Las expansinas son una familia de proteínas no enzimáticas estrechamente relacionadas que se encuentran en la pared celular de las plantas , con papeles importantes en el crecimiento de las células vegetales, el ablandamiento de los frutos, la abscisión, la aparición de pelos radiculares, la invasión del tubo polínico del estigma y el estilo, la función del meristemo y otros procesos de desarrollo donde se produce el aflojamiento de la pared celular. [1] Las expansinas se descubrieron originalmente como mediadoras del crecimiento ácido , que se refiere a la característica generalizada de las paredes celulares de las plantas en crecimiento de expandirse más rápido a un pH bajo (ácido) que a un pH neutro. [2] Por tanto, las expansinas están vinculadas a la acción de las auxinas . También están vinculadas al agrandamiento celular y a los cambios en la pared celular inducidos por otras hormonas vegetales como la giberelina , [3] la citoquinina , [4] el etileno [5] y los brasinoesteroides . [6]
Un subconjunto de las β-expansinas también son los principales alérgenos del grupo 1 del polen de las gramíneas. [7]
Hasta ahora, se han descubierto dos grandes familias de genes de expansinas en plantas, llamadas alfa-expansinas (denominadas EXPA) y beta-expansinas (EXPB). Ambas familias de expansinas se han identificado en una amplia gama de plantas terrestres, desde angiospermas y gimnospermas hasta helechos y musgos. La planta modelo Arabidopsis thaliana contiene alrededor de 26 genes de α-expansinas diferentes y 6 genes de β-expansinas. Un subconjunto de β-expansinas ha desarrollado un papel especial en el polen de las gramíneas, donde se las conoce como alérgenos del polen de las gramíneas del grupo 1. [7] Las plantas también tienen un pequeño conjunto de genes similares a las expansinas (llamados EXLA y EXLB) cuya función no se ha establecido. [8] Se sabe que algunas proteínas en bacterias y hongos tienen una similitud de secuencia lejana con las expansinas de las plantas. [9] [10] [11] En 2008 [12] se obtuvo una evidencia sólida de que al menos algunas de estas secuencias son, de hecho, expansinas, cuando se demostró que la estructura cristalina de la proteína YOAJ de una bacteria ( Bacillus subtilis ) era muy similar a la estructura de las expansinas de las plantas, a pesar de la baja similitud de secuencias. Este estudio también señaló que se encontraron proteínas relacionadas con YOAJ en diversas especies de bacterias patógenas de plantas, pero no en bacterias relacionadas que no atacaron ni colonizaron plantas, lo que sugiere que estas expansinas bacterianas tienen un papel en las interacciones planta-microbio. Algunos animales, como Globodera rostochiensis , un nematodo parásito de plantas , pueden producir una expansina funcional que utiliza para aflojar las paredes celulares cuando invaden su planta huésped. [13]
Para ser designados como expansinas o similares a expansinas, los genes y sus productos proteicos deben contener tanto el dominio I ( N-terminal , catalítico, similar a GH45 - GH significa glicósido-hidrolasa) como el dominio II ( C-terminal , distantemente relacionado con los alérgenos del polen de gramíneas del grupo 2). [8] [14] Las expansinas no vegetales pueden designarse con el símbolo EXLX (X similar a expansina), pero no constituyen un grupo monofilético ; [8] distantemente similares a las expansinas vegetales, [9] podrían haber divergido antes del origen de las plantas terrestres, o bien podrían haber sido adquiridas por transferencia horizontal.
Nomenclatura de genes y proteínas de expansinas y similares a expansinas: p. ej., EXPANSINA A1 de Arabidopsis thaliana se denomina " AtEXPA1 " en lo que respecta al gen, y "AtEXPA1" en lo que respecta a la proteína; se agrega "-1" para el alelo mutante 1.
Las expansinas causan característicamente la relajación de la tensión de la pared y la extensión irreversible de la pared (corrimiento de la pared). [15] Este proceso es esencial para el agrandamiento celular. Las expansinas también se expresan en la fruta madura donde funcionan en el ablandamiento de la fruta, [16] y en el polen de las gramíneas, [7] donde aflojan las paredes celulares estigmáticas y ayudan a la penetración del tubo polínico de las semillas germinadas de estigma para el desmontaje de la pared celular, [17] en los órganos florales para su patrón, en el desarrollo de nódulos fijadores de nitrógeno en legumbres, en hojas con abscesos, en plantas parásitas y en plantas de "resurrección" durante su rehidratación. No se ha encontrado actividad enzimática para la expansina y, en particular, ninguna actividad de glucanasa: no hidrolizan los polisacáridos de la matriz; [15] el único ensayo definitivo para la actividad de la expansina es, por lo tanto, medir la relajación de la tensión de la pared o la extensión de la pared.
