Por primera vez, los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) han desarrollado una forma a escala del genoma para mapear el papel regulador de los factores de transcripción, proteínas que desempeñan un papel clave en la expresión génica y en la determinación de los rasgos fisiológicos de una planta.
por Will Ferguson, Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley
Su trabajo revela conocimientos sin precedentes sobre las redes reguladoras de genes e identifica una nueva biblioteca de partes de ADN que se pueden utilizar para optimizar los esfuerzos de ingeniería genética en las plantas.
«Los factores de transcripción regulan cosas como el crecimiento de las plantas, la cantidad de frutos que producen y el aspecto de la arquitectura de sus raíces», dijo Niklas Hummel, autor principal de un estudio sobre la investigación en la revista Cell Systems e investigador asociado del Departamento de Instituto Conjunto de BioEnergía de Energy (JBEI), que es administrado por Berkeley Lab. «Al descifrar su papel regulador, podemos identificar nuevas estrategias para diseñar cultivos bioenergéticos más resistentes a la sequía y otras plantas con características agronómicas mejoradas».
Hummel y el autor principal del estudio, Patrick Shih, científico de la facultad en el Área de Biociencias de Berkeley Lab y Director de Diseño de Biosistemas de Plantas en JBEI, se propusieron desarrollar un método para caracterizar una gran cantidad de factores de transcripción en una planta simultáneamente. Si bien existen métodos para hacer esto para otros organismos modelo, como animales, insectos y hongos, aplicarlos a las plantas ha sido un desafío debido a su complejidad y la presencia perturbadora de las paredes celulares.
«Hasta la fecha, este tipo de estudios en realidad se han hecho poco a poco en las plantas, donde solo entendíamos la función de un factor de transcripción en particular porque un grupo de investigadores se ha centrado en él durante muchos años», dijo Shih, quien también es investigador en el el Instituto de Genómica Innovadora. «Entonces, lo que intentamos hacer en cambio fue encontrar una forma de mapear la actividad de cientos de estos factores de transcripción en una planta al mismo tiempo».
Para abordar este desafío, Hummel y Shih emplearon un sistema de expresión transitoria que habían desarrollado previamente para construir herramientas de biología sintética en plantas. Aquí, utilizaron el sistema para caracterizar, en paralelo, una red de más de 400 dominios efectores transcripcionales en la planta de tabaco Nicotiana benthamiana, una hazaña nunca antes lograda en la biología sintética de plantas.
Luego realizaron una extensa revisión de la literatura para tratar de hacer coincidir la función de los factores de transcripción que habían identificado en masa con el trabajo previo realizado para identificar la función de los factores de transcripción individuales en su red.
«Pudimos demostrar que esto es lo que las personas han visto cuando estudiaron individualmente el papel que juegan los factores de transcripción en la expresión génica , y esto es lo que hemos visto cuando los hemos estudiado en paralelo», dijo Shih. «En realidad terminó alineándose muy bien. Esto nos hace confiar en que podemos integrar nuestro conjunto de datos en las redes reguladoras de genes para identificar factores de transcripción clave para la ingeniería de rasgos importantes de las plantas».
Un aspecto sorprendente del estudio fue el descubrimiento de mecanismos similares de regulación transcripcional en eucariotas distantes. Al examinar la función de la regulación del factor de transcripción tanto en plantas como en levaduras, los investigadores encontraron una funcionalidad compartida, destacando la presencia de mecanismos profundamente conservados de regulación génica.
«Nos sorprendió ver que muchos dominios reguladores del factor de transcripción funcionaban igual en plantas y levaduras», dijo Hummel. «Luego ampliamos esto para demostrar cómo los algoritmos de aprendizaje automático entrenados en conjuntos de datos de levadura podrían funcionar para identificar dominios reguladores en las plantas».
Los hallazgos del estudio tienen implicaciones importantes para la agricultura y la sostenibilidad. Los factores de transcripción juegan un papel crucial en la determinación de rasgos importantes en las plantas, por lo que comprender cómo funcionan ayudará a los científicos a desarrollar estrategias para mejorar las prácticas agrícolas y abordar los desafíos ambientales.
De cara al futuro, los investigadores pretenden ampliar su enfoque para estudiar todos los factores de transcripción en Arabidopsis, una especie de planta modelo ampliamente estudiada. Esto acelerará aún más la comprensión de la regulación de genes específicos de plantas y facilitará los avances en el campo de la biología vegetal.
«Nuestra capacidad para diseñar y modificar plantas depende de nuestra comprensión básica de cómo se regulan varios rasgos», dijo Shih. «Al comprender cómo los factores de transcripción clave pueden ser reguladores maestros de los rasgos de interés, podríamos identificar nuevas estrategias para mejorar los rasgos relevantes de la bioenergía».
Más información: Niklas FC Hummel et al, El paisaje transregulador de redes de genes en plantas, Cell Systems (2023). DOI: 10.1016/j.cels.2023.05.002
