La sistemina es una hormona vegetal peptídica, que interviene en la respuesta a las heridas en la familia de las solanáceas. Fue la primera hormona vegetal (Fitohormona) de la que se demostró que era un péptido, tras ser aislada de las hojas del tomate en 1991 por un grupo dirigido por Clarence A. Ryan. Desde entonces, se han identificado otros péptidos con funciones similares en el tomate y fuera de las solanáceas. En 2001 se encontraron glucoproteínas ricos en hidroxiprolina en el tabaco y en 2006 se encontraron AtPeps (péptidos elicitores de plantas de Arabidopsis thaliana) en Arabidopsis thaliana. Sus precursores se encuentran tanto en el citoplasma como en las paredes celulares de las células vegetales y, cuando son dañados por los insectos, se procesan para producir uno o varios péptidos maduros. En un principio se pensó que el receptor de la sistemina era el mismo que el de la brasinolida, pero en la actualidad esto es incierto. Los procesos de transducción de señales que tienen lugar tras la unión de los péptidos son similares a la respuesta inmunitaria inflamatoria mediada por citocinas en animales. Los primeros experimentos demostraron que la sistemina se desplazaba por la planta después de que los insectos la hubieran dañado, activando la resistencia sistémica adquirida; ahora se cree que aumenta la producción de ácido jasmónico causando el mismo resultado. La principal función de las sisteminas es coordinar las respuestas defensivas contra los insectos herbívoros, pero también afectan al desarrollo de las plantas. Las sisteminas inducen la producción de inhibidores de la proteasa que protegen contra los insectos herbívoros, otros péptidos activan las defensinas y modifican el crecimiento de las raíces. También se ha demostrado que afectan a la respuesta de las plantas al estrés salino y a la radiación UV. Se ha demostrado que los AtPEPs afectan a la resistencia contra los oomicetos y pueden permitir a A. thaliana distinguir entre distintos patógenos. En Nicotiana attenuata, algunos de los péptidos han dejado de desempeñar funciones defensivas para afectar a la morfología de las flores.
Descubrimiento y estructura
En 1991, un grupo de investigación dirigido por Clarence A. Ryan aisló un polipéptido de 18 aminoácidos de las hojas del tomate que inducía la producción de proteínas inhibidoras de proteasas (PI) en respuesta a las heridas. Los experimentos realizados con formas sintéticas radiomarcadas del polipéptido demostraron que éste era capaz de viajar sistémicamente por la planta e inducir la producción de PI en hojas no heridas. Debido a la naturaleza sistémica de la señal de herida, se la denominó sistemina, que fue el primer polipéptido que funcionó como hormona en las plantas. El ARN mensajero (ARNm) que codifica la sistemina se encuentra en todos los tejidos de la planta excepto en las raíces. Estudios posteriores identificaron homólogos de la sistemina del tomate en otros miembros de las solanáceas, como la papa, la hierba mora y el pimiento. Las sisteminas solo se han identificado en la subtribu Solaneae de las solanáceas, pero otros miembros de la familia, como el tabaco, también responden a las heridas mediante la producción sistémica de inhibidores de la proteasa.
Péptidos con funciones similares En 2001, se aislaron del tabaco glucoproteínas ricos en hidroxiprolina biológicamente activos que activaban la producción de inhibidores de la proteasa de forma similar a las sisteminas del tomate. Aunque estructuralmente no están relacionados con las sisteminas, su función similar hizo que se les denominara sisteminas ricas en hidroxiprolina (HypSys). Tras el descubrimiento inicial, se encontraron otros péptidos HypSys en el tomate, la petunia y la hierba mora. En 2007, se encontraron HypSys fuera de las solanáceas, en la batata (Ipomoea batatas) y el análisis de secuencias identificó análogos de HypSys en el álamo (Populus trichocarpa) y el café (Coffea canephora). Las Systemins están muy conservadas entre especies, mientras que las HypSys son más divergentes, pero todas contienen un dominio central conservado rico en prolina o hidroxiprolina.
En 2006, se aisló AtPEP1, un polipéptido de 23 aminoácidos de Arabidopsis thaliana que activa componentes de la respuesta inmunitaria innata. A diferencia de HypSys, AtPEP1 no está modificado postraduccionalmente por hidroxilación o glucosilación. Se han identificado seis paralogos del precursor en A. thaliana, así como ortólogos en uva, arroz, maíz, trigo, cebada, canola, soja, medicago y álamo, aunque la actividad de estos ortólogos no se ha comprobado en ensayos. Las estructuras predichas de los paralogos de AtPEP1 son variadas dentro de A. thaliana pero todas contienen un motivo de secuencia SSGR/KxGxxN. Los ortólogos identificados en otras especies son más variados, pero aún contienen componentes del motivo de secuencia.
Localización y precursores La sistemina y AtPEP1 se encuentran en el citosol celular. El precursor de la sistemina del tomate se transcribe como un polipéptidode 200 aminoácidos. No contiene una secuencia señal putativa, lo que sugiere que se sintetiza en ribosomas libres en el citosol. El precursor de AtPEP1 es un polipéptido de 92 aminoácidos y también carece de secuencia señal. En el tomate, el ARN mensajero (ARNm) que codifica el precursor de la sistemina está presente en niveles muy bajos en las hojas no heridas, pero se acumula tras la herida, especialmente en las células que rodean los elementos cribosos del floema en los haces vasculares de las venas medias. El precursor se acumula exclusivamente en las células del parénquima del floema de las hojas de tomate tras la herida. El precursor de la sistemina de la patata también se localiza de forma similar, lo que sugiere que está sometido a la misma regulación específica del tipo celular en ambas especies.
