Los factores de transcripción en plantas

Introducción – Las Bases de la Vida

La información genética de todos los organismos vivos se encuentra en el ADN (ácido desoxirribonucleico). Este material genético codifica la información que finalmente da forma a cada organismo, controla su desarrollo e influencia su comportamiento. La activación y desactivación selectiva de los genes codificados en el ADN permiten que cada organismo produzca las proteínas específicas (largas cadenas de aminoácidos) en las cantidades particulares a lo largo del tiempo y en respuesta al ambiente interno y externo del organismo.

Molecular Biology

La síntesis de las proteínas ocurre en dos etapas. En la primera etapa, llamada transcripción, el mensaje permanente del ADN (Figura 1, 1) es copiado a un ARN mensajero temporal (ARNm, 2) por una enzima (ARN polimerasa). Este mensaje en forma de ARNm puede ser leído por una compleja “maquinaria” celular llamada ribosoma (3). En esta segunda etapa, llamada “traducción”, el ribosoma ensambla aminoácidos en el orden especificado en el ARNm para crear la proteína específica (4).

El crecimiento, desarrollo y la función de un organismo son reflejo de la expresión de sus genes - el momento en que se expresan, el patrón de expresión, la cantidad de ARNm y la producción de las proteínas a partir de los genes del organismo. De esta manera, la regulación génica resulta esencial para la vida, desde el más simple de los virus hasta el mamífero más complejo.

La transcripción del ADN para producir el ARN mensajero está sumamente controlada por la célula. Para que un organismo superior (planta o animal) funcione, sus genes deben activarse y desactivarse en grupos coordinados en respuesta a una variedad de situaciones. Para una planta, esto puede ser estrés abiótico (causado por factores no vivos) como el sol naciente o poniente, la sequía o el calor, estrés biótico (causado por agentes vivientes) como insectos, infección viral o bacteriana, o cualquiera de un número ilimitado de otros eventos. El trabajo de coordinar la función de los grupos de genes recae en las proteínas llamadas factores de transcripción (TxF).

¿Cómo funcionan los Factores de Transcripción?

Los TxF son proteínas que regulan la expresión génica (figura-2). Cada gen está precedido por una región promotora (o promotor) que incluye un sitio de unión para la polimerasa de ARN (que copia el ADN a ARN) y una variedad de otras características, incluyendo la caja "Tata" (o “TATA-box”, un segmento corto de repetición de residuos de timidina y adenina) y uno o más sitios potenciadotes (o "enhancers"), que sirven como lugar de unión para los TxF.

Para que un ARN mensajero se produzca, un complejo de iniciación debe ensamblarse en la región del promotor. Este complejo consta de más de 40 proteínas, incluyendo la polimerasa de ARN, proteínas de unión a la caja TATA, y uno o más TxF.

Los TxF funcionan uniéndose al ADN en el sitio potenciador y/o a otras proteínas en el complejo de iniciación. A través de estas interacciones entre proteínas, los TxF son capaces de controlar si la polimerasa de ARN se mueve hacia adelante a lo largo del ADN para producir un ARN mensajero. En efecto, los TxF son los "policías de tránsito" que regulan la producción de los ARNm.

Los TxF a menudo contienen elementos que ayudan para que la célula pueda responder al ambiente interno o externo. Típicamente, estos son los sitios de unión que interactúan con los productos químicos dentro de la célula ("ligandos") que modulan la actividad de los TxF. Por ejemplo, los TxF pueden unirse a hormonas, a productos químicos como la glucosa, o a otras proteínas con el fin de "sondear" y responder al medio ambiente.

A fin de permitir la función génica coordinada, un TxF particular puede unirse a múltiples genes, y cada gen puede ser controlado por múltiples TxF. Además, y teniendo presente que cada TxF es en sí mismo una proteína, y que los TxF con frecuencia regulan otros TxF, los TxF forman redes complejas que pueden controlar de uno a muchos miles de genes en respuesta a las condiciones internas o externas de la célula.

El uso de los TxF en las plantas GM

Los TxF son proteínas, y los genes que codifican para los TxF pueden ser insertados en las plantas de la misma manera que otros genes, tales como el gen Bt para la resistencia a los insectos o el gen Roundup Ready (cp4-epsps).

Como ocurre con otros genes, los genes de TxF pueden llevar promotores no específicos que les permiten ser expresados en todo momento en todos los tejidos de la planta, o pueden llevar promotores específicos de ciertos tejidos u otros promotores para permitir la expresión sólo en determinados tejidos, en determinados momentos, o bajo condiciones particulares.

Transcription Factors

El papel de los TxF en las plantas: el mejoramiento convencional

El mejoramiento vegetal selectivo se remonta a decenas de miles de años y ha producido resultados notables. Por ejemplo, el teocinte, ancestro del maíz, es una planta baja y tupida con semillas diminutas. Los cruzamientos selectivos han resultado en la planta alimentaria alta y de semilla grande que usamos hoy en día (Figura-3, Doebley, 1997). La investigación ha demostrado que estos cambios dramáticos en las características de la planta se deben principalmente a la selección de cambios en TxF claves.

