El punto ( per ) es un gen situado en el cromosoma X de Drosophila melanogaster . Las oscilaciones en los niveles tanto de la transcripción como de su proteína correspondiente PER tienen un período de aproximadamente 24 horas y juntas juegan un papel central en el mecanismo molecular del reloj biológico de Drosophila que impulsa los ritmos circadianos en la eclosión y la actividad locomotora. [1] [2] Las mutaciones en el gen per pueden acortar ( per S ), alargar ( per L ) e incluso abolir ( per 0 ) el período del ritmo circadiano. [1]
Ronald Konopka y Seymour Benzer aislaron el gen period y tres mutantes ( per S , per L y per 0 ) en una prueba de mutagénesis EMS en 1971. [3] Se descubrió que las mutaciones per S , per L y per 0 no se complementan, por lo que se concluyó que los tres fenotipos se debían a mutaciones en el mismo gen. [3] El descubrimiento de mutantes que alteraron el período de los ritmos circadianos en la eclosión y la actividad locomotora ( por S y por L ) indicó el papel del gen per en el reloj en sí y no como una vía de salida. El gen del período fue secuenciado por primera vez en 1984 por Michael Rosbash y sus colegas. [4] En 1998, se descubrió que per produce dos transcripciones (que se diferencian sólo por el corte y empalme alternativo de un único intrón no traducido) que codifican la proteína PER. [5]
En Drosophila , los niveles de ARNm oscilan con un período de aproximadamente 24 horas, alcanzando su punto máximo durante las primeras horas de la noche subjetiva. [1] El PER por producto también oscila con un período de casi 24 horas, alcanzando un máximo aproximadamente seis horas después de los niveles de ARNm durante la noche subjetiva media. [6] [ cita necesaria ] Cuando los niveles de PER aumentan, la inhibición de la transcripción aumenta, lo que reduce los niveles de proteína. Sin embargo, debido a que la proteína PER no puede unirse directamente al ADN, no influye directamente en su propia transcripción; alternativamente, inhibe sus propios activadores. [7] Después de que PER se produce a partir de per ARNm, se dimeriza con Timeless (TIM) y el complejo ingresa al núcleo e inhibe los factores de transcripción de per y tim , el heterodímero CLOCK / CYCLE . [7] Este complejo CLOCK/CYCLE actúa como un activador transcripcional para per y tim uniéndose a potenciadores específicos (llamados E-boxes ) de sus promotores. [7] [8] Por lo tanto, la inhibición de CLK/CYC reduce los niveles de ARNm de per y tim , lo que a su vez reduce los niveles de PER y TIM. [7] Ahora, el criptocromo (CRY) es una proteína sensible a la luz que inhibe TIM en presencia de luz. [9] Cuando TIM no forma un complejo con PER, otra proteína, doubletime o DBT, fosforila PER, dirigiéndose a su degradación. [10]
En los mamíferos, se observa un bucle de retroalimentación negativa de transcripción-traducción análogo. [11] Traducido de los tres homólogos mamíferos de drosophila-per, una de las tres proteínas PER (PER1, PER2 y PER3) se dimeriza a través de su dominio PAS con una de las dos proteínas criptocromo (CRY1 y CRY2) para formar un elemento negativo de la reloj. [11] Este complejo PER/CRY se mueve hacia el núcleo tras la fosforilación por CK1-épsilon ( caseína quinasa 1 épsilon ) e inhibe el heterodímero CLK/BMAL1, el factor de transcripción que está unido a las cajas E de los tres por y dos gritos. promotores mediante dominios de unión al ADN hélice-bucle-hélice básica (BHLH). [11]
Los genes de los períodos 1 y 2 de los mamíferos desempeñan funciones clave en el fotoentrenamiento del reloj circadiano a los pulsos de luz. [12] [13] Esto se vio por primera vez en 1999 cuando Akiyama et al. demostró que mPer1 es necesario para los cambios de fase inducidos por la luz o la liberación de glutamato. [12] Dos años más tarde, Albrecht et al. encontraron evidencia genética que respalda este resultado cuando descubrieron que los mutantes mPer1 no pueden adelantar el reloj en respuesta a un pulso de luz nocturno (ZT22) y que los mutantes mPer2 no pueden retrasar el reloj en respuesta a una luz nocturna temprana. pulso (ZT14). [13] Por lo tanto, mPer1 y mPer2 son necesarios para el reinicio diario del reloj circadiano a las señales de luz ambientales normales. [13]
per también ha sido implicado en la regulación de varios procesos de salida del reloj biológico, incluida la actividad de apareamiento [14] y la respuesta al estrés oxidativo, [15] a través de experimentos de mutación y eliminación.
