Phản ứng với thiếu sắt của cây Arabidopsis và vai trò của URI

Nguồn: Sun A Kim, Ian S. LaCroix, Scott A. Gerber, and Mary Lou Guerinot. 2019. The iron deficiency response in Arabidopsis thaliana requires the phosphorylated transcription factor URI. PNAS December 10, 2019 116 (50) 24933-24942

Nguyên tắc chung:

Có hơn hai tỷ người đang mắc hội chứng thiếu sắt, do phụ thuộc chủ yếu nguồn thức ăn từ thực vật, chúng không quá giàu chất sắt trong lĩnh vực dinh dưỡng. Mặc dù người ta có nhiều thành tựu trong việc theo dõi ion sắt chuyển vị như thế nào trong cây, nhưng các tác giả của công trinh khoa học này vẫn chưa hiểu hoàn toàn: làm thế nào cây nhận biết hết sự nhạy cảm và phản ứng ra sao đối với sắt. Ở đây, công trình khoa học này đã xác định một phân tử yếu tố phiên mã (TF) thuộc mô típ “helix–loop–helix”, phân tử “Upstream Regulator of IRT1” ký hiệu là URI. Sau đó, họ mô tả vai trò chính của nó với chức năng bật tắt có thuật ngữ chuyên môn là “Fe-dependent switch”. Dạng phosphoryl hóa của phân tử URI luôn tích tụ trong điều kiện cây tăng trưởng thiếu sắt và tăng cường hoạt động của những gen bị kích hoạt bởi thiếu sắt. Dưới điều kiện tăng trưởng như vậy, phân tử “phosphorylated URI” thực hiện chức năng thoái hóa men protease tùy theo diễn biến của men “E3 ligase BTS”. Nghiên cứu cho thấy một cơ chế phân tử trong sự điều tiết đối với hàm lượng sắt có trong cây khi có tín hiệu thiếu sắt.

Tóm tắt:

Sắt là vi chất dinh dưỡng cần thiết cho cây,nhưng thừa sắt sẽ gây độc tính do vai trò xúc tác của nó trong sự hình thành ra các gốc hóa học “hydroxyl”. Do vậy, sự hấp thu sắt được điều tiết mạnh mẽ và được kích thích - chỉ xảy ra trong trường hợp cây thiếu sắt. Cơ chế hấp thu sắt ở rễ cây đã được định tính rất rõ ràng, nhưng người ta vẫn chưa biết rõ làm thế nào cây chống chịu được sự thiếu sắt. Người ta chỉ ra rằng một yếu tố phiên mã có mô típ căn bản “helix–loop–helix” (bHLH) mang tên URI (Upstream Regulator of IRT1) hoạt động như một phần thiết yếu của chu trình truyền tín hiện thiếu sắt, trong cây mô hình Arabidopsis thaliana. Đột biến alen lặn uri là thể khiếm khuyết kích thích protein: IRT1 (Iron-Regulated Transporter1) và FROS2 (Ferric Reduction Oxidase2) và những phân tử điều tiết trong phiên mã FIT (transcriptional regulators FER-like iron deficiency-induced transcription factor), đó là phân tử bHLH38/39 /100/101 đáp ứng với sự thiếu sắt của cây. Sự ngưng tụ có tính bảo vệ cây bởi chromatin (Chromatin immunoprecipitation) được thực hiện thông qua phương pháp chạy trình tự - viết tắt là ChIP-seq, cho kết quả ghi nhận sự kết gắn trực tiếp với URI, với các promoters của nhiều gen điều tiết hàm lượng sắt, đó là: bHLH38/39/100/101 nhưng không có FIT. Khi phân tử phiên mã URI và protein thể hiện, mà không cần trạng thái sắt như thế nào, thì hiện tượng phosphoryl hóa của URI chỉ tích lũy hàm lượng trong trường hợp thiếu sắt mà thôi. Phân tử URI phosphoryl hóa là chủ đề trong nghiên cứu sự suy thoái tùy thuộc vào cơ quan “proteasome” khi người ta cho vào đầy đủ sắt, chuyển phân tử “phosphorylated URI” sẽ trở nên lệ thuộc vào hoạt động của men E3 ligase BTS. Nhóm phụ của những yếu tố phiên mã IVc bHLH, cho thấy có chức năng đều tiết bHLH38/39/100/101, tương khớp với (coimmunoprecipitate) URI khi thiếu sắt để bảo vệ cây, điều này dẫn đến kết luận rằng: dạng phosphoryl hóa của URI có khả năng hình thành nên các thể “heterodimers” in vivo. Người ta đề nghị dạng phosphoryl hóa như vậy của hàm lượng  URI sẽ là kết quả tích lũy trong trường hợp bị thiếu sắt, hình thành nên những heterodimers với nhóm phụ protein IVc, kích thích phiên mã bHLH38/39/100/101. Những yếu tố phiên mã này làm chuyển đổi heterodimerize có FIT và dẫn đến phiên mã của IRT1 và FRO2 làm tăng cường sự hấp thu sắt của cây.

Hình 3: Gen phản ứng khi cây thiếu sắt đièu tiết trong dòng đột biến uri. (A) “Heat map” của 224 gen điều khiển thiếu sắt. Ít nhất khác biệt của gen là 1.5-fold giữa nghiệm thức có sắt bình thường trong rễ cây ngyên thủy (WT). (B) Giản đồ “Pie” chỉ ra những gen điều tiết trong các dòng đột biến uri. Mức độ thể hiện gen trong điều kiện thiếu sắt.

Xem https://www.pnas.org/content/116/50/24933

GS Bùi Chí Bửu lược dịch