Capire come le piante ricordano l'esposizione al freddo

Una delle grandi domande in biologia è come certi geni possano essere accesi e spenti nel tempo, il che è importante per cose come la diversificazione cellulare e come le piante affrontano l'invecchiamento e crescono meglio. Un processo chiave in questo è chiamato silenziamento mediato da Polycomb, trovato in molti organismi viventi. Al centro di questo processo c'è un cambiamento chimico che avviene nelle proteine chiamate istoni, specificamente un cambiamento nell'istone H3 che è contrassegnato come "lisina 27 trimetilata" o H3K27me3.

Questo cambiamento H3K27me3 inizia in un punto specifico di un gene e poi si diffonde, mantenendo quel gene spento anche quando le cellule si dividono molte volte. Un esempio ben noto di questo è in una pianta chiamata Arabidopsis, dove c'è un gene chiamato FLOWERING LOCUS C (FLC). FLC è come un interruttore che impedisce alla pianta di fiorire. Quando la pianta subisce un lungo periodo di freddo, chiamato Vernalizzazione, questo gene si spegne. Questo consente alla pianta di fiorire quando arriva la primavera.

Durante l'esposizione al freddo, più versioni del gene FLC vengono spente a causa dell'accumulo di H3K27me3 su quel gene. Dopo il periodo di freddo, quando la pianta torna a condizioni più calde, questo H3K27me3 rimane e tiene spento il FLC per molto tempo. La capacità del FLC di restare spento durante le divisioni cellulari al freddo solleva domande su come questa memoria di essere spento venga trasmessa alle nuove cellule.

#Il Meccanismo della Memoria Epigenetica

Ogni volta che H3K27me3 inizia, coinvolge solo pochi proteine istoniche, e quel numero è troppo piccolo per rimanere stabile durante la naturale diluizione che avviene quando le cellule si dividono. Gli scienziati pensano che ci siano gruppi di proteine speciali che aiutano a mantenere viva questa memoria. Ci sono due proteine che svolgono un ruolo chiave in questo processo: VERNALIZATION INSENSITIVE3 (VIN3) e VERNALIZATION 5 (VRN5). Queste proteine aiutano a mantenere lo stato di FLC quando la pianta subisce il freddo.

Quando le temperature scendono sotto i 15°C, i livelli di VIN3 iniziano a salire, ma se fa più caldo, i livelli di VIN3 calano rapidamente nel giro di poche ore. Questo significa che l'influenza di VIN3 può riflettere da quanto tempo la pianta è stata esposta al freddo. Tuttavia, VIN3 da solo potrebbe non aiutare a mantenere la memoria di essere spento quando le temperature risalgono; VRN5 potrebbe anche contribuire a questo processo. Entrambe queste proteine contengono parti che probabilmente interagiscono tra loro e con l'area di FLC durante le condizioni di freddo.

È interessante notare che quando gli scienziati hanno esaminato quante di queste proteine erano presenti, hanno scoperto che VIN3 e VRN5 formano gruppi nel nucleo cellulare. Questi gruppi di solito hanno due molecole come unità di base, e la dimensione complessiva di queste unità aumenta con l'esposizione al freddo. Più grandi diventano questi gruppi proteici, maggiore è la probabilità che interagiscano con il gene FLC.

#Avanzamenti nella Tecnologia di Imaging

Per arrivare davvero al fondo di come queste proteine lavorano insieme, gli scienziati avevano bisogno di un modo per vederle in azione all'interno dei tessuti vegetali vivi. Hanno sviluppato un nuovo metodo di imaging chiamato Slimfield Variable Angle (SlimVar). Questo nuovo metodo è progettato per tracciare proteine come VIN3 e VRN5 in tempo reale mentre agiscono nelle cellule vegetali. Con i metodi di imaging attuali, è stato difficile vedere queste singole proteine una volta che entrano nei tessuti vegetali più profondi.

I metodi precedenti, come l'imaging confocale e l'illuminazione strutturata, avevano limitazioni in termini di velocità e sensibilità. SlimVar utilizza una configurazione unica che prende immagini rapidamente e fornisce la chiarezza necessaria per vedere singole molecole proteiche mentre si muovono nelle piante vive. Con SlimVar, gli scienziati possono lavorare con le piante in modo più semplice senza bisogno di coloranti fluorescenti speciali che sono spesso difficili da usare.

