Reloj circadiano - Circadian clock
Un reloj circadiano , u oscilador circadiano , es un oscilador bioquímico que cicla con una fase estable y está sincronizado con la hora solar .
El período in vivo de un reloj de este tipo es necesariamente casi exactamente 24 horas (el día solar actual de la Tierra ). En la mayoría de los seres vivos, los relojes circadianos sincronizados internamente hacen posible que el organismo anticipe los cambios ambientales diarios correspondientes al ciclo día-noche y ajuste su biología y comportamiento en consecuencia.
El término circadiano se deriva del latín circa (aproximadamente) muere (un día), ya que cuando se quitan de las señales externas (como la luz ambiental), no se ejecutan exactamente a las 24 horas. Los relojes en humanos en un laboratorio con poca luz constante, por ejemplo, promediarán aproximadamente 24,2 horas por día, en lugar de 24 horas exactamente.
El reloj corporal normal oscila con un período endógeno de exactamente 24 horas, entra , cuando recibe suficientes señales correctivas diarias del medio ambiente, principalmente la luz del día y la oscuridad. Los relojes circadianos son los mecanismos centrales que impulsan los ritmos circadianos . Consisten en tres componentes principales:
- un oscilador bioquímico central con un período de aproximadamente 24 horas que mantiene el tiempo;
- una serie de vías de entrada para este oscilador central para permitir el arrastre del reloj;
- una serie de vías de salida vinculadas a distintas fases del oscilador que regulan los ritmos abiertos en bioquímica, fisiología y comportamiento en todo el organismo.
El reloj se reinicia cuando un organismo detecta señales de tiempo ambientales, de las cuales la principal es la luz. Los osciladores circadianos son ubicuos en los tejidos del cuerpo donde están sincronizados por señales endógenas y externas para regular la actividad transcripcional a lo largo del día de una manera específica de tejido. El reloj circadiano está entrelazado con la mayoría de los procesos metabólicos celulares y se ve afectado por el envejecimiento del organismo. Los mecanismos moleculares básicos del reloj biológico se han definido en especies de vertebrados , Drosophila melanogaster , plantas , hongos , bacterias y presumiblemente también en Archaea .
En 2017, el Premio Nobel de Fisiología o Medicina fue otorgado a Jeffrey C. Hall , Michael Rosbash y Michael W. Young "por sus descubrimientos de los mecanismos moleculares que controlan el ritmo circadiano" en las moscas de la fruta.
Anatomía de vertebrados
En los vertebrados, el reloj circadiano maestro está contenido dentro del núcleo supraquiasmático (SCN), un grupo de nervios bilateral de unas 20.000 neuronas. El propio SCN se encuentra en el hipotálamo , una pequeña región del cerebro situada directamente sobre el quiasma óptico , donde recibe información de células ganglionares fotosensibles especializadas en la retina a través del tracto retinohipotalámico .
El SCN mantiene el control en todo el cuerpo sincronizando "osciladores esclavos", que exhiben sus propios ritmos de casi 24 horas y controlan los fenómenos circadianos en el tejido local. A través de mecanismos de señalización intercelular como el péptido intestinal vasoactivo , el SCN envía señales a otros núcleos hipotalámicos y a la glándula pineal para modular la temperatura corporal y la producción de hormonas como el cortisol y la melatonina ; estas hormonas ingresan al sistema circulatorio e inducen efectos de reloj en todo el organismo.
Sin embargo, no está claro con precisión qué señal (o señales) provoca el arrastre principal de los muchos relojes bioquímicos contenidos en los tejidos de todo el cuerpo. Consulte la sección "regulación de osciladores circadianos" a continuación para obtener más detalles.
Control transcripcional y no transcripcional
La evidencia de una base genética de los ritmos circadianos en eucariotas superiores comenzó con el descubrimiento del período ( per ) locus en Drosophila melanogaster a partir de pantallas genéticas avanzadas completadas por Ron Konopka y Seymour Benzer en 1971. Mediante el análisis de mutantes per circadianos y mutaciones adicionales en Se han propuesto los genes del reloj de Drosophila , un modelo que abarca bucles de retroalimentación autorreguladora positiva y negativa de transcripción y traducción . Los genes centrales del "reloj" circadiano se definen como genes cuyos productos proteicos son componentes necesarios para la generación y regulación de los ritmos circadianos. Se han sugerido modelos similares en mamíferos y otros organismos.
