Los ciclos diarios en prácticamente todos los aspectos de nuestra fisiología son impulsados por relojes biológicos también llamados relojes circadianos en nuestras células. Las interacciones cíclicas de las proteínas del reloj mantienen los ritmos biológicos de la vida en sintonía con el ciclo diario de la noche y el día, yesto ocurre no solo en humanos y otros animales complejos, sino incluso en organismos unicelulares simples como las cianobacterias.
Un equipo de científicos ha reconstituido el reloj circadiano de las cianobacterias en un tubo de ensayo, lo que les permite estudiar las interacciones rítmicas de las proteínas del reloj en tiempo real y comprender cómo estas interacciones permiten que el reloj ejerza control sobre la expresión génica. Investigadores en treslaboratorios de UC Santa Cruz, UC Merced y UC San Diego colaboraron en el estudio, publicado el 8 de octubre en ciencia .
"Reconstituir un proceso biológico complicado como el reloj circadiano desde cero realmente nos ha ayudado a aprender cómo funcionan juntas las proteínas del reloj y permitirá una comprensión mucho más profunda de los ritmos circadianos", dijo Carrie Partch, profesora de química y bioquímica en la UC.Santa Cruz y autor correspondiente del estudio.
Partch señaló que los detalles moleculares de los relojes circadianos son notablemente similares entre las cianobacterias y los humanos. Tener un reloj en funcionamiento que pueda estudiarse en el tubo de ensayo "in vitro" en lugar de en células vivas "in vivo" proporciona unaplataforma poderosa para explorar los mecanismos del reloj y cómo responde a los cambios. El equipo realizó experimentos en células vivas para confirmar que sus resultados in vitro son consistentes con la forma en que funciona el reloj en cianobacterias vivas.
"Estos resultados fueron tan sorprendentes porque es común tener resultados in vitro que son algo inconsistentes con lo que se observa in vivo. El interior de las células vivas es muy complejo, en marcado contraste con las condiciones mucho más simples in vitro", dijoAndy LiWang, profesor de química y bioquímica en UC Merced y autor correspondiente del artículo.
El nuevo estudio se basa en trabajos anteriores de investigadores japoneses, que en 2005 reconstituyeron el oscilador circadiano cianobacteriano, el ciclo básico de 24 horas del reloj. El oscilador consta de tres proteínas relacionadas: KaiA, KaiB y KaiC.células, las señales del oscilador se transmiten a través de otras proteínas para controlar la expresión de genes en un ciclo circadiano.
El nuevo reloj in vitro incluye, además de las proteínas osciladoras, dos proteínas quinasas SasA y CikA, cuyas actividades se modifican al interactuar con el oscilador, así como una proteína de unión al ADN RpaA y su ADN diana.
"SasA y CikA, respectivamente, activan y desactivan RpaA de manera que se une y desacopla rítmicamente el ADN", explicó LiWang. "En las cianobacterias, esta unión y desvinculación rítmica en más de 100 sitios diferentes de su genoma activa y desactiva la expresión de numerosos genes importantesa la salud y la supervivencia ".
Usando técnicas de etiquetado fluorescente, los investigadores pudieron rastrear las interacciones entre todos estos componentes del reloj mientras todo el sistema oscila con un ritmo circadiano durante muchos días e incluso semanas. Este sistema permitió al equipo determinar cómo SasA y CikA mejoran larobustez del oscilador, manteniéndolo funcionando en condiciones en las que las proteínas KaiABC por sí mismas dejarían de oscilar.
Los investigadores también utilizaron el sistema in vitro para explorar los orígenes genéticos de la interrupción del reloj en una cepa arrítmica de cianobacterias. Identificaron una única mutación en el gen de RpaA que reduce la eficiencia de unión al ADN de la proteína.
"Un solo cambio de aminoácido en el factor de transcripción hace que la célula pierda el ritmo de expresión génica, aunque su reloj esté intacto", dijo la coautora Susan Golden, directora del Centro de Biología Circadiana de UC San Diego, del cual Partchy LiWang también son miembros.
"La verdadera belleza de este proyecto es cómo el equipo proveniente de tres campus de la UC se unió para agrupar enfoques para responder cómo una celda puede decir la hora", agregó. "La colaboración activa se extendió mucho más allá de los investigadores principales, con los estudiantesy postdoctorados que se capacitaron en diferentes disciplinas y se reunieron para compartir datos genéticos, biológicos estructurales y biofísicos, y se explicaron mutuamente la importancia de sus hallazgos. La comunicación interdisciplinaria fue tan importante para el éxito del proyecto como las impresionantes habilidadesde los investigadores. "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - Santa Cruz . Original escrito por Tim Stephens. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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