Las HypSys se localizan en la pared celular. El precursor de la HypSys del tabaco se transcribe como un polipéptido de 165 aminoácidos que no tiene homología estructural con el precursor de la sistemina del tomate. Las propiedades estructurales de HypSys, que contienen hidroxiprolina y están glicosiladas, indican que se sintetizan a través de la secreción. El precursor de la HypSys en tomate es un polipéptido de 146 aminoácidos, sintetizado exclusivamente en los haces vasculares de hojas y peciolos asociados a las células del parénquima de los haces de floema. A diferencia de la sistemina, se asocia principalmente a la pared celular. Los precursores de HypSys parecen representar una subfamilia distinta de proteínas ricas en hidroxiprolina que se encuentran en las paredes celulares. Se cree que, tras una herida, una proteasa del citosol, de la matriz de la pared celular o del patógeno procesa el precursor produciendo péptidos activos de HypSys.
Procesamiento de precursores Los precursores de la sistemina y la AtPEP1 se procesan para producir un péptido activo a partir del extremo C-terminal del precursor.Se ha especulado que ProAtPEP1 es procesado por CONSTITUTIVE DISEASE RESISTANCE 1, una proteasa aspártica apoplástica.Los precursores de HypSys se procesan en más de un péptido activo. En el tabaco, se procesa en dos péptidos, en la petunia en tres, y en la batata, posiblemente en seis.Con una longitud de 291 aminoácidos, el precursor de HypSys en la batata es el precursor más largo descrito. La producción de múltiples péptidos de señalización a partir de un precursor es una característica común en los animales.
Receptores Concentraciones femto-molares del péptido son suficientes para provocar una respuesta a nivel de toda la planta, lo que lo convierte en uno de los activadores génicos más potentes identificados.Se identificó un receptor para la sistemina del tomate como una quinasa similar al receptor rico en leucina (LRR-RLK) de 160KDa, SR160. Tras su aislamiento, se descubrió que su estructura era muy similar a la del BRI1 de A. thaliana, el receptor al que se unen los brasinólidos en la membrana celular. Fue el primer receptor capaz de unirse tanto a un ligando esteroide como a un péptido y de participar en respuestas defensivas y de desarrollo.Estudios recientes han descubierto que la conclusión inicial de que BRI1 es el receptor de la sistemina del tomate puede ser incorrecta. En los mutantes cu3 del tomate, un alelo nulo con un codón de parada presente en el dominio LRR extracelular de BRI1 impide que el receptor se localice correctamente y también carece del dominio quinasa, necesario para la señalización.Estos mutantes son insensibles a la brasinolida, pero responden a la sistemina del tomate produciendo inhibidores de la proteasa y provocando una respuesta de alcalinización. Esto llevó a Holton et al. a sugerir que existe otro mecanismo por el que se percibe la sistemina. Investigaciones posteriores mostraron que la unión de la sistemina al BRI1 no provoca la fosforilación del receptor, como ocurre cuando se unen los brasinólidos, lo que sugiere que no transduce una señal. Cuando se silencia el BRI1 en tomate, las plantas presentan un fenotipo similar al de los mutantes cu3, pero siguen respondiendo normalmente a la sistemina, lo que refuerza la idea de que el BRI1 no es el receptor de la sistemina.
En 1994, se descubrió que la sistemina del tomate se unía a una proteína de 50KDa en la membrana celular del tomate. La proteína tiene una estructura similar a las proteasas de las prohormona convertasas similares a Kex2p. Esto llevó a Schaller y Ryan a sugerir que no se trata de un receptor, sino que interviene en el procesamiento de ProSys en la forma activa, o en la degradación de Sys. Las formas sintéticas de la sistemina del tomate, con aminoácidos sustituidos en el punto de corte dibásico previsto, permanecieron estables en cultivos celulares durante más tiempo que la forma nativa.Estudios posteriores han señalado que las enzimas responsables del procesamiento de ProSys siguen sin identificarse.Hasta la fecha no se han realizado más investigaciones sobre la proteína de 50KDa y no se ha identificado el gen.
Hasta la fecha no se han descrito receptores para HypSys, pero se cree que son percibidos en la membrana celular por un LRR-RLK.
El receptor de AtPep1 se ha identificado como un LRR-RLK de 170KDa y se ha denominado AtPEPR1. AtPep1 es activo a concentraciones de 0,1 nano-molar (nM) y el receptor satura a 1nM. Un análisis de la estructura del receptor AtPEPR1 ha demostrado que es miembro de la subfamilia LRR XI de LRR-RLKs en A. thaliana, que incluye el receptor para otra hormona peptídica CLAVATA3. La transformación de cultivos celulares de tabaco con AtPEPR1 les permitió responder a AtPep1 en un ensayo de alcalinización, mientras que el tabaco normal no mostró tal respuesta.La quinasa receptora 1 asociada a BRI1 (BAK1) es una LRR-RLK encontrada en A. thaliana, que se ha propuesto que funciona como proteína adaptadora necesaria para el correcto funcionamiento de otras RLKs. Los ensayos de doble híbrido en levadura han demostrado que AtPEPR1 y su análogo más cercano, AtPEPR2, interactúan con BAK1.
Transducción de señales