Utilizzando SlimVar, i ricercatori potevano seguire i comportamenti di VIN3 e VRN5 durante i periodi di esposizione al freddo. Hanno scoperto che entrambe le proteine non solo si accumulano nei nuclei delle cellule, ma formano anche disposizioni specifiche e stabili che rispondono al freddo. Questo è stato un passo significativo nella comprensione di come queste proteine potrebbero funzionare come elementi di memoria durante il processo di vernalizzazione.

#Comportamento delle Proteine durante l'Esposizione al Freddo

In generale, quando i ricercatori hanno utilizzato SlimVar per tracciare VIN3 e VRN5, hanno notato che queste proteine si muovevano in schemi riconoscibili tra i nuclei cellulari. In particolare, le proteine creavano punti distinti piuttosto che essere semplicemente distribuite uniformemente nel nucleo. Questi punti erano composti da un certo numero di molecole proteiche, indicando un particolare livello di completamento nelle loro disposizioni.

I ricercatori hanno confrontato il comportamento di VIN3 e VRN5 in diverse condizioni di freddo. Hanno scoperto che durante i primi giorni di esposizione al freddo, queste proteine iniziavano a formare assemblaggi all'interno dei nuclei cellulari. Nel tempo, specialmente dopo trattamenti prolungati al freddo, la dimensione o la stechiometria di questi assemblaggi cresceva.

Con il progredire dell'inverno, il numero di assemblaggi proteici variava, aumentando inizialmente e poi stabilizzandosi. I ricercatori hanno anche analizzato quanti assemblaggi proteici erano presenti e come cambiavano quando le condizioni passavano dal freddo al caldo. Hanno scoperto che, come VIN3, anche i livelli di VRN5 cambiavano. Notabilmente, la dinamica di queste proteine indicava che potrebbero lavorare insieme per influenzare precisamente il gene FLC.

#Il Ruolo della Stechiometria

Un'osservazione interessante è emersa dall'analisi della stechiometria, o composizione degli assemblaggi proteici. I ricercatori hanno notato che le stechiometrie osservate di VIN3 e VRN5 mostrano schemi distinti. C'erano intervalli regolari nel numero di molecole proteiche trovate in ciascun assemblaggio, suggerendo che queste proteine potrebbero formare oligomeri, specificamente coppie di due molecole.

Tenendo in considerazione come queste proteine si comportassero nel tempo, i ricercatori hanno osservato che gli assemblaggi diventavano meno mobili durante il freddo prolungato. La loro velocità rallentava, suggerendo che si stavano associando più strettamente al gene FLC durante questo periodo cruciale. I ricercatori hanno anche confrontato come VIN3 e VRN5 si comportassero rispetto a FLC, notando che un certo numero di assemblaggi corrispondeva alla mobilità dei loci di FLC.

#Assemblaggi di VRN5 ai Loci di FLC

Data la connessione tra questi assemblaggi proteici e il gene FLC, i ricercatori hanno cercato di capire come VRN5 interagisca con i loci di FLC specificamente durante e dopo l'esposizione al freddo. Hanno utilizzato una tecnica a doppio colore per visualizzare separatamente VRN5 e FLC nelle stesse cellule vegetali.

Durante il loro esperimento, hanno notato una tendenza: man mano che la vernalizzazione continuava, il numero di assemblaggi di VRN5 che si trovavano ai loci di FLC aumentava. È interessante notare che i più grandi assemblaggi di VRN5 si distinguevano e si trovavano spesso a sovrapporsi a FLC, suggerendo una forte connessione dinamica tra di loro. Questa interazione era visibile anche dopo che le condizioni di freddo erano tornate al caldo.

#Conclusione

La ricerca che utilizza SlimVar fornisce nuove intuizioni su come proteine come VIN3 e VRN5 lavorano insieme per aiutare le piante a ricordare la loro esposizione invernale e fare la transizione alla fioritura. Le osservazioni dettagliate delle disposizioni e dei comportamenti delle proteine offrono indizi vitali su come la memoria epigenetica si forma nelle piante.

Questo studio ha illustrato il potenziale delle nuove tecnologie di imaging per aiutare a svelare complessi processi biologici, permettendo agli scienziati di visualizzare e comprendere come le proteine interagiscono a livello molecolare. Apre molte domande sui ruoli di diverse proteine e su come le loro azioni collettive portino a cambiamenti significativi nel comportamento delle piante nel tempo.

Con i continui progressi nelle tecniche di imaging, possiamo aspettarci più scoperte su come le piante e altri organismi mantengono i loro processi interni e le loro memorie, trasformando potenzialmente la nostra comprensione della genetica e dello sviluppo nel mondo naturale.