Biología molecular de los ritmos circadianos

 Emma Díez Sánchez

 El mundo biológico no es estático, todos conocemos cambios que se producen en nuestro entorno, algunos de ellos son predecibles en el curso del día y de la noche. Por lo tanto habrá una ventaja selectiva para aquellos organismos que se anticipen a los cambios adecuando su fisiología y comportamiento. La anticipación a los ciclos diarios viene dada por relojes biológicos con un periodo intrínseco de un día. (circadiano). Es una propiedad fundamental de la vida, ubicua, lo cual da muchas perspectivas distintas de estudio.
En su entorno natural las plantas, hongos y animales tienen un ritmo metabólico, fisiológico y de comportamiento con un tiempo característico dia-noche. Por ejemplo, nuestro cerebro y nuestro músculo esquelético tienen el máximo rendimiento durante el día, mientras que se facilita el crecimiento y la reparación de los huesos durante el sueño nocturno. En plantas superiores se prepara el aparato fotosintético durante las horas antes del amanecer para sacar el máximo provecho a la luz del sol.
Los ritmos deben ser generados y mantenidos de alguna manera. Una observación crítica es que cuando personas, plantas u hongos son mantenidos bajo condiciones constantes, sus ritmos no se paran y desorganizan, muchos de ellos persisten con un periodo que se desvía sólo ligeramente de las 24 horas, se dice que entran en deriva; además se defienden de cambios en la temperatura a diferencia de otras funciones metabólicas. Esto indica que existe un mecanismo interno que determina los cambios fisiológicos, aunque no se reciban estímulos desde el exterior. Esta es la condición indispensable que nos define un ritmo biológico circadiano: son ritmos con un periodo aproximado de 24 horas que determinan cambios fisiológicos y de comportamiento y son endógenos o autosostenidos, es decir, pueden prescindir de entradas exteriores de información. Esto último es lo que los diferencia de simples procesos de estímulo-respuesta.
Sin embargo estímulos "equivocados", o mejor dicho a destiempo, pueden alterar este ritmo intrínseco; por eso para ser efectivos, los relojes biológicos deben estar sincronizados con el ciclo solar de luz-oscuridad: la luz brillante presentada a individuos en deriva mantenidos en luz tenue u oscuridad puede cambiar sus ritmos; la magnitud y dirección del cambio depende de en que momento del ciclo se dio luz. La luz mandada durante el "día subjetivo" (es decir, cuando el individuo se comporta como si fuera de día) no tiene mucho efecto. En cambio un estímulo a destiempo como la luz que se aplica al comienzo de una "noche subjetiva" retrasará el reloj, en cambio si se aplica al final de la misma lo adelantará.
La curva de respuesta de fases es la huella dactilar del reloj biológico. La curva general de respuesta a la luz es constante en las especies, diferencias en la amplitud de los cambios varía entre especies y con las condiciones experimentales. [Current Biology, Vol 7 Nº11].

IDENTIFICANDO RELOJES
Se han hecho numerosas aproximaciones para localizarlos:

La luz es una clave central para el funcionamiento de los relojes biológicos, no es de extrañar que en muchos animales estén asociados anatómicamente fotorreceptores y relojes. En moluscos, moscas, ranas y mamíferos los ojos contienen relojes endógenos; así como la glándula pineal, el "tercer ojo" de algunos vertebrados.
Pero en especies pluricelulares hay muchos otros tejidos que parecen tener sus propios relojes biológicos. Así como hay evidencias de ritmos circadianos en especies unicelulares de algas (Chlamydomonas).
En plantas superiores muchos tejidos son sensibles a la luz, pero actúan de manera local y coordinada. Por ejemplo los ritmos circadianos que mueven la hoja para que capte mejor la luz son regidos por células que hay en su base, mientras que las células estomáticas expresan un ritmo paralelo pero independiente.
En hongos todo el micelio puede ser rítmico.
En mamíferos el principal marcapasos está en el núcleo supraquiasmático del hipotálamo (10.000 neuronas). Este núcleo está regulado por un ciclo de luz-oscuridad, además de otros estímulos como por ejemplo reglas sociales.

