Steven M. Reppert (nacido el 4 de septiembre de 1946) es un neurocientífico estadounidense conocido por sus contribuciones a los campos de la cronobiología y la neuroetología . Su investigación se ha centrado principalmente en las bases fisiológicas, celulares y moleculares de los ritmos circadianos en los mamíferos y, más recientemente, en los mecanismos de navegación de las mariposas monarca migratorias . Fue profesor de la familia Higgins de neurociencia en la Facultad de Medicina de la Universidad de Massachusetts de 2001 a 2017, y de 2001 a 2013 fue el presidente fundador del Departamento de Neurobiología. Reppert renunció a la cátedra en 2014. Actualmente es profesor emérito distinguido de neurobiología.
Steven Reppert creció en el pueblo de Pender, Nebraska , y se graduó de la escuela secundaria pública de Pender en 1964. Su interés por la ciencia comenzó en la infancia con la polilla cecropia , un insecto que se hizo famoso gracias al biólogo de Harvard Carroll M. Williams , quien utilizó la polilla en su trabajo pionero sobre el papel de la hormona juvenil en la muda y la metamorfosis. [1] Reppert continúa criando cecropias desde el huevo hasta la edad adulta cada verano.
Reppert recibió su licenciatura y doctorado en medicina en 1973 (con honores) de la Facultad de Medicina de la Universidad de Nebraska y fue elegido como estudiante de medicina para la Sociedad Médica Honoraria Alpha Omega Alpha . De 1973 a 1976 realizó una pasantía y residencia en pediatría en el Hospital General de Massachusetts . De 1976 a 1979, Reppert fue becario postdoctoral en neuroendocrinología en el Instituto Nacional de Salud Infantil y Desarrollo Humano en Bethesda, Maryland, en el laboratorio de David C. Klein, que se centra en la glándula pineal y la biología circadiana. [2] Reppert formó parte del cuerpo docente del Hospital General de Massachusetts y de la Facultad de Medicina de Harvard a partir de 1979 y fue ascendido a profesor en 1993; dirigió el Laboratorio de Cronobiología del Desarrollo en el Hospital General de Massachusetts de 1983 a 2001, cuando se trasladó a la Facultad de Medicina de la Universidad de Massachusetts. [3]
Reppert ha publicado más de 180 artículos. Es el inventor principal de siete patentes derivadas de su investigación. [4]
Estudios con roedores han demostrado que el reloj cerebral maestro en el núcleo supraquiasmático (NSQ) funciona en el feto antes de que el cerebro fetal sea capaz de registrar la presencia de luz. Reppert y sus colegas informaron que el NSQ fetal se sincroniza con el ciclo de luz-oscuridad antes de que la vía retinohipotalámica inerve el NSQ desde el ojo. [5] Este hallazgo indica que la madre, y su sincronización con los ciclos de luz-oscuridad ambientales, proporciona la información necesaria al feto para la sincronización. Como afirma Reppert, "la madre funciona como transductor del sistema circadiano fetal. Ella capta la información de la luz en su sistema circadiano y luego se la comunica al sistema circadiano fetal". [6] Este sincronización fetal persiste en el período posnatal y garantiza que los patrones de comportamiento neonatal estén correctamente sincronizados con el entorno. La dopamina y la melatonina pueden actuar como señales de sincronización materna perinatal. [7]
Steven Reppert y sus colegas han realizado contribuciones fundamentales que aportan información sobre el mecanismo del reloj circadiano de los mamíferos.
Reppert y sus colegas descubrieron que el SCN contiene una gran población de osciladores circadianos autónomos de una sola célula. [8] Cultivaron células de SCN de rata neonatal en una matriz de microelectrodos fija que les permitió monitorear la actividad neuronal individual del SCN en cultivo. Los ritmos circadianos expresados por neuronas en el mismo cultivo no estaban sincronizados, lo que indica que funcionaban independientemente unos de otros.
