Un reloj circadiano, también conocido como oscilador circadiano o reloj despertador interno, funciona como un oscilador bioquímico que mantiene una fase estable y se sincroniza con la hora solar.
El período in vivo de dicho reloj es inherentemente de aproximadamente 24 horas, alineándose con el día solar de la Tierra. En la mayoría de los organismos vivos, estos relojes circadianos sincronizados internamente permiten anticipar los cambios ambientales diarios asociados con el ciclo día-noche, facilitando adaptaciones biológicas y de comportamiento apropiadas.
La etimología del término circadiano se origina de las palabras latinas circa (aproximadamente) y dies (día), lo que refleja que estos relojes internos no mantienen un ciclo exacto de 24 horas en ausencia de señales externas, como la luz ambiental. Por ejemplo, los relojes circadianos humanos estudiados en condiciones de laboratorio con poca luz constante suelen exhibir un período promedio de aproximadamente 24,2 horas, desviándose de una duración precisa de 24 horas.
El período endógeno del reloj biológico normal es precisamente de 24 horas; sin embargo, se arrastra cuando se expone a señales ambientales correctivas diarias adecuadas, predominantemente luz del día y oscuridad. Los relojes circadianos sirven como mecanismos fundamentales que impulsan los ritmos circadianos y comprenden tres componentes principales:
- Un oscilador bioquímico central, que mantiene la hora con un período aproximado de 24 horas.
- Un conjunto de vías de entrada dirigidas a este oscilador central, facilitando el arrastre del reloj.
- Una colección de vías de salida vinculadas a fases específicas del oscilador, que gobiernan los ritmos manifiestos en la bioquímica, la fisiología y el comportamiento de un organismo.
El reloj circadiano se reinicia cuando un organismo percibe señales de tiempo ambientales, siendo la luz la señal principal. Los osciladores circadianos están omnipresentes en los tejidos corporales, donde se sincronizan mediante señales tanto endógenas como externas para modular la actividad transcripcional a lo largo del ciclo diurno de una manera específica del tejido. El reloj circadiano está estrechamente relacionado con la mayoría de los procesos metabólicos celulares y está influenciado por el envejecimiento del organismo. Los mecanismos moleculares fundamentales del reloj biológico se han dilucidado en varias especies, incluidos vertebrados, Drosophila melanogaster, plantas, hongos y bacterias, y se presume que también existen en Archaea.
En 2017, Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash y Michael W. Young fueron honrados con el Premio Nobel de Fisiología o Medicina por sus descubrimientos innovadores sobre los mecanismos moleculares que gobiernan el ritmo circadiano en la fruta. moscas.
Anatomía de los vertebrados
En los vertebrados, el principal reloj circadiano reside en el núcleo supraquiasmático (SCN), un grupo neuronal bilateral que comprende aproximadamente 20.000 neuronas. El SCN está ubicado anatómicamente en el hipotálamo, una diminuta región del cerebro situada por encima del quiasma óptico, desde donde recibe información aferente de células ganglionares fotosensibles especializadas en la retina a través del tracto retinohipotalámico.
El SCN ejerce control sistémico sincronizando "osciladores esclavos" periféricos, que manifiestan sus propios ritmos aproximados de 24 horas y regulan los fenómenos circadianos locales específicos de los tejidos. Utilizando mecanismos de señalización intercelular, incluido el péptido intestinal vasoactivo, el SCN se comunica con otros núcleos hipotalámicos y la glándula pineal para modular la temperatura corporal central y la síntesis de hormonas como el cortisol y la melatonina. Posteriormente, estas hormonas ingresan al sistema circulatorio, provocando efectos impulsados por el reloj en todo el organismo.
Sin embargo, la señal o señales precisas responsables del arrastre primario de los numerosos relojes bioquímicos distribuidos por los tejidos corporales siguen sin estar definidas.
