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El ritmo circadiano de Drosophila es un ciclo diario de 24 horas de descanso y actividad en las moscas de la fruta del género Drosophila . El proceso biológico fue descubierto y se comprende mejor en la especie Drosophila melanogaster . Muchos comportamientos están bajo control circadiano, incluida la eclosión, la actividad locomotora, la alimentación y el apareamiento. La actividad locomotora es máxima al amanecer y al anochecer, mientras que la eclosión es al amanecer. [1]
Los ritmos biológicos se estudiaron por primera vez en Drosophila pseudoobscura . El ritmo circadiano de Drosophila ha allanado el camino para comprender el comportamiento circadiano y las enfermedades relacionadas con las condiciones de sueño-vigilia en otros animales, incluidos los humanos. Esto se debe a que los relojes circadianos son fundamentalmente similares. [2] El ritmo circadiano de Drosophila fue descubierto en 1935 por los zoólogos alemanes Hans Kalmus y Erwin Bünning . El biólogo estadounidense Colin S. Pittendrigh proporcionó un experimento importante en 1954, que estableció que el ritmo circadiano está impulsado por un reloj biológico. La genética se entendió por primera vez en 1971, cuando Seymour Benzer y Ronald J. Konopka informaron que la mutación en genes específicos cambia o detiene el comportamiento circadiano. Descubrieron el gen llamado período ( per ), cuyas mutaciones alteran el ritmo circadiano. Fue el primer gen conocido que controla el comportamiento. Después de una década, Konopka, Jeffrey C. Hall , Michael Rosbash y Michael W. Young descubrieron genes nuevos, entre ellos, timeless ( tim ), Clock ( Clk ), cycle ( cyc ) y cry . Estos genes y las proteínas que producen desempeñan un papel clave en el reloj circadiano. La investigación realizada en el laboratorio de Benzer está narrada en Time, Love, Memory de Jonathan Weiner .
Por sus contribuciones, Hall, Rosbash y Young recibieron el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 2017. [3]
Durante el proceso de eclosión por el cual una mosca adulta emerge de la pupa, Drosophila exhibe una actividad locomotora regular (por vibración) que ocurre durante intervalos de 8 a 10 horas comenzando justo antes del amanecer. La existencia de este ritmo circadiano fue descubierta independientemente en D. melanogaster en 1935 por dos zoólogos alemanes, Hans Kalmus en el Instituto Zoológico de la Universidad Alemana en Praga (ahora Universidad Charles ), y Erwin Bünning en el Instituto Botánico de la Universidad de Jena . [4] [5] Kalmus descubrió en 1938 que el área del cerebro es responsable de la actividad circadiana. [6] Kalmus y Bünning opinaban que la temperatura era el factor principal. Pero pronto se dieron cuenta de que incluso a diferentes temperaturas, el ritmo circadiano podía permanecer inalterado. [7] En 1954, Colin S. Pittendrigh en la Universidad de Princeton descubrió la importancia de las condiciones de luz-oscuridad en D. pseudoobscura . Demostró que el ritmo de eclosión se retrasaba pero no se detenía cuando disminuía la temperatura. Llegó a la conclusión de que la temperatura influía únicamente en la hora pico del ritmo y no era el factor principal. [8] Entonces se supo que el ritmo circadiano estaba controlado por un reloj biológico, pero la naturaleza de este reloj era entonces un misterio. [5]
Después de casi dos décadas, la existencia del reloj circadiano fue descubierta por Seymour Benzer y su estudiante Ronald J. Konopka en el Instituto de Tecnología de California . Descubrieron que las mutaciones en el cromosoma X de D. melanogaster podían hacer que las actividades circadianas fueran anormales. Cuando una parte específica del cromosoma estaba ausente (inactivada), no había ritmo circadiano; en una mutación (llamada per S , "S" para abreviar o acortado) el ritmo se acortó a ~19 horas; mientras que, en otra mutación ( per L , "L" para largo o alargado) el ritmo se extendió a ~29 horas, en oposición a un ritmo normal de 24 horas. Publicaron el descubrimiento en 1971. [9] Llamaron a la ubicación del gen ( locus ) período ( per para abreviar) ya que controla el período del ritmo. En oposición, hubo otros científicos que afirmaron que los genes no podían controlar comportamientos tan complejos como las actividades circadianas. [10]
