Control genético de los ritmos circadianos: Neurospora crassa

Después de un tiempo sin poder actualizar por asuntos académicos vuelvo con una entrada acerca de los estudios genéticos y su importancia en el correcto funcionamiento de los relojes circadianos. Es una ampliación de un seminario que tengo que exponer junto con unos compañeros en el mes de mayo, pero como la extensión es limitada no puedo meterme en muchos detalles en el seminario, pero como este es mi blog y no hay reglas me puedo expandir todo lo que quiera.

Los estudios genéticos han sido de gran utilidad para obtener información sobre la naturaleza del oscilador del reloj circadiano. El objetivo perseguido en todos los casos ha sido el aislamiento y la caracterización de los genes que intervienen en los ritmos circadianos. Los primeros estudios se hicieron en Neurospora crassa y en Drosophila melanogaster.

Figura 1. Imagen de microscopía de barrido de hifas y cuerpos fructíferos de Neurospora crassa .

En este caso trataremos el reloj de Neurospora crassa (figura 1), uno de los más estudiados por su facilidad de mantenimiento en laboratorio,uno de los modelos de oscilador que se postulan es el de la figura 2.

Figura 2. Ciclos de retroalimentación conectados entre sí en Neurospora crasa. Modificado de: Dunlap,Jay C. 1996.

Dos son los genes que se han clonado de Neurospora crassa, el gen frq y el gen prd-4, que están relacionadas con los relojes circadianos . Al parecer uno de estos dos frq es uno de los componentes principales del reloj circadiano. Se conocen dos transcritos de este gen de diferente longitud y lo que varía principalmente es el número de repeticiones ATG 5’ upstream. El transcrito, la proteína FRQ, tiene una serie de características que corresponden a un factor de transcripción, como son un dominio hélice-vuelta-hélice de unión a DNA, se localiza en el núcleo y puede activar la transcripción en levaduras (Dunlap,Jay C. 1996). Otros elementos que intervienen en el ciclo son los factores WHITE COLLAR-1 y 2, o lo que es lo mismo WC-1 y WC-2 (Brunner,Michael 2006). Además de los componentes anteriormente nombrados aparecen también otras proteínas como quinasas y fosfatasas que no serán nombradas porque participan en muchos de los procesos de señalización celular y son un mecanismo común. El oscilador en Neurospora funciona como un ciclo de retroalimentación negativa. Este ciclo se establece entre FRQ, WC-1 y WC-2. Estos elementos son interdependientes entre sí. La transcripción del gen frq está controlada por WC-1 y WC-2 (figura 2). Además FRQ inhibe la actividad de WC-1 y WC-2 y por tanto autoregula los niveles de FRQ (Brunner,Michael 2006).

Figura 3. Representación de los niveles de frq RNA, FRQ y WC-1. En el caso de FRQ los niveles citosólicos se muestran con una línea discontinua y los nucleares en una línea gris. La zona coloreada de gris representa la "noche" del ciclo

WCC, es decir WC-1 y WC-2, se localizan predominantemente en el núcleo, pero también está presente en el citosol , hay que tener en cuenta que es allí en donde la proteína es sintetizada, una vez se ensamblan los dos componentes WCC pasa rápidamente al núcleo. Una vez aquí WCC activa la transcripción de frq de “noche” y los niveles de FRQ alcanzarían un máximo nivel por la “tarde”. Después de su síntesis FRQ recluta una quinasa CK1a y inactiva el complejo WCC en el núcleo fosforilándolo. Esto provoca que el complejo WCC deje de promover la transcripción de FRQ y que sus niveles en el núcleo vayan disminuyendo, y a su vez los niveles de WCC inactivo, fosforilado, vayan aumentando y se establezca un equilibrio entre el citosol y el núcleo. A lo largo del ciclo FRQ es progresivamente hiperfosforilado por quinasas, entre ellas CK1a. En el citosol nos encontramos con un FRQ-CK1 hiperfosforilado y con WCC también fosforilado. No obstante el WCC fosforilado en el citosol permanece inactivo per es muy estable. La hiperfosforilación de FRQ se produce a lo largo del ciclo y su degradación se produce durante la “noche”. Cuando los niveles de FRQ-hiperfosforilado disminuyen una fosfatasa (PP2A-depenent) predomina cinéticamente sobre el FRQ unido a la quinasa de manera que WCC es progresivamente activado, entre en el núcleo y activa la transcripción de frq de nuevo(Brunner,Michael 2006). El resultado de todo este proceso es la oscilación de los diferentes componentes, del frq RNA, de FRQ y de WC-1 (figura 3).

Brunner, M. and Schafmeier, T. (2006) Transcriptional and posttranscriptional regulation of the circadian clock of cyanobacteria and Neurospora. Genes & Dev. 20, 1061-1074 (Review).

 Dunlap J C (1996) Genetics and molecular analysis of circadian rhythms. Annual review of genetics 1996;30():579-601.