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Las Aquaporinas: proteínas del agua!

Por Adriana Almeida Rodríguez

En esta nueva temporada, cada uno de los miembros de BIOGENIC compartirá con nuestros lectores uno de los temas de investigación en el que ha enfocado su carrera como científico. Hoy compartiré con ustedes uno de los temas en los que he trabajado durante los últimos 9 años de mi vida como investigadora: las Aquaporinas en las plantas. En este breve artículo busco introducirlos al mundo de estas proteínas, explicando como fueron descubiertas, cuáles son sus características, cuál es el papel que desempeñan en los tejidos de las plantas, y finalmente les daré algunos ejemplos basados en los resultados de mi investigación, sobre el papel que juegan en las respuestas de las plantas frente al medio ambiente.

Las Aquaporinas, el premio Nobel de química en el 2003, fue un descubrimiento por accidente

Antes del descubrimiento de las Aquaporinas, los científicos pensaban que el movimiento del agua a través de las membranas celulares ocurría únicamente por infiltración [1]. Sin embargo, estudios fisiológicos celulares demostraron repetidamente, durante muchos años, que los cambios en el contenido de agua en las células pueden ocurrir muy rápidamente, demostrando que la infiltración del agua por las membranas no ofrecía un argumento suficiente para explicar su movimiento [2]. A finales de la década de los 80’s, el laboratorio del Dr. Peter Agre, del Departamento de Biología Celular de la Universidad de Johns Hopkins (Baltimore, Maryland, USA), descubrió las Aquaporinas por casualidad, mientras buscaban aislar el antígeno del factor Rh sanguíneo de los humanos [3]. Durante el aislamiento del polipéptido de Rh, el cual tiene un tamaño de 32 KDa (Kilo Daltons, la unidad para medir la masa de átomos o moléculas), una segunda proteína de membrana fue aislada, con un tamaño de 28 KDa. Buscando entender de que se trataba esta última proteína, el Dr. Agre se reunió con el Dr. John Parker de la Universidad de Duke, el cual le sugirió que podría tratarse de una proteína tipo poro para el movimiento de agua. Fue entonces cuando el Dr. Greg Preston, asistente Postdoctoral de Dr. Agre, aisló y clonó esta proteína y la expresó en óvulos de rana de la especie Xenopus laevis, los cuales presentan una muy baja permeabilidad innata por el agua. Al exponer los óvulos a un medio hipotónico (bajo en solutos) las diferencias entre los óvulos que expresaban la posible Aquaporina frente a los que no la tenían (óvulos control) fue increíble. Mientras los óvulos control permanecieron inalterados, los óvulos que contenían la proteína se hincharon y exploraron en poco tiempo. Por el descubrimiento de las Aquaporinas, el Dr. Agre recibió el premio Nobel en química en el 2003 [4].

Las Aquaporinas son pequeñas proteínas localizadas de las membranas celulares, las cuales han sido identificadas en todos los organismos vivos (bacterias, hongos, plantas y animales) y que tienen la capacidad de mover hasta diez mil millones de moléculas de agua por segundo [5]. Estas proteínas no solo facilitan el movimiento del agua, sino que también pueden facilitar el movimiento de pequeñas moléculas como urea (una forma de nitrógeno asimilable por las plantas), glicerol, dióxido de carbono, entre otras [6]. Por lo cual son muy importantes para el mantenimiento del balance hídrico y osmótico de las células en todos los organismos [7].

Las Aquaporinas en plantas

En las plantas, la familia de genes que agrupa estas proteínas es muy grande y esta dividida en diferentes subfamilias, dependiendo del tipo de membrana en las que las proteína son localizadas, como son en las membranas celulares (PIPs), en los tonoplastos o vacuolas (TIPs), en el retículo endoplasmático (SIPs), en las membranas que cubren las asociaciones simbióticas con bacterias en las raíces (NIPs), etc [8]. La mayoría de las plantas tienen aproximadamente 30 genes diferentes que codifican Aquaporinas. Sin embargo, hay plantas con un mayor número de estas proteínas y subfamilias [8], [9], como es el caso de los Alamos, en los que se han encontrado hasta 56 genes, debido a duplicaciones del genoma durante la evolución de este género (Populus sp) [10], [11].