Drosophila melanogaster tiene una variación natural en las repeticiones Thr-Gly, que se produce a lo largo de una clina de latitud. Las moscas con 17 repeticiones Thr-Gly se encuentran más comúnmente en el sur de Europa y 20 repeticiones Thr-Gly se encuentran más comúnmente en el norte de Europa. [dieciséis]
Además de sus funciones circadianas, el per también ha sido implicado en una variedad de otros procesos no circadianos.
El gen del período 2 de los mamíferos desempeña un papel clave en el crecimiento de tumores en ratones; los ratones con una desactivación de mPer2 muestran un aumento significativo en el desarrollo de tumores y una disminución significativa en la apoptosis. [17] Se cree que esto es causado por la desregulación circadiana mPer2 de genes comunes de supresión tumoral y regulación del ciclo celular, como la ciclina D1 , ciclina A , Mdm-2 y Gadd45 α , así como el factor de transcripción c-myc , que está controlado directamente por reguladores circadianos a través de reacciones mediadas por la caja E. [17] Además, los ratones knockout para mPer2 muestran una mayor sensibilidad a la radiación gamma y al desarrollo de tumores, lo que implica aún más a mPer2 en el desarrollo del cáncer a través de su regulación de las vías de respuesta al daño del ADN. [17] Por lo tanto, el control circadiano de los genes controlados por el reloj que funcionan en el control del crecimiento celular y la respuesta al daño del ADN puede afectar el desarrollo del cáncer in vivo . [17]
Se ha demostrado que per es necesario y suficiente para la formación de la memoria a largo plazo (LTM) en Drosophila melanogaster . Los mutantes per muestran deficiencias en la formación de LTM que pueden rescatarse con la inserción de un transgén per y mejorarse con la sobreexpresión del gen per . [18] Esta respuesta está ausente en mutaciones de otros genes del reloj ( timeless , dClock y Cycle ). [18] La investigación sugiere que la transmisión sináptica a través de células que se expresan es necesaria para la recuperación de LTM. [18]
También se ha demostrado que per prolonga la vida útil de la mosca de la fruta, lo que sugiere un papel en el envejecimiento. [19] Este resultado, sin embargo, sigue siendo controvertido, ya que los experimentos no han sido repetidos con éxito por otro grupo de investigación.
En ratones se ha demostrado que existe un vínculo entre per2 y la ingesta preferida de alcohol. [20] El consumo de alcohol también se ha relacionado con el acortamiento del período de carrera libre. [21] El efecto del alcoholismo en los genes per1 y per2 también se ha relacionado con la depresión asociada con el alcohol, así como con la disposición de un individuo a recaer en el alcoholismo. [21]
En los mamíferos, se conocen tres genes de la familia PER: PER1 , PER2 y PER3 . El reloj molecular de los mamíferos tiene homólogos de las proteínas que se encuentran en Drosophila . Un homólogo de CLOCK desempeña el mismo papel en el reloj humano y CYC es reemplazado por BMAL1 . [7] CRY tiene dos homólogos humanos, CRY1 y CRY2 , que fue descubierto por Edmund A. Griffin, Jr., David Staknis y Charles J. Weitz para abarcar interacciones independientes de la luz con CLOCK y BMAL1. [22] Jean-Christophe Leloup y Albert Goldbeter han desarrollado un modelo computacional para simular el circuito de retroalimentación creado por las interacciones entre estas proteínas y genes, incluidas las proteínas per gen y PER. [23]
Los homólogos humanos muestran similitud de secuencia y aminoácidos con Drosophila Per y también contienen el dominio PAS y las secuencias de localización nuclear que tiene Drosophila Per. Las proteínas humanas se expresan rítmicamente en el núcleo supraquiasmático , así como en áreas fuera del SCN. Además, mientras que el PER de Drosophila se mueve entre el citoplasma y el núcleo, el PER de los mamíferos está más compartimentado: mPer1 se localiza principalmente en el núcleo y mPer2 en el citoplasma. [24]
Se sabe que el síndrome familiar de fase avanzada del sueño está asociado con mutaciones en el gen Per2 de los mamíferos. Las personas que padecen este trastorno tienen un período más corto y una fase avanzada en la que se van a dormir temprano en la noche (alrededor de las 7 p. m.) y se despiertan antes del amanecer (alrededor de las 4 a. m.). En 2006, un laboratorio en Alemania identificó residuos fosforilados particulares de PER2 que están mutados en personas que padecen FASPS. [25] La cronoterapia se utiliza a veces como tratamiento, como un intento de alterar la fase del reloj del individuo utilizando ciclos de luz brillante.