Los científicos descubren cómo nuestro ritmo circadiano puede ser tanto fuerte como flexible
Estructura general del reloj circadiano. Crédito: Violetta Pilorz, Charlotte Frster, Henrik Oster, Pflugers ArchEur J Physiol (2018)
Desde las diminutas moscas de la fruta hasta los seres humanos, todos los animales de la Tierra mantienen sus ritmos diarios en función de su reloj circadiano interno. El reloj circadiano permite que los organismos experimenten cambios rítmicos en el comportamiento y la fisiología basados en un ciclo circadiano de 24 horas. Por ejemplo, nuestro propio reloj biológico le dice a nuestro cerebro que libere melatonina, una hormona que induce el sueño, durante la noche.
El descubrimiento del mecanismo molecular del reloj circadiano fue otorgado el Premio Nobel de Fisiología o Medicina 2017. Por lo que sabemos, ningún reloj centralizado es responsable de nuestros ciclos circadianos. En cambio, opera en una red jerárquica donde hay un «marcapasos maestro» y un «oscilador esclavo».
El marcapasos maestro recibe varias señales de entrada del entorno, como la luz. Luego, el maestro impulsa el oscilador esclavo que regula varias salidas, como el sueño, la alimentación y el metabolismo. A pesar de las diferentes funciones de las neuronas marcapasos, se sabe que comparten mecanismos moleculares comunes que están bien conservados en todas las formas de vida. Por ejemplo, los sistemas entrelazados de múltiples bucles de retroalimentación transcripcional-traduccional (TTFL) compuestos por proteínas de reloj central se han estudiado profundamente en moscas de la fruta.
Sin embargo, todavía hay mucho que debemos aprender sobre nuestro propio biológico. reloj. La naturaleza organizada jerárquicamente de las neuronas de reloj maestras y esclavas conduce a la creencia predominante de que comparten un mecanismo de relojería molecular idéntico. Al mismo tiempo, las diferentes funciones que cumplen en la regulación de los ritmos corporales también plantean la cuestión de si podrían funcionar bajo diferentes mecanismos de relojería molecular.
(izquierda) El reloj circadiano funciona como una red donde el marcapasos maestro y el oscilador esclavo están conectados. organizados de manera jerárquica. Aunque generan ritmos a través de un bucle de retroalimentación transcripcional-traduccional (TTFL) idéntico de las proteínas PER, los ritmos PER generados son diferentes entre ellos. (derecha) Mediante el uso de un modelo matemático que describe el TTFL del reloj circadiano de Drosophila (arriba), identificamos las diferencias entre las neuronas maestras y esclavas del reloj (abajo). Crédito: Instituto de Ciencias Básicas
Dirigidos por el profesor Kim Jae Kyoung y Kim Eun Young, los investigadores del Instituto de Ciencias Básicas (IBS) y la Universidad de Ajou utilizaron una combinación de enfoques matemáticos y experimentales utilizando moscas de la fruta para responder a esta pregunta. El equipo encontró que el reloj maestro y el reloj esclavo operan a través de diferentes mecanismos moleculares.
Tanto en las neuronas maestras como en las esclavas de las moscas de la fruta, una proteína relacionada con el ritmo circadiano llamada PER se produce y degrada a diferentes velocidades según a la hora del día. Previamente, el equipo encontró que la neurona del reloj maestro (sLNvs) y la neurona del reloj esclavo (DN1ps) tienen diferentes perfiles de PER en Drosophila de tipo salvaje y mutante Clk. Esto insinuó que podría haber una diferencia potencial en los mecanismos de relojería molecular entre las neuronas del reloj maestro y esclavo.
Sin embargo, debido a la complejidad del mecanismo de relojería molecular, fue difícil identificar la fuente de tales diferencias. Por lo tanto, el equipo desarrolló un modelo matemático que describe los mecanismos de relojería molecular de los relojes maestro y esclavo. Luego, todas las posibles diferencias moleculares entre las neuronas del reloj maestro y esclavo se investigaron sistemáticamente mediante el uso de simulaciones por computadora. El modelo predijo que PER se produce de manera más eficiente y luego se degrada rápidamente en el reloj maestro en comparación con las neuronas del reloj esclavo. Esta predicción fue luego confirmada por los experimentos de seguimiento con animales.
La combinación de simulaciones de modelos matemáticos y experimentos encontró cómo las neuronas del reloj maestro pueden obtener tanto robustez (es decir, robustez de período y amplitud alta) como plasticidad (es decir, arrastre rápido y una amplia gama de arrastre). (izquierda) El modelo predice que cuando ocurre el desfase horario, las neuronas del reloj maestro dispersan la fase de los ritmos, reduciendo la amplitud de los ritmos. Esto conduce a la rápida adaptación a la nueva zona horaria. (derecha) Esta predicción del modelo fue confirmada por los experimentos de seguimiento. Crédito: Instituto de Ciencias Básicas
Entonces, ¿por qué las neuronas del reloj maestro tienen propiedades moleculares tan diferentes de las neuronas del reloj esclavo? Para responder a esta pregunta, el equipo de investigación utilizó nuevamente la combinación de simulación de modelos matemáticos y experimentos. Se encontró que la tasa más rápida de síntesis de PER en las neuronas del reloj maestro les permite generar ritmos sincronizados con un alto nivel de amplitud. La generación de un ritmo tan fuerte con una amplitud alta es fundamental para enviar señales claras a las neuronas del reloj esclavo.
Sin embargo, ritmos tan fuertes normalmente serían desfavorables cuando se trata de adaptarse a los cambios ambientales. Estos incluyen causas naturales, como diferentes horas de luz del día durante las temporadas de verano e invierno, hasta casos artificiales más extremos, como el desfase horario que ocurre después de un viaje internacional. Gracias a la propiedad distintiva de las neuronas del reloj maestro, puede sufrir una dispersión de fase cuando se interrumpe el ciclo estándar de luz y oscuridad, lo que reduce drásticamente el nivel de PER. Las neuronas del reloj maestro pueden adaptarse fácilmente al nuevo ciclo diurno. La plasticidad de nuestro marcapasos maestro explica cómo podemos adaptarnos rápidamente a las nuevas zonas horarias después de los vuelos internacionales después de solo un breve período de desfase horario.
Se espera que los hallazgos de este estudio puedan tener futuras implicaciones clínicas cuando se viene a tratar diversos trastornos que afectan a nuestro ritmo circadiano. El investigador jefe Kim señala: «Cuando el reloj circadiano pierde su robustez y flexibilidad, pueden ocurrir trastornos del sueño en los ritmos circadianos. Como este estudio identifica el mecanismo molecular que genera la robustez y flexibilidad del reloj circadiano, puede facilitar la identificación de la causa de y estrategia de tratamiento para los trastornos del sueño del ritmo circadiano».
La investigación se publicó en PNAS.
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Los neurobiólogos identifican un nuevo gen importante para los ritmos diarios saludables Más información: Kim Jae Kyoung et al, Los experimentos basados en modelos sistemáticos identifican distintos mecanismos moleculares subyacentes a las neuronas marcapasos organizadas jerárquicamente, PNAS (2022). doi.org/10.1073/pnas.2113403119 Información de la revista: Procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias
Proporcionado por el Instituto de Ciencias Básicas Cita: Los científicos descubren cómo nuestro ritmo circadiano el ritmo puede ser tanto fuerte como flexible (2022, 17 de febrero) recuperado el 29 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2022-02-scientists-circadian-rhythm-strong-flexible.html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.