¿Pero porqué las plantas tienen tantos genes que codifican Aquaporinas? ¿Porqué tanta redundancia? Diferentes estudios han demostrado que las diferentes sub familias de Aquaporinas cumplen diferentes funciones en las plantas. PIPs y TIPs transportan agua y algunos gases como el dióxido de carbono [6], [12], mientras que otros grupos como NIPs transportan agua, compuestos nitrogenados y glicerol [6], [13]. Igualmente se ha observado que la abundancia de estas proteínas en los tejidos varía de acuerdo al tipo de tejido, ciertas Aquaporinas son abundantes únicamente en tejidos donde el flujo de agua es constante y fundamental como las raíces, mientras que otras Aquaporinas son abundantes en células como los estomas, en donde participan en el transporte del dióxido de carbono para suplir el proceso fotosintético [13].

Aquaporinas y respuestas frente a condiciones abióticas en Alamos, mi caso de estudio

Igualmente se han visto diferencias en la expresión génica (cantidades de RNA mensajero) de las Aquaporinas en respuesta a diferentes estreses abióticos y dependiendo del tipo de respuesta que las plantas tienen frente al ambiente [14]. Tal es el caso de Alamos que crecen bajo diferentes niveles de nitrógeno (un elemento esencial para el crecimiento y desarrollo de las plantas). En ambientes donde el nitrógeno no es un factor limitante, estos árboles crecen mas rápido, generan tejidos mas exuberantes que árboles creciendo bajo concentraciones normales o bajas de nitrógeno [15]. Adicionalmente se observó que estos árboles desarrollan vasos xilemáticos con un mayor diámetro (conductos por los que se transporta el agua longitudinalmente desde las raíces hasta las hojas). Estos resultados fueron relacionados con un incremento en la cantidad de RNA mensajero de ciertas Aquaporinas de las subfamilias PIPs y TIPs en la madera de estos árboles [16]. En estos estudios se concluyó que las Aquaporinas presentes en este tejido pueden facilitar el movimiento del agua desde el floema, la zona del cambium y las células del parénquima, hacia la zona de diferenciación de los vasos xilemáticos durante el desarrollo del xilema secundario en el proceso de expansión de estas células [15], [16], [17].

De la misma manera se ha observado que las Aquaporinas también juegan un papel fundamental durante la restauración del balance hídrico de Alamos que son expuestos repentinamente a altos niveles de luminosidad [18]. Los árboles en alta luminosidad incrementaron a más del doble la cantidad de agua que transportaban por sus raíces finas, correlacionado con un incremento en la cantidad de RNA mensajero de las Aquaporinas. En un análisis de la abundancia de estas proteínas en los tejidos se observó que muy pocas Aquaporinas están activas mientras la planta se encuentra en la sombra. Una vez la planta es expuesta a alta luminosidad, se producen mas proteínas para incrementar la toma de agua de la planta por las raíces, con el fin de abastecer con suficiente agua al resto de la planta durante el incremento de la transpiración (pérdida de agua por los estomas de las hojas) [18].

Otro estudio demostró que la cantidad de RNA mensajero de PIPs y TIPs varía en las hojas entre miembros del mismo género de Alamos, dependiendo de sus respuestas fisiológicas a la sequía. En este estudio se compararon dos Alamos, una especie nativa de norte America (Populus balsamifera) y un híbrido (P. simonii x P. balsamifera). La especie nativa es un árbol que habita principalmente en riveras de ríos y se caracteriza por mantener sus estomas abiertos; así que no regula su pérdida de agua y mantiene relativamente constante su tasa de crecimiento y fotosíntesis aun en sequía media. Igualmente sus niveles de RNA mensajero para las Aquaporinas estudiadas no varían a excepción de una PIP, que puede estar involucrada en el movimiento del agua causado por la transpiración. Por el contrario, el Alamo híbrido cierra sus estomas rápidamente bajo niveles de sequía no muy severos e incrementa la cantidad de RNA mensajero para estas proteínas, facilitando posiblemente el flujo de agua durante su redistribución entre los diferentes tejidos para mantener el balance hídrico en las hojas [10].