Turning teosinte

Además, las plantas alteran los niveles de los TxF y de expresión de genes durante el desarrollo y en respuesta a las condiciones ambientales. Los seres humanos consumimos habitualmente materiales vegetales en sus distintas etapas de maduración o de madurez, y cultivados bajo una amplia variedad de condiciones, y estamos expuestos rutinariamente a los alimentos con diferentes niveles de TxF y de expresión génica.

Los TxF en la dieta

Los TxF son esenciales para la función de todos los genes en los organismos superiores, incluidos los seres humanos. Por lo tanto, los TxF están en todos los alimentos enteros derivados de plantas o animales.

Muchos de los TxF utilizados en los cultivos genéticamente modificados serán derivados de los cultivos utilizados para alimentación humana y animal y, de hecho pueden ser simplemente copias adicionales de los TxF ya presentes en un alimento en particular. Los TxF se encuentran conservados en el desarrollo evolutivo y los TxF derivados de especies no alimentarias serán probablemente muy similares a los que ya están en la dieta.

TxF: Seguridad y Salud para humanos y animales

Como se señaló anteriormente, los TxF están presentes en todos los alimentos derivados de plantas y animales, y tienen un largo historial de consumo seguro. Si bien los TxF influencian múltiples genes, es importante reconocer que los seres humanos y los animales ya consumen plantas cuyos TxF han sido ampliamente influenciados por el mejoramiento convencional, y que crecen bajo una amplia variedad de condiciones ambientales. Así, la vasta mayoría de la variabilidad en la composición que puede ser inducida a través de TxF ya está, en la mayoría de los casos, presente en alimentos y piensos.

Al igual que otras proteínas introducidas por el uso de la biotecnología moderna, los TxF deben someterse a una evaluación de seguridad que incluye estudios de toxicidad aguda, análisis de bioinformática para asegurar que la proteína no se parece a alérgenos conocidos de alimentos o toxinas, y pruebas para asegurar que la proteína se digiere rápidamente.

Para tener un efecto dentro de una célula, el TxF tendría que sobrevivir a la digestión, ser absorbido por el cuerpo, ser transportado a través de la membrana celular, y hacer su camino a través del citoplasma, a través de la membrana nuclear, y ser transportado hacia el ADN. Una vez allí, los TxF de la planta necesitarían interactuar eficazmente con los potenciadores y las otras proteínas del complejo de iniciación en el organismo del consumidor. Existen importantes barreras para la absorción y la transferencia de proteínas, así como diferencias en la actividad de las proteínas entre las especies, que hacen que la probabilidad de la actividad de los FxT ingeridos por vía oral sea esencialmente nula.

De hecho, el sentido común y la larga experiencia nos indican que los TxF no tendrán efectos sistémicos en los seres humanos. El consumo de los TxF en los alimentos no tiene efectos conocidos sobre las células. (Aunque las células responden al consumo de alimentos, ello es la fisiología normal y está mediada por los TxF del organismo consumidor). Además, si fuera común que los TxF adquiridos en la dieta migrasen fácilmente entre las células o se propagaren sistémicamente, la función y la organización celular se deteriorarían en un caos.

TxF: El Medio Ambiente

Los TxF de las plantas, humanos, y animales ya existen en el medio ambiente. La mayoría de las proteínas son fácilmente degradadas en el medio ambiente y son muy poco absorbidas por otros organismos. Las bacterias generalmente no pueden utilizar los TxF de los organismos superiores para la regulación de sus genes, y no se verán afectados por el uso de los TxF en las plantas.

Evaluación de la seguridad de caracteres poligénicos

La generación actual de plantas transgénicas disponibles comercialmente implicó principalmente la inserción de genes de proteínas individuales con función insecticida o enzimática. Se espera que tales genes tengan poco efecto sobre la expresión génica general. En contraste, se espera que los TxF modulen la expresión de un gran número de genes, y es importante considerar cómo se podría evaluar la seguridad de tales plantas en lo que respecta a la expresión génica.

Como se ha señalado, la expresión de los genes en las plantas cambia acentuadamente mientras la planta se desarrolla en respuesta a factores de estrés biótico y abiótico. Así, los patrones de expresión génica difieren radicalmente dependiendo de, por ejemplo, la maduración en el momento de la cosecha y las condiciones climáticas antes y durante la cosecha, la hora del día, etc. La realidad, no obstante, es que los niveles de expresión de los genes per se no son relevantes para la eficiencia y la seguridad de los cultivos - lo que importa es el rendimiento y la composición de los alimentos resultante.

