Proteínas del reloj circadiano de los mamíferos

El reloj circadiano es un mecanismo de sincronización capaz de coordinar los ritmos fisiológicos y conductuales. Los osciladores circadianos son redes de circuitos de retroalimentación bioquímica que generan ritmos de 24 horas en organismos, desde bacterias hasta animales. Estos ritmos periódicos son el resultado de una interacción compleja entre los componentes del reloj que son específicos del organismo, pero comparten mecanismos moleculares entre reinos.

Las células animales utilizan una colección compleja de proteínas (con nombres como Reloj, Criptocromo y Periodo) que se sintetizan y degradan rítmicamente cada día. La oscilación de 24 horas de los niveles de estas proteínas está controlada por una serie de circuitos de retroalimentación interconectados, donde los niveles de las proteínas regulan con precisión su propia producción.

Descubrimiento

El descubrimiento de este sistema circadiano ganó el Premio Nobel en Fisiología y Medicina en 2017 después de que Jeffrey Hall, Michael Rosbash y Michael Young dieran con los mecanismos moleculares que controlan los ritmos del reloj.

Este hallazgo explica cómo las plantas, los animales y los humanos adaptan su ritmo biológico para que esté sincronizado con las revoluciones de la Tierra. De hecho, una desincronización entre el estilo de vida del individuo y el ritmo marcado por el reloj puede ir asociado al desarrollo de varias enfermedades como el cáncer, enfermedades neurodegenerativas y trastornos metabólicos.

El descubrimiento del funcionamiento se basa en experimentos realizados en los años ochenta con una mosca del vinagre. Posteriormente se demostró que se trata de un mecanismo biológico muy antiguo, conservado a lo largo de la evolución, a medida que se han sucedido las especies, y que también regula el funcionamiento del cuerpo humano.

Jeffrey Hall y Rosbashen en la Universidad Brandeis en Massachusetts identificaron en 1984 un gen llamado period, que se encargaba de regular los ritmos circadianos de las moscas. Este también fue identificado de manera independiente por Michael Young en la Universidad Rockefeller de Nueva York. Más tarde, Hall y Rosbash aislaron la proteína PER, que está producida por el gen period.  Para explicar cómo esta proteína sincronizaba el ritmo biológico de las moscas propusieron la hipótesis de que la proteína PER inhibe el gen period. De este modo, el gen funcionaría de manera cíclica porque, al activarse, se inhibiría (ya que produciría la proteína PER). Y, al inhibirse, volvería a activarse (ya que el nivel de la proteína PER bajaría). Hall y Rosbash además descubrieron que esta proteína se acumulaba en el núcleo celular durante la noche siguiendo un ciclo diario, pero se sintetizaba en el citoplasma.

Michael Young, en 1994 halló un segundo gen, llamado timeless que produce la proteína TIM. Esta se une a la PER y cuando están juntos pueden entrar al núcleo celular e inhibir el gen period. En los años siguientes, tanto Hall, Rosbah y Young como otros investigadores identificaron más moléculas involucradas en la regulación del ritmo biológico.

Localización

La rotación de la Tierra conduce a ciclos día / noche e impulsa nuestros ritmos circadianos diarios hasta los procesos de microescala a nivel celular. En los mamíferos, la principal señal de tiempo externa (zeitgeber) es el ciclo de luz / oscuridad que transduce señales a través del tracto retinohipotalámico hasta el núcleo supraquiasmático (SCN) o "reloj maestro" en el cerebro. El SCN se comunica con el resto del cuerpo para coordinar el ritmo circadiano en cada tejido, da como resultado la regulación molecular de cada reloj celular, lo que permite a los organismos anticiparse y adaptarse a su entorno cambiante.

El SCN comprende una red neuronal compleja con múltiples conexiones neuronales a través del cerebro y transmite señales a los sistemas nervioso autónomo y endocrino. La influencia del SCN en el sistema nervioso autónomo altera la sensibilidad de los tejidos periféricos a las hormonas. En consecuencia, un mismo estímulo hormonal puede inducir diferentes respuestas dependiendo de la hora del día. La importancia del SCN como marcapasos principal se hace evidente cuando el trasplante de un SCN en funcionamiento restablece el ritmo circadiano en ratones genéticamente arrítmicos; sin embargo, otras señales extracelulares pueden sincronizar de forma independiente los tejidos periféricos.​

Funcionamiento

El mecanismo del reloj molecular en los mamíferos consiste un bucle de retroalimentación transcripcional que involucra al menos diez genes. Los genes Clock y Bmal1 codifican bHLH-PAS proteínas que forman la parte positiva del circuito de retroalimentación. El heterodímero CLOCK: BMAL1 inicia la transcripción uniéndose a elementos específicos del ADN en E-boxes. Este conjunto de genes activados incluye proteinas de la parte negativa del bucle de retroalimentación, como las de los genes Per (Per1 y, Per2) y Cry (Cry1 y Cry2) ​.

