Cuando las plantas son sometidas a situaciones estresantes, como enfermedades, cambios extremos de temperatura, escasez de nutrientes o agua, la concentración de oxígeno en las células vegetales disminuye, induciendo un estado conocido como hipoxia. Esto desencadena una cascada de reacciones químicas en las células que tienen como objetivo permitir que el organismo sobreviva a la adversidad.

Ha sido demostrado que una proteína presente en la membrana interna de las mitocondrias vegetales, UCP1 (uncoupling protein 1, proteína desacopladora mitocondrial 1) es el detonante que desencadena esta respuesta a la hipoxia.

El descubrimiento allana el camino para el desarrollo de plantas más resistentes a condiciones ambientales extremas, como las derivadas del cambio climático.

El ADN genómico mitocondrial codifica menos del 1% de sus muchas proteínas; por lo tanto, las mitocondrias dependen del genoma nuclear para regular remotamente su función. Esta interacción entre el núcleo y la mitocondria requiere señalización entre compartimentos, que puede ser retrógrada (de la mitocondria al núcleo) o anterógrada (del núcleo a la mitocondria), que actúa para ajustar la función de los orgánulos durante el desarrollo y en respuesta a estreses ambientales.

La señalización retrógrada mitocondrial es un componente importante de la señalización de estrés intracelular en eucariotas. La UCP1 es una abundante proteína de la membrana mitocondrial interna de las plantas con múltiples funciones que incluyen la respiración desacoplada y el transporte de aminoácidos, que influyen ampliamente en las respuestas al estrés abiótico.

Aunque se desconocen los mecanismos a través de los cuales actúa esta función retrógrada, la sobreexpresión de UCP1 activa la expresión de genes nucleares asociados con la hipoxia funcionando como un disparador en la activación de esta respuesta. Esto explica por qué las plantas que expresan esta proteína en niveles altos son más tolerantes a una amplia gama de bióticos y tensiones abióticas.

Se han identificado varios factores extramitocondriales que juegan un papel en la señalización retrógrada y anterógrada para regular la señalización de las plantas, como la enzima oxidasa alternativa específica (specific alternative oxidase, AOX) y otras proteínas mitocondriales codificadas por el núcleo. En diversos taxones de plantas con flores, la sobreexpresión de UCP1 junto con AOX disminuye la liberación de especies reactivas de oxígeno (ROS) por parte de las mitocondrias, protegiendo a las plantas de múltiples estreses y llevando como resultado una amplia alteración del transcriptoma de origen nuclear que, curiosamente, incluye la activación de la hipoxia.

Las plantas tienen un mecanismo de detección de oxígeno que involucra la destrucción dependiente de O2 (oxígeno molecular) de sustratos proteicos con Cys-amino-terminal (cisteína en el extremo amino terminal de la cadena peptídica) a través de la red planta cisteina oxidasa (plant cysteine oxidase, PCO), y los principales sustratos de la vía son los factores de transcripción de respuesta al etileno (ERFVII). En condiciones de bajo nivel de oxígeno, los ERFVII se estabilizan debido a la inhibición de la actividad de PCO lo que da como resultado la inducción de la expresión de varios genes, inclusive los relacionados con la hipoxia.

Por otro lado, se verificó que UCP1 funciona como un interruptor en la cadena de respuestas metabólicas relacionadas con la respuesta de hipoxia. La proteína actúa sobre un grupo específico de factores de transcripción que tienen el aminoácido cisteína en el extremo N-terminal y funciona como un sensor mitocondrial. Si el tenor de oxígeno es bajo, UCP1 previene la oxidación de cisteína de los factores de transcripción que controlan la respuesta de hipoxia, activándolos. Estos factores de transcripción, cuando se activan, inducen la expresión de una amplia gama de genes codificados en el núcleo que contribuyen a la supervivencia celular. En presencia de niveles más altos de oxígeno, las cisteínas terminales de estos factores de transcripción se oxidan y se desactivan (*).

Además de avanzar en el conocimiento sobre las funciones de UCP1, este descubrimiento abre el camino para el desarrollo de cultivos agrícolas tolerantes al estrés impuesto por el cambio climático.

(*) Los factores de transcripción que permiten la expresión de genes envueltos en los eventos consecuencia del etileno y de la hipoxia, son inactivos si la cisteína del extremo -NH2 está oxidada (este aminoácido tiene azufre en la forma de sulfidrila -SH). La proteína UCP1 colabora a evitar esta oxidación cuando el tenor de oxígeno es bajo ya que «detecta» el nivel de este gas.