Barcelona, Spain
December 13, 2013
La recerca s’ha centrat en la fisiologia de la planta Medicago truncatula, un organisme vegetal de referència per als estudis sobre plantes lleguminoses. Imatge: Karel Spruyt, VIB
Segons els experts, en mamífers, llevats i plantes, l’enzim HMGR té una estructura bipartida en la qual destaca un domini catalític conservat i un domini de membrana que l’ancora al reticle endoplasmàtic. Imatge: Narciso Campos, UB
Un estudi científic revela un nou mecanisme per al control de la via de síntesi de les saponines, unes molècules essencials per a la defensa i la relació d’algunes plantes amb l’entorn, i de gran interès per al sector biomèdic i industrial. En l’article, publicat recentment a la revista Nature, hi ha participat el professor Narciso Campos, del Departament de Bioquímica i Biologia Molecular (Biologia), en el marc d’un treball internacional coordinat per l’investigador Alain Goossens, de l’Institut Flamenc de Biotecnologia (VIB, Bèlgica).
Metabòlits secundaris: defensa i relació amb l’entorn
El treball analitza la via de síntesi de les saponines, uns metabòlits secundaris àmpliament distribuïts en el món vegetal. Les saponines, que formen part de l’arsenal defensiu d’algunes plantes enfront d’amenaces externes (patògens, herbívors, etc.), són molècules que alteren la permeabilitat de les membranes i presenten un gran interès farmacèutic i industrial com a agents antimicrobians, anticancerosos i hemolítics, entre altres aplicacions.
Les saponines se sintetitzen a partir de la via dels isoprenoides (terpenoides), una ruta metabòlica en la qual té un paper clau l’enzim HMGR (3-hidroxi-3-metilglutaril-CoA reductasa). Tal com explica el professor Narciso Campos, «l’HMGR va ser identificada fa quatre dècades en mamífers i, poc després, en plantes i fongs». «En el cas dels humans —continua—, és l’enzim clau per al control de la síntesi de colesterol, un isoprenoide essencial però el desajust del qual causa greus anomalies, com ara l’aterosclerosi». En el cas de fongs i plantes, també és l’enzim clau per a la síntesi dels esterols. Pel seu interès en biomedicina, els estudis sobre la via de síntesi d’isoprenoides representen la temàtica que ha rebut més guardons en la història dels Premis Nobel.
Un fre molecular a la síntesi de saponines
La recerca s’ha centrat en la fisiologia de la planta Medicago truncatula, un organisme vegetal de referència per als estudis sobre plantes lleguminoses. Quan les plantes detecten una agressió externa, es desencadena una síntesi massiva de saponines a través del senyal bioquímic induït per la fitohormona metil jasmonat. Aquest senyal bioquímic, en concret, promou l’activitat de diferents isoformes de l’enzim HMGR, i en conseqüència, la síntesi de saponines amb funció defensiva. Segons els experts, en aquesta cascada de reaccions metabòliques existiria un fre molecular no descrit fins ara: el de la ubiquitina ligasa o E3, que regularia de manera negativa l’activitat de l’HMGR i, per tant, la síntesi de saponines, que en excés també resultarien fatals per a la planta.
«La ubiquitina ligasa és una subunitat del sistema ubiquitina-proteasoma de degradació de proteïnes. En concret, aquesta estructura reconeix la diana molecular que ha de ser degradada. Cal recordar que en biologia els processos de degradació selectiva de proteïnes són tan importants com els de síntesi. De fet, moltes malalties es deuen a l’acumulació de proteïnes que no han estat degradades», detalla Narciso Campos, que és membre del Grup de Recerca de Genètica Molecular de Plantes de la UB i del Centre de Recerca en Agrigenòmica (CRAG).
Una via d’alta complexitat en plantes
A diferència d’altres organismes, la via de síntesi d’isoprenoides en les plantes és d’una complexitat extraordinària. Fins ara, s’han descrit prop de 35.000 compostos isoprenoides sintetitzats majoritàriament per organismes vegetals. Les molècules identificades, que només són una part de les que existeixen en les plantes, tenen en conjunt un extraordinari potencial biotecnològic i industrial. Els isoprenoides són essencials per a multitud de funcions de la planta (respiració, fotosíntesi, control del desenvolupament o organització de la cèl·lula, entre d’altres) i per modular la seva relació amb el medi (defensa, atracció d’insectes, etc.). «Cada grup de plantes s’ha especialitzat en la producció d’isoprenoides concrets», explica Narciso Campos.
Els progressos en l’elucidació de la ruta de síntesi d’isoprenoides en les plantes també obren noves fronteres al coneixement del metabolisme del colesterol, de gran interès biomèdic pels seus efectes sobre la salut humana. Segons els experts, en mamífers, llevats i plantes, l’enzim HMGR té una estructura bipartida en la qual destaca un domini catalític conservat i un domini de membrana que l’ancora al reticle endoplasmàtic. En diferents estudis, s’ha constatat que l’expressió del domini de membrana condueix a la síntesi massiva de membranes i hipertròfia d’aquest orgànul cel·lular. Aquesta resposta comuna, segons apunta Narciso Campos, s’ha mantingut al llarg de l’evolució i també podria estar lligada al control de síntesi d’esterols.
