Period ( per ) es un gen ubicado en el cromosoma X de Drosophila melanogaster . Las oscilaciones en los niveles tanto de la transcripción per como de su proteína correspondiente PER tienen un período de aproximadamente 24 horas y juntos 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]
El gen period y tres mutantes ( per S , per L y per 0 ) fueron aislados en un análisis de mutagénesis EMS por Ronald Konopka y Seymour Benzer en 1971. [3] Se encontró que las mutaciones per S , per L y per 0 no se complementaban entre sí, por lo que se concluyó que los tres fenotipos se debían a mutaciones en el mismo gen. [3] El descubrimiento de mutantes que alteraban el período de los ritmos circadianos en la eclosión y la actividad locomotora ( per S y per L ) indicó el papel del gen per en el reloj en sí y no en una vía de salida. El gen period fue secuenciado por primera vez en 1984 por Michael Rosbash y colegas. [4] En 1998, se descubrió que per produce dos transcripciones (que solo difieren en el empalme alternativo de un único intrón no traducido) que codifican la proteína PER. [5]
En Drosophila , los niveles de ARNm de per oscilan con un período de aproximadamente 24 horas, alcanzando su punto máximo durante la noche subjetiva temprana. [1] El producto PER de per también oscila con un período de casi 24 horas, alcanzando su punto máximo aproximadamente seis horas después de los niveles de ARNm de per durante la noche subjetiva media. [6] [ cita requerida ] Cuando los niveles de PER aumentan, la inhibición de la transcripción de per aumenta, reduciendo 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 del ARNm de per, 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 al unirse 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 , que a su vez reducen los niveles de PER y TIM. [7] Ahora bien, el criptocromo (CRY) es una proteína sensible a la luz que inhibe a TIM en presencia de luz. [9] Cuando TIM no forma complejo con PER, otra proteína, doubletime o DBT, fosforila a PER, dirigiéndolo hacia 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) dimeriza a través de su dominio PAS con una de las dos proteínas criptocromo (CRY1 y CRY2) para formar un elemento negativo del reloj. [11] Este complejo PER/CRY se mueve hacia el núcleo tras la fosforilación por CK1-epsilon ( caseína quinasa 1 epsilon ) e inhibe el heterodímero CLK/BMAL1, el factor de transcripción que está unido a las cajas E de los tres promotores per y dos cry por dominios de unión al ADN de hélice-bucle-hélice básica (BHLH). [11]
Los genes de los períodos 1 y 2 de los mamíferos desempeñan papeles 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. demostraron 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 para apoyar este resultado cuando descubrieron que los mutantes mPer1 no pueden adelantar el reloj en respuesta a un pulso de luz a altas horas de la noche (ZT22) y que los mutantes mPer2 no pueden retrasar el reloj en respuesta a un pulso de luz a primeras horas de la noche (ZT14). [13] Por lo tanto, mPer1 y mPer2 son necesarios para el restablecimiento diario del reloj circadiano a las señales de luz ambiental normales. [13]
per también ha sido implicado en la regulación de varios procesos de salida del reloj biológico, incluyendo la actividad de apareamiento [14] y la respuesta al estrés oxidativo, [15] a través de experimentos de mutación y knockout de per .
La Drosophila melanogaster presenta una variación natural en las repeticiones Thr-Gly, que se dan a lo largo de una clina latitudinal. Las moscas con 17 repeticiones Thr-Gly se encuentran más comúnmente en el sur de Europa y las de 20 repeticiones Thr-Gly se encuentran más comúnmente en el norte de Europa. [16]
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 tumoral en ratones; los ratones con una deficiencia de mPer2 muestran un aumento significativo en el desarrollo tumoral y una disminución significativa en la apoptosis. [17] Se cree que esto es causado por la desregulación circadiana de mPer2 de los genes comunes de supresión tumoral y regulación del ciclo celular, como Ciclina D1 , Ciclina A , Mdm-2 y Gadd45 α , así como el factor de transcripción c-myc , que es controlado directamente por reguladores circadianos a través de reacciones mediadas por la caja E. [17] Además, los ratones con deficiencia de mPer2 muestran una mayor sensibilidad a la radiación gamma y al desarrollo tumoral, 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 ser rescatadas con la inserción de un transgén per y mejoradas 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 expresan per es necesaria para la recuperación de LTM. [18]
También se ha demostrado que el per extiende la vida útil de la mosca de la fruta, lo que sugiere un papel en el envejecimiento. [19] Este resultado, sin embargo, todavía es 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, hay tres genes conocidos 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 bucle de retroalimentación creado por las interacciones entre estas proteínas y genes, incluido el gen per y la proteína PER. [23]
Los homólogos humanos muestran similitud de secuencia y aminoácidos con el Per de Drosophila y también contienen el dominio PAS y las secuencias de localización nuclear que posee el Per de Drosophila. 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 mamífero está más compartimentado: el mPer1 se localiza principalmente en el núcleo y el mPer2 en el citoplasma. [24]
El síndrome de fase avanzada del sueño familiar se asocia a 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 por 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.