Via di trasduzione del segnale dell'etilene

Nonostante la diversità degli effetti dell'etilene sullo sviluppo si presume che i primi stadi dell'azione della molecola siano simili in tutti i casi: ad un primo legame con il recettore fa seguito l'attivazione di uno o più segnali per le vie di trasduzione che portano alla risposta cellulare. Un passaggio chiave per la comprensione delle componenti di segnale dell'etilene è stato l'uso della morfologia indotta dalla risposta tripla in pianticelle eziolate per selezionare mutanti per la risposta all'etilene. Sono state identificate due classi di mutanti tramite esperimenti in cui semi di Arabidopsis sono stati fatti crescere su un mezzo a base di agar in presenza o in assenza di etilene per 3 giorni al buio:
1.mutanti che non sono capaci di rispondere all'etilene esogeno (mutanti etilene-resistenti);
2.mutanti che presentano risposta tripla anche in assenza di etilene (mutanti costitutivi).
Il primo mutante etilene-resistente ad essere isolato fu ert1 (ethylene-resistant 1). La mutazione ert1 è una mutazione dominante che blocca la risposta all'etilene. Quando il gene ETR1 è stato clonato e sequenziato, si è visto che la porzione carbossi-terminale della proteina presentava omologia con le istidina-chinasi a due componenti usate dai batteri. Successivamente si scoprì che il genoma di Arabidopsis codifica quattro ulteriori proteine simili a ETR1 che fungono anche da recettori per l'etilene: ETR2, ERS1 (ethylene-response sensor 1), ERS2 e EIN4. Tutte queste proteine condividono almeno due domini: 1) il dominio ammino-terminale attraversa la membrana almeno tre volte e contiene il sito di legame per l'etilene, e 2) la porzione carbossi-terminale dei recettori di etilene contiene un dominio omologo ai domini catalitici dell'istidina chinasi, che autofosforila un residuo conservato di istidina, il fosfato è quindi trasferito ad un residuo di acido aspartico localizzato nel dominio ricevente. Bisogna ricordare che ETR1 è localizzato nel reticolo endoplasmatico e non nella membrana plasmatica come invece avviene per la maggior parte dei recettori. Tale localizzazione intracellulare del recettore per l'etilene concorda con la natura idrofobica dell'etilene che gli permette di passare liberamente nella cellula attraverso la membrana plasmatica. Ulteriori analisi del recettore ETR1 hanno dimostrato che lo ione rame è coordinato con la proteina e che questo rame è necessario per l'elevata affinità di legame con l'etilene. Altre proteine importanti, scoperte sempre grazie all'utilizzo di mutanti, per la via di trasduzione dell'etilene sono CTR1, un tipo di proteina-chinasi serina/treonina MAPKKK (mitogeno attivato proteina chinasi chinasi chinasi) implicate nella trasduzione di vari segnali il cui prodotto finale è MAP un fattore di trascrizione fosforilato che regola l'espressione genica nel nucleo, e EIN2 una proteina che contiene 12 domini transmembrana. Comunque, uno dei principali effetti dell'etilene è di alterare l'espressione di diversi geni bersaglio. L'etilene aumenta la quantità di mRNA trascritto di numerosi geni che codificano cellulasi e quelli legati al fenomeno di maturazione dei frutti e biosintesi di etilene. Componenti chiave che mediano gli effetti dell'etilene sull'espressione genica sono la famiglia EIN3 di fattori di trascrizione. In risposta ad un segnale dell'etilene omodimeri di EIN3 o proteine strettamente imparentate si legano al promotore dei geni che sono rapidamente indotti dall'etilene, compreso ERF1, per attivare la loro trascrizione. Ricapitolando:
1) La proteina RAN1 è necessaria per l'assemblaggio del cofattore rame nel recettore dell'etilene;
2) In assenza di etilene ETR1 e gli altri recettori attivano l'attività della chinasi CTR1. Questo porta alla repressione della via di risposta all'etilene, probabilmente tramite una cascata di MAP chinasi. Il legame dell'etilene al dimero ETR1 porta alla sua disattivazione, il che rende CRT1 inattivo;
3) La disattivazione di CTR1 permette l'attivazione della proteina transmembrana EIN2;
4) L'attivazione di EIN2 innesca la famiglia di fattori di trascrizione EIN3. L'attivazione di questa cascata trascrizionale porta a cambiamenti su vasta scala dell'espressione genica che infine causano le alterazioni delle funzioni cellulari.