El momento de la expresión de CAB 1 es una proteína que en Arabidopsis thaliana está codificada por el gen TOC1 . TOC1 también se conoce como regulador de respuesta de dos componentes similar a APRR1 .
TOC1 fue el primer gen vegetal que, al mutar, produjo un fenotipo circadiano. Codifica el factor de transcripción TOC1, que afecta el período de los ritmos circadianos de las plantas : oscilaciones incorporadas y maleables que se repiten cada 24 horas. El gen codifica un represor transcripcional , TOC1, uno de los cinco reguladores de pseudorespuesta (PRR) que median el período del reloj circadiano en las plantas. La proteína TOC1 está involucrada en el bucle vespertino del reloj, que es un represor que inhibe directamente la transcripción de los genes del bucle matutino LHY y CCA1 . [1] El gen Toc1 se expresa en la mayoría de las estructuras y células de las plantas, y tiene su locus en el cromosoma 5. [2]
El gen TOC1 fue descubierto inicialmente por el profesor Andrew Millar y sus colegas en 1995, cuando Millar era estudiante de posgrado. Millar desarrolló un innovador análisis genético directo en el que vinculó un reportero bioluminiscente , la luciferasa de la luciérnaga , a la expresión de CAB (proteína de unión a la clorofila-a,b; ver Complejos de captación de luz de las plantas verdes ) en Arabidopsis . Al medir la bioluminiscencia a lo largo del día, Millar descubrió que la expresión de CAB mostraba patrones oscilatorios en luz constante y oscilaba con un período más corto en las plantas mutantes toc1. También mapeó el gen toc1 al cromosoma 5. Estos métodos y descubrimientos se publicaron y aparecieron en la portada de la revista Science en febrero de 1995. [3]
En parte porque los estudios iniciales de los genes del reloj se llevaron a cabo en Drosophila en la década de 1970 y luego en mamíferos, originalmente se pensó que el reloj circadiano de las plantas funcionaba de manera similar al reloj de los mamíferos. En los mamíferos, los elementos reguladores positivos y negativos actúan en bucles de retroalimentación para impulsar las oscilaciones circadianas; es decir, los genes Per y Cry son activados por los elementos positivos CLOCK y BMAL para producir proteínas que, cuando se fosforilan, actúan como elementos negativos para inhibir el complejo CLOCK:BMAL de su función activadora. De esta manera, Per y Cry inhiben su propia transcripción. [4] [5]
Por el contrario, el grupo de Millar descubrió que la proteína TOC1 es un regulador negativo y que el reloj de la planta se puede modelar mejor como un represor , un sistema en el que un gen reprime a otro y a su vez es reprimido por el siguiente, formando una red génica oscilante e interdependiente. Este hallazgo se logró a través de 1) mutantes de Arabidopsis con expresión constitutiva (siempre activada) del gen toc1 , que mostraron una abundancia disminuida de ARNm en los genes del bucle matutino prr7 y 9, cca1 y lhy y en los genes del bucle vespertino gi y elf4; y 2) plantas con mutaciones en toc1 y plantas en las que se utilizó RNAi para inactivar toc1. Estos mutantes sin toc1 funcional mostraron una fase avanzada para lhy, lo que sugiere una menor represión en ausencia de la proteína TOC1. [6]
Un estudio de Carl Strayer y sus colegas descubrió que la participación transcripcional del gen toc1 acortaba los ritmos circadianos en oscuridad constante además de luz constante, y que TOC1 estaba regulado circadianamente y participaba en la regulación de su propio ciclo de retroalimentación. [7]
Se han encontrado homólogos de TOC1 en berros , Brassica , papaya , pepino , fresa , soja , loto , manzana , melocotón , álamo occidental ( Populus ), ricino , tomate , patata , vid y garbanzo . [8]
Se han encontrado 21 polimorfismos en Arabidopsis , incluidas sustituciones, inserciones y deleciones. [2]
Al igual que las otras cuatro proteínas PRR que se encuentran en Arabidopsis , TOC1 se encuentra en el núcleo y emplea un dominio pseudo-receptor (PR) en el extremo N y un dominio CONSTANS, CONSTANS-LIKE y TOC1 (CCT) en el extremo C. [1] A través de su dominio CCT, TOC1 puede unirse directamente al ADN , y el dominio PR es responsable de la actividad de represión transcripcional. [9]