Nuevas vías de control en la síntesis de las defensas químicas en plantas
La nueva investigación se ha centrado en la fisiología de la planta Medicago truncatula, un organismo vegetal de referencia para los estudios sobre plantas leguminosas. Imagen: Karel Spruyt, VIB
Según los expertos, en mamíferos, levaduras y plantas, la enzima HMGR tiene una estructura bipartita en la que destaca un dominio catalítico conservado y un dominio de membrana que la ancla al retículo endoplasmático. Imagen: Narciso Campos, UB
Un estudio científico revela un nuevo mecanismo para el control de la vía de síntesis de las saponinas, unas moléculas esenciales para la defensa y la relación de algunas plantas con el entorno, y de gran interés para el sector biomédico e industrial. En el artículo, publicado recientemente en la revista Nature, participa el profesor Narciso Campos, del Departamento de Bioquímica y Biología Molecular (Biología), dentro del marco de un trabajo internacional coordinado por el investigador Alain Goossens, del Instituto Flamenco de Biotecnología (VIB, Bélgica).
Metabolitos secundarios: defensa y relación con el entorno
El nuevo trabajo analiza la vía de síntesis de las saponinas, unos metabolitos secundarios ampliamente distribuidos en el mundo vegetal. Las saponinas, que forman parte del arsenal defensivo de algunas plantas frente a amenazas externas (patógenos, herbívoros, etc.), son moléculas que alteran la permeabilidad de las membranas y presentan un gran interés farmacéutico e industrial como agentes antimicrobianos, anticancerígenos y hemolíticos, entre otras aplicaciones.
Las saponinas se sintetizan a partir de la vía de los isoprenoides (terpenoides), una ruta metabólica en la que tiene un papel clave la enzima HMGR (3-hidroxi-3-metilglutaril-CoA reductasa). Tal como explica el profesor Narciso Campos, «la HMGR fue identificada hace unas cuatro décadas en mamíferos y, poco después, en plantas y hongos». «En el caso de los humanos —continúa—, es la enzima clave para el control de la síntesis de colesterol, un isoprenoide esencial pero cuyo desajuste causa graves anomalías, como la aterosclerosis». En el caso de hongos y plantas, también es la enzima clave para la síntesis de los esteroles. Por su interés en biomedicina, los estudios sobre la vía de síntesis de isoprenoides representan la temática que ha recibido más galardones en la historia de los Premios Nobel».
Un freno molecular a la síntesis de saponinas
La nueva investigación se ha centrado en la fisiología de la planta Medicago truncatula, un organismo vegetal de referencia para los estudios sobre plantas leguminosas. Cuando las plantas detectan una agresión externa, se desencadena una síntesis masiva de saponinas a través de la señal bioquímica inducida por la fitohormona metil jasmonato. Esta señal bioquímica, en concreto, promueve la actividad de diferentes isoformas de la enzima HMGR, y en consecuencia, la síntesis de saponinas con función defensiva. Según los expertos, en esta cascada de reacciones metabólicas existiría un freno molecular no descrito hasta ahora: el de la ubiquitina ligasa o E3, que regularía de forma negativa la actividad de la HMGR y por tanto la síntesis de saponinas, que en exceso también resultarían fatales para la planta.
«La ubiquitina ligasa es una subunidad del sistema ubiquitina-proteasoma de degradación de proteínas. En concreto, esta estructura reconoce la diana molecular que ha de ser degradada. Cabe recordar que en biología los procesos de degradación selectiva de proteínas son tan importantes como los de síntesis. De hecho, muchas enfermedades se deben a la acumulación de proteínas que no han sido degradadas», detalla Narciso Campos, que es miembro del Grupo de Investigación en Genética Molecular de Plantas de la UB y del Centro de Investigación en Agrigenómica (CRAG).
Una vía de alta complejidad en plantas
A diferencia de otros organismos, la vía de síntesis de isoprenoides en plantas es de una extraordinaria complejidad. Hasta la fecha, se han descrito unos 35.000 compuestos isoprenoides sintetizados mayoritariamente por organismos vegetales. Las moléculas identificadas, que son solo una parte de las que existen en plantas, tienen en conjunto un extraordinario potencial biotecnológico e industrial. Los isoprenoides son esenciales para multitud de funciones de la planta (respiración, fotosíntesis, control del desarrollo u organización de la célula, entre otras) y para modular su relación con el medio ambiente (defensa, atracción de insectos, etc.). «Cada grupo de plantas se ha especializado en la producción de isoprenoides concretos», explica Narciso Campos.