MECANISMOS MOLECULARES
La existencia de ritmos circadianos se conoce desde 1729 cuando DeMarain los describió. A partir de ese momento se estudiaron sus propiedades fisiológicas, su localización anatómica, y su distribución en la biota. Pero sus mecanismos más profundos permanecen oscuros desde entonces.
En los últimos años se han hecho avances espectaculares especialmente en Drosophila melanogaster y en Neurospora crassa (dos clásicos en la investigación genética).
Hace 25 años se descubrieron tres mutantes del cromosoma X de Drosophila cuya característica era que tenían alterados los ritmos de actividad locomotora y de eclosión de la pupa, todos ellos presentaban mutado el mismo gen, que fue denominado "period" (per). Se podían distinguir tres mutaciones:
-perL: long period, alarga los periodos de los ritmos circadianos (28 h)
-perS: short period, disminuye los periodos (19 h)
-perO: elimina los ritmos circadianos
Estas tres mutaciones son puntuales, en ellas aparece cambiado un único aminoácido.
La clave de este reloj circadiano es que la proteína Per y su RNA mensajero tienen ritmos circadianos de expresión en el cerebro.
El ritmo de expresión del RNAm de per es dependiente de la proteína Per salvaje. Prueba de esto es que en los mutantes perO el RNAm no oscila, pero se observan oscilaciones cuando se introduce el gen salvaje. Además, modificaciones en las cantidades de proteína Per o RNAm introducen cambios en el reloj. Otro dato a favor de esta hipótesis es que la sobreexpresión constitutiva de per acaba con las fluctuaciones de los tránscritos en esas mismas células. Esto quiere decir que se precisa a la propia proteína Per para regular la expresión rítmica de su propio RNAm, estableciéndose un ciclo de feed-back negativo central para la regulación circadiana.
Recientes investigaciones han establecido que Neurospora tiene un feed-back regulatorio similar también implicado en su reloj circadiano, el gen implicado en este organismo se denomina "frecuency" (fre).
Sin embargo el mecanismo de feed-back negativo de la proteína Per sobre su propia transcripción no es suficiente para explicar los ritmos estables de expresión. Un sistema de feed-back negativo podría amortiguarse rápidamente hasta alcanzar un estado estacionario. Sí lo explicaría por un retraso en el proceso de feed-back o por un oscilador secundario.
Pues bien, existe un retraso de 6 horas en el sistema de retroalimentación, cuando la aparición de la proteína en el citoplasma se produce tan sólo una hora después de la transcripción del gen en el núcleo; esto indica algún tipo de control post-transcripcional. La existencia de componentes adicionales es también sugerida por la observación de que el RNAm de per se expresa en el cerebro y en el cuerpo de la mosca, pero en el cuerpo no oscila.
Datos recientes proponen un modelo en el cual la entrada de la proteína Per en el núcleo es controlada temporalmente, esto explicaría el retraso en la retroalimentación. [Current Biology 1996, Vol 6, Nº 3:244-246].
Se han empezado a describir un segundo componente del reloj circadiano : el gen "timeless" (tim). Los niveles del RNAm de tim oscilan en fase con los del RNAm de per. Ver figura 1.

Los ciclos de RNAm de tim cesan en mutantes perO, esto indica que se requiere la actuación de los dos genes para sustentar oscilaciones mutuas y para marcar los ritmos del comportamiento.
Las mutaciones de tim afectan al ciclo per en un nivel post-transcripcional.
Se han formulado varias hipótesis de funcionamiento, una de ellas viene explicada por la figura :

El ritmo de aparición del RNAm es dependiente de la proteína Per salvaje. La abundancia del RNAm del gen perO (mutado) no oscila [Current Opinion in Neurobiology 1995, 5:824-831].

 
Emma Díez Sánchez es Licenciada en Biología y Profesora de Secundaria