Los estudios en cianobacterias, sin embargo, cambiaron nuestra visión del mecanismo del reloj, ya que Kondo y sus colegas descubrieron que estos organismos unicelulares podían mantener una sincronización precisa de 24 horas en ausencia de transcripción, es decir, no había ningún requisito para una transcripción. bucle de retroalimentación autorreguladora de traducción para ritmos. Además, este reloj se reconstruyó en un tubo de ensayo (es decir, en ausencia de componentes celulares), lo que demuestra que se pueden formar relojes precisos de 24 horas sin la necesidad de circuitos de retroalimentación genética. Sin embargo, este mecanismo solo era aplicable a las cianobacterias y no genérico.
En 2011, un gran avance en la comprensión provino del laboratorio Reddy de la Universidad de Cambridge . Este grupo descubrió ritmos circadianos en proteínas redox ( peroxiredoxinas ) en células que carecían de núcleo: los glóbulos rojos humanos. En estas células, no había transcripción o circuitos genéticos y, por lo tanto, no había un circuito de retroalimentación. Se hicieron observaciones similares en un alga marina y posteriormente en glóbulos rojos de ratón. Más importante aún, las oscilaciones redox como lo demuestran los ritmos de peroxiredoxina ahora se han visto en múltiples reinos distantes de la vida (eucariotas, bacterias y arqueas), que cubren el árbol evolutivo. Por lo tanto, los relojes redox parecen ser el reloj del abuelo , y los circuitos de retroalimentación genética son los principales mecanismos de salida para controlar la fisiología y el comportamiento de las células y los tejidos.
Por lo tanto, el modelo del reloj debe considerarse como un producto de una interacción entre los circuitos transcripcionales y los elementos no transcripcionales, como las oscilaciones redox y los ciclos de fosforilación de proteínas.
Relojes de mamíferos
La eliminación selectiva de genes de componentes conocidos del reloj circadiano humano demuestra que tanto los mecanismos compensatorios activos como la redundancia se utilizan para mantener la función del reloj. La forma en que estos relojes celulares autosostenidos logran la integración multicelular es en gran parte oscura, pero los astrocitos por sí solos pueden impulsar las oscilaciones moleculares en el SCN y el comportamiento circadiano en ratones.
Se han identificado y caracterizado varios genes de reloj de mamíferos a través de experimentos en animales que albergan mutaciones knockout dirigidas, inducidas químicamente y de origen natural, y varios enfoques genómicos comparativos. La mayoría de los componentes del reloj identificados son activadores o represores de la transcripción que modulan la estabilidad de las proteínas y la translocación nuclear, y crean dos bucles de retroalimentación entrelazados. En el ciclo de retroalimentación primaria, los miembros de la familia de factores de transcripción básica helix-loop-helix (bHLH) -PAS (Period-Arnt-Single-minded), CLOCK y BMAL1 , se heterodimerizan en el citoplasma para formar un complejo que, después de la translocación a el núcleo, inicia la transcripción de genes diana, como los genes del "período" de los genes del reloj central ( PER1 , PER2 y PER3 ) y dos genes de criptocromo ( CRY1 y CRY2 ). La retroalimentación negativa se logra mediante heterodímeros PER: CRY que se traslocan al núcleo para reprimir su propia transcripción inhibiendo la actividad de los complejos CLOCK: BMAL1. Otro bucle regulador se induce cuando los heterodímeros CLOCK: BMAL1 activan la transcripción de Rev-ErbA y Rora, dos receptores nucleares huérfanos relacionados con el ácido retinoico. REV-ERBa y RORa compiten posteriormente para unirse a los elementos de respuesta del receptor huérfano relacionados con el ácido retinoico (RORE) presentes en el promotor Bmal1. A través de la unión posterior de RORE, los miembros de ROR y REV-ERB pueden regular Bmal1 . Mientras que los ROR activan la transcripción de Bmal1 , los REV-ERB reprimen el mismo proceso de transcripción. Por lo tanto, la oscilación circadiana de Bmal1 está regulada tanto positiva como negativamente por ROR y REV-ERB.
Relojes de insectos
En D. melanogaster , el ciclo de genes (CYC) es el ortólogo de BMAL1 en mamíferos. Por tanto, los dímeros CLOCK-CYC activan la transcripción de genes circadianos. El gen intemporal (TIM) es el ortólogo de los CRY de mamíferos como inhibidor; D. melanogaster CRY funciona como un fotorreceptor en su lugar. En las moscas, CLK-CYC se une a los promotores de genes regulados por el ciclo circadiano solo en el momento de la transcripción. También existe un bucle estabilizador donde el gen vrille (VRI) inhibe mientras que la proteína de dominio PAR-1 (PDP1) activa la transcripción del reloj.
