Quando as plantas são submetidas a situações estressantes, como doenças, mudanças extremas de temperatura, escassez de nutrientes ou água, a concentração de oxigênio nas células vegetais diminui, induzindo um estado conhecido como hipóxia. Isso desencadeia uma cascata de reações químicas nas células que se destinam a permitir que o organismo sobreviva à adversidade.

Foi demonstrado que um proteína presente na membrana interna das mitocôndrias vegetais, UCP1 (proteína de desacoplamento 1, proteína de desacoplamento mitocondrial 1) é o gatilho que desencadeia essa resposta à hipóxia.

O descobrimento abre caminho para o desenvolvimento de plantas mais resistentes a condições ambientais extremas, como as resultantes das mudanças climáticas.

O DNA genômico mitocondrial codifica menos de 1% de suas muitas proteínas; portanto, as mitocôndrias dependem do genoma nuclear para regular remotamente sua função. Essa interação entre o núcleo e a mitocôndria requer sinalização entre compartimentos, que pode ser retrógrado (da mitocôndria para o núcleo) ou anterógrada (núcleo para mitocôndria), que atua para ajustar a função da organela durante o desenvolvimento e em resposta a estresses ambientais.

A sinalização retrógrada mitocondrial é umacomponente importante da sinalização de estresse intracelular em eucariotos. UCP1 é uma proteína abundante da membrana mitocondrial interna da planta com múltiplas funções, incluindo respiração desacoplada e transporte de aminoácidos, que influenciam amplamente as respostas ao estresse abiótico.

Embora Os mecanismos pelos quais essa função retrógrada atua são desconhecidos., a superexpressão de UCP1 ativa a expressão de genes nucleares associados à hipóxia, funcionando como um gatilho na ativação dessa resposta. Isso explica porque plantas que expressam esta proteína em altos níveis são mais tolerantes a uma ampla gama de estresses bióticos e abióticos.

Vários fatores extramitocondriais que desempenham um papel na sinalização retrógrada e anterógrada foram identificados para regular a sinalização da planta, como a enzima oxidase alternativa específica (AOX) e outras proteínas mitocondriais codificadas no núcleo. Em vários táxons de plantas com flores, a superexpressão de UCP1 junto com AOX diminui a liberação de espécies reativas de oxigênio (ROS) pela mitocôndria, protegendo as plantas de múltiplos estresses e resultando em extensa alteração do transcriptoma de origem nuclear que, curiosamente, inclui a ativação da hipóxia.

As plantas têm um mecanismo de detecção de oxigênio que envolve a destruição dependente de O2 (oxigênio molecular) de substratos de proteínas Cys-amino-terminais (cisteína no terminal amino da cadeia peptídica) através da rede de cisteína oxidase vegetal ( cisteína vegetal oxidase, PCO), e os principais substratos da via são os fatores de transcrição da resposta ao etileno (ERFVII). Em condições de baixo nível de oxigênio, ERFVII são estabilizados devido à inibição da atividade da PCO, o que resulta na indução da expressão de vários genes, incluindo aqueles relacionados à hipóxia.

Por outro lado, verificou-se que a UCP1 funciona como um interruptor na cadeia de respostas metabólicas relacionadas à resposta de hipóxia. A proteína atua em um grupo específico de fatores de transcrição que possuem o aminoácido cisteína no N-terminal e funciona como um sensor mitocondrial. Se o teor de oxigênio for baixo, o UCP1 impede a oxidação da cisteína dos fatores de transcrição que controlam a resposta da hipóxia, ativando-os. Esses fatores de transcrição, quando ativados, induzem a expressão de uma ampla gama de genes codificados no núcleo que contribuem para a sobrevivência celular.. Na presença de níveis mais elevados de oxigênio, as cisteínas terminais desses fatores de transcrição são oxidadas e desativadas (*).

Além de avançar no conhecimento sobre as funções da UCP1, esta descoberta abre caminho para o desenvolvimento de culturas agrícolas tolerantes ao estresse imposto pelas mudanças climáticas.

(*) Os fatores de transcrição que permitem a expressão de genes envolvidos nos eventos resultantes do etileno e da hipóxia são inativos se a cisteína na extremidade -NH2 for oxidada (este aminoácido possui enxofre na forma de sulfidrila-SH). A proteína UCP1 ajuda a evitar essa oxidação quando o teor de oxigênio é baixo, pois "detecta" o nível desse gás.