Otro comportamiento circadiano en Drosophila es el cortejo entre el macho y la hembra durante el apareamiento. El cortejo implica un canto acompañado de una danza locomotora ritual en los machos. La principal actividad de vuelo generalmente tiene lugar por la mañana y otro pico ocurre antes del atardecer. El canto de cortejo es producido por la vibración del ala del macho y consiste en pulsos de tono producidos a intervalos de aproximadamente 34 ms en D. melanogaster (48 ms en D. simulans ). En 1980, Jeffrey C. Hall y su estudiante Charalambos P. Kyriacou, en la Universidad Brandeis en Waltham , descubrieron que la actividad de cortejo también está controlada por el gen per . [11] En 1984, Konopka, Hall, Michael Roshbash y su equipo informaron en dos artículos que el locus per es el centro del ritmo circadiano, y que la pérdida de per detiene la actividad circadiana. [12] [13] Al mismo tiempo, el equipo de Michael W. Young en la Universidad Rockefeller informó efectos similares de per , y que el gen cubre un intervalo de 7,1 kilobases (kb) en el cromosoma X y codifica un ARN poli(A)+ de 4,5 kb. [14] [15] En 1986, secuenciaron el fragmento de ADN completo y encontraron que el gen codifica el ARN de 4,5 kb, que produce una proteína, un proteoglicano , compuesto de 1.127 aminoácidos. [16] Al mismo tiempo, el equipo de Roshbash demostró que la proteína PER está ausente en el mutante per . [17] En 1994, Young y su equipo descubrieron el gen timeless ( tim ) que influye en la actividad de per . [18] En 1998, descubrieron doubletime ( dbt ), que regula la cantidad de proteína PER. [19]
En 1990, Konopka, Rosbash y otros identificaron un nuevo gen llamado Clock ( Clk ), que es vital para el período circadiano. [20] En 1998, encontraron un nuevo gen cycle ( cyc ), que actúa junto con Clk . [21] A fines de 1998, el equipo de Hall y Roshbash descubrió cryb , un gen para la sensibilidad a la luz azul. [22] Simultáneamente identificaron la proteína CRY como el principal sistema sensible a la luz ( fotorreceptor ). La actividad de cry está bajo regulación circadiana e influenciada por otros genes como per , tim , clk y cyc . [23] El producto génico CRY es una proteína fotorreceptora principal que pertenece a una clase de flavoproteínas llamadas criptocromos . También están presentes en bacterias y plantas. [24] En 1998, Hall y Jae H. Park aislaron un gen que codifica un neuropéptido llamado factor de dispersión de pigmento (PDF), basándose en una de las funciones que desempeña en los crustáceos . [25] En 1999, descubrieron que el pdf se expresa en los grupos ventrales de neuronas laterales (LNv), lo que indica que la proteína PDF es el principal neurotransmisor circadiano y que las neuronas LNv son los principales marcapasos circadianos. [26] En 2001, Young y su equipo demostraron que el ortólogo shaggy (SGG) de la glucógeno sintasa quinasa-3 (GSK-3) es una enzima que regula la maduración y acumulación de TIM a primera hora de la noche, al provocar la fosforilación . [27]
Hall, Rosbash y Young compartieron el Premio Nobel de Fisiología o Medicina 2017 “por sus descubrimientos de los mecanismos moleculares que controlan el ritmo circadiano”. [3]
En Drosophila hay dos grupos distintos de relojes circadianos: las neuronas del reloj y los genes del reloj. Actúan de forma concertada para producir el ciclo de 24 horas de descanso y actividad. La luz es la fuente de activación de los relojes. Los ojos compuestos , ocelos y ojales de Hofbauer-Buchner (ojales HB) son los órganos fotorreceptores externos directos. Pero el reloj circadiano puede funcionar en oscuridad constante. [28] No obstante, los fotorreceptores son necesarios para medir la duración del día y detectar la luz de la luna. Los ojos compuestos son importantes para diferenciar los días largos de la luz constante. Para los efectos de enmascaramiento normales de la luz, como la inducción de actividad por la luz y la inhibición por la oscuridad. [29] Hay dos picos de actividad distintos denominados pico M (por mañana), que ocurre al amanecer, y pico E (por tarde), al anochecer. Controlan las diferentes duraciones del día en diferentes estaciones del año. [30] Las proteínas sensibles a la luz en el