimiento y mantención de células troncales de plantas mediado por comunicación intercelular”

Felipe Aquea Z. Santiago de Chile-Octubre 20003

A diferencia de los animales, la formación de los órganos en las plantas ocurre posterior al desarrollo embrionario. Este crecimiento y desarrollo esta mediado por los meristemas, estructuras localizadas en el borde superior de los ejes apicales y radiculares (figura1). Los meristemas apicales y radiculares son generados durante la embriogénesis, pero no participan en su desarrollo. Los meristemas se activan una vez que la plántula haya germinado, permaneciendo activos durante toda la vida funcionando como un reservorio continuo de células nuevas para la organogénesis. El meristema radicular produce las células de las raíces primarias y laterales, mientras que el meristema apical produce las hojas, el tallo y las flores que compone la arquitectura de la planta. Así, la función correcta de los meristemas es crítica para el crecimiento y desarrollo normal de las plantas. Estudios experimentales utilizando células marcadas genéticamente han permitido determinar el número, potencialidad, actividad proliferativa y vida de las células ubicadas en el meristema apical. Ello demostró que todos los órganos formados posteriores al desarrollo embrionario son derivados de un grupo compuesto por 6 a 9 células (Stewart y Dermen 1970). Se usa el término células troncales para denominar a estas células, debido a que estas dan origen a células hijas que por un lado renuevan el pool de células indiferenciadas y por otro se diferencian en una variedad de tipos celulares. Análisis citohistológico de varias especies han revelado que estas células se organizan en capaz celulares (figura 2; Steeves y Sussex 1989). La región superficial o túnica consiste de 2 capaz clonales (L1 y L2) en el cual las células se dividen en un único plano (divisiones anticlinales) y una capa interior a estas o corpus (L3) que consta de un grupo de células que se dividen en todos los planos (divisiones periclinales). Las diferentes capas generalmente mantienen distintos linajes celulares, generando derivados celulares específicos. En Arabidopsis, la capa L1 contribuye a la epidermis de los brotes, hojas y flores. La capa L2 produce el tejido de crecimiento y las células germinales, y la capa L3 contribuye a la formación del tejido vascular del tallo y a los tejidos más internos de las hojas y flores. Sin embargo, el desarrollo de cada capa clonal es flexible y puede adaptarse a cambios en la proliferación celular ocurridos en otras capas (Szymkowiak, 1996). El crecimiento y diferenciación de estas capas debe ser cordinado, de modo que se mantenga

la forma y tamaño del meristema. Esto implica que las células de los meristemas intercambian señales para coordinar su comportamiento. Sobre estas 3 capas celulares se sobreponen 3 zonas con distinta función (figura 2). La zona periférica (ZP) y la zona rib (ZR) contienen células que serán incorporadas en los órganos laterales y en el centro del tallo respectivamente. La zona central (ZC), la cual se caracteriza por una baja división mitótica, constituye la reserva de células troncales o células troncaless. Estas células tienen la capacidad de auto renovarse, y son la fuente de células para ZP y ZR. Durante la iniciación del primordio foliar (generación de hojas), un grupo de células de ZP y ZR especifican el inicio del tejido joven en las plantas. Estas células son remplazadas por células pluripotentes en división suministradas por ZC, las cuales se remplazan a si mismas a través de nuevas divisiones celulares. La proliferación de ZC da como resultado el crecimiento de la planta, dejando detrás células que se diferencian formando nuevos órganos. De este modo, el meristema apical se sostiene como una estructura estable dentro de un contexto dinámico, debido al constante flujo de células que pasan a través de él. Aunque la identidad de células troncales solo esta confinada al grupo de 6 a 9 células, todas las células meristematicas tienen la plasticidad de convertirse en células troncales (Steeves y Sussex 1989). Al eliminar las células troncaless, se inducen rápidamente nuevos meristemas desde las células periféricas al meristema original. Esto significa que las células que componen los meristemas tienen la capacidad de identificarse como células troncales, pero al ser rápidamente expulsadas sufren diferenciación. Las células troncales se comportan como tal simplemente porque ellas residen en una posición privilegiada. Tanto las células troncales de plantas como las animales, son reguladas por información posicional. Las células troncales de los meristemas son sólo “ocupantes temporales de un oficio permanente” (concepto de nicho), siendo localizadas en un microambiente que suministra las señales necesarias para mantener su estado indiferenciado (Schoifeld, 1978). Experimentos clonales han sugerido que la auto renovación del pool de células troncales en los meristemas es regulado a nivel poblacional: células ubicadas dentro del