Las expansinas son proteínas; las dos expansinas inicialmente descubiertas tenían pesos moleculares de 29 kDa (kilodalton) y 30 kDa, [2] lo que correspondería a alrededor de 270 aminoácidos en promedio. En términos generales, las α- y β-expansinas y similares a expansinas están compuestas de aproximadamente 300 aminoácidos, [9] con un PM de ~25–28 kDa para la proteína madura. La secuencia peptídica de una expansina consiste, en particular, en: un péptido señal de alrededor de 20–30 aminoácidos en el extremo N-terminal, el dominio catalítico putativo, un motivo His-Phe-Asp (HFD) en la región central (excepto EXL), y el dominio putativo de unión a celulosa C-terminal con residuos Trp ( triptófano ) conservados. El análisis de secuencia de los genes de expansina muestra siete intrones denominados A, B, C, D, E, F y G; Las secuencias de diferentes genes de expansina muestran una buena correspondencia, conservándose la organización exón/intrón entre las α- y β-expansinas, y los genes similares a las expansinas, [18] aunque el número de intrones y la longitud de cada intrón difieren entre genes. En las secuencias señal N-terminales de los genes de α-expansina, la ausencia general de señal de retención del retículo endoplasmático (KDEL o HDEL) confirma que las proteínas están dirigidas a la pared celular. Un análisis de promotores de genes de expansina indica que la expresión de estos genes puede estar regulada por auxina, giberelina, citoquinina o etileno, siendo esto más frecuente en α-expansinas que en β-expansinas; plantas semiacuáticas como Rumex palustris , que son inducidas a crecer rápidamente por inmersión, muestran una inducción de la transcripción por inmersión, lo mismo que en el arroz donde la hipoxia y la inmersión aumentan los niveles de ARNm de α-expansina. [18]
La pared celular de la planta tiene una alta resistencia a la tracción y debe aflojarse para permitir que la célula crezca (se agrande irreversiblemente). [19] Dentro de la pared celular, esta expansión del área de superficie implica deslizamiento o movimiento de microfibrillas de celulosa , que normalmente está acoplado a la absorción simultánea de agua. En términos físicos, este modo de expansión de la pared requiere presión de turgencia celular para estirar la pared celular y poner la red de microfibrillas de celulosa interconectadas bajo tensión. Al aflojar los enlaces entre las microfibrillas de celulosa, las expansinas permiten que la pared ceda a las tensiones de tracción creadas en la pared a través de la presión de turgencia. El mecanismo molecular por el cual la expansina afloja la red celulósica dentro de la pared celular aún no se ha establecido en detalle. Sin embargo, se plantea la hipótesis de que la expansina interrumpe la adhesión no covalente o el atrapamiento de la hemicelulosa en la superficie de las microfibrillas de celulosa. Las hemicelulosas pueden unir las microfibrillas de celulosa, formando una fuerte red de soporte de carga. Se cree que la expansina altera transitoriamente la asociación celulosa-hemicelulosa, lo que permite el deslizamiento o movimiento de los polímeros de la pared celular antes de que se reforme la asociación y se restablezca la integridad de la red de la pared celular. [20]
En cuanto a la función de las expansinas bacterianas, la proteína bacteriana denominada YOAJ o BsEXLX1 se une a las paredes celulares de las plantas y las bacterias y tiene una actividad expansina débil pero significativa, [12] es decir, induce la extensión de la pared celular de las plantas in vitro. Además, los mutantes de B. subtilis que carecen de BsEXLX1 fueron defectuosos en la colonización de las raíces de las plantas, lo que sugiere que esta proteína facilita las interacciones planta-bacteria.
En los pólenes de gramíneas, los alérgenos principales ( alérgenos del grupo 1 , principales agentes causantes de la fiebre del heno y del asma estacional ) están estructuralmente vinculados a un subgrupo de las β-expansinas. [7] Estas expansinas parecen especializadas en la polinización, probablemente en el aflojamiento de las paredes celulares de los tejidos maternos durante la penetración del tubo polínico en el estigma y el estilo, como lo sugiere su potente efecto reológico sobre el estilo y las paredes del estigma de las gramíneas, donde son liberadas abundantemente por el polen. Las proteínas similares a las expansinas están implicadas en los alérgenos de las gramíneas de los grupos 2 y 3, menos importantes que los del grupo 1. Estos tres grupos de alérgenos comparten un módulo de unión a carbohidratos (CBM), que podría ser responsable de la unión al anticuerpo IgE. [21] El dominio II de la expansina, causante de los efectos alergénicos, podría estar relacionado con la competencia entre pólenes por el acceso a los óvulos. [22]