Conclusiones

Como hemos leído durante el desarrollo de este artículo, y como se ha comprobado en numerosas investigaciones que no he mencionado aquí, las Aquaporinas son proteínas ancestrales fundamentales para el mantenimiento del balance hídrico en las plantas y en los seres vivos en general. En las plantas existen mas de 30 genes de Aquaporinas, los cuales son expresados diferencialmente en los diferentes tipos de tejidos, dependiendo de su función. Igualmente, estas proteínas son dinámicamente reguladas en respuestas a condiciones abióticas, como es el caso de las PIPs y TIPs, que juegan un papel importante en la elongación celular del xilema inmaduro cuando el nitrógeno no es un factor limitante. Entender su funcionamiento, así mismo como sus cambios en respuesta a un ambiente variable, como es el caso actual debido al cambio climático, puede ser fundamental para comprender de que manera las plantas pueden mantener su balance hídrico y adaptarse a estrés. Igualmente, todo este conocimiento sobre la caracterización y la función de Aquaporinas en los diferentes tejidos, combinado con las diferentes estrategias fisiológicas durante la regulación hídrica, puede ser utilizado para la selección de especies y nuevas variedades de cultivos importantes para la humanidad, que potencialmente puedan adaptarse mejor a sequía o a condiciones climáticas extremas.

Referencias

[1] Tyerman SD, Bohnert HJ, Maurel C, Steudle E, and Smith JA. 1999. Plant aquaporins: their molecular biology, biophysics and significance for plant water relations. DOI: 10.1093/jxb/50.Special_Issue.1055

[2] Peter Agre. 2005. The Aquaporin water channels. DOI: 10.1513/pats.200510-109JH

[3] Preston et al. 1992. Appearance of water channels in Xenopus oocytes expressing red cell CHIP28 protein. DOI:10.1126/science.256.5055.385

[4] http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2003/agre-autobio.html

[5] http://aqp-protein.blogspot.ca/

[6] Maurel C, Verdoucq L, Luu D-T, and Santoni V. 2008. Plant Aquaporins: membrane channels with multiple integrated functions. DOI:10.1146/annurev.arplant.59.032607.092734

[7] Kaldenhoff R and Fischer M. 2006. Aquaporins in plants. DOI: 10.1111/j.1748-1716.2006.01563.x

[8] Chaumont F, Barrieu F, Wojcik E, Chrispeels MJ and Jung R. 2001. Aquaporins constitute a large and highly divergent protein family in maize. DOI: http:/ / dx. doi. org/ 10. 1104/ pp. 125. 3. 1206

[9] Johanson U, Karlsson M, Johansson I, Gustavsson S, Sjövall S, Fraysse L, Weig A, Kjellbom P. 2001. The complete set of genes encoding major intrinsic proteins in Arabidopsis provides a framework for a new nomenclature for major intrinsic proteins in plants. DOI: http:/ / dx. doi. org/ 10. 1104/ pp. 126. 4. 1358

[10] Almeida-Rodriguez AM, Cooke JEK, Yeh F, and Zwiazek JJ. 2010. Functional characterization of drought-responsive aquaporins in Populus balsamifera and Populus simonii x balsamifera clones with different drought resistance strategies. doi:10.1111/j.1399-3054.2010.01405.x

[11] Gupta AB, Sankararamakrishnan R. 2009. Genome-wide analysis of major intrinsic proteins in the tree plant Populus trichocarpa: characterization of XIP subfamily of aquaporins from evolutionary perspective. doi:10.1186/1471-2229-9-134

[12] Katsuhara M and Hanba YT. 2008. Barley plasma membrane intrinsic proteins (PIP Aquaporins) as water and CO2 transporters. DOI: 10.1007/s00424-007-0434-9

[13] Wu B and Beitz. 2007. Aquaporins with selectivity for unconventional permeants. DOI: 10.1007/s00018-007-7163-2

[14] Jang JY, Kim DG, Kim YO, Kim JS, and Kang H. 2004. An expression analysis of a gene family encoding plasma membrane aquaporins in response to abiotic stresses in Arabidopsis thaliana. DOI:10.1023/B:PLAN.0000040900.61345.a6

[15] Hacke UG, Plavcová L, Almeida-Rodriguez A, King-Jones S, Zhou W, and Cooke JEK. 2010. Influence of nitrogen fertilization on xylem traits and aquaporin expression in stems of hybrid poplar. doi:10.1093/treephys/tpq058

[16] Almeida-Rodriguez AM and Hacke UG. 2012. Cellular localization of aquaporin mRNA in hybrid poplar stems. doi:10.3732/ajb.1200088

[17] Plavcová L, Hacke UG, Almeida-Rodriguez AM, Li E and Douglas CJ. 2012. Gene expression patterns underlying changes in xylem structure and function in response to increased nitrogen availability in hybrid poplar. doi: 10.1111/j.1365-3040.2012.02566.x

[18] Almeida-Rodriguez AM, Hacke UG, and Laur J. 2011. Influence of evaporative demand on aquaporin expression and root hydraulics of hybrid poplar. doi: 10.1111/j.1365-3040.2011.02331.x