Los progresos en la elucidación de la ruta de síntesis de isoprenoides en plantas también abren nuevas fronteras al conocimiento del metabolismo del colesterol, de gran interés biomédico por sus efectos sobre la salud humana. Según los expertos, en mamíferos, levaduras y plantas, la enzima HMGR tiene una estructura bipartita en la que destaca un dominio catalítico conservado y un dominio de membrana que la ancla al retículo endoplasmático. En diferentes estudios, se ha constatado que la expresión del dominio de membrana conduce a la síntesis masiva de membranas e hipertrofia de este orgánulo celular. Esta respuesta común, según apunta Narciso Campos, se ha mantenido a lo largo de la evolución y podría también estar ligada al control de síntesis de esteroles.
New control pathways in the synthesis of plant chemical defences
A scientific study reveals a new mechanism to control saponin biosynthesis. Saponins are essential in the adaptation of many plants to the environment and have high biomedical and industrial interest. The article was recently published in the journal Nature. Professor Narciso Campos, from the Department of Biochemistry and Molecular Biology (Biology) participates in the international study led by the expert Alain Goossens from the Flanders Institute for Biotechnology (VIB, Belgium).
Secondary metabolites: defence and adaptation to the environment
The study analyses the synthesis of saponins, a group of secondary metabolites found in many plants. Saponins defend plants against environmental aggressions (pathogens, herbivores, etc.), by altering membrane permeability, and have importance in pharmaceutical and industrial sectors as antimicrobial, anticancer and haemolytic agents.
Saponins derive from the isoprenoid (terpenoid) biosynthetic pathway, a metabolic route in which the HMGR (3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA reductase) enzyme plays key role. As Professor Narciso Campos mentions, “HMGR was identified four decades ago in mammals, and a few years later in plants and fungi. In the case of humans, it has a key regulatory role in the synthesis of cholesterol, the imbalance of which causes severe abnormalities, such as atherosclerosis. In the case of plants and fungi, the enzyme plays also a crucial role in sterol biosynthesis. Because its biomedical interest, isoprenoid biosynthesis is the subject with the highest number of Nobel Prizes”.
A molecular brake in saponin biosynthesis
The new research is focused on the plant Medicago truncatula, a legume used as a model in physiological and molecular studies. When plants detect an external challenge, massive accumulation of saponins is triggered by the phytohormone methyl jasmonate. More precisely, this biochemical signal induces different isoforms of the enzyme HMGR and, subsequently, the synthesis of the defensive saponins. As proposed in the published work, there is brake for this metabolic cascade which was unknown to date: E3 ubiquitin ligase; it negatively regulates HMGR activity and, consequently, saponin synthesis.
“Ubiquitin ligase is a subunit of the protein degradation system ubiquitin-proteasome system. which recognises the molecular target to be degraded. In protein biology, degradative processes are as important as biosynthetic ones. In fact, many human diseases are due to the accumulation of proteins which have not been conveniently degraded”, points out Narciso Campos, member of the Research Group Plant Molecular Genetics of UB and the Centre for Research in Agricultural Genomics (CRAG).
A highly complex pathway in plants
Unlike other organisms, plants have a highly complex isoprenoid biosynthetic pathway. To date, around 35,000 isoprenoid compounds, most from plants, have been described. The identified compounds, which are only a part of those present in nature, have an extraordinary biotechnological and industrial potential. Isoprenoids are essential for many plant functions (respiration, photosynthesis, development, cell organisation, etc.) and for the plant interaction with the environment (defence, insect attraction, etc.). “Each group of plants has its particular set of isoprenoids”, explains Narciso Campos.
Progress in the elucidation of isoprenoid biosynthetic pathway, in plants, opens new paths in the research of cholesterol metabolism. Yeast, mammal and plant HMGR have a bipartite structure formed by the catalytic domain and a membrane domain inserted in the endoplasmic reticulum. Several studies have shown that the expression of the HMGR membrane domain leads to massive accumulation of endoplasmic reticulum membranes. Narciso Campos points out that this has been maintained through evolution and could be related to the control of sterol biosynthesis.
Reference article:
Jacob Pollier, Tessa Moses, Miguel González Guzmán, Nathan De Geyter, Saskia Lippens, Robin Vanden Bossche, Peter Marhavy, Anna Kremer, Kris Morreel, Christopher J. Guerin, Aldo Tava, Wieslaw Oleszek, Johan M. Thevelein, Narciso Campos, Sofie Goormachtig and Alain Goossens. “The protein quality control system manages plant defence compound synthesis”. Nature, 504, 5 December 2013. Doi: 10.1038/nature12685
The new research is focused on the plant Medicago truncatula, a legume used as a model in physiological and molecular studies. (image: Karel Spruyt, VIB).
As proposed in the published work, there is brake for this metabolic cascade which was unknown to date: E3 ubiquitin ligase; it negatively regulates HMGR activity and, consequently, saponin synthesis. (image: Narciso Campos, UB).
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