Las células de nuestro cuerpo saben qué hora es

Por: Christian Molina Aguilar

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¿Sabías que las células de nuestro cuerpo saben cuándo es de día y cuándo es de noche? Este fenómeno se llama “ritmo circadiano” y es de gran importancia para regular desde procesos a nivel celular hasta el comportamiento de los seres vivos.

Antes de adentrarnos en los hechos, hagamos una analogía. De la misma manera en la que tú puedes leer la hora en tu reloj gracias a sus manecillas, los que investigamos los ritmos circadianos podemos también leerla en las células a través de sus procesos metabólicos, duplicación celular y defensa a daños, entre otros – el estado de estos procesos en un tiempo determinado es como sus manecillas. Ahora bien, aunque no lo ves, sabes que detrás del reloj hay una maquinaria hecha de engranes que permiten medir el tiempo; en el caso de las células, éstas cuentan con un mecanismo conocido como reloj molecular, una “maquinaria” formada por genes y proteínas que permiten medir el tiempo.

Los mecanismos moleculares que regulan el ritmo circadiano fueron descubiertos, entre otros, por los científicos Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash y Michael W. Young, trabajo por el que les fue otorgado el Premio Nobel de Medicina en 2017. Sin embargo, el estudio de la ritmicidad o ciclicidad de procesos biológicos como el sueño y la vigilia, la temperatura, la floración de plantas y la migración de especies, entre otros, ya había sido descrita por los griegos Aristóteles y Galeno, quienes los consideraban como una mera respuesta a cambios astronómicos y medioambientales, pero no fue sino hasta el año 1984 que comenzaron a comprenderse a nivel molecular los mecanismos que regulan los procesos circadianos.

Y así, fue en este año cuando Hall y Rosbash, en la Universidad de Brandeis, Boston, y Young, en la Universidad de Rockefeller, Nueva York, quienes trabajaban con la mosca de la fruta, aislaron el gen responsable de producir una proteína que se acumula en las células durante la noche y que se degrada durante el día. Decidieron llamar a este gen period y a su proteína PER, en honor a la ritmicidad que mostraba. Esta proteína ahora pertenece al llamado reloj molecular, y este descubrimiento dio inicio a un área de investigación que ha ido creciendo a pasos agigantados en las últimas décadas: el estudio de los ritmos circadianos.

Los ritmos circadianos son oscilaciones periódicas de variables biológicas con una duración cercana a las 24 h; y ahora se sabe que estos surgieron evolutivamente como una forma de anticiparse y responder a estímulos del medio ambiente. Algunos ejemplos de estos ritmos son los periodos de descanso y actividad, la temperatura corporal, la presión arterial, el gasto cardiaco, el consumo de oxígeno, el equilibrio de los fluidos, la secreción de glándulas endocrinas, transcripción génica e incluso la duración del ciclo celular.

También se sabe que cuando se altera el reloj molecular o cuando no tenemos horarios bien establecidos como los estímulos de luz/oscuridad o la ingesta de alimentos en los mismos horarios cada día, se puede favorecer la presentación de enfermedades tales como la obesidad, la presión arterial elevada y hasta el desarrollo de cáncer.

El reloj molecular está conformado por la transcripción y traducción de genes como el anteriormente mencionado period (llamado PER en humanos) y por otros como CRY, BMAL1, y CLOCK. Asimismo, aunque depende del tejido, la técnica usada y los horarios de toma de muestras, se ha calculado que del 4-25% del genoma humano presenta oscilación circadiana, y que los órganos que presentan mayor cantidad de genes con este patrón de expresión son el hígado, el riñón, los pulmones, el tejido adiposo, las glándulas adrenales, el corazón y algunas áreas cerebrales.

En la piel, que es nuestra primera barrera contra ataques de patógenos o daños químicos, también se presenta esta regulación circadiana, ya que la exposición al sol y los cambios de temperatura son inducidos y regulados por los periodos de luz y oscuridad (o de día y noche). En condiciones sanas, se ha demostrado que la piel presenta ritmicidad circadiana en procesos como la hidratación y/o pérdida de humedad a través de la piel, el flujo capilar sanguíneo e incluso la visibilidad de las arrugas.

Un ejemplo de la importancia que tiene el ciclo circadiano en los procesos que protegen a las células se da en los melanocitos. Éstos son las células pigmentadas de nuestra piel y las encargadas de producir melanina para proteger al ADN de daño inducido por la radiación ultravioleta, y también muestran ritmicidad circadiana durante su proliferación y maduración a partir de células progenitoras. Si por medio de procesos experimentales se disminuye o se evita la expresión de genes del reloj molecular en estas células, entonces se observa un incremento en la producción de pigmentación en un modelo in vitro con folículos de humano, demostrado por Hardman y cols en 2014. Esto nos sugiere que, al menos en estas células, alterar el ritmo circadiano podría tener un impacto en la producción de melanina y por ende en la protección del daño a ADN.

Estas observaciones, y muchas otras a través de los años,  sugieren que para descubrir  formas novedosas de evitar daño al ADN (e influir en otros procesos moleculares) en diferentes tipos de células debemos entonces estudiar y entender los procesos circadianos que las regulan. Si bien estos aún son poco claros, hay muchos grupos de investigación interesados en dilucidar y comprender cómo es que los mecanismos circadianos se relacionan con procesos fisiológicos y/o patológicos en la piel y otros tipos celulares. Es un área de investigación bastante activa que sin duda expandirá nuestro conocimiento biológico en los próximos años y ¡tal vez nos traiga alguna que otra sorpresa!

Entonces, la próxima vez que quieras desvelarte o que ignores tus periodos de descanso… ¡Recuerda los millones de células en tu cuerpo! Ellas te agradecerán una larga noche de sueño y un buen periodo de relajación.

 

Referencias:

Greene, M. W. Circadian rhythms and tumor growth. Cancer Lett. 318, 115–23 (2012).

Reppert, S. M. & Weaver, D. R. Coordination of circadian timing in mammals. Nature 418, 935–941 (2002).

Lévi, F., Okyar, A., Dulong, S., Innominato, P. F. & Clairambault, J. Circadian timing in cancer treatments. Annu. Rev. Pharmacol. Toxicol. 50, 377–421 (2010).

Zhang, R., Lahens, N. F., Ballance, H. I., Hughes, M. E. & Hogenesch, J. B. A circadian gene expression atlas in mammals: implications for biology and medicine. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 111, 16219–24 (2014).

 

Información sobre el autor: El Dr. Christian Molina Aguilar realizó sus estudios de licenciatura en Biología en la U.M.S.N.H. En el año 2017 obtuvo el grado de Doctor en Ciencias Biomédicas en el Instituto de Neurobiología-UNAM con estudios relacionados a los cambios generados por ritmos circadianos en el desarrollo de la cirrosis y cáncer de hígado. Actualmente se encuentra realizando una estancia postdoctoral en el LIIGH-UNAM enfocado en análisis genómicos y experimentales del cáncer de piel (melanoma). El Dr. Molina disfruta de ver partidos de la NFL, escuchar música y pasar tiempo en familia.