Control transcripcional y no transcripcional
La base genética de los ritmos circadianos en eucariotas superiores se puso de manifiesto inicialmente mediante la identificación del locus del período (per) en Drosophila melanogaster, como resultado de exámenes genéticos directos realizados por Ron Konopka y Seymour Benzer en 1971. El análisis posterior de los mutantes circadianos per y otras mutaciones en los genes del reloj de Drosophila llevaron a la propuesta de un modelo que involucra bucles de retroalimentación autorreguladora positiva y negativa de transcripción y traducción. Los genes centrales del "reloj" circadiano se caracterizan por ser aquellos genes cuyos productos proteicos son esenciales para la génesis y regulación de los ritmos circadianos. Se han propuesto modelos análogos para mamíferos y otros organismos.
La comprensión de los mecanismos del reloj circadiano se vio significativamente alterada por la investigación sobre las cianobacterias. Kondo y sus colegas demostraron que estos organismos unicelulares podían mantener una sincronización precisa de 24 horas incluso sin transcripción, lo que indica que un circuito de retroalimentación autorreguladora de transcripción-traducción no era esencial para la generación del ritmo. Además, este reloj se reconstituyó con éxito *in vitro*, sin ningún componente celular, lo que confirma que los relojes precisos de 24 horas pueden funcionar independientemente de los circuitos de retroalimentación genética. Sin embargo, se descubrió que este mecanismo particular era específico de las cianobacterias y no universalmente aplicable.
En 2011 se produjo un avance significativo en la investigación del ritmo circadiano, proveniente del laboratorio Reddy de la Universidad de Cambridge. Este equipo identificó ritmos circadianos en proteínas redox, específicamente peroxiredoxinas, dentro de células anucleadas como los glóbulos rojos humanos. Estas células carecen inherentemente de circuitos genéticos y de transcripción, lo que excluye la existencia de un circuito de retroalimentación. Posteriormente se obtuvieron resultados comparables en un alga marina y en glóbulos rojos de ratón. Fundamentalmente, ahora se han observado oscilaciones redox impulsadas por la peroxiredoxina en diversos reinos de la vida, incluidos eucariotas, bacterias y arqueas, que abarcan un amplio espectro del árbol evolutivo. En consecuencia, los relojes redox se postulan como el mecanismo fundamental del reloj de abuelo, con circuitos de retroalimentación genética que sirven como vías de salida primarias que regulan la fisiología y el comportamiento celular y tisular.
En consecuencia, el modelo contemporáneo del reloj circadiano debe conceptualizarse como una propiedad emergente resultante de la interacción entre los circuitos transcripcionales y los componentes no transcripcionales, incluidas las oscilaciones redox y los ciclos de fosforilación de proteínas.
Relojes circadianos de mamíferos
Los experimentos de eliminación selectiva de genes dirigidos a componentes establecidos del reloj circadiano humano revelan la utilización tanto de mecanismos compensatorios activos como de redundancia para preservar la funcionalidad del reloj. Se han identificado y caracterizado numerosos genes de reloj de mamíferos a través de estudios que involucran animales con mutaciones knockout de origen natural, inducidas químicamente o dirigidas, junto con diversas metodologías genómicas comparativas.
La mayoría de los componentes del reloj identificados funcionan como activadores o represores transcripcionales, lo que influye en la estabilidad de las proteínas y la translocación nuclear, estableciendo así dos circuitos de retroalimentación interconectados. Dentro del circuito de retroalimentación principal, CLOCK y BMAL1, miembros de la familia de factores de transcripción básicos hélice-bucle-hélice (bHLH)-PAS (Period-Arnt-Single-minded), se heterodimerizan en el citoplasma. Luego, este complejo se traslada al núcleo, iniciando la transcripción de genes diana, incluidos los genes del "período" del reloj central (PER1, PER2 y PER3) y dos genes criptocromos (CRY1 y CRY2). La retroalimentación negativa está mediada por los heterodímeros PER:CRY, que vuelven a entrar en el núcleo para inhibir su propia transcripción al suprimir la actividad de los complejos CLOCK:BMAL1. Se activa un bucle regulador secundario cuando los heterodímeros CLOCK:BMAL1 estimulan la transcripción de Rev-ErbA y Rora, ambos receptores nucleares huérfanos relacionados con el ácido retinoico. Posteriormente, REV-ERBα y RORα compiten para unirse a los elementos de respuesta del receptor huérfano relacionados con el ácido retinoico (RORES) ubicados dentro del promotor Bmal1. A través de su unión a RORES, las proteínas ROR y REV-ERB regulan Bmal1. En concreto, los ROR activan la transcripción de Bmal1, mientras que los REV-ERB reprimen este mismo proceso transcripcional. En consecuencia, la oscilación circadiana de Bmal1 está sujeta a regulación tanto positiva como negativa por parte de los ROR y los REV-ERB.