nicho permanecen indiferenciada, mientras que células desplazadas fuera del nicho sufren diferenciación, independiente de su origen individual (Stewart y Dermen 1970) En Arabidopsis se han aislados varios mutantes defectivos en el desarrollo meristematico. Los mutante clavata1 (clv1), 2 y 3 se caracterizan por poseer un incremento progresivo en el número de células que poblan la zona central (Clark, 2001). Esta población extra de células troncales causa una expansión de la zona periférica, dando como resultado la obtención de órganos supernumerarios. Contrariamente, en la planta mutante wuschel (wus), las células troncales son utilizadas en la producción de los primordios de los órganos, generando un aborto prematuro de los meristemas (Laux , 1996). El fenotipo opuesto de los mutantes wus y clv sugiere la posibilidad que ellos actúan de manera antagónica en el control del tamaño del meristema, lo que ha sido demostrado experimentalmente. El gen WUS codifica para un factor de transcripción con homeodominios (dominio característico de proteínas involucradas en el desarrollo), el cual se expresa solo en las células inferiores de ZC del meristema (figura 3; Mayer 1998). Consistente con el fenotipo de la perdida de función de este gen, estudios de sobreexpresión revelan que WUS es suficiente para conferir la identidad de células troncales a las células del ápice del brote (Schoof, 2000). Se ha propuesto que el dominio espacial de expresión de WUS, el cual se restringe a la capa L3 CZ, actúa como un “centro organizador” que especifica a las células vecinas sobre ella identificarse como células troncales. La ausencia de un mecanismo que balancee la actividad WUS provocaría la acumulación descontrolada de células troncales en los meristemas. Esto es precisamente lo que se observa en los mutantes clv, en los cuales el dominio de expresión del RNA de WUS se expande lateralmente. Por otra parte, la expresión ectópica de CLV3 es suficiente para eliminar la expresión de WUS, demostrando que los genes CLV funcionan inhibiendo a nivel transcripcional el gen WUS (Brand, 2000; Schoof, 2000). CLV3 ha sido utilizado como un marcador molecular de células troncales en plantas. La identificación de los productos génicos CLV permitió especular el mecanismo de acción. CLV1 codifica un receptor kinasa tipo LRR (repetidos de leucina), el cual se expresa en un dominio espacial ligeramente más amplio que el gen WUS (figura 3, Clark, 1997). Este receptor es estabilizado por el producto génico CLV2, una proteína similar a un

receptor LRR pero que carece de un dominio citoplasmático (Jeong, 1999). Mediante ensayos de unión e inmunocoprecipitación en células de levadura que expresan CLV1 y CLV2, se ha demostrado que el pequeño polipéptido CLV3 actúa como un ligando multimérico para el complejo receptor CLV1/2 (Jeong et al., 1999; Trotochaud et al., 1999; Trotochaud et al., 2000). La unión de CLV3 da como resultado la formación de un complejo proteico, cual incluye el receptor CLV1 autofosforilado, CLV2, una fosfatasa asociada a una kinasa (KAPP), y una pequeña GTPasa tipo Rho (ROP) (figura 4b, Trotochaud et al., 1999). Además, proteínas MAP quinasas están involucradas en traducir la señal que inhibe la transcripción de WUS. La clave de este sistema, definido como un ciclo de regulación negativa autorregulado (figura 4a), radica en que células ubicadas en la capa L1 secretan el ligando CLV3 estimuladas por una señal dependiente de WUS (Schoof, 2000). Por lo tanto, el meristema es mantenido por dos poblaciones de células: células inferiores (centro

