El temporalizador biológico reconstituido mantiene ciclos diarios durante días completos, lo que permite a los investigadores estudiar las interacciones de sus componentes – ScienceDaily

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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, y esto ocurre no solo en humanos y otros animales complejos, sino también 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 el control sobre la expresión génica. Investigadores de tres laboratorios de UC Santa Cruz, UC Merced y UC San Diego colaboraron en el estudio, publicado el 8 de octubre en Ciencias.

«La reconstrucción de 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 un 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 células vivas («in vivo») proporciona una plataforma poderosa para explorar los mecanismos del reloj y cómo responde a los cambios. El equipo realizó experimentos con células vivas para confirmar que sus resultados in vitro son consistentes con el funcionamiento del reloj en las 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 condiciones in vitro mucho más simples», dijo Andy 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 está formado por tres proteínas relacionadas: KaiA, KaiB y KaiC. En las células vivas, las señales del oscilador pasan 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 proteína quinasas (SasA y CikA), cuyas actividades se ven modificadas por la interacción con el oscilador, así como una proteína de unión al ADN (RpaA) y su ADN diana.

«SasA y CikA activan y desactivan respectivamente RpaA de una manera que se une y separa rítmicamente el ADN», explicó LiWang. «En las cianobacterias, esta unión y desprendimiento rítmicos en más de 100 sitios diferentes de su genoma activa y desactiva la expresión de numerosos genes importantes para 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 en un ritmo circadiano durante muchos días e incluso semanas. Este sistema permitió al equipo determinar cómo SasA y CikA mejoran la robustez del oscilador, manteniéndolo activo en condiciones en las que las proteínas KaiABC por sí solas 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, incluso si su reloj está intacto», dijo la coautora Susan Golden, directora del Centro de Biología Circadiana de la UC San Diego. Partch y LiWang también son miembros.

«La verdadera belleza de este proyecto es cómo el equipo de tres campus de la UC se unió para combinar enfoques para responder a cómo una célula puede decir la hora», agregó. La colaboración activa se ha extendido mucho más allá de los investigadores líderes, con estudiantes y postdoctorados capacitados en diferentes disciplinas que se comunican entre sí para compartir datos genéticos, biología estructural y biofísica, explicando la importancia de sus hallazgos entre sí. La comunicación fue tan importante para el éxito de el proyecto como las extraordinarias habilidades de los investigadores «.

Fuente de la historia:

Materiales proporcionados por Universidad de California – Santa Cruz. Original escrito por Tim Stephens. Nota: El contenido se puede cambiar por estilo y longitud.

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