Relojes circadianos de insectos
En D. melanogaster, el gen *ciclo* (CYC) sirve como ortólogo del BMAL1 de los mamíferos. En consecuencia, los dímeros CLOCK-CYC activan la transcripción de genes circadianos. El gen *timeless* (TIM) es el ortólogo de los CRY de los mamíferos y actúa como inhibidor; sin embargo, D. melanogaster CRY funciona principalmente como fotorreceptor. En *Drosophila*, los complejos CLK-CYC se unen a los promotores de genes regulados circadianos exclusivamente durante la fase transcripcional. Además, un circuito de retroalimentación estabilizador involucra al gen *vrille* (VRI), que inhibe la transcripción *Clock*, mientras que la proteína 1 del dominio PAR (PDP1) la activa.
Relojes circadianos de hongos
El mecanismo del reloj circadiano en el hongo filamentoso N. crassa es análoga, aunque no ortóloga, a las que se encuentran en mamíferos y moscas.
Relojes circadianos de plantas
Las plantas poseen un reloj circadiano con componentes distintos de los que se encuentran en los sistemas animales, fúngicos o bacterianos. Sin embargo, conceptualmente, el reloj de las plantas comparte una similitud estructural con el reloj de los animales, caracterizándose ambos por una serie de bucles de retroalimentación transcripcional entrelazados. Los genes integrales de este reloj exhiben una expresión máxima en fases diurnas específicas. Las identificaciones iniciales de genes de reloj de plantas incluyeron TOC1, CCA1 y LHY. Los genes CCA1 y LHY alcanzan su máxima expresión al amanecer, mientras que la expresión del gen TOC1 alcanza su máximo aproximadamente al anochecer. Las proteínas CCA1/LHY y TOC1 se reprimen mutuamente la expresión genética de cada una. En consecuencia, a medida que las concentraciones de proteína CCA1/LHY disminuyen después del amanecer, se alivia la represión del gen TOC1, lo que lleva a un aumento en la expresión de TOC1 y en los niveles de proteína. El aumento posterior de los niveles de proteína TOC1 suprime aún más la expresión de los genes CCA1 y LHY. Esta secuencia se invierte durante la noche, lo que facilita el restablecimiento de la expresión máxima de los genes CCA1 y LHY al amanecer. La intrincada arquitectura del reloj incorpora complejidad adicional, involucrando múltiples bucles regulatorios que incluyen genes PRR, el Complejo Vespertino y las proteínas GIGANTIA y ZEITLUPE sensibles a la luz.
Relojes circadianos bacterianos
Dentro de los ritmos circadianos bacterianos, las oscilaciones de fosforilación de la proteína KaiC cianobacteriana se han reconstituido con éxito en un sistema libre de células, formando un reloj in vitro, mediante la incubación de KaiC con KaiA, KaiB y ATP.
Modificaciones postranscripcionales
Históricamente, los ciclos de activación y represión transcripcional, orquestados por reguladores transcripcionales que forman el reloj circadiano, se consideraban los principales impulsores de la expresión de genes circadianos en los mamíferos. Sin embargo, hallazgos más recientes indican que sólo el 22% de los genes de ARN mensajero cíclicos están regulados por transcripción de novo. Posteriormente, se identificaron mecanismos postranscripcionales a nivel de ARN, como la dinámica de poliadenilación del ARNm, como contribuyentes a la expresión rítmica de proteínas.
