Cycle ( cyc ) es un gen en Drosophila melanogaster que codifica la proteína CYCLE (CYC). Elgen Cycle ( c yc) se expresa en una variedad de tipos de células de manera circadiana. Está involucrado en el control tanto del ciclo sueño-vigilia como dela regulación circadiana de la expresión génica al promover la transcripción en un mecanismo de retroalimentación negativa . El gen c yc está ubicado en el brazo izquierdo del cromosoma 3 y codifica un factor de transcripción que contiene un dominio básico de hélice-bucle-hélice (bHLH) y un dominio PAS . [1] El gen c yc de 2,17 kb se divide en 5 exones codificantes que suman un total de 1625 pares de bases que codifican 413 residuos de aminoácidos. Actualmentese conocen 19 alelos para c yc . [2] [3] Los ortólogos que realizan la misma función en otras especies incluyen la proteína básica tipo ARNT 1 (ARNTL) y el translocador nuclear del receptor de hidrocarburos arilo 2 ( ARNTL2 ).
Cycle es principalmente conocido por su papel en el ciclo de retroalimentación de transcripción-traducción genética que genera ritmos circadianos en Drosophila . En el núcleo celular, la proteína CYCLE (CYC) forma un heterodímero con una segunda proteína bHLH-PAS , CLOCK (CLK). Este complejo proteico CYC-CLK se une a elementos E-box en regiones promotoras de los genes period y timeless , funcionando como un factor de transcripción en la traducción de las proteínas PER y TIM . [4] Después de que las proteínas PER y TIM se acumulan en el citoplasma y se unen, el complejo PER-TIM se transloca al núcleo. La proteína TIM en estos complejos media la acumulación del complejo proteico dimérico PER-TIM y su posterior importación al núcleo, donde la proteína PER en estos complejos media luego la liberación de CYC-CLK de la cromatina, reprimiendo la transcripción dependiente de CYC-CLK. Por lo tanto, CLK y CYC actúan como factores positivos y PER y TIM como factores negativos. CYC también desempeña un papel en la regulación postraduccional de CLK en el citoplasma. [5] Estas cuatro proteínas del ciclo de retroalimentación se degradan posteriormente mediante un ciclo de fosforilación mediado por la caseína quinasa , lo que permite fluctuaciones en la expresión génica de acuerdo con las señales ambientales. Este ciclo se denomina ciclo de retroalimentación de transcripción-traducción, como se demuestra en este video de la Institución Médica Howard Hughes. Aunque cyc es un gen del reloj y desempeña un papel en el establecimiento y mantenimiento de ritmos, c yc se expresa de forma constitutiva (continua) en células de Drosophila [4] y está presente en células de cultivo de tejido de Drosophila nativas, a diferencia de clk , per o tim . [6] Por lo tanto, la regulación se produce principalmente a través de la retroalimentación negativa del complejo proteico PER-TIM en el ciclo de retroalimentación de transcripción-traducción descrito anteriormente.
La CYC-CLK también interactúa con la proteína Clockwork Orange (CWO) de tal manera que aumenta la robustez en la generación de oscilaciones de alta amplitud. CWO es un represor transcripcional y la competencia antagónica entre CYC-CLK y CWO conduce al control de la transcripción mediada por E-box. [7] Algunos hallazgos sugieren que CWO ayuda preferentemente en la terminación de la transcripción mediada por CYC-CLK durante la noche. [8]
Cyc está involucrado en la base genética de otros comportamientos relacionados con los procesos circadianos, como el sueño, que es importante para la supervivencia, ya que la falta de sueño puede causar la muerte en Drosophila. Existe una correlación significativa entre tener cyc funcional y longevidad. [9] Aunque no se conoce el mecanismo exacto de esta correlación, se sospecha que se debe principalmente a que cyc juega un papel en la regulación de la expresión de genes de choque térmico , que a su vez juegan un papel en la regulación de la duración y la calidad del sueño. [10] Sin una regulación adecuada del sueño, Drosophila puede quedar privada de sueño y morir. En Drosophila macho, se criaron tres cepas, una que no contenía copias de cyc funcional, una que contenía una copia de cyc funcional y una que contenía dos copias de cyc funcional (tipo salvaje). En promedio, Drosophila sin copias murió después de 48 días, Drosophila con una copia murió después de 52 días y Drosophila con dos copias murió después de 60 días. Las muertes prematuras se deben a un sueño deficiente en ausencia de dos cyc funcionales . [9] Sin embargo, este efecto mostró dimorfismo sexual , ya que las hembras de Drosophila no mostraron un acortamiento significativo de su esperanza de vida incluso cuando se les privó de cyc . Esto sugiere que las hembras de Drosophila pueden tener otros mecanismos para compensar la falta de cyc que las hembras de Drosophila no poseen. [9] Sin embargo, para comprender completamente estos procesos, se debe trabajar para identificar interacciones posteriores de las proteínas CYCLE. Además, se han encontrado hallazgos similares en ratones deficientes en BMAL1, el ortólogo mamífero de CYC, pero sin el dimorfismo sexual exhibido por la drosophila. [11]