organizador) que expresan WUS, las que envían una señal promoviendo la identidad de células troncales a las células ubicadas superiormente, las que devuelven una señal vía CLV3 para restringir la expresión de WUS. Cualquier aumento o disminución en el número de células troncales forza un retorno al punto de equilibrio mediada por este mecanismo de regulación. El sistema parece ser sensible a los niveles de CLV3 (Brand, 2000), debido a que el 75% de CLV3 sintetizado en L1 se encuentra unido a su receptor in vivo, secuestrando el ligando y restringiendo el movimiento de CLV3 a las capas inferiores (Trotochaud et al., 2000). Se desconoce cual es la señal dirigida por WUS que determina la identidad células troncales, ni como esta señal llega a las células de las capas superiores. Se cree que esta señal debería estar inhibiendo la expresión de factores de diferenciación mediada por factores de transcripción y factores remodeladores de cromatina. Además, varios genes KNOX (homeobox tipo KNOTTED1) están involucrados en la inhibición de la diferenciación de las células troncales. KNOTTED1 (KN1), el primer factor de transcripción con homeodominios identificado en plantas (Vollbrecht, E. et al. 1991), fue aislado desde un mutante ganador de función de maíz que produce crecimiento de tejido indiferenciado en las hojas (Hake, S.1985). El ortólogo de este gen en Arabidopis es SHOOTMERISTEMLESS (STM) ( Long, J.A. et al. 1996). Este mutante falla en establecer y

mantener los meristemas apicales, inhibiendo la formación de órganos (Barton, M.K., 1993). Así, STM es requerido para mantener la identidad celular indiferenciada y evitar que las células de los meristemas se diferencien, actuando independientemente de CLV3 y WUS (Gallois, J-L. et al. 2002, Clark, S.E. et al. 1996, Lenhard, M. et al. 2002). STM tiene un dominio espacial de expresión a través de todo el meristema (figura 3) y no se requiere su presencia para activar la transcripción de CLV3 (Brand, U. et al. 2002). Sin embargo, su actividad es necesaria junto a WUS para mantener un nivel de expresión de CLV3

apropiado para el mantenimiento del meristema. Otros 3 genes KNOX (KNAT1, KNAT2 y KNAT6) son, al igual que STM, expresados en el borde superior del meristema (Byrne, M.E. et al. 2000, Byrne, M.E. et al. 2002, Semiarti, E. et al. 2001). El rol de estos genes KNOX es mantener el estado indiferenciado de las células troncales. Los genes de diferenciación AS1 y AS2 regulan negativamente la expresión de los genes KNOX, inhibiendo su expresión en el inicio de la formación de la hoja (Ori, N. et al. 2000). STM reprime la expresión de los genes AS1 y AS2, lo que permite indirectamente la expresión de los genes KNOX La expresión ectópica de STM es suficiente para inducir la maquinaria de division de las células troncales, así como inducir la expresión de los genes KNAT (Gallois, J-L. et al. 2002, Clark, S.E. et al. 1996). Sin embargo, la expresión ectópica de STM no induce la expresión de CLV3 (Clark, S.E. et al. 1996), demostrando que STM no es capaz de inducir la identidad células troncales por si mismo. La función de STM y WUS son requeridas y suficientes para activar la expresión de CLV1 y CLV3 en células no meristemáticas (Gallois, J-L. et al. 2002, Clark, S.E. et al. 1996, Lenhard, M. et al. 2002). Todas estas observaciones sugieren que STM y WUS tienen funciones distintas pero a la vez complementarias en los meristemas. STM evita que las células meristematicas se diferencien prematuramente, mientras que WUS destina a un grupo de células en el borde superior de los meristemas adquirir el comportamiento de células troncales. Por lo tanto, la identidad de células troncales depende al menos de la actividad de estos dos genes. La expresión de WUS y STM se induce independientemente uno del otro en distintos dominios durante la embriogénesis, pero su expresión no puede ser mantenida en la ausencia del otro (Mayer, 1998). Por lo tanto, las vías WUS y STM convergen en el establecimiento y mantención del meristema apical.

En conclusión, la unión de estos 2 factores es esencial para la formación continúa de órganos y tallo a partir de células suministradas por el meristema. A pesar que el meristema apical consiste de una población de células en división, los dominios espaciales de expresión permanecen estables en la misma posición relativa a la organización del ápice. En el caso del centro organizador (dominio de expresión del gen WUS dentro de la ZC), divisiones periclinales de la capa superior L3 da como resultado un flujo de células a través del Centro organizador (CO): células que entran al CO desde las células superiores inician la expresión del gen WUS, mientras que las células que abandonan CO dirigiéndose a RZ apagan la expresión de WUS. Por lo tanto, ¿Cómo el centro organizador es mantenido a una cierta distancia del borde superior del meristema, por debajo de la capa L3? (figura 5) Una posibilidad podría ser que las células troncales no solo envíen una señal represiva, sino también una señal positiva que induzca la expresión de WUS en el centro organizador. Aunque la fuerza de la señal represiva en la capa L3 sea débil, debido al secuestro del ligando CLV3, la señal activadora podría alcanzarla sin ningún problema. Una alternativa a esto, aunque no excluyente, puede ser que la posición del centro organizador dependa de señales de las células vecinas, tanto superiores como laterales. Esto es consistente con el hallazgo que la mantención de los meristemas requiere la presencia de primordios foliares y se ve