Fustin y sus colegas identificaron la metilación de adenosinas internas (m6A) dentro del ARN mensajero, particularmente en las transcripciones de reloj, como un determinante crítico del período circadiano. La inhibición de la metilación de m6A, lograda mediante la supresión farmacológica de los procesos de metilación celular o específicamente mediante el silenciamiento mediado por ARNip de la m6A metilasa Mettl3, dio como resultado un alargamiento significativo del período circadiano. Por el contrario, la sobreexpresión in vitro de Mettl3 se correlacionó con un período más corto. Estos hallazgos subrayan inequívocamente la importancia de la regulación postranscripcional a nivel de ARN en el reloj circadiano y simultáneamente establecieron la función fisiológica de la metilación del ARN m§1213§A.
Modificaciones postraduccionales
Los circuitos de retroalimentación autorreguladora inherentes a los relojes circadianos generalmente requieren aproximadamente 24 horas para completar un ciclo, estableciendo así un ritmo circadiano molecular. La generación de este reloj molecular de aproximadamente 24 horas está regulada por varias modificaciones postraduccionales, que incluyen la fosforilación, la sumoilación, la acetilación y metilación de histonas y la ubiquitinación. La fosforilación reversible, por ejemplo, gobierna procesos cruciales como la translocación nuclear, el ensamblaje de complejos proteicos y la degradación de proteínas. Cada uno de estos mecanismos contribuye sustancialmente a mantener el período de aproximadamente 24 horas y mejora la precisión del reloj circadiano al influir en la estabilidad de las proteínas del reloj central mencionadas anteriormente. Por lo tanto, mientras que la regulación transcripcional establece niveles rítmicos de ARN, las modificaciones postraduccionales reguladas gobiernan la abundancia, la localización subcelular y la actividad represora de las proteínas PER y CRY.
Las proteínas implicadas en la modificación postraduccional de los genes del reloj abarcan miembros de la familia de las caseína quinasas, específicamente la caseína quinasa 1 delta (CSNK1D) y la caseína quinasa 1 épsilon (CSNK1E), así como la caja F. proteína repetida 3 rica en leucina (FBXL3). En los sistemas de mamíferos, CSNK1E y CSNK1D son reguladores fundamentales del recambio proteico circadiano central. Las intervenciones experimentales dirigidas a cualquiera de estas proteínas inducen alteraciones significativas en los períodos circadianos, como actividades de quinasa modificadas que conducen a períodos circadianos más cortos, lo que ilustra aún más el papel fundamental de la regulación postraduccional dentro del mecanismo central del reloj circadiano. Estas mutaciones específicas han despertado un interés considerable en los estudios en humanos debido a su asociación con el trastorno de la fase avanzada del sueño. Además, se ha postulado una pequeña modificación de la proteína modificadora BMAL1 relacionada con la ubiquitina como una capa adicional de regulación postraduccional.
