História evolutiva e caracterização de genes HIPP (Heavy Metal Associated Isoprenylated Plant Protein)

Abstract

Metalochaperonas são proteínas chave para o transporte seguro de íons metálicos dentro das células. HIPPs (Heavy metal associated Isoprenylated Plant Proteins) são metalochaperonas que contém um domínio de ligação a metais pesados (HMA) e um motivo C-terminal de isoprenilação. Estudos anteriores demonstraram que HIPPs podem se ligar e transportar íons metálicos diferentes como Cu+2, Zn+2 e Cd+2 . Proteínas desta família foram descritas como envolvidas em diferentes processos: (i) homeostase de metais pesados e mecanismos de desintoxicação, em especial na tolerância a cádmio; (ii) resposta transcricional a frio e seca, e (iii) interações planta-patógeno. Devido a sua grande diversidade e possível redundância funcional entre proteínas semelhantes, as HIPPs foram pouco estudadas até o momento. A caracterização desta família gênica é importante não somente para a compreensão de seu papel na homeostase celular, mas também porque pode ter fortes aplicações no melhoramento de plantas cultivadas. No presente estudo, demonstramos que HIPPs compõem uma grande e diversa família de genes encontrados somente em plantas vasculares e que, em angiospermas podem ser divididos em cinco clusters distintos. Ao explorar dados da transcrição de HIPPs em Arabidopsis thaliana e arroz (Oryza sativa), observa-se que os genes desta família apresentam um amplo espectro de padrões de expressão. Análises de expressão por RT-qPCR permitiram mostrar que os genes HIPPs de arroz OsHIPP21, OsHIPP28 e OsHIPP41 são induzidos por cádmio. O gene OsHIPP41 também se mostrou altamente expresso em resposta a frio e seca. Em protoplastos de arroz, as proteínas OsHIPP21 e OsHIPP41 foram observadas no citosol e no núcleo da célula. Nossos resultados indicam que as proteínas da família HIPP desempenham um papel importante no desenvolvimento das plantas vasculares e na resposta das plantas a mudanças ambientais.

Metallochaperones are key proteins for the safe transport of metallic ions inside the cell. HIPPs (Heavy metal associated Isoprenylated Plant Proteins) are metallochaperones that contain a metal binding domain (HMA) and a C-terminal isoprenylation motif. Previous studies demonstrated that HIPPs can bind and transport different metallic ions as Cu+2, Zn+2 and Cd+2. Proteins of this family are shown to be involved in diverse processes as (i) heavy metal homeostasis and detoxification mechanisms, especially those involved in cadmium tolerance; (ii) transcriptional responses to cold and drought, and (iii) plantpathogen interactions. Because of their diversity and possible functional redundance between similar proteins, few studies were made with HIPPs until now. The characterization of this family is important not only for the understanting of its role in cellular homeostasis, but also for its possible biotechnological application in crops improvement. In this study, we provided evidence that HIPPs compose a vast family of genes found only in vascular plants and that, in angiosperms, can be separated into five distinct clusters. Exploring transcriptional data from Arabidopsis thaliana and rice (Oryza sativa) it was observed that genes from this family show a broad spectrum of expression patterns. By RTqPCR analysis it was identified that the rice HIPP genes OsHIPP21, OsHIPP28 and OsHIPP41 are induced by Cd stress. The latter was also highly expressed in response to cold and drought stresses. In rice protoplasts, the proteins OsHIPP21 and OsHIPP41 were localized in the cytosol and the cell nucleus. Our results suggest that HIPPs play an important role in the development of vascular plants and in plant responses to environmental changes.