Una nueva investigación de un equipo multidisciplinario ayuda a iluminar los mecanismos detrás de los ritmos circadianos, lo que ofrece nuevas esperanzas para lidiar con el desfase horario, el insomnio y otros trastornos del sueño.

Utilizando técnicas innovadoras de microscopía crioelectrónica, los investigadores han identificado la estructura del fotosensor del ritmo circadiano y su objetivo en la mosca de la fruta (Drosophila melanogaster), uno de los principales organismos utilizados para estudiar los ritmos circadianos. La investigación, « La estructura intemporal criptocromática revela los mecanismos de sincronización del reloj circadiano », se publicó el 26 de abril en Nature.

La investigación se centró en los criptocromos de la mosca de la fruta, componentes clave de los relojes circadianos de plantas y animales, incluidos los humanos. En las moscas y otros insectos, los criptocromos, activados por la luz azul, sirven como sensores de luz primarios para establecer los ritmos circadianos. El objetivo del fotosensor de criptocromo, conocido como « Timeless » (TIM), es una proteína grande y compleja de la que no se podía obtener una imagen previamente y, por lo tanto, sus interacciones con el criptocromo no se comprenden bien.

Los ritmos circadianos funcionan a través de lo que son básicamente bucles de retroalimentación genética. Los investigadores encontraron que la proteína TIM, junto con su compañera, la proteína Period (PER), actúan juntas para inhibir los genes que son responsables de su propia producción. Con retrasos adecuados entre los eventos de expresión génica y represión, se establece una oscilación en los niveles de proteína.

Esta oscilación representa « el tictac del reloj y parece ser bastante exclusiva del ritmo circadiano », dijo el autor principal Brian Crane, profesor de George W. y Grace L. Todd y catedrático de química y biología química en la Facultad de Artes. y Ciencias.

La luz azul, dijo Crane, cambia la química y la estructura del cofactor flavina del criptocromo, lo que permite que la proteína se una a la proteína TIM e inhiba la capacidad de TIM para reprimir la expresión génica y, por lo tanto, restablecer la oscilación.

Gran parte del arduo trabajo del estudio se centró en descubrir cómo producir el complejo de criptocromo-TIM para poder estudiarlo, porque TIM es una proteína tan grande y difícil de manejar, dijo Crane. Para lograr sus resultados, el primer autor Changfan Lin, MS ’17, Ph.D. ’21, modificó la proteína criptocromo para mejorar la estabilidad del complejo criptocromo-TIM y utilizó técnicas innovadoras para purificar las muestras, haciéndolas adecuadas para imágenes de alta resolución.

« Estos nuevos métodos nos permitieron obtener imágenes detalladas de las estructuras de las proteínas y obtener información valiosa sobre su función », dijo Lin, miembro postdoctoral de la Alianza de Investigación de Ataxia de Friedrich en el Instituto de Tecnología de California. « Esta investigación no solo profundiza nuestra comprensión del ritmo circadiano. regulación, sino que también abre nuevas posibilidades para el desarrollo de terapias dirigidas a procesos relacionados ».

El coautor Shi Feng, estudiante de doctorado en el campo de la biofísica, hizo gran parte del trabajo de microscopía crioelectrónica. Cristina C. DeOliveira, estudiante de doctorado en el campo de la bioquímica y la biología molecular y celular, también fue coautora.

Un resultado inesperado del estudio arroja luz sobre cómo se repara el daño del ADN en una célula. Los criptocromos están estrechamente relacionados con una familia de enzimas involucradas en la reparación del daño al ADN, llamadas fotoliasas. Crane dijo que la investigación « explica por qué estas familias de proteínas están estrechamente relacionadas entre sí, a pesar de que están haciendo cosas bastante diferentes: están haciendo uso del mismo reconocimiento molecular en diferentes contextos ».

El estudio también ofrece una explicación de la variación genética de las moscas que les permite adaptarse a latitudes más altas, donde los días son más cortos en invierno y hace más frío. Estas moscas tienen más de una determinada variante genética que implica un cambio en la proteína TIM, y no estaba claro por qué la variación podría ayudarlas. Los investigadores encontraron que debido a cómo el criptocromo se une a TIM, la variación reduce la afinidad de TIM por el criptocromo. La interacción entre las proteínas se modula y la capacidad de la luz para restablecer la oscilación cambia, alterando así el reloj circadiano y extendiendo el período de latencia de la mosca, lo que le ayuda a sobrevivir el invierno.

« Algunas de las interacciones que vemos aquí en la mosca de la fruta se pueden mapear en las proteínas humanas », dijo Crane. « Este estudio puede ayudarnos a comprender las interacciones clave entre los componentes que regulan el comportamiento del sueño en las personas, como la forma en que los retrasos críticos en el mecanismo de sincronización básico se integran en el sistema ».

Otro hallazgo emocionante, dijo Lin, fue el descubrimiento de un área estructural importante en TIM, llamada « surco », que ayuda a explicar cómo TIM ingresa al núcleo celular. Estudios previos habían identificado algunos factores involucrados en este proceso, pero el mecanismo exacto seguía sin estar claro. « Nuestra investigación proporcionó una comprensión más clara de este fenómeno », dijo Lin.