Un reloj circadiano ajustado correctamente, independientemente de la intensidad de la luz

¿Cómo son los relojes circadianos capaces de sincronizar con precisión el ciclo día / noche sin tener en cuenta las fluctuaciones extremas de intensidad de luz en el transcurso de un solo día o de un día para otro? El análisis matemático de los perfiles de actividad de dos genes centrales del reloj circadiano de una microscópica alga verde ha sido recientemente llevada a cabo por investigadores del Observatorio Océanologique de Banyuls (CNRS / UPMC), el Laboratoire de Physique des Lasers, Atomes, moléculas ( CNRS / Université Lille 1) y el Institut de Recherche Interdisciplinaire (CNRS / Universités Lille 1 y 2). Este estudio revela que el reloj circadiano es sólo sensible a la luz si no está sincronizado y debe ser reiniciado. Este trabajo ha sido publicado recientemente en la revista PLoS Computational Biology.

Día / noche alternancia induce variaciones periódicas en el ambiente (luz, temperatura) que la mayoría de organismos vivos, incluidos los seres humanos, gracias a anticipar lo que se conoce como un reloj circadiano interno o biológico. Estos relojes operar durante un período de cerca de la diurna ligereza / oscuridad ciclo. Los «tuercas y tornillos» de estos relojes son los genes que interactúan con el fin de modular su actividad mutuamente: por ejemplo, una «A» gen produce proteínas que activan una «B» del gen, que a su vez produce proteínas que, cuando están activos , inactivar la «A» del gen, y así sucesivamente. La actividad de estos genes por lo tanto oscila de forma espontánea, con una periodicidad cerca de 24 horas.En la célula, por lo que es posible tener una indicación de la hora que es mediante la medición de la concentración de estas proteínas y, por tanto su actividad.

Por esta oscilación bioquímica de ser de enganche de fase con el ciclo día / noche requiere uno de los cuerpos moleculares, por lo menos, ser sensible a la luz, sobre todo porque los principales acontecimientos periódicos, es decir, amanecer y el anochecer, varían a lo largo del año. Ciertas proteínas, por ejemplo, se degradan más rápidamente en la noche, mientras que otros se producen de forma más activa en la mañana. Sin embargo, la radiación solar puede fluctuar significativamente de día a día o incluso dentro del mismo día, dependiendo de la capa de nubes.Estas variaciones, por tanto, hacer que el reloj se queda sin sincronización de forma aleatoria, lo que hace que no funciona … es una colaboración entre biólogos y físicos ha presentado recientemente una simple mecanismo que explica este misterio.

Investigadores del Observatorio Océanologique de Banyuls (CNRS / UPMC) han analizado el reloj circadiano de la alga marina verde unicelular Ostreococcus Tauri (1), las principales propiedades de las cuales se puede explicar por un oscilador de dos genes. Se midió la actividad de estos dos genes y las proteínas que ellos producen a intervalos regulares (cada hora dos / tres) de más de 24 horas. Los investigadores del Laboratorio de Física de los láseres, los des Atomes, las moléculas (CNRS / Université Lille 1) y el Institut de Recherche Interdisciplinaire (CNRS / Universités Lille 1 y 2) a continuación, construido modelos matemáticos para tratar de reproducir la actividad de las curvas obtenidas. El modelo más simple se adapta perfectamente a los datos: los dos genes regular entre sí y constituyen un oscilador, que con precisión se bloquea en el ciclo de iluminación, a la que por lo tanto debe ser sensible.

Paradójicamente, este modelo matemático sólo con carácter excepcional, junto a la luz: el estudio muestra que el acoplamiento a la luz sólo se activa en momentos específicos del día. Fuera de estos tiempos, la luz no tiene ningún efecto sobre la síntesis y degradación de las proteínas medidos, y por tanto en sus concentraciones, ya que la información de luz no alcanza el oscilador. Pero eso no es todo! El momento en que el acoplamiento se activa, al menos cuando el reloj está colocado correctamente, coincide con un período de insensibilidad del oscilador a las perturbaciones externas. El oscilador de hecho, puede ser comparada con una oscilación que es empujado por un movimiento periódico. Dependiendo del momento en el swing es empujado, la acción puede frenar el movimiento, para acelerarla, o no tener efecto.

Gracias a esta sincronización inteligente, el reloj, cuando está correctamente configurado, es ciego para el ciclo día / noche y por lo tanto a las fluctuaciones ligeras vinculado a episodios nublados. Por otro lado, si el reloj no está sincronizado (por ejemplo en el caso de una diferencia de tiempo o más simplemente a través de un mal funcionamiento básico), el acoplamiento a la luz se produce en una fase diferente de la oscilación, y entonces puede actuar sobre el oscilador para restablecerla. Por tanto, es un simple mecanismo dinámico que explica la robustez de los relojes circadianos.

Los investigadores ahora comprobar si estos resultados pueden aplicarse a todos los relojes circadianos, especialmente en los seres humanos, donde algunos genes están involucrados quince. Los modelos existentes no toman en cuenta las fluctuaciones de luz en el día y de día en día. Al someter a tales perturbaciones, los científicos serán capaces de poner a prueba la robustez de estos modelos.

 

La evolución de la concentración de los productos de dos genes clave del reloj circadiano de la alga marina Ostreococcus Tauri como una función del tiempo


© Marc Lefranc

La evolución de la concentración de los productos de dos genes clave del reloj circadiano de la alga marina Ostreococcus Tauri como una función del tiempo. Se puede observar que se auto-regular (la concentración de uno aumenta mientras que la de la otra disminuye) y que sus cambios de concentración como una función del tiempo durante un ciclo de 24 horas.


 

Notas:

(1) – El alga verde unicelular Ostreococcus Tauri, descubierto en 1994 en la laguna de Thau, en Francia, es el más pequeño eucariota conocido y constituye un «modelo» organismo.

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