Regulación de osciladores circadianos
Los osciladores circadianos se caracterizan por un período de aproximadamente 24 horas. En respuesta a los estímulos luminosos, el organismo responde a través de una compleja red de vías que establecen colectivamente el día y la noche biológicos. Las redes regulatorias involucradas en el mantenimiento de la precisión del reloj abarcan varios mecanismos postraduccionales. Los osciladores circadianos pueden regularse mediante fosforilación, SUMOilación, ubiquitinación y acetilación y desacetilación de histonas, siendo esta última una modificación covalente de la cola de histonas que modula la estructura de la cromatina, influyendo así en la accesibilidad de la expresión génica. La metilación de proteínas, que implica la adición de un grupo metilo, regula la función de las proteínas o la expresión genética. Específicamente, la metilación de histonas puede suprimir o activar la expresión genética alterando la accesibilidad a la cromatina, en lugar de cambiar la secuencia del ADN. Si bien las histonas se someten a acetilación, metilación y fosforilación, importantes alteraciones estructurales y químicas ocurren principalmente cuando enzimas como las histonas acetiltransferasas (HAT) y las histonas desacetilasas (HDAC) agregan o eliminan grupos acetilo, lo que afecta profundamente la expresión del ADN. En consecuencia, la acetilación y metilación de histonas modulan la función del oscilador circadiano al influir en la expresión genética. Fustin y sus colegas introdujeron una capa adicional de complejidad en la regulación del oscilador circadiano de los mamíferos, demostrando que la metilación del ARN es esencial para la exportación nuclear eficiente del ARNm maduro. La inhibición de la metilación del ARN dio como resultado la retención nuclear de las transcripciones del gen del reloj, extendiendo así el período circadiano.
Una característica fundamental de los relojes biológicos es su capacidad de sincronizarse con señales ambientales externas. La presencia ubicua de osciladores celulares autónomos en todo el organismo impulsa a investigar su coordinación temporal. Las investigaciones sobre señales de sincronización universales para los relojes periféricos de los mamíferos han identificado señales clave de arrastre, incluida la alimentación, la temperatura y el oxígeno. Se ha demostrado que tanto los ritmos de alimentación como los ciclos de temperatura sincronizan los relojes periféricos e incluso pueden desacoplarlos del reloj maestro central ubicado en el cerebro (por ejemplo, mediante alimentación restringida durante el día). Además, se ha observado que los ritmos de oxígeno sincronizan los relojes dentro de los sistemas celulares cultivados.
Enfoques de biología de sistemas para dilucidar mecanismos oscilantes
Las metodologías experimentales contemporáneas, particularmente aquellas que emplean biología de sistemas, han descubierto numerosos componentes novedosos dentro de los relojes biológicos, fomentando una comprensión integradora de cómo los organismos sostienen la oscilación circadiana.
Recientemente, Baggs et al. ideó una estrategia novedosa, denominada "Análisis de red de dosificación genética" (GDNA), para caracterizar las características de la red dentro del reloj circadiano humano que confieren la robustez de un organismo contra las perturbaciones genéticas. Su investigación utilizó pequeños ARN de interferencia (ARNip) para provocar alteraciones dependientes de la dosis en la expresión genética de los componentes del reloj dentro de las células inmortalizadas de osteosarcoma humano U2OS. Este enfoque facilitó la construcción de redes de asociación de genes que se alinean con las limitaciones bioquímicas establecidas del reloj circadiano de los mamíferos. La aplicación de múltiples dosis de ARNip mejoró su análisis cuantitativo por PCR, revelando varias características de la red del reloj circadiano, como respuestas proporcionales de expresión génica, propagación de señales a través de módulos que interactúan y ajustes compensatorios a través de la expresión génica.
Las respuestas proporcionales observadas en la expresión génica posterior a la perturbación inducida por ARNip indicaron alteraciones activas en los niveles de expresión correspondientes a la eliminación del gen objetivo. Por ejemplo, la eliminación dependiente de la dosis de Bmal1 resultó en una reducción lineal y proporcional en los niveles de ARNm de Rev-ErbA alfa y Rev-ErbA beta. Esta observación corroboró investigaciones anteriores que indicaban que Bmal1 activa directamente los genes Rev-erb y además implica a Bmal1 como un determinante significativo de la expresión de Rev-erb.
Además, la metodología GDNA ofreció un marco para investigar los mecanismos de retransmisión biológica dentro de las redes circadianas, aclarando cómo los módulos comunican las alteraciones en la expresión genética. Los investigadores identificaron la propagación de señales mediada por interacciones entre activadores y represores, y revelaron una compensación paráloga unidireccional entre varios represores de genes de reloj. Por ejemplo, el agotamiento de PER1 conduce a un aumento de Rev-erbs, que posteriormente propaga una señal para reducir la expresión de BMAL1, el objetivo posterior de los represores de Rev-erb.
