Relojes sincronizados
FLICKR, WILLIAM WARBY
Muchos organismos exhiben ritmos circadianos: relojes biológicos internos que regulan los cambios diarios en el metabolismo, la fisiología y el comportamiento. Pero desde los hongos hasta las moscas de la fruta y los humanos, no se han identificado genes o proteínas de reloj comunes entre las especies. Ahora, por primera vez, los investigadores han identificado una proteína metabólica activa en los ritmos circadianos de bacterias, arqueas y eucariotas.
El hallazgo, publicado en línea hoy (16 de mayo) en Nature, sugiere que, contrariamente a la creencia anterior, los relojes circadianos pueden compartir un ancestro común. Además, dado que los cambios cíclicos ocurren en una proteína metabólica que limpia las especies reactivas de oxígeno, los autores proponen que detectar y responder a la acumulación de oxígeno en la atmósfera hace 2500 millones de años podría haber impulsado la evolución de los ritmos circadianos.
«Lo que es poderoso es que sugiere que, de alguna manera, todos estos organismos tienen ritmos circadianos de su metabolismo que antes no eran evidentes». dijo P. Andrew Karplus…
Durante los últimos 20 años, los investigadores, estudiando principalmente Drosophila, han identificado numerosos genes y proteínas que encajan en un modelo común: un modelo transcripcional-traduccional circuito de retroalimentación, mediante el cual los genes se transcriben y luego se traducen en proteínas, que se acumulan hasta que alcanzan un umbral que desencadena el cierre de la transcripción, todo lo cual ocurre en ciclos de aproximadamente 24 horas. Este modelo se había convertido en la base de la investigación del ritmo circadiano.
Pero el año pasado, Akhilesh Reddy y sus colegas de la Universidad de Cambridge en el Reino Unido demostraron que al menos un componente de la maquinaria del reloj circadiano no está involucrado en transcription una familia de antioxidantes llamados proteínas de peroxirredoxina, que absorben el exceso de peróxido de hidrógeno en la célula en ciclos de oxidación-reducción de 24 horas relacionados con el metabolismo. El equipo de Reddy descubrió que las proteínas, que se encuentran en prácticamente todos los organismos, exhiben oscilaciones circadianas en humanos, ratones y células de algas marinas.
Parece que descubrimos que estos organismos [eucariotas] tenían estos ritmos, así que decidimos investigar más a fondo las bacterias y las arqueas, dijo Reddy. En el estudio más reciente, su equipo examinó los ritmos de oxidación de la peroxirredoxina en Synechococcus elongatus, una cianobacteria de agua dulce, y Halobacterium salinarum, una arquea aeróbica marina. Cada organismo se mantuvo a luz y temperatura constantes durante 48 a 72 horas, tiempo durante el cual los investigadores tomaron muestras periódicamente para ver si las peroxirredoxinas estaban oxidadas o no. Efectivamente, en ambas especies, las proteínas mostraron fuertes oscilaciones de oxidación que siguieron un ciclo de 24 horas.
Una proteína bacteriana de peroxirredoxina WIKIMEDIA COMMONS, TIM VICKERS
El equipo también examinó el vínculo entre los mecanismos de reloj previamente identificados y la peroxirredoxina , y descubrió que cuando se mutan genes de reloj conocidos en Drosophila y Arabidopsis, los ciclos de peroxirredoxina continúan sin interrupción. Esto sugiere que ambos componentes, los factores tradicionales del bucle de transcripción-traducción y la peroxirredoxina, funcionan de forma independiente para generar los ritmos circadianos de un organismo.
Dado que no se habían identificado previamente mecanismos de reloj compartidos entre diferentes dominios de la vida, los científicos propusieron que los ritmos circadianos evolucionaron. independientemente varias veces. Pero, ¿por qué reinventar la rueda tantas veces? Simplemente no tenía ningún sentido, dijo Reddy. Durante mucho tiempo sospechó que los ritmos circadianos pueden compartir un origen molecular común, y el hecho de que los tres dominios de la vida compartan ciclos de peroxirredoxina respalda esta idea. Por ejemplo, los ritmos circadianos pueden haber evolucionado a medida que las células se adaptaron a los ciclos ambientales tempranos de suministro de energía (luz solar) y los ciclos posteriores de estrés oxidativo.
Pero la evidencia de la evolución no es convincente, dijo Karplus. Las proteínas de peroxirredoxina no parecen estar impulsando nada o supuestamente interactuando con las proteínas del reloj, dijo. Simplemente están allí como una lectura de la actividad metabólica.
Pero gracias al nuevo hallazgo, la peroxirredoxina ahora se puede usar como marcador para buscar ritmos circadianos en otras especies menos estudiadas. Por primera vez, hemos encontrado algo en común para observar los ritmos circadianos en cualquier organismo, dijo Reddy.
Los hallazgos también pueden tener aplicaciones más prácticas, agregó. En el futuro, los investigadores podrán apuntar a las peroxirredoxinas utilizando moléculas pequeñas para interrumpir los ritmos circadianos de las bacterias patógenas, por ejemplo, o mejorar los ritmos de las plantas de cultivo para ayudarlas a crecer de manera más eficiente.
RS Edgar et al., Las peroxirredoxinas son marcadores conservados de los ritmos circadianos, Nature doi:10.1038/nature11088, 2012.
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