Exploring Phosphoenolpyruvate carboxylase kinase as a potential key regulator of carbon flow towards phenylpropanoid-stilbenoid pathways in grapevine (Vitis vinifera L.)

Resumen

Las especies vegetales están continuamente desafiadas por un extenso número de microorganismos patógenos en su ambiente natural, principalmente bacterias, hongos y virus. Las plantas cuentan con un amplio arsenal de mecanismos de defensa tanto constitutivos como inducibles frente a estos patógenos. Los mecanismos inducibles incluyen el estadillo oxidativo, muerte celular rápida y localizada, acumulación de fitoalexinas y la síntesis de proteínas relacionadas con la patogénesis (Proteínas PR). Centrándose en las fitoalexinas, estas son compuestos antimicrobianos de bajo peso molecular producidos por las plantas en respuesta a estrés biótico y abiótico. Las fitoalexinas poseen un amplio rango de propiedades antifúngicas en varias especies de plantas. Debido a esto, estos compuestos han sido objeto de numerosos estudios en los últimos 20 años. En la Vid, Vitis vinífera L., la respuesta mejor caracterizada y más frecuente frente a la infección fúngica es la extensa acumulación de fitoalexinas y de proteínas relacionadas con la patogénesis. Entre la gran diversidad de compuestos naturales bioactivos producidos por las especies de Vitis sp. las fitoalexinas están formadas por un grupo reducido de moléculas que pertenecen a la familia de los estilbenos. Las células de vid son capaces de acumular estilbenos en respuesta a estrés biótico y abiótico. Los estilbenos de la vid derivan primariamente del trans-resveratrol (tR) (3,4`,5 -trihidroxiestilbeno), el cual puede sufrir modificaciones químicas, como glicosilación, metilación, hidroxilación y oligomerización, dando lugar a varios derivados bioactivos. tR es producido como producto final de la ruta fenilpropanoide mediante la condensación de tres moléculas de malonil-CoA con una molécula de 4-cumaroil-CoA en una reacción catalizada por la Estilbeno Sintasa (STS). Los estilbenos de la vid han sido ampliamente estudiados ya que poseen unas propiedades en la salud humana sorprendentes. Se han observado beneficios del tR en las principales enfermedades humanas, como agente cardioprotector, como inhibidor de la carcinogénesis, neuro protector y antienvejecimiento entre otros, ya que tR posee un alto efecto antioxidante. Por lo tanto, el interés farmacéutico, nutracéutico y biotecnológico del tR y por tanto de la vid, han ido en aumento desde los últimos 20 años. De la misma manera, la respuesta de defensa has sido estudiada en cultivos celulares de vid utilizando inductores naturales de esta respuesta. En este sentido, la 2,6 dimetil-β-ciclodextrina (MBCD) ha demostrado poseer un gran poder elicitor, promoviendo la producción de tR y su acumulación extracelular. Estos estudios han permitido profundizar en los diferentes mecanismos de regulación de la producción de estos compuestos a través de análisis transcriptómicos y proteómicos. Sin embargo, estos análisis revelaron algunos genes y proteinas cuyo papel en esta respuesta es desconocida hasta hoy. Este es el caso de dos parálogos de Fosfoenolpiruvato carboxilasa quinasa (PPCK). La presente tesis doctoral está centrada en el estudio del posible papel regulador de la enzima fosfoenolpiruvato carboxilasa quinasa (PPCK) en la producción de resveratrol y otros metabolitos secundarios en cultivos celulares de vid. La hipotesis principal de esta tesis es que dicha enzima podría estar regulando el flujo del carbono entre el metabolismo primario y secundario, con la finalidad de potenciar este último en condiciones de estrés. Para demostrar esta hipótesis, el contenido de la tesis se divide en 4 capítulos principales. El primer capítulo consiste en el desarrollo de un método analitico basado en espectrometría de masas de triple cuadrupolo para la detección precisa y la cuantificación exacta de resveratrol y sus derivados bioactivos, producidos por la vid. El segundo capítulo es un estudio transcripccional de 2 isoformas de la enzima PPCK, así como el sustrato de esta última (la enzima fosfoenolpiruvato carboxilsa, PPC), en condiciones de estrés, además de estudiar la coexpression con enzimas y factores de transcripcion cuyo papel en la produccion de resveratrol se conce con anterioridad. En este capítulo se demuestra tanto en cultivos celulares de vid, como en hojas intactas, que los genes PPCK son fuertemente reprimidos en condiciones de estrés, mientras que los genes PPC permanencen invariables. En cambio se produce un descenso en torno al 20-30% en la actividad específica de la enzima PPC en tales condiciones. Por otro lado, en tales condiciones se observa la correlación entre la represión de los genes PPCK y el incremento en la producción de resveratrol y otros estilbenos. Es conocido que los cambios de actividad en la enzima PPC son debidos a cambios en la fosforilación de la misma, los cuales a su vez son regulados por la PPCK. Por lo tanto el capítulo 3 consiste en el desarrollo de un método para detectar y cuantificar cambios en el patrón de fosforilación de la enzima PPC, adoptando una estrategia de proteómica dirigida. El desarrollo de esté metodo para la proteína PPC ha permitido observar como el estrés inducido por MBCD provoca un descenso en el grado de fosforilación de la enzima PPC, lo cual correlaciona directamente con el descenso en su actividad específica, y ambos efectos a su vez están correlacionados con la represión génica de su proteína reguladora PPCK. Por último el capítulo 4 es el análisis funcional de los genes PPCK, a través de transformación genética estable de cultivos celulares de vid, con la finalidad de sobreexpresar los genes PPCK, y del silenciamiento genético de los mismos. Los cultivos celulares transformantes que sobreexpresaban alguno de los dos parálogos de PPCK resultaron acumular menos resveratrol en condiciones de estrés en comparación con la estirpe silvestre (WT) avalando de esta manera nuestra hipótesis inicial. Además, este efecto no afectaba únicamente a la producción de resveratrol, si no a una gran variedad de metabolitos secundarios producidos en la ruta fenilpropanoide (Flavonoides, taninos condensados, ácidos hidroxicinámicos etc.) sugiriendo que el papel de la enzima PPCK está implicado en la regulación del suministro de carbono hacia esa vía en condiciones de estrés. Por último, el silenciamiento genético tuvo una eficiencia inadecuada, sugiriendo que los genes PPCK pueden ser esenciales, y difícilmente manipulables por en la región metabolica en la que participan.