Molecular cloning, characterization of the gene expression and intra-organellar transport of tomato (Lycopersicon esculentum Mill. cv. Microtom).

A protease FtsH pertence à superfamília das proteínas AAA (ATPases Associadas à diversas Atividades celulares) cujos membros estão amplamente distribuídos entre procariotos e eucariotos. Nas plantas superiores, elas são codificadas por genes nucleares e sintetizadas por ribossomos citosólicos com uma seqüência de direcionamento na extremidade amino-terminal responsável pela translocação da pré-proteína para o interior das organelas, notadamente mitocôndrias e cloroplastos. Com o objetivo de caracterizar o processo de translocação da proteína aos tilacóides e sua regulação gênica em plantas, isolou-se um cDNA de frutos de tomate (Lycopersicon esculentum Mill. cv. MicroTom), cuja seqüência de aminoácidos revela a presença de todos os motivos clássicos pertencentes a uma protease do tipo FtsH-p1. A caracterização inicial da proteína indicou a presença de um típico peptídeo de trânsito cloroplástico em sua extremidade amino-terminal. A fim de definir qual região da proteína madura está envolvida no direcionamento da protease às membranas, foram realizadas construções gênicas contendo diferentes comprimentos da região amino-terminal da FtsH-p1 de tomate fusionados ao gene repórter GFP (green fluorescent protein). Estudos realizados a partir de frações enriquecidas de cloroplastos, estroma e tilacóide, provenientes de plantas transgênicas expressando estavelmente estas construções, revelaram que todas as proteínas de fusão acumularam-se no estroma sendo, portanto incapazes de associarem-se aos tilacóides. Estes dados indicam que a inserção da FtsH-p1 de tomate nas membranas dos tilacóides dependem de informação presente na proteína madura, necessária para a interação com as membranas ou mesmo com um fator adicional desconhecido. Alem disso, foi mostrado que membros da família das proteases do tipo das FtsHs em plantas não apresentam o clássico motivo RRXFLK, previamente descrito como essencial para a translocação dependente de uma dupla arginina (Tat). Devido ao envolvimento de ortólogos desta proteína em processos fisiológicos importantes nas plantas, abriu-se a possibilidade de estudar a regulação da FtsH-p1 de tomate via clonagem e caracterização da sua região promotora. Uma vez clonada, 4 deleções à partir da extremidade 5 nesta região foram realizadas e fusionadas de forma a dirigirem a expressão do gene repórter uidA (GUS). Estas construções foram expressas estavelmente em plantas de tabaco, a fim de estudar sua regulação em diferentes tecidos, estádios de desenvolvimento e em resposta a estímulos ambientais ou situações de estresse. Os resultados preliminares mostraram que a seqüência regulatória clonada é responsível tanto à fatores ambientais, como luz, quanto aos hormônios auxina, citocinina e giberelina. Além disso, foi observada uma regulação negativa na presença de peróxido de hidrogênio. Entretanto, tratamentos envolvendo estresse salino, bem como variações na temperatura não geram nenhum efeito na atividade da enzima GUS. O mesmo ocorre quando as plantas são colocadas em presença de ácido abscísico (ABA). Os resultados deste estudo contribuem significativamente para um melhor entendimento dos mecanismos de regulação envolvidos no controle da expressão gênica da FtsH-p1 de tomate, bem como sugerem novas perspectivas no direcionamento de proteínas às membranas.The FtsH protease belongs to the AAA family (ATPases associated with different cellular activities) whose members are widely distributed in prokaryotes and eukaryotes. In higher plants, these proteins are nuclear-encoded and synthesized by cytosolic ribosomes as larger molecular weight precursors. These molecules carry at the N-terminal extension a specific targeting sequence that directs translocation of the preproteins to the envelope membranes of mitochondria and chloroplasts. In the present work, a tomato (Lycopersicon esculentum Mill. cv. MicroTom) fruit cDNA encoding a plastid FtsH-p1 has been isolated, cloned and characterized. In order to define the protein domains involved on thylakoid targeting, several gene constructions were prepared carrying increasing lengths of the N-terminal region of tomato FtsH fused to the gfp (green fluorescent protein) reporter gene. In vivo expression studies based on onion cells or stable expression in transgenic tobacco plants showed that the chimeric proteins were translocated to plastids. In addition, sub-organellar fractionation indicated that GFP accumulated in the stromal fraction, instead of being translocated to the thylakoid membrane. These data suggest that membrane insertion of tomato FtsH-p1 requires information present in the mature protein. One remarkable finding was that members of the FtsH family do not present the classical RRXFLK motif, that has been shown to be essential for the Tat-dependent pathway. The FtsH-family members are involved in important physiological processes in plant cells. Therefore, this study opened up the possibility of studying the FtsH-p1 gene regulation by characterization of its regulatory region. After cloning a 1700 bp fragment corresponding to 5 upstream region of the tomato FtsH coding sequence, four deletions of the promoter region were performed and the resulting fragments were fused to the uidA (GUS) reporter gene. These gene constructs were stable expressed in tobacco plants and further characterized. The results showed that the promoter region is positively regulated by light and the phytohormones auxin, cytokine and gibberelin. Besides, the promoter was down regulated by hydrogen peroxide. However, GUS activity was not affected by salt stress, variations on the temperature and abcisic acid treatment. The results presented here expand the current understanding of factors involved on FtsH gene regulation as well as bring new insights on the protein targeting to membranes