El TOC1 se une a las regiones promotoras de los motivos G y EE de los genes implicados en los ciclos de retroalimentación de transcripción-traducción matutinos y vespertinos que impulsan el reloj circadiano de la planta; estos genes incluyen PRR7 y 9, CCA1 y LHY en el ciclo de retroalimentación matutino y GI y ELF4 en el ciclo vespertino. La inducción discreta de la expresión del gen TOC1 da como resultado una expresión reducida de CCA1 y PRR9, lo que indica que el TOC1 desempeña un papel represivo en lugar de estimulante en la regulación de la expresión génica circadiana. [6] La represión de los genes del ciclo matutino lhy y cca1 se predijo mediante modelos computacionales y fue la pieza de evidencia necesaria para redefinir el papel del toc1 en el reloj de la planta como parte de un modelo represor de triple componente negativo en lugar de un sistema de elementos positivos/negativos del tipo que se observa en los mamíferos. [10]
El patrón de unión del dominio CCT de TOC1 exhibe oscilaciones circadianas, con una unión máxima a los motivos G-box y EE (regiones promotoras que se unen a los factores de transcripción) que ocurre en CT15 en la noche subjetiva temprana de la planta. [9] Se demostró a través de la pérdida de ritmos de unión en mutantes de Arabidopsis con expresión constitutiva de TOC1 que las oscilaciones en la unión de TOC1 están reguladas por la abundancia de la proteína. [6]
TOC1 también parece estar involucrado en un ciclo de retroalimentación con ácido abscísico , una hormona vegetal clave involucrada en el desarrollo y la respuesta al estrés. Las plantas Arabidopsis a las que se aplicaron cantidades variables de ABA mostraron diferencias correspondientes en la expresión de TOC1 y en la duración del período circadiano. A través del modelado computacional de este ciclo de retroalimentación, se demostró que TOC1 es una influencia basada en el reloj en los patrones de apertura y cierre de los estomas , lo que tradicionalmente se ha descrito como un proceso principalmente regulado por ABA. [11]
Durante el ciclo circadiano, TOC1 se fosforila de forma diferencial , y la fosforilación máxima se produce durante la noche. [1] En el estado altamente fosforilado, TOC1 tiene una mayor afinidad de unión a la proteína F-box ZEITLUPE (ZTL). [1] Además de controlar las interacciones TOC1 - ZTL, la fosforilación del extremo N de la proteína TOC1 aumenta la interacción con PRR3, una de las cinco proteínas PRR que se encuentran en Arabidopsis . [1] A partir de estudios con mutantes ztl-1, que tienen una única mutación sin sentido en el dominio kelch de la proteína y causan efectivamente una mutación nula ztl , se ha descubierto que la proteína TOC1 se estabiliza y que el ciclo de TOC1 se elimina en gran medida. [1] Si bien la fosforilación de la proteína TOC1 estabiliza las interacciones con ZTL, también aumenta la afinidad de TOC1 por PRR3. [1] Esto, en última instancia, protege a TOC1 de la degradación mediada por ZTL. [1] PRR3 actúa como un inhibidor competitivo para la interacción ZTL-TOC1, ya que la unión de TOC1 a PRR3 da como resultado una menor disponibilidad del sustrato de TOC1 para la degradación dependiente de ZTL. [1] Esto da como resultado una mayor amplitud del ciclo de TOC1, lo que implica que el ciclo estable de TOC1 depende de la degradación de ZTL además de los controles de regulación transcripcional. [1]
Para utilizar de forma más eficiente los recursos ambientales, como la luz, las plantas suelen sincronizan sus ritmos circadianos para que coincidan con el período del entorno. En un estudio publicado en 2005, se demostró que las plantas cuyo período circadiano coincidía con el período del ciclo de luz-oscuridad en su entorno habían aumentado la fotosíntesis y el crecimiento. [12] Con este conocimiento, los botánicos pueden aprovechar una mutación en el gen toc1 que, según se ha demostrado, reduce el período de una planta. Es plausible que estos mutantes toc1 se puedan utilizar fácilmente para producir plantas en un período de tiempo más corto, con una menor cantidad de energía.