Relojes de hongos
En el hongo filamentoso N. crassa , el mecanismo del reloj es análogo, pero no ortólogo, al de los mamíferos y las moscas.
Relojes de plantas
El reloj circadiano de las plantas tiene componentes completamente diferentes a los de los relojes de animales, hongos o bacterias. El reloj de la planta tiene una similitud conceptual con el reloj de los animales en el sentido de que consiste en una serie de bucles de retroalimentación transcripcional entrelazados. Los genes implicados en el reloj muestran su máxima expresión a una hora determinada del día. Los primeros genes identificados en el reloj de la planta fueron TOC1 , CCA1 y LHY . El pico de expresión de los genes CCA1 y LHY se produce al amanecer, y el pico de expresión del gen TOC1 se produce aproximadamente al anochecer. Las proteínas CCA1 / LHY y TOC1 reprimen la expresión de los genes de cada uno. El resultado es que a medida que los niveles de proteína CCA1 / LHY comienzan a reducirse después del amanecer, libera la represión del gen TOC1, lo que permite que aumenten la expresión de TOC1 y los niveles de proteína TOC1. A medida que aumentan los niveles de proteína TOC1, suprime aún más la expresión de los genes CCA1 y LHY. Lo contrario de esta secuencia ocurre durante la noche para restablecer el pico de expresión de los genes CCA1 y LHY al amanecer. Hay mucha más complejidad incorporada en el reloj, con múltiples bucles que involucran los genes PRR, el Evening Complex y las proteínas sensibles a la luz GIGANTIA y ZEITLUPE.
Relojes bacterianos
En los ritmos circadianos bacterianos , las oscilaciones de la fosforilación de la proteína cianobacteriana Kai C se reconstituyeron en un sistema libre de células (un reloj in vitro ) incubando KaiC con KaiA , KaiB y ATP .
Modificación postranscripcional
Durante mucho tiempo se pensó que los ciclos de activación / represión transcripcional impulsados por los reguladores transcripcionales que constituyen el reloj circadiano eran la principal fuerza impulsora de la expresión génica circadiana en los mamíferos. Más recientemente, sin embargo, se informó que solo el 22% de los genes del ciclo del ARN mensajero son impulsados por la transcripción de novo. Posteriormente se informaron los mecanismos postranscripcionales a nivel de ARN que impulsan la expresión rítmica de proteínas, como la dinámica de poliadenilación del ARNm.
Fustin y colaboradores identificaron la metilación de las adenosinas internas (m 6 A) dentro del ARNm (en particular, de las propias transcripciones del reloj) como un regulador clave del período circadiano. La inhibición de la m 6 Un metilación a través de la inhibición farmacológica de metilaciones celulares o más específicamente por el silenciamiento mediado por ARNsi de la m 6 Un metilasa Mettl3 condujo al alargamiento dramático del período circadiano. Por el contrario, la sobreexpresión de Mettl3 in vitro condujo a un período más corto. Estas observaciones demostraron claramente la importancia de la regulación postranscripcional del reloj circadiano a nivel de ARN y, al mismo tiempo, establecieron el papel fisiológico de la metilación del ARN (m 6 A).
Modificación post-traduccional
Los circuitos de retroalimentación autorreguladora en los relojes tardan aproximadamente 24 horas en completar un ciclo y constituyen un reloj molecular circadiano. Esta generación del reloj molecular de ~ 24 horas se rige por modificaciones postraduccionales como fosforilación , sumoilación , acetilación y metilación de histonas y ubiquitinación . La fosforilación reversible regula procesos importantes como la entrada nuclear, la formación de complejos de proteínas y la degradación de proteínas. Cada uno de estos procesos contribuye significativamente a mantener el período en ~ 24 horas y otorga la precisión de un reloj circadiano al afectar la estabilidad de las proteínas del reloj central antes mencionadas. Por tanto, mientras que la regulación transcripcional genera niveles rítmicos de ARN, las modificaciones postraduccionales reguladas controlan la abundancia de proteínas, la localización subcelular y la actividad represora de PER y CRY.