C yc también está involucrado en las respuestas de Drosophila a la inanición, que también afectan directamente la duración de la vida. La inanición en Drosophila suprime potentemente el sueño, lo que sugiere que los comportamientos regulados homeostáticamente de alimentación y sueño están integrados en las moscas. Clk y cyc actúan durante la inanición para modular el conflicto de si las moscas duermen o buscan comida, desempeñando así un papel crítico para la supresión adecuada del sueño durante la inanición. [12]
La identificación, caracterización y clonación de cyc fue reportada en mayo de 1998 en Cell por los laboratorios de Jeffrey Hall y Michael Rosbash en la Universidad Brandeis junto con la primera autora Joan E. Rutila en el Instituto Médico Howard Hughes . [4] Antes de su descubrimiento, el mecanismo por el cual la transcripción de PER y TIM era regulada rítmicamente no era completamente entendido. Publicaron los artículos informando el descubrimiento de CYCLE y CLOCK en el mismo número de Cell . Encontraron ambos genes como resultado de una técnica de genética directa , mutagenización química de moscas y detección de ritmos de actividad locomotora alterados. [13] A partir de la detección, cycle fue identificado como un mutante arrítmico recesivo en una línea de moscas porque muestra patrones de actividad locomotora arrítmica cuando una mosca tiene 2 cromosomas mutantes número 3. [4] También se encontró que estas moscas mutantes mostraban eclosión arrítmica . [4] Debido a que los mutantes no mostraron ritmos circadianos y las moscas heterocigotas mostraron largos períodos circadianos , determinaron que cycle tiene un fenotipo dominante . Estos datos también sugieren que el gen Cycle es parte del reloj biológico debido a la similitud entre el fenotipo del mutante cycle y el del mutante clock . [4] Esto sugiere que Cycle es parte del reloj biológico con su fenotipo similar al del mutante clock . El análisis de los niveles de transcripción PER y TIM en el mutante cyc mostró niveles reducidos de ARNm de ambas proteínas. La clonación del gen cyc reveló que codifica una nueva proteína básica hélice-bucle-hélice - dominio PAS (bHLH-PAS) relacionada con la proteína básica hélice-bucle-hélice ARNT-like 1 (BMAL1) de mamíferos, y que probablemente se une a Clock para activar la transcripción de genes del ritmo circadiano. [4]
Se ha descubierto la expresión del gen del ciclo en una variedad de tipos de células y tejidos, incluida la cabeza del adulto, el ojo del adulto, el sistema nervioso central de las larvas/adultos, el buche del adulto, el intestino medio del adulto, el intestino posterior del adulto, los túbulos de Malpighi de las larvas/adultos, el cuerpo graso de las larvas/adultos, la glándula salival del adulto, el sistema reproductor femenino del adulto, la glándula accesoria masculina del adulto y la carcasa del adulto. [3]
Las investigaciones recientes sobre el ciclo se han centrado en gran medida en el papel de la ritmicidad circadiana en otros procesos. En 2012, se informó que el envejecimiento reduce las oscilaciones transcripcionales de los genes del reloj central en la cabeza de la mosca, incluido el ciclo. [14] La Drosophila de tipo salvaje muestra una baja actividad del dímero de proteína CLOCK/CYCLE por la mañana, y recientemente se descubrió que la reducción de los niveles de estas proteínas puede afectar la señalización neuronal. [15] La investigación de 2012 sobre la arquitectura del sueño y la nutrición descubrió que los mutantes del reloj circadiano, incluido cyc 01, aún mantenían una respuesta dietética normal sin ritmicidad circadiana. [16] El trabajo futuro centrado en la comprensión del papel de los ritmos circadianos en Drosophila continuará investigando el papel del ciclo en el mantenimiento de la ritmicidad.