ojo llamadas rodopsinas (rodopsina 1 y 6), son cruciales para activar las oscilaciones M y E. [31] Cuando se detecta luz ambiental, aproximadamente 150 neuronas (hay alrededor de 100.000 neuronas en el cerebro de Drosophila ) en el cerebro regulan el ritmo circadiano. [32] Las neuronas del reloj están ubicadas en grupos distintos en el cerebro central. Las neuronas del reloj mejor entendidas son las neuronas ventrales laterales grandes y pequeñas (l-LNvs y s-LNvs) en la base del lóbulo óptico . Estas neuronas producen un factor de dispersión de pigmento (PDF), un neuropéptido que actúa como un neuromodulador circadiano entre diferentes neuronas del reloj. [33]
El circadiano de Drosophila mantiene el tiempo a través de fluctuaciones diarias de proteínas relacionadas con el reloj que interactúan en un bucle de retroalimentación de transcripción-traducción. El mecanismo central del reloj consta de dos bucles de retroalimentación interdependientes, a saber, el bucle PER/TIM y el bucle CLK/CYC. [34] El bucle CLK/CYC ocurre durante el día en el que se producen tanto la proteína Clock como la proteína Cycle. Los heterodímeros CLK/CYC actúan como factores de transcripción y se unen para iniciar la transcripción de los genes per y tim uniéndose a un elemento promotor llamado E box, alrededor del mediodía. El ADN se transcribe para producir ARNm PER y ARNm TIM. Las proteínas PER y TIM se sintetizan en el citoplasma y exhiben un aumento suave en los niveles a lo largo del día. Sus niveles de ARN alcanzan su punto máximo temprano en la noche y los niveles de proteína alcanzan su punto máximo alrededor del amanecer. [32] Pero sus niveles de proteína se mantienen en niveles constantemente bajos hasta el anochecer porque la luz del día también activa el gen double-time ( dbt ). La proteína DBT induce modificaciones postraduccionales , es decir, fosforilación y recambio de proteínas PER monoméricas. A medida que PER se traduce en el citoplasma, es fosforilada activamente por DBT ( caseína quinasa 1 ε) y caseína quinasa 2 (sintetizada por And y Tik ) como preludio a una degradación prematura. La degradación real es a través de la vía ubiquitina-proteasoma y es llevada a cabo por una ubiquitina ligasa llamada Slimb (extremidades supernumerarias). [35] [36] Al mismo tiempo, TIM es fosforilada por shaggy, cuya actividad disminuye después del atardecer. DBT desaparece gradualmente, y la retirada de DBT promueve que las moléculas PER se estabilicen por asociación física con TIM. Por lo tanto, la producción máxima de PER y TIM ocurre al anochecer. Al mismo tiempo, CLK/CYC también activa directamente vri y Pdp1 (el gen para la proteína del dominio PAR 1). El VRI se acumula primero, 3-6 horas antes, y comienza a reprimir a Clk ; pero el PDP1 entrante crea una competencia al activar a Clk . Los dímeros PER/TIM se acumulan a primera hora de la noche, se translocan de manera orquestada hacia el núcleo varias horas después y se unen a los dímeros CLK/CYC. El PER unido detiene por completo la actividad transcripcional de CLK y CYC. [37]
Por la mañana temprano, la aparición de luz hace que las proteínas PER y TIM se descompongan en una red de activación y represión transcripcional. Primero, la luz activa el gen cry en las neuronas del reloj. Aunque CRY se produce en las profundidades del cerebro, es sensible a la luz ultravioleta y azul, y por lo tanto envía señales fácilmente a las células cerebrales sobre el inicio de la luz. Se une de forma irreversible y directa a TIM, lo que hace que se descomponga mediante una degradación mediada por ubiquitina dependiente del proteosoma. El dominio de homología de fotoliasa de CRY se utiliza para la detección de luz y la fototransducción , mientras que el dominio carboxilo-terminal regula la estabilidad de CRY, la interacción CRY-TIM y la fotosensibilidad circadiana. [38] La ubiquitinación y la posterior degradación son ayudadas por una proteína diferente, JET. [39] Por lo tanto, el dímero PER/TIM se disocia y el PER no unido se vuelve inestable. PER sufre una fosforilación progresiva y, en última instancia, una degradación. La ausencia de PER y TIM permite la activación de los genes clk y cyc . De esta manera, el reloj se reinicia para comenzar el siguiente ciclo circadiano. [10]