Cycle ( cyc ) es un gen de Drosophila melanogaster que codifica la proteína CYCLE (CYC). El gen del ciclo ( cyc ) se expresa en una variedad de tipos de células de manera circadiana. Participa en el control tanto del ciclo de sueño-vigilia como de la regulación circadiana de la expresión genética al promover la transcripción en unmecanismo de retroalimentación negativa . El gen cyc se encuentra en el brazo izquierdo del cromosoma 3 y codifica un factor de transcripción que contiene un dominio básico hélice-bucle-hélice (bHLH) y un dominio PAS . [1] El gen cyc de 2,17 kbse divide en 5 exones codificantes por un total de 1.625 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 ARNTL y ARNTL2 .
Cycle es conocido principalmente por su papel en el circuito 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 de la caja E en regiones promotoras de los genes period y timeless , funcionando como 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 traslada 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 la liberación de CYC-CLK de la cromatina, reprimiendo la transcripción dependiente de CYC-CLK. . Así, CLK y CYC actúan como factores positivos y PER y TIM como factores negativos. CYC también juega un papel en la regulación postraduccional de CLK en el citoplasma. [5] Estas cuatro proteínas del circuito de retroalimentación se degradan posteriormente mediante un ciclo de fosforilación mediado por caseína quinasa , lo que permite fluctuaciones en la expresión genética de acuerdo con señales ambientales. Este ciclo se denomina circuito de retroalimentación de transcripción-traducción, como lo demuestra este video de la Institución Médica Howard Hughes. Aunque cyc es un gen de reloj y desempeña un papel en el establecimiento y mantenimiento de ritmos, cyc se expresa de forma constitutiva (continua) en células de Drosophila [4] y está presente en células nativas de cultivo de tejidos de Drosophila, a diferencia de clk , per o tim . [6] Por tanto, la regulación se produce principalmente a través de la retroalimentación negativa del complejo proteico PER-TIM en el circuito de retroalimentación de transcripción-traducción descrito anteriormente.
El CYC-CLK también interactúa con la proteína de la Naranja Mecánica (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 a la terminación de la transcripción mediada por CYC-CLK durante la noche. [8]
Cyc está involucrado con la base genética de otros comportamientos que se relacionan 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 un ciclo funcional y la longevidad. [9] Aunque se desconoce el mecanismo exacto de esta correlación, se sospecha que se debe principalmente a que cyc desempeña un papel en la regulación de la expresión de genes de choque térmico , que a su vez desempeñan un papel en la regulación de la duración y la calidad del sueño. [10] Sin una regulación adecuada del sueño, Drosophila puede verse privada de sueño y morir. En machos de Drosophila, se criaron tres cepas, una que no contenía copias de cyc funcional, otra que contenía una copia de cyc funcional y otra que contenía dos copias de cyc funcional (tipo salvaje). En promedio, la Drosophila sin copias murió después de 48 días, la Drosophila con una copia murió después de 52 días y la Drosophila con dos copias murió después de 60 días. Las muertes prematuras se deben a la falta de sueño en ausencia de dos ciclos en funcionamiento . [9] Este efecto, sin embargo, mostró dimorfismo de género , ya que las hembras de Drosophila no mostraron un acortamiento significativo en su esperanza de vida, incluso cuando su ciclo fue eliminado. Esto sugiere que las hembras de Drosophila pueden tener otros mecanismos para compensar la falta de ciclo que los machos de Drosophila no poseen. [9] Sin embargo, para comprender completamente estos procesos, se debe trabajar para identificar las 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 drosophila. [11]
C yc también participa en las respuestas de Drosophila al hambre, que también afectan directamente la duración de la vida. La inanición en Drosophila suprime potentemente el sueño, lo que sugiere que los comportamientos de alimentación y sueño regulados homeostáticamente están integrados en las moscas. Clk y cyc actúan durante la inanición para modular el conflicto entre si las moscas duermen o buscan comida, desempeñando así un papel fundamental para la supresión adecuada del sueño durante la inanición. [12]