Las investigaciones de GDNA sobre la eliminación de varios represores transcripcionales descubrieron una compensación parálógica. Este fenómeno implica la regulación positiva activa de parálogos de genes para reemplazar la función del gen después de la eliminación de forma no redundante, lo que significa que un solo componente puede mantener la función necesaria. Estos hallazgos indican que la red del reloj circadiano emplea mecanismos compensatorios activos, en lugar de mera redundancia, para garantizar la solidez y preservar la funcionalidad. Esencialmente, los investigadores postularon que estas características de red observadas forman colectivamente un sistema de amortiguación genético, salvaguardando la función del reloj contra perturbaciones genéticas y ambientales. Este razonamiento sugiere que se puede aprovechar la genómica para investigar las características de la red dentro del oscilador circadiano.
Una investigación separada realizada por Zhang et al. utilizaron una pequeña pantalla de ARN de interferencia en todo el genoma en líneas celulares U2OS para identificar genes de reloj y modificadores adicionales, empleando la expresión del gen indicador de luciferasa. La supresión de casi 1.000 genes dio como resultado una amplitud del ritmo disminuida. A través de pantallas secundarias, los investigadores identificaron y validaron cientos de efectos significativos sobre la duración del período o el aumento de la amplitud. Una caracterización adicional de un subconjunto de estos genes reveló un impacto dependiente de la dosis en la función del oscilador. El análisis de la red de interacción de proteínas indicó que numerosos productos genéticos estaban asociados directa o indirectamente con componentes del reloj establecidos. El análisis de las vías demostró una representación excesiva de estos genes en los componentes de las vías de señalización de la insulina y del hedgehog, el ciclo celular y el metabolismo del folato. Teniendo en cuenta que se sabe que muchas de estas vías están reguladas por reloj, Zhang et al. Se planteó la hipótesis de que el reloj circadiano está estrechamente relacionado con numerosas facetas de la función celular.
El empleo de un enfoque de biología de sistemas puede establecer conexiones entre los ritmos circadianos y los fenómenos celulares no reconocidos previamente como reguladores de la oscilación circadiana. Por ejemplo, un taller organizado en 2014 por el NHLBI evaluó descubrimientos genómicos circadianos recientes y exploró la interacción entre el reloj biológico y varios procesos celulares.
Variaciones en los relojes circadianos
Aunque un reloj circadiano preciso de 24 horas prevalece en numerosos organismos, su presencia no es universal. Los organismos que habitan las regiones altas del Ártico o la Antártida no encuentran la hora solar de manera consistente en todas las estaciones; sin embargo, se cree que la mayoría mantiene un ritmo circadiano de aproximadamente 24 horas, ejemplificado por los osos durante el letargo. Una porción sustancial de la biomasa de la Tierra existe dentro de la biosfera oscura, y si bien estos organismos pueden mostrar procesos fisiológicos rítmicos, es poco probable que su ritmo primario sea circadiano. Para los organismos que emprenden migraciones de este a oeste, particularmente aquellos que circunnavegan el mundo, la fase exacta de 24 horas podría fluctuar a lo largo de períodos de meses, estaciones o años.
Ciertas especies de arañas muestran relojes circadianos inusualmente extendidos o abreviados. Por ejemplo, algunos tejedores de orbes de líneas de basura poseen relojes circadianos de 18,5 horas pero aún pueden entrar en un ciclo de 24 horas. Esta adaptación podría ayudar a estas arañas a evitar a los depredadores al permitirles tener una actividad máxima antes del amanecer. Las arañas viuda negra exhiben relojes arrítmicos, potencialmente atribuibles a su predilección por los hábitats oscuros.
Reloj químico
- Reloj químico
- Oscilador químico
Referencias
Búsqueda de pantalla circadiana
- Búsqueda de pantalla circadiana