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El gen del ciclo que se encuentra en Drosophila melanogaster tiene muchos ortólogos entre eucariotas , incluidos otros miembros del género Drosophila , mosquitos , varios insectos no dípteros , artrópodos no insectos y mamíferos , incluidos los humanos . En otros miembros de Drosophila , los ortólogos funcionales del gen del ciclo de D. melanogaster se pueden encontrar en el cromosoma 3 o en las regiones de unión del andamio/matriz . En cada caso, los ortólogos conservan los dominios PAS funcionales , la función de transducción de señales y la actividad del factor de transcripción. Otros no artrópodos que contienen el ortólogo funcional del ciclo de Drosophila ARNTL y ARNTL2 incluyen humanos, ratones domésticos , pollos domésticos y pez cebra . La mayoría de las criaturas vertebradas conservan una proteína funcional y estructuralmente similar. Sin embargo, a diferencia de los dípteros, estos animales tienen dos ortólogos diferentes del gen del ciclo, probablemente causados por un evento de duplicación genética . [17] Al igual que CYCLE, las proteínas ARNTL tienen una hélice-bucle-hélice básica y un dominio PAS que contiene factores de transcripción responsables de los bucles de retroalimentación negativa de traducción de transcripción autorregulatoria (arriba), que son responsables de generar ritmos circadianos moleculares . [18] Para obtener una lista más completa de homólogos de ARNTL, visite el artículo de distribución de especies de ARNTL .
El gen cyc encontrado en la polilla Sesamia nonagrioides , o comúnmente conocida como el barrenador del maíz mediterráneo, ha sido clonado en un estudio reciente; se encontró que este SnCYC tiene 667 aminoácidos. Un análisis estructural adicional mostró que también contiene un dominio BCTR en su C-terminal además de los dominios comunes encontrados en CYC de Drosophila . Los investigadores encontraron que los ARNm de la expresión de Sncyc eran rítmicos en ciclos de día largo (16L:8D), oscuridad constante y día corto (10L:14D) después de investigar sus patrones de expresión en cerebros de larvas. Además, se encontró que las condiciones fotoperiódicas afectan los patrones de expresión y/o amplitudes de este gen. En Sesamia nonagrioides , este gen Sncyc está asociado con la diapausa. Esto se debe al hecho de que en condiciones de día corto (diapausa) la señal fotoperiódica altera la acumulación de ARNm. Sin embargo, en Drosophila , este gen no oscila ni cambia sus patrones de expresión en respuesta al fotoperíodo, lo que sugiere que esta especie puede ser útil para estudiar más a fondo el control molecular de los relojes circadianos y fotoperiódicos en insectos. [19]
Actualmente se conocen 19 alelos de cyc en Drosophila melanogaster , y la mayoría de ellos han sido mutagenizados y modificados por investigadores en el laboratorio.
Cyc 01, también conocido como cyc 0 , es un alelo mutante nulo recesivo . Esto significa que una Drosophila con dos copias del mutante cyc 01 no produce una proteína CYCLE funcional. La Drosophila resultante exhibe actividad arrítmica y no puede adaptarse a ningún ciclo de luz-oscuridad. Los mutantes Cyc 01 mostraron un rebote de sueño desproporcionadamente grande y murieron después de 10 horas de privación del sueño , aunque fueron más resistentes que otros mutantes de reloj a varios factores estresantes. A diferencia de otros mutantes de reloj, las moscas cyc 01 mostraron una expresión reducida de genes de choque térmico después de la pérdida de sueño. Sin embargo, la activación de los genes de choque térmico antes de la privación del sueño rescató a las moscas cyc 01 de sus efectos letales. [20]
Cyc 02 es un mutante recesivo, caracterizado por una reducción severa en los niveles de proteína PER . En cada caso, la mutación fue el resultado de una mutación sin sentido en la región codificante de PAS encontrada en 1999 después de una prueba de detección de mutantes de metanosulfonato de etilo . En condiciones de luz-oscuridad y oscuridad continua, el mutante cyc 02 fue arrítmico y estuvo activo casi continuamente. [21] Tanto el mutante cyc 01 como el cyc 02 fueron identificados por el mismo equipo. [22]
La mutación Cyc Δ es una mutación dominante negativa que bloquea la capacidad de los complejos CYCLE- CLOCK de activar la transcripción dependiente de la caja E de timeless . La mutación es el resultado de una eliminación de 15 a 17 pares de bases del gen cyc . [23]
Hay una cepa mutante cyc G4677 disponible en el Bloomington Drosophila Stock Center de la Universidad de Indiana. La cepa mutante cyc G4677 es el resultado de la inserción de un elemento p-transponible . No hay información disponible públicamente sobre el fenotipo.
Se conocen otros quince alelos mutantes, pero se investigan con menos frecuencia.