Tanto el comportamiento agronómico como la composición de los alimentos son ampliamente evaluados cuando se trata de cultivos biotecnológicos. La evaluación de la composición implica una extensa evaluación de las propiedades de los nutrientes (proteínas, fibra, azúcares, vitaminas, etc) y anti-nutrientes (fitatos, inhibidores de tripsina, lectinas, etc) así como la evaluación de las toxinas vegetales conocidas naturalmente presentes en las variedades alimentarias. Dado que los TxF son factores de regulación, sin función metabólica de síntesis o de otro tipo, es altamente improbable que se produzcan toxinas nuevas.

La evaluación de la inocuidad de los piensos y los alimentos derivados de plantas con modificaciones genéticas que modulan la expresión de genes endógenos, incluyendo el uso de los TxF, ha sido revisada recientemente (Kier y Petrick, 2008).

¿Cuál es el rol de las "ómicas" en la evaluación de la seguridad de los TxF?

Diversas técnicas, ampliamente conocidas como "ómicas" existen en la actualidad para medir simultáneamente los niveles de expresión de un gran número de genes (genómica), proteínas (proteómica) o los metabolitos intermediarios ("metabolómica"). Se espera que los TxF alteren la expresión de genes y puedan afectar los niveles de expresión de las proteínas y metabolitos que se encuentran regulados por estos genes. Sin embargo, es importante recordar que la producción de proteínas y la función metabólica están también ampliamente reguladas en etapas más allá de la producción de ARN mensajero. Estos mecanismos homeostáticos tienden a moderar el impacto de los cambios en la expresión génica. Además, la función del gen puede cambiar rápidamente - en minutos u horas-, mientras que la composición final de los alimentos en un cultivo puede desarrollarse en semanas o meses. Así, se espera que los resultados de la expresión génica sean un indicador pobre de la composición y la seguridad de los alimentos.

La función de los genes fluctúa de forma significativa en respuesta a los eventos normales del medioambiente, incluida la hora del día, las condiciones meteorológicas, etc. Esto hace que los rangos "normales" de la expresión génica sean muy difíciles de definir, y de hecho tales niveles "normales" es probable que sean muy amplios para la mayoría de los genes.

Dadas estas circunstancias, es muy poca, si es que alguna, la información sobre seguridad que pueda derivarse de las tecnologías de genómica o proteómica.

Aunque la metabolómica puede detectar la presencia de una variedad de metabolitos, no resulta siempre posible alcanzar medidas exactas. La mayoría de los métodos se limitan a los metabolitos de alta abundancia, y muchos metabolitos no tienen ninguna importancia nutricional. Además, actualmente no se cuenta con las bases de datos que detallen los rangos normales de los metabolitos nutricionalmente importantes o, si las hay, son muy limitadas. Los análisis composicionales y nutricionales deberían centrarse, lógicamente, en los componentes nutricionales, anti-nutricionales y tóxicos importantes - precisamente el tipo de análisis que se realizan actualmente para los alimentos y piensos obtenidos por métodos de biotecnología moderna.

En resumen, las tecnologías "ómicas" ofrecen enormes capacidades de adquisición de datos, pero en la actualidad resultan de un valor limitado en la evaluación de la seguridad (Kier y Petrick, 2008). Las evaluaciones apropiadas continuarán basándose y confiando en el rendimiento agronómico tradicional, la morfología de las plantas, y el análisis de composición específica en espera del desarrollo y la comprensión de amplias bases de datos de metabolómica.

Referencias

Lectura básica

        Tjian, R., 1995. Molecular machines that control genes. Scientific American 272, 54-61.

Información General

  • Carroll, S.B., 2000. Endless forms: the evolution of gene regulation and morphological diversity. Cell 101, 577-580.
  • Doebley, J., Stec, A., Hubbard, L., 1997. The evolution of apical dominance in maize. Nature 386, 485-488.
  • Doebley, J., Lukens, L., 1998. Transcriptional regulators and the evolution of plant form. The Plant Cell 10, 1075-1082.
  • Martinez, E., 2002. Multi-protein complexes in eukaryotic gene transcription. Plant Molecular Biology 50, 925-947.
  • Tautz, D., 2000. Evolution of transcriptional regulation. Current Opinion in Genetics and Development 10, 575-579.

Evaluación de Seguridad

  • Kier LD, Petrick JS. Safety assessment considerations for food and feed derived from plants with genetic modifications that modulate endogenous gene expression and pathways. Food and Chemical Toxicology 46:2591–2605, 2008.

Autores

  • Daniel A. Goldstein, M.D. es Médico Toxicólogo y Director de “Medical Sciences and Outreach” por Monsanto
  • Davis Songstad, Ph.D. es Biólogo Vegetal en Scientific Affairs, Monsanto.
  • Eric Sach, Ph.D. es investigador en el área vegetal y líder de Scientific Affairs, Monsanto.
  • Jay Petrick, Ph.D. es un cietífico de Monsanto que trabaja en aspectos de seguridad de los Factores de Transcripción.