Las proteínas PER y CRY se dimerizan e inhiben aún más la actividad transcripcional CLOCK: BMAL1, permitiendo que el ciclo se repita desde un nivel bajo de actividad transcripcional. Para esta actividad transcripcional cíclica la cromatina se debe remodelar la cromatina. Esto se logra mediante una combinación de proteínas modificadoras de histonas ubicuas y específicas del reloj. Se requiere la degradación de las proteínas PER y CRY para terminar la fase de represión y reiniciar un nuevo ciclo de transcripción. La tasa de estabilidad / degradación de las proteínas PER y CRY es clave para establecer el período del reloj. La caseína quinasa CK1δ fosforila las proteínas PER para la ubiquitinación por βTrCP y la degradación por la proteasoma 26S. Las proteínas CRY también se fosforilan y FBXL3 las poliubiquitina.

Los niveles de las proteínas de la parte negativa, sobre todo las PER, determinan la fase del reloj. Por la noche, cuando los niveles de las proteínas PER son bajos, la administración aguda de luz provoca una inducción de la transcripción Per1 y Per2. Con la exposición a la luz en las primeras horas de la noche, se observan retrasos en la fase de comportamiento, lo que corresponde a aumentos inducidos por la luz de las proteínas PER1 y PER2 observados en el NSQ. En la segunda mitad de la noche, solo los niveles de PER1 aumentan con la exposición a la luz, y esto corresponde a las fases de la noche en las que se producen avances de fase inducidos por la luz. Estos retrasos en el comportamiento cuando la luz está presente temprano en la noche y los avances en la noche o en el alba son suficientes para apoyar el arrastre de un animal a un ciclo de luz-oscuridad.

Los dímeros CLOCK: BMAL1 también inician la transcripción de un segundo ciclo de retroalimentación que actúa en coordinación con el ciclo descrito anteriormente. Esto implica la transcripción mediada por E-box de los genes del receptor nuclear huérfano Rev-Erbα / β y RORα / β. Las proteínas REV-ERB y ROR luego compiten por los sitios de unión del RORE (Retinoic acid-related Orphan receptor Response Element), donde las proteínas ROR inician la transcripción de Bmal1 y las proteínas REV-ERB la inhiben. Un conjunto separado de genes PAR bZIP que contienen elementos D-box en sus promotores constituyen otro bucle transcripcional potencial. Estos incluyen genes de la familia HLF, DBP, TEF y Nfil3. Considerando solo la tasa de transcripción / traducción y el bucle de transcripción E-box descrito solo para los genes Per / Cry, el ciclo completo debería tomar significativamente menos de un día o incluso menos de varias horas. Para resolver esto se ha propuesto que los tres elementos de unión conocidos juntos proporcionan el retraso necesario para completar el ciclo cerca de las 24 horas: E-box por la mañana, D-box durante el día y elementos RORE por la noche. Aunque no se requieren genes en estos bucles accesorios de caja D para la función del reloj, pueden servir para hacer que las oscilaciones del núcleo sean más robustas y agregar precisión al período.

Patologías Asociadas

Cáncer

Las células tumorales se caracterizan por una proliferación celular incontrolada que da como resultado un crecimiento tisular anormal y acelerado. Por el contrario, las células "sanas" a menudo proliferan con una tasa de división de 24 h. Esto se debe al control directo de los puntos de control del ciclo celular por parte de la maquinaria del reloj circadiano intracelular.

En cualquier tipo de célula, el 5-20% del transcriptoma está bajo control circadiano. Esta es la base para el control circadiano de los principales procesos fisiológicos, incluidas las funciones inmunitarias y la proliferación celular.

La desalineación entre el tiempo externo e interno y la alteración circadiana, como durante el trabajo por turnos, se ha asociado con un mayor riesgo de cáncer y promueve el crecimiento tumoral. Además, la alteración del reloj circadiano debido a mutaciones de genes de reloj único, como Per2 o Bmal1, acelera el crecimiento tumoral o todo el proceso de carcinogénesis. Esto se debe supuestamente a un aumento en la tasa de proliferación tras la alteración del ritmo circadiano, porque los genes supresores de tumores y los genes clave del ciclo celular están bajo el control del reloj en el contexto de un acoplamiento bidireccional reloj-ciclo celular.

El pronóstico y la supervivencia del cáncer se han asociado con el nivel de alteración circadiana en los tejidos tumorales de los pacientes. Se ha demostrado que la mejora de los ritmos circadianos en el tumor ralentiza la progresión del ciclo celular y reduce fuertemente la proliferación y el crecimiento tumoral.​