Las proteínas responsables de la modificación postraduccional de los genes del reloj incluyen miembros de la familia de la caseína quinasa ( caseína quinasa 1 delta (CSNK1D) y caseína quinasa 1 épsilon (CSNK1E) y la proteína de repetición 3 rica en leucina de la caja F (FBXL3). En mamíferos, CSNK1E y CSNK1D son factores críticos que regulan la renovación de la proteína circadiana central. La manipulación experimental de cualquiera de estas proteínas produce efectos dramáticos en los períodos circadianos, como la alteración de las actividades de la quinasa y la reducción de los períodos circadianos, y demuestra además la importancia de la regulación postraduccional dentro del mecanismo central del reloj circadiano. Estas mutaciones se han vuelto de particular interés en los seres humanos, ya que están implicadas en el trastorno de la fase avanzada del sueño . También se ha propuesto una pequeña modificación de la proteína modificadora relacionada con la ubiquitina de BMAL1 como otro nivel de regulación.
Regulación de osciladores circadianos
Los osciladores circadianos son simplemente osciladores con un período de aproximadamente 24 horas. En respuesta al estímulo de la luz, el cuerpo se corresponde con un sistema y una red de vías que trabajan juntas para determinar el día y la noche biológicos. Las redes reguladoras implicadas en mantener el intervalo de reloj preciso en una variedad de mecanismos de regulación posteriores a la traducción. Los osciladores circadianos pueden estar regulados por fosforilación , SUMOilación, ubiquitinación y acetilación y desacetilación de histonas , la modificación covalente de la cola de histonas que controla el nivel de estructuras de cromatina que hace que el gen se exprese más fácilmente. La metilación de la estructura de una proteína agrega un grupo metilo y regula la función de la proteína o la expresión génica y, en la metilación de histonas, la expresión génica se suprime o activa cambiando la secuencia de ADN. Las histonas pasan por un proceso de acetilación, metilación y fosforilación, pero los principales cambios estructurales y químicos ocurren cuando las enzimas histonas acetiltransferasas (HAT) e histonas desacetilasas (HDAC) agregan o eliminan grupos acetilo de la histona, lo que provoca un cambio importante en la expresión del ADN. Al cambiar la expresión del ADN, la acetilación y metilación de histonas regulan el funcionamiento del oscilador circadiano. Fustin y sus colaboradores proporcionaron una nueva capa de complejidad a la regulación del oscilador circadiano en mamíferos al mostrar que la metilación del ARN era necesaria para la exportación eficiente del ARNm maduro fuera del núcleo: la inhibición de la metilación del ARN provocó la retención nuclear de las transcripciones del gen reloj, lo que llevó a a un período circadiano más largo.
Una característica clave de los relojes es su capacidad para sincronizarse con estímulos externos. La presencia de osciladores autónomos de células en casi todas las células del cuerpo plantea la cuestión de cómo estos osciladores se coordinan temporalmente. La búsqueda de señales de tiempo universales para relojes periféricos en mamíferos ha producido señales de arrastre principales como alimentación, temperatura y oxígeno. Se demostró que tanto los ritmos de alimentación como los ciclos de temperatura sincronizan los relojes periféricos e incluso los desacoplan del reloj maestro en el cerebro (p. Ej., Alimentación restringida durante el día). Recientemente, se descubrió que los ritmos del oxígeno sincronizan los relojes en las células cultivadas.
Enfoques de la biología de sistemas para dilucidar los mecanismos oscilantes
Los enfoques experimentales modernos que utilizan la biología de sistemas han identificado muchos componentes nuevos en los relojes biológicos que sugieren una visión integradora sobre cómo los organismos mantienen la oscilación circadiana.
Recientemente, Baggs et al. desarrolló una estrategia novedosa denominada "Análisis de red de dosis de genes" (GDNA) para describir las características de la red en el reloj circadiano humano que contribuyen a la robustez de un organismo frente a las perturbaciones genéticas. En su estudio, los autores utilizaron ARN interferente pequeño (ARNip) para inducir cambios dependientes de la dosis en la expresión génica de los componentes del reloj dentro de las células U2OS de osteosarcoma humano inmortalizadas con el fin de construir redes de asociación de genes consistentes con las limitaciones bioquímicas conocidas en el reloj circadiano de los mamíferos. El empleo de múltiples dosis de ARNip impulsó su PCR cuantitativa para descubrir varias características de la red del reloj circadiano, incluidas las respuestas proporcionales de la expresión génica, la propagación de la señal a través de módulos que interactúan y la compensación a través de cambios en la expresión génica.