La identificación, caracterización y clonación de cyc fue informada 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, no se entendía completamente el mecanismo por el cual se regulaba rítmicamente la transcripción de PER y TIM . Publicaron los artículos que informaban sobre 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 alterados de actividad locomotora. [13] En la pantalla, el ciclo se identificó como un mutante arrítmico recesivo en una línea de mosca porque muestra patrones de actividad locomotora arrítmica cuando una mosca tiene 2 cromosomas mutantes número 3. [4] También se encontró que estas moscas mutantes muestran eclosión arrítmica . [4] Debido a que los mutantes no mostraban ritmos circadianos y las moscas heterocigotas mostraban períodos circadianos largos , determinaron que el ciclo 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 del ciclo y el del mutante del reloj . [4] Esto sugiere que Cycle es parte del reloj biológico con su fenotipo similar al del reloj mutante. El análisis de los niveles de transcripción de 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 bHLH - PAS relacionada con bmal1 de mamíferos , y que probablemente se une a Clock para activar la transcripción de genes del ritmo circadiano. [4]
La expresión del gen del ciclo se ha descubierto en una variedad de tipos de células y tejidos, incluyendo la cabeza adulta, el ojo adulto, el sistema nervioso central larvario/adulto, el buche adulto, el intestino medio adulto, el intestino posterior adulto, los túbulos de Malpighi larvales/adultos, el cuerpo graso larvario/adulto, glándula salival adulta, sistema reproductor femenino adulto, glándula accesoria masculina adulta y cadáver 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 la 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] Una investigación de 2012 sobre la arquitectura del sueño y la nutrición encontró que los mutantes del reloj circadiano, incluido cyc 01, aún mantenían una respuesta dietética normal sin ritmicidad circadiana. [16] El trabajo futuro centrado en comprender el 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 encontrado en Drosophila melanogaster tiene muchos ortólogos entre los eucariotas , incluidos otros miembros del género Drosophila , mosquitos , varios insectos no dípteros , artrópodos no insectos , humanos y otros mamíferos . En otros miembros de Drosophila , se pueden encontrar ortólogos funcionales del gen del ciclo de D. melanogaster en el cromosoma 3 o en las regiones de unión del andamio/matriz . En cada caso, los ortólogos conservan dominios PAS funcionales , función de transducción de señales y 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 peces 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 la transcripción autorreguladora (arriba), que son responsables de generar ritmos circadianos moleculares . [18] Para obtener una lista más completa de homólogos de ARNTL, visite el artículo sobre distribución de especies de ARNTL .
En un estudio reciente se ha clonado el gen cyc que se encuentra en la polilla Sesamia nonagrioides , o comúnmente conocida como barrenador del maíz del Mediterráneo; Se encontró que este SnCYC tenía 667 aminoácidos. Un análisis estructural adicional mostró que también contiene un dominio BCTR en su C-terminal además de los dominios comunes que se encuentran en Drosophila CYC. Los investigadores descubrieron que los ARNm de 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 el cerebro de las 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 a que en días cortos (condiciones de 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 hay 19 alelos conocidos de cyc encontrados en Drosophila melanogaster , y la mayoría de ellos han sido mutagenizados y diseñados 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 seguir ningún ciclo de luz-oscuridad. Los mutantes Cyc 01 mostraron un rebote de sueño desproporcionadamente grande y murieron después de 10 horas de privación de sueño , aunque eran más resistentes que otros mutantes del reloj a diversos factores estresantes. A diferencia de otros mutantes del 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 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 luego de una selección directa de mutantes de metanosulfonato de etilo . Tanto en condiciones de luz y oscuridad como de oscuridad continua, el mutante cyc 02 era arrítmico y estaba casi continuamente activo. [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 E-box de timeless . La mutación es el resultado de una eliminación de 15 a 17 pares de bases del gen cyc . [23]
Una cepa mutante cyc G4677 está disponible en 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.