influenciado por la expresión de genes en las hojas y tejido vascular (Moussian B, 1998) Independiente de cual alternativa sea, la señal activadora debería moverse desde estas células hacia el centro organizador. No se conoce como las plantas especifican una información posicional, pero es probable que este mediado por el movimiento de proteínas entre los conductos que unen las células vegetales, llamados plasmodesmos. El movimiento intercelular ha sido reportado para varios factores de transcripción, por ejemplo, los genes KNOX (Kim, 2003), los que son estimulados por la presencia del gen STM. El movimiento apical del factor de transcripción KNOX desde la capa L1 a las capas interiores del meristema rescata parcialmente los defectos del meristema causados por el mutante stm. A parte del movimiento de proteínas, el RNA también se mueve entre las células. RNA viral y RNA codificado por genes regulatorios, tales como los genes KNOX, son transportados sistémicamente (Kim M; 2001, Lucas WJ 1995, Palauqui JC 1997).

Se desconoce como se induce la expresión del gen WUS. La presencia de los factores transcripcionales KNOX podrían estar participando de esta activación. Por lo tanto, se postula como hipótesis que el gen STM envía una señal positiva mediada por los genes KNOX para la expresión del gen WUS en el centro organizador del meristema apical. Para evaluar esta hipótesis se propone estudiar el movimiento intercelular de los factores KNOX, la capacidad trasactivadora de estos factores y como esto se relaciona con el mantenimiento de las células troncales.

FIGURAS

Figura 1. Desarrollo apical de Arabidopsis. SAM: meristema apical RAM: meristema radicular

Figura 2. Organización del meristema apical de Arabidopsis Capas L1, L2, L3 CZ: Zona central PZ: Zona periférica RZ: Zona rib

Figura 3. Dominios espaciales de expresión de genes involucrados en la mantención de las células troncales en los meristemas

Figura 4. Mecanismo de regulación negativa de las células Fiffds troncales de los meristemas. a) dominios espaciales de expresión de los genes autorregulados b) Vía de transducción de los genes CLV a nivel celular. Inhibición del gen WUS

Figura 5. Mantención del centro organizador mediado por las capas superiores

BIBLIOGRAFÍA

Barton, M.K. and Poethig, R.S. (1993) Formation of the shoot apical meristem in Arabidopsis thaliana: an analysis of development in the wild type and in the shoot meristemless mutant. Development 119, 823–831 Brand, U. et al. (2002) Regulation of CLV3 expression by two homeobox genes in Arabidopsis. Plant Physiol. 129, 565–575 Brand, U., Fletcher, J., Hobe, M., Meyerowitz, E.M. and Simon,R. (2000) Dependence of células troncales fate in Arabidopsis on a feedback loop regulated by CLV3 activity. Science 289:617–619. Byrne, M.E. et al. (2000) Asymmetric leaves1 mediates leaf patterning and células troncales function in Arabidopsis. Nature 408, 967–971 Byrne, M.E. et al. (2002) ASYMMETRIC LEAVES1 reveals knox gene redundancy in Arabidopsis. Development 129, 1957–1965 Clark, S., Williams, R.W. and Meyerowitz, E.M. (1997) The CLAVATA1 gene encodes a putative receptor kinase that controls shoot and floral meristem size in Arabidopsis. Cell 89:575–585. Clark, S.E. et al. (1996) The CLAVATA and SHOOTMERISTEMLESS loci competitively regulate meristem activity in Arabidopsis. Development 122, 1567–1575 Clark, S. (2001) Cell signaling at the shoot meristem. Nature Reviews Molecular Cell Biology 2:276–284. Gallois, J-L. et al. (2002) Combined SHOOT MERISTEMLESS and WUSCHEL trigger ectopic organogenesis in Arabidopsis. Development 129, 3207–3217 Hake, S. and Freeling, S. (1985) Developmental genetics of mutants that specify Knotted leaves in maize. Genetics 111, 617–634 Jeong, S., Trotochaud, A.E. and Clark, S. (1999) The Arabidopsis CLAVATA2 gene encodes a receptor-like protein required for the stability of the CLAVATA1 receptor-like kinase. Plant Cell 11:1925–1933. Kim M, Canio W, Kessler S, Sinha N: Developmental changes due to long-distance movement of a homeobox fusion transcript in tomato. Science 2001, 293:287-289. Kim J-Y, Yuan Z, Jackson D (2003) Developmental regulation and significance of KNOX protein trafficking in Arabidopsis. Development 130, 4351-4362

