La vida en la Tierra se adapta a la rotación de nuestro planeta. Durante años hemos sabido que los organismos vivos, incluyendo los humanos, tienen un reloj biológico interno que les ayuda a anticiparse y adaptarse al ritmo regular del dÃa. Pero, ¿cómo funciona realmente este reloj? Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash y Michael W. Young fueron capaces de mirar dentro de nuestro reloj biológico y elucidar su funcionamiento interno. Sus descubrimientos explican cómo plantas, animales y seres humanos adaptan su ritmo biológico para que esté sincronizado con las revoluciones de la Tierra.
Utilizando las moscas de la fruta como organismo modelo, los premios Nobel de este año aislaron un gen que controla el ritmo biológico diario normal. Ellos mostraron que este gen codifica una proteÃna que se acumula en la célula durante la noche y luego se degrada durante el dÃa. Posteriormente, identificaron componentes proteÃnicos adicionales de esta maquinaria, exponiendo el mecanismo que gobierna el mecanismo de relojerÃa dentro de la célula. Ahora sabemos que los relojes biológicos funcionan por los mismos principios en células de otros organismos multicelulares, incluyendo humanos.
Con exquisita precisión, nuestro reloj interno adapta nuestra fisiologÃa a cada una de las fases del dÃa. El reloj regula las funciones crÃticas, tales como el comportamiento, niveles hormonales, sueño, temperatura corporal y el metabolismo. Nuestro bienestar se ve afectado cuando hay un desajuste temporal entre nuestro entorno externo y este reloj biológico interno, por ejemplo cuando viajamos a través de varias zonas horarias y experimentamos el "jet lag". También hay indicios de que la desalineación crónica entre nuestro estilo de vida y el ritmo dictado por nuestro cronometrador interno se asocia con un mayor riesgo de varias enfermedades.
Nuestro reloj interno
La mayorÃa de los organismos vivos se anticipan y adaptan a los cambios diarios en el medio ambiente. Durante el siglo XVIII, el astrónomo Jean Jacques d'Ortous de Mairan estudió plantas de mimosa y descubrió que las hojas se abrÃan hacia el sol durante el dÃa y se cerraban al anochecer. Se preguntó qué pasarÃa si la planta fuera colocada en una oscuridad constante. Descubrió que, independientemente de la luz solar diaria, las hojas seguÃan su oscilación diaria normal. Las plantas parecÃan tener su propio reloj biológico.
Otros investigadores encontraron que no sólo las plantas, sino también los animales y los seres humanos, poseÃan un reloj biológico que ayudaba a preparar su fisiologÃa ante las fluctuaciones del dÃa. Esta adaptación regular se conoce como el ritmo circadiano , procedente de las palabras latinas circa que significa "alrededor" y diano que significa "dÃa". Pero la forma en que nuestro reloj biológico circadiano interno funcionaba seguÃa siendo un misterio.
Identificación de un gen del reloj
Durante los años 70, Seymour Benzer y su estudiante Ronald Konopka se preguntaron si serÃa posible identificar los genes que controlan el ritmo circadiano en moscas de la fruta. Demostraron que las mutaciones en un gen desconocido interrumpieron el reloj circadiano de las moscas. Pero, ¿cómo podrÃa este gen influir en el ritmo circadiano?
Los galardonados con el Premio Nobel de este año, que también estaban estudiando las moscas de la fruta, tenÃan como objetivo descubrir cómo funciona el reloj circadiano. En 1984, Jeffrey Hall y Michael Rosbash, trabajando en estrecha colaboración en la Universidad Brandeis de Boston, y Michael Young en la Universidad Rockefeller de Nueva York, lograron aislar el gen. Jeffrey Hall y Michael Rosbash luego descubrieron que el PER, la proteÃna codificada por el gen, se acumulaba durante la noche y se degradaba durante el dÃa. Por lo tanto, los niveles de proteÃna PER oscilaban en un ciclo de 24 horas, en sincronÃa con el ritmo circadiano.
Mecanismo de relojerÃa auto-regulable
El siguiente objetivo clave era comprender cómo se podrÃan generar y mantener esas oscilaciones circadianas. Jeffrey Hall y Michael Rosbash plantearon la hipótesis de que la proteÃna PER bloqueaba la actividad del gen. Razonaron que mediante un circuito inhibitorio de retroalimentación, la proteÃna PER podrÃa prevenir su propia sÃntesis y, por tanto, regular su propio nivel en un ritmo cÃclico continuo.
El modelo era tentador, pero faltaban algunas piezas del rompecabezas. Para bloquear la actividad del gen, la proteÃna PER, que se produce en el citoplasma, tendrÃa que llegar al núcleo celular, donde se encuentra el material genético. Jeffrey Hall y Michael Rosbash habÃan demostrado que la proteÃna PER se acumulaba en el núcleo durante la noche, pero ¿cómo llegó allÃ? En 1994, Michael Young descubrió un segundo gen de reloj, atemporal, que codifica la proteÃna TIM que se requerÃa para un ritmo circadiano normal. Su investigación, demostró que cuando TIM se une a PER, las dos proteÃnas fueron capaces de entrar en el núcleo de la célula donde bloquearon la actividad del gen cerrando el circuito inhibitorio de retroalimentación.
Tal mecanismo de retroalimentación reguladora ayudaba a entender cómo surgÃa esta oscilación de los niveles de proteÃnas celulares, pero las preguntas perduraron. ¿Qué controlaba la frecuencia de las oscilaciones? Michael Young identificó otro gen, la llamó doubletime, que codifica la proteÃna DBT que retrasaba la acumulación de la proteÃna PER. Esto proporcionó información sobre cómo se ajusta una oscilación para que coincida más estrechamente con un ciclo de 24 horas.
Los descubrimientos paradigmáticos de los laureados establecieron principios mecánicos clave para el reloj biológico. Durante los años siguientes se aclararon otros componentes moleculares del mecanismo de relojerÃa, explicando su estabilidad y función. Por ejemplo, los galardonados de este año identificaron proteÃnas adicionales requeridas para la activación del gen, asà como el mecanismo por el cual la luz puede sincronizar el reloj.
Manteniendo el tiempo en nuestra fisiologÃa humana
El reloj biológico está involucrado en muchos aspectos de nuestra fisiologÃa compleja. Ahora sabemos que todos los organismos multicelulares, incluyendo humanos, utilizan un mecanismo similar para controlar los ritmos circadianos. Una gran parte de nuestros genes están regulados por el reloj biológico y, en consecuencia, un ritmo circadiano cuidadosamente calibrado adapta nuestra fisiologÃa a las diferentes fases del dÃa. Desde los descubrimientos de los tres galardonados, la biologÃa circadiana se ha convertido en un campo de investigación vasto y dinámico, con implicaciones para nuestra salud y bienestar.Referencia:
- "The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2017", Nobel Prize.
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