Las respuestas proporcionales en la expresión génica aguas abajo después de la perturbación inducida por ARNip revelaron niveles de expresión que se alteraron activamente con respecto al gen que estaba siendo anulado. Por ejemplo, cuando se eliminó Bmal1 de una manera dependiente de la dosis, se demostró que los niveles de ARNm de Rev-ErbA alfa y Rev-ErbA beta disminuían de manera lineal y proporcional. Esto apoyó los hallazgos anteriores de que Bmal1 activa directamente los genes Rev-erb y sugiere además que Bmal1 es un fuerte contribuyente a la expresión de Rev-erb.
Además, el método GDNA proporcionó un marco para estudiar los mecanismos de retransmisión biológica en las redes circadianas a través de las cuales los módulos comunican los cambios en la expresión génica. Los autores observaron la propagación de la señal a través de interacciones entre activadores y represores, y descubrieron una compensación de parálogo unidireccional entre varios represores de genes de reloj; por ejemplo, cuando PER1 se agota, hay un aumento en Rev-erbs, que a su vez propaga una señal para disminuir la expresión en BMAL1 , el objetivo de los represores Rev-erb.
Al examinar la desactivación de varios represores transcripcionales, el GDNA también reveló una compensación de parálogos donde los paralogos de genes se regulaban positivamente a través de un mecanismo activo por el cual la función genética se reemplaza después de la caída de una manera no redundante, es decir, un componente es suficiente para mantener la función. Estos resultados sugirieron además que una red de reloj utiliza mecanismos compensatorios activos en lugar de una simple redundancia para conferir robustez y mantener la función. En esencia, los autores propusieron que las características de la red observadas actúan en concierto como un sistema de amortiguación genético para mantener la función del reloj frente a perturbaciones genéticas y ambientales. Siguiendo esta lógica, podemos usar la genómica para explorar las características de la red en el oscilador circadiano.
Otro estudio realizado por Zhang et al. también empleó una pequeña pantalla de ARN de interferencia en todo el genoma en la línea celular U2OS para identificar genes de reloj y modificadores adicionales usando la expresión del gen indicador de luciferasa. La eliminación de casi 1000 genes redujo la amplitud del ritmo. Los autores encontraron y confirmaron cientos de efectos potentes sobre la duración del período o el aumento de la amplitud en las pantallas secundarias. La caracterización de un subconjunto de estos genes demostró un efecto dependiente de la dosis sobre la función del oscilador . El análisis de la red de interacción de proteínas mostró que docenas de productos génicos se asocian directa o indirectamente con componentes de reloj conocidos. El análisis de la vía reveló que estos genes están sobrerrepresentados para los componentes de la vía de señalización de la insulina y hedgehog , el ciclo celular y el metabolismo del folato. Junto con los datos que demuestran que muchas de estas vías están reguladas por reloj, Zhang et al. postuló que el reloj está interconectado con muchos aspectos de la función celular.
Un enfoque de biología de sistemas puede relacionar los ritmos circadianos con fenómenos celulares que originalmente no se consideraron reguladores de la oscilación circadiana. Por ejemplo, un taller de 2014 en el NHLBI evaluó los hallazgos genómicos circadianos más nuevos y discutió la interfaz entre el reloj corporal y muchos procesos celulares diferentes.
Variación de los relojes circadianos
Si bien en muchos organismos se encuentra un reloj circadiano preciso de 24 horas, no es universal. Los organismos que viven en el ártico alto o en el antártico alto no experimentan el tiempo solar en todas las estaciones, aunque se cree que la mayoría mantiene un ritmo circadiano cercano a las 24 horas, como los osos durante el letargo. Gran parte de la biomasa terrestre reside en la biosfera oscura, y aunque estos organismos pueden exhibir una fisiología rítmica, es poco probable que el ritmo dominante de estos organismos sea circadiano. Para los organismos migratorios de este a oeste, y especialmente aquellos organismos que circunnavegan el mundo, la fase absoluta de 24 horas puede desviarse durante meses, estaciones o años.
Algunas arañas exhiben relojes circadianos inusualmente largos o cortos. Algunos trashline orbweavers , por ejemplo, tienen relojes circadianos de 18,5 horas, pero aún pueden incorporarse a un ciclo de 24 horas. Esta adaptación puede ayudar a las arañas a evitar a los depredadores al permitirles estar más activas antes del amanecer. Los relojes de las viudas negras son arrítmicos, quizás debido a su preferencia por los ambientes oscuros.