Laux, T., Mayer, K.F.X., Berger, J. and Jurgens, G. (1996) The WUSCHEL gene is required for shoot and floral meristem integrity in Arabidopsis. Development 122:87–96. Lenhard, M. et al. (2002) The WUSCHEL and SHOOTMERISTEMLESS genes fulfill complementary roles in Arabidopsis shoot meristema regulation. Development 129, 3195– 3206 Long, J.A. et al. (1996) A member of the KNOTTED class of homeodomain proteins encoded by the STM gene of Arabidopsis. Nature 379, 66–69 Lucas WJ, Bouche-Pillon S, Jackson DP, Nguyen L, Baker L, Ding B, Hake S: Selective trafficking of KNOTTED1 homeodomain protein and its mRNA through plasmodesmata. Science 1995, 270:1980-1983. Mayer, K.F.X., Schoof, H., Haecker, A., Lenhard, M., Jürgens, G. and Laux, T. (1998) Role of WUSCHEL in regulating células troncales fate in the Arabidopsis shoot meristem. Cell 95:805–815. Moussian B, Schoof H, Haecker A, Jürgens G, Laux T: Role of the ZWILLE gene in the regulation of central shoot mericélulas troncales fate during Arabidopsis embryogenesis. EMBO J 1998, 17:1799-1809. Ori, N. et al. (2000) Mechanisms that control knox gene expression in the Arabidopsis shoot. Development 127, 5523–5532 Palauqui JC, Elmayan T, Pollien JM, Vaucheret H. (1997) Systemic acquired silencing: transgene-specific post-transcriptional silencing is transmitted by grafting from silenced stocks to non-silenced scions. EMBO journal, 16:4738-4745. Schofield, R. (1978). The relationship between the spleen colony-forming cell and the haemopoietic stem cell Blood Cells 4, 7-25 Schoof, H., Lenhard, M., Haecker, A., Mayer, K.F.X., Jürgens, G. and Laux, T. (2000) The células troncales population of Arabidopsis shoot meristems is maintained by a regulatory loop between the CLAVATA and WUSCHEL genes. Cell 100:635–644. Semiarti, E. et al. (2001) The ASYMMETRIC LEAVES2 gene of Arabidopsis thaliana regulates formation of a symmetric lamina, establishment of venation and repression of meristem-related homeobox genes in leaves. Development 128, 1771–1783 Steeves, T.A. and Sussex, I.M. (1989) Patterns in Plant Development, Cambridge University Press Stewart, R.N, Dermen, H. (1970) Determination of Number and Mitotic Activity of Shoot Apical Initial Cells by Analysis of Mericlinal Chimeras. American Journal of Botany 57, 816-826

Szymkowiak, E.J. and Sussex, I.M. (1996) What chimeras can tell us about plant development. Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol.47, 351–376 Trotochaud, A.E., Hau, T., Wu, G., Yang, Z. and Clark, S. (1999) The CLAVATA1 receptor-like kinase requires CLAVATA3 for its assembly into a signaling complex that includes KAPP and a Rho-related protein. Plant Cell 11:393–406. Trotochaud, A.E., Jeong, S. and Clark, S. (2000) CLAVATA3, a multimeric ligand for the CLAVATA1 receptor kinase. Science 289:613–617. Vollbrecht, E. et al. (1991) The developmental gene Knotted-1 is a member of a maize homeobox gene family. Nature 350, 241–243


				
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