Reppert y sus colaboradores también descubrieron los genes del reloj del ratón mPer2 y mPer3 y definieron sus funciones. Encontraron que las proteínas mPER2 y mPER3 , así como la previamente descubierta mPER1 , comparten varias regiones de homología entre sí y con PER de Drosophila. [9] [10] Reppert y sus colaboradores encontraron diferentes respuestas a la luz entre los tres genes Per . [10] A diferencia de los niveles de ARNm de mPer1 y mPer2 , los niveles de ARNm de mPer3 no se alteran de forma aguda por la exposición a la luz durante la noche subjetiva. También encontraron que mPer1–3 se expresa ampliamente en tejidos fuera del cerebro, incluido el hígado, los músculos esqueléticos y los testículos. Para determinar la función de mPER1–3, Reppert y sus colegas alteraron los tres genes que los codifican. [11] Usando ratones doblemente mutantes, demostraron que mPER3 funciona fuera del reloj circadiano central, mientras que tanto mPER1 como mPER2 son necesarios para la ritmicidad.
Reppert y sus colegas descubrieron que los dos criptocromos del ratón , mCRY1 y mCRY2, funcionan como los principales represores transcripcionales de la expresión del gen del reloj, y las proteínas mPER son necesarias para la translocación nuclear de CRY. [12] Este trabajo proporcionó la primera descripción de un ciclo de retroalimentación transcripcional negativo como el engranaje principal que impulsa el reloj molecular del ratón. [13]
Reppert y sus colegas descubrieron que los mecanismos centrales del SCN en los mamíferos consisten en bucles de retroalimentación transcripcional positivos y negativos que interactúan . [14] El primer bucle es un bucle de retroalimentación transcripcional negativo autorregulador en el que las proteínas mCRY regulan negativamente la transcripción de los genes mCry y mPer . El segundo bucle de retroalimentación entrelazado implica la regulación rítmica de Bmal1 . La ritmicidad de Bmal1 no es necesaria para la función de relojería, pero ayuda a modular la robustez de la ritmicidad.
Reppert y sus colegas descubrieron que los factores de transcripción CLOCK y NPAS2 tienen funciones superpuestas en el SCN, lo que revela una función nueva e inesperada para NPAS2. [15] Su laboratorio observó que los ratones deficientes en CLOCK siguen teniendo ritmos conductuales y moleculares, lo que demostró que CLOCK no es esencial para el ritmo circadiano en la actividad locomotora en ratones. Luego determinaron, al investigar ratones deficientes en CLOCK, que NPAS2 es un parálogo de CLOCK y puede sustituir funcionalmente a CLOCK al dimerizarse con BMAL1. Finalmente, descubrieron (al investigar ratones deficientes en CLOCK, deficientes en NPAS2 y doblemente mutantes) que los ritmos circadianos en osciladores periféricos requieren CLOCK. [15] Por lo tanto, existe una diferencia fundamental entre CLOCK y NPAS2 que depende del tejido.
En 1994, Reppert clonó el receptor de melatonina Mel 1a humano y ovino , el primero de una familia de GPCR que se unen a la hormona pineal melatonina , y localizó su expresión en el cerebro de los mamíferos en el SCN y la pars tuberalis hipofisaria . [16] Se cree que Mel 1a es responsable de los efectos circadianos de la melatonina y las acciones reproductivas en mamíferos de reproducción estacional. [16]
En 1995, Reppert clonó y caracterizó el receptor de melatonina Mel 1b . Él y sus colegas descubrieron que el receptor se expresaba predominantemente en la retina , donde se cree que modifica las funciones retinianas dependientes de la luz. [17] Identificaron poblaciones exogámicas de hámsteres siberianos que carecían de Mel 1b funcional pero mantenían respuestas circadianas y reproductivas a la melatonina; [18] estos datos indican que Mel 1b no es necesario para las acciones circadianas y reproductivas de la melatonina, que en cambio dependen de Mel 1a .
La elucidación de la naturaleza molecular de los receptores de melatonina ha facilitado la definición de sus características de unión a ligandos y ha ayudado al desarrollo de análogos de melatonina que ahora se utilizan para tratar los trastornos del sueño y la depresión. [16]
En 2003, Reppert comenzó a investigar las propiedades funcionales y evolutivas de la proteína CRY en la mariposa monarca. Identificó dos genes Cry en la monarca, Cry1 y Cry2 . [19] Su trabajo demostró que la proteína CRY1 de la monarca es funcionalmente análoga a CRY de Drosophila , el fotorreceptor de luz azul necesario para el fotoentrenamiento en la mosca. También demostró que CRY2 de la monarca es funcionalmente análoga a CRY de vertebrados y que CRY2 de la monarca actúa como un potente represor transcripcional en el ciclo de retroalimentación de traducción transcripcional del reloj circadiano de la mariposa, como su grupo mostró previamente para los dos CRY de ratón. [12] Estos datos proponen la existencia de un nuevo reloj circadiano exclusivo de algunos insectos no drosófilos que posee mecanismos característicos tanto de la Drosophila como de los relojes de los mamíferos. [20] Otros insectos, como las abejas y las hormigas, poseen solo un CRY similar al de los vertebrados, y sus relojes circadianos son aún más parecidos a los de los vertebrados. [21] Drosophila es el único insecto conocido que no posee un CRY parecido al de los vertebrados.
En 2008, Reppert y sus colegas descubrieron la necesidad de CRY para las respuestas de magnetorrecepción dependientes de la luz en Drosophila . También demostraron que la magnetorrecepción requiere luz UVA/azul, el espectro correspondiente con el espectro de acción de CRY de Drosophila . [22] Estos datos fueron los primeros en implicar genéticamente a CRY como un componente de la vía de entrada o la vía basada en químicos de magnetorrecepción. Aplicando estos hallazgos a su trabajo con la monarca, el grupo de Reppert demostró que tanto las proteínas monarca CRY1 como CRY2, cuando se expresan como un transgén en moscas deficientes en CRY, restauran con éxito la función de magnetosensibilidad dependiente de la luz. Estos resultados proponen la presencia de un sistema de magnetosensibilidad mediado por CRY en monarcas que puede actuar en concordancia con la brújula solar para ayudar a la navegación. En 2011, el laboratorio de Reppert también descubrió que el CRY2 humano puede sustituir a un magnetorreceptor funcional en moscas deficientes en CRY, un descubrimiento que justifica una investigación adicional sobre la magnetosensibilidad en humanos. [23] [24] Sin embargo, la interpretación del trabajo sobre imanes dependientes de CRY anterior debe verse en el contexto de un artículo de Bassetto et al. 2023 que sugiere que no hay evidencia de efectos del campo magnético en el comportamiento en Drosophila . [25] Además, los autores no pudieron reproducir la magnetosensibilidad en Drosophila utilizando el aparato binario de laberinto en T desarrollado en el laboratorio de Reppert. [22] Reppert defiende el trabajo de su laboratorio que muestra la magnetosensibilidad de la mosca de la fruta y cuestiona las conclusiones informadas en Bassetto et al. , 2023. [26] Se necesita más trabajo para refutar o verificar la falta propuesta de magnetorrecepción en Drosophila .
Desde 2002, Reppert y sus colaboradores han sido pioneros en el estudio de la base biológica de la migración de la mariposa monarca . [27] [28] Cada otoño, millones de monarcas del este de los Estados Unidos y el sureste de Canadá migran hasta 4.000 km para pasar el invierno en refugios en el centro de México. [29] La migración de la monarca no es una actividad aprendida, dado que las migrantes que vuelan hacia el sur están al menos dos generaciones alejadas de las migrantes del año anterior. [30] Por lo tanto, las monarcas migratorias deben tener algún mecanismo de navegación de base genética.
Reppert y sus colegas se han centrado en un nuevo mecanismo de reloj circadiano y su papel en la orientación de la brújula solar con compensación de tiempo, una importante estrategia de navegación que utilizan las mariposas durante su migración de otoño. [29] Mediante experimentos de cambio de reloj, demostraron que el reloj circadiano debe interactuar con la brújula solar para permitir que las aves migratorias mantengan una dirección de vuelo hacia el sur a medida que el sol se mueve diariamente por el cielo. [31] Reppert colaboró con Eli Shlizerman en la Universidad de Washington y Daniel Forger en la Universidad de Michigan para proponer un modelo matemático funcional de la brújula solar con compensación de tiempo. [32]
El modelo de relojería de la monarca, que tiene aspectos tanto de Drosophila como de mamíferos, es único porque emplea dos proteínas CRY distintas. Como se presenta en un artículo de revisión, [28] el mecanismo de relojería, a nivel de gen/proteína, funciona de la siguiente manera:
El laboratorio de Reppert amplió la postulación de Fred Urquhart de que las antenas desempeñan un papel en la migración de la monarca. En 2009, Reppert y sus colaboradores Christine Merlin y Robert Gegear informaron que, a pesar de las suposiciones previas de que los relojes de compensación temporal se encuentran exclusivamente en el cerebro, también hay relojes ubicados en las antenas, que "son necesarios para la orientación adecuada de la brújula solar con compensación temporal en las mariposas monarca migratorias". [33] Llegaron a esta conclusión comparando la orientación de la brújula solar de las monarcas migratorias con antenas intactas y aquellas a las que se les habían quitado las antenas. [33] El laboratorio de Reppert también estudió las antenas in vitro y descubrió que los relojes antenales pueden ser sincronizados directamente por la luz y pueden funcionar independientemente del cerebro. [33] Sin embargo, se necesita más investigación sobre la interacción entre los relojes circadianos en las antenas de la mariposa monarca y la brújula solar en el cerebro.
En 2012, Reppert y sus colegas determinaron que una sola antena es suficiente para la orientación con la brújula solar. Lo hicieron pintando una antena de negro para provocar una exposición discordante a la luz entre las dos antenas; la única antena sin pintar fue suficiente para la orientación. Los cuatro genes del reloj ( per , tim , cry1 y cry2 ) se expresaron en las diversas áreas estudiadas de la antena, lo que sugiere que "los relojes circadianos arrastrados por la luz se distribuyen a lo largo de la antena de la mariposa monarca". [34]
En 2013, Reppert y Patrick Guerra demostraron que las aves que emigran en primavera también utilizan una brújula solar compensada en el tiempo y dependiente de la antena para dirigir su vuelo hacia el norte desde México hasta el sur de los Estados Unidos. [35]
Utilizando estudios anatómicos y electrofisiológicos del cerebro de la mariposa monarca, Stanley Heinze, que trabajaba en el laboratorio de Reppert, proporcionó evidencia de que el complejo central, una estructura de la línea media en el cerebro central, es probablemente el sitio de la brújula solar. [36]
Reppert y sus colegas Patrick Guerra y Robert Gegear demostraron que las monarcas migratorias pueden utilizar una brújula magnética basada en la inclinación y dependiente de la luz para navegar en días nublados. [37] Los estudios genéticos del laboratorio de Christine Merlin muestran que la proteína fotorreceptora CRY1 es esencial para la brújula magnética sensible a la luz de la monarca. [38] El uso exitoso de la genética inversa en las monarcas indicaría que la mariposa es una excelente opción para ayudar a delinear el mecanismo molecular subyacente a la magnetosensorización dependiente de la luz en el contexto de la navegación con brújula.
Reppert y Patrick Guerra demostraron que las aves migratorias de otoño expuestas prematuramente a un frío similar al de la hibernación invierten su orientación de vuelo hacia el norte. El microambiente de temperatura en el lugar de hibernación es esencial para completar con éxito el ciclo migratorio: sin exposición al frío, las aves migratorias de edad avanzada continúan orientándose hacia el sur. El descubrimiento de que el frío desencadena la dirección de vuelo hacia el norte en las aves migratorias de primavera subraya lo vulnerable que puede ser la migración al cambio climático. [39] [40]
En 2011, Reppert y sus colegas presentaron el borrador de la secuencia del genoma de la mariposa monarca y un conjunto de 16.866 genes codificadores de proteínas. Se trata del primer genoma caracterizado de una mariposa y de una especie migratoria de larga distancia. [41] [42] [43]
En 2012, Reppert y sus colegas crearon MonarchBase, una base de datos integrada para el genoma de Danaus plexippus . El objetivo del proyecto era hacer que la información genómica y proteómica sobre las mariposas monarca fuera accesible a las comunidades biológicas y de lepidópteros. [44]
En 2013, Christine Merlin y Scot Wolfe desarrollaron en el laboratorio de Reppert un novedoso enfoque de selección de genes en las monarcas que utiliza una estrategia de nucleasa de dedo de zinc para definir la naturaleza esencial de CRY2 para la función de relojería en lepidópteros. [45] La mutagénesis dirigida de Cry2 de hecho resultó en la alteración in vivo del comportamiento circadiano y del mecanismo del reloj molecular. Trabajos posteriores en el laboratorio de Merlin han demostrado que las estrategias de nucleasa son herramientas poderosas para seleccionar genes de reloj adicionales en las monarcas y alterar la función genética. [46]
En 2016, Reppert colaboró con Marcus Kronforst de la Universidad de Chicago y otros para utilizar estudios genéticos poblacionales para definir la